微細粒石英/赤鐵礦異步絮凝浮選分離研究

2022-03-28 15:20:00楊誠李明陽龍紅明王海川LiuQi

礦產保護與利用 2022年5期

楊誠，李明陽，龍紅明，王海川，Liu Qi

1.安徽工業大學冶金工程學院, 安徽馬鞍山 243002；

2.阿爾伯塔大學化學與材料工程學院，加拿大埃德蒙頓 T6G 2V4

引言

隨著礦產資源的大規模開發利用，貧、細、雜礦石的入選比例不斷上升，細粒浮選技術研究引起越來越多的重視[1]。細粒級（粒徑-10 μm 左右）礦物的浮選難度極大，主要是由于其自身質量小和表面能大等特性引起的。隨著粒度減小，礦物顆粒的浮選行為會發生根本改變。細粒級礦物比表面積大、表面能高，對浮選藥劑的非選擇性吸附嚴重，導致藥劑消耗量明顯增大，精礦品位降低；細粒級礦物的質量小、動量低，造成顆粒與氣泡的碰撞黏附概率低，致使選礦時間延長，回收率降低；另外，細粒礦物溶解度比粗粒礦物大，溶解組分通常會干擾浮選過程，使浮選指標惡化。金屬氧化物礦石在開采和粉碎過程中更容易發生過粉碎和泥化，加上自身溶解度大、可浮性差、藥劑選擇性低等特點，使得細粒浮選問題更為突出[2-5]。細粒級礦物的浮選回收是現代礦物加工領域面臨的重大科學難題。

改善細粒絮凝浮選指標的主要技術瓶頸在于兩方面：一方面在于絮凝劑的選擇性，絮凝過程干擾顆粒與目的礦物夾雜包裹是造成絮凝浮選指標不理想的主要原因，如果所用絮凝劑分子鏈強度大、絮團致密，后續作業很難再將已包裹的雜質顆粒通過解吸解團等操作去除[5-9]；另一方面，脫泥作業時目的礦物流失嚴重，導致浮選尾礦品位偏高、精礦回收率低，造成資源的嚴重浪費[10-15]。對于鐵礦反浮選，淀粉、羧甲基纖維素和瓜兒膠常用來選擇性絮凝氧化鐵礦，而DDA和殼聚糖用來選擇性絮凝石英[16-17]。聚氧化乙烯（PEO）是一種水溶性的聚合物，廣泛應用于造紙廠和油砂工業的廢物脫水。在選礦領域，PEO 還被發現可以降低精礦中石英的夾雜，提高硫化礦的分選效率[18]。

一直以來，細粒浮選的研究工作多集中在剪切條件下顆粒的疏水團聚、單一絮凝劑疏水顆粒絮凝-脫泥浮選方面，而在“異步雙絮凝”即多絮凝劑分別絮凝目的礦物和脈石礦物方面的研究較少。本文以聚氧化乙烯和淀粉為選擇性絮凝劑，探索了異步絮凝浮選在細粒赤鐵礦-石英浮選中的選擇性，同時對絮凝效果進行探討，對微細粒鐵礦的絮凝浮選分離具有一定的理論指導意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗樣品及藥劑

赤鐵礦和石英純礦物取自遼寧鞍山，選取純度較高的礦石經破碎磨礦后篩分，-10 μm 以下粒級用于浮選試驗。對制得的赤鐵礦和石英純礦物進行XRD 和XRF 分析，如圖1 和表1 所示，可以看出赤鐵礦和石英的純度均較高，赤鐵礦中僅含有極少量的石英，所制得樣品完全滿足試驗要求。

表1 赤鐵礦和石英化學成分分析Table 1 Chemical composition analysis of hematite and quartz

圖1 赤鐵礦(a)和石英(b)XRD 分析Fig. 1 XRD analysis hematite (a) and quartz (b)

利用激光粒度分析儀(MasterSizer 2000)對赤鐵礦和石英純礦物進行粒度分析，所得結果如圖2 所示，可以看出，赤鐵礦的d50=7.18 μm，而石英的d50=1.55 μm，赤鐵礦的粒度稍大于石英，兩者的粒度均小于10 μm，屬于微細粒難選礦物。

圖2 赤鐵礦和石英粒度分析Fig. 2 Size fraction analysis of hematite and quartz

十二胺(DDA)作為捕收劑兼起泡劑，氫氧化鈉和鹽酸做pH 調整劑，聚氧化乙烯(PEO)為石英絮凝劑，淀粉為赤鐵礦絮凝劑兼抑制劑，其中DDA、PEO、氫氧化鈉、鹽酸為分析純，淀粉為工業純。

1.2 試驗方法

1.2.1 浮選試驗

浮選試驗在XFG 5 變頻掛槽式浮選機(長沙順澤礦冶機械制造有限公司)中進行，試驗流程和設備如圖3 所示，在50 mL 去離子水中加入1.0 g 赤鐵礦和1.0 g 石英，攪拌1 min 后加入鹽酸或氫氧化鈉調節礦漿pH 值為8，繼續攪拌2 min 后加入一定量的PEO 攪拌2 min 后加入3 kg/t 的淀粉溶液并繼續攪拌2 min，再加入400 g/t 的DDA 并攪拌3 min，刮泡5 min，泡沫產品和槽內產品分別過濾稱重，利用化學分析法檢測產品中的Fe 品位，最后根據產品的產率和品位計算回收率。

圖3 人工混合礦浮選流程和浮選機Fig. 3 Artificial mixed-ore flotation flowchart and machine

1.2.2 沉降試驗

沉降試驗用來研究PEO、淀粉對赤鐵礦和石英的絮凝行為，取1.0 g 試樣置于100 mL 去離子水中，電磁攪拌器攪拌下調節礦漿pH，加入PEO 或淀粉維持攪拌5 min 后將礦漿轉移到100 mL 的沉降量筒中。固定沉降時間2 min，將上層50 mL 吸出，將剩余礦漿過濾干燥稱重，用差減法計算絮凝效果，懸浮物質量越低說明絮凝效果越好。

1.2.3 掃描電鏡分析

將1.0 g 赤鐵礦和1.0 g 石英置于100 mL 去離子水中，在電磁攪拌條件下，按照淀粉和PEO 用量分別為3 kg/t 和50 g/t，取1 mL 懸浮液于燒杯中，加入99 mL去離子水，攪拌混合均勻后取1 mL 懸浮液滴在SEM載物臺上，25 ℃下自然風干后用作掃描電鏡(Tescan Vega-3 SEM)分析。

2 試驗結果與討論

2.1 浮選試驗

在固定淀粉用量2 kg/t 條件下，考察了DDA 用量對浮選鐵精礦品位和回收率的影響，結果如圖4 所示。可以看出，精礦鐵品位隨DDA 用量增大而不斷升高，同時回收率呈現下降趨勢，DDA 用量為400 g/t 時精礦的品位和回收率分別為59.70%和79.65%，繼續將DDA 用量增加到500 g/t，雖然精礦的鐵品位升高到60.23%，但是回收率降低至72.06%，可見400 g/t 是DDA的最佳用量。

圖4 DDA 用量對鐵精礦品位和回收率的影響Fig. 4 Effect of DDA dosage on the grade and recovery of iron concentrate

在確定DDA 最佳用量400 g/t 的基礎上，考察了淀粉用量對浮選鐵精礦品位和回收率的影響。如圖5所示，精礦鐵品位隨淀粉用量的增加而緩慢下降，但回收率呈快速升高趨勢。當淀粉用量從2 kg/t 增大到3 kg/t 時，精礦的品位由59.70%微降低至59.23%，同時回收率從73.36%升高至79.65%，但當淀粉用量繼續增大至4 kg/t 時，精礦品位和回收率分別為59.02%和80.86%，可見繼續增加淀粉用量對分選指標的影響并不明顯，綜合考慮，選擇淀粉用量為3 kg/t。

圖5 淀粉用量對鐵精礦品位和回收率的影響Fig. 5 Effect of starch dosage on the grade and recovery of iron concentrate

圖6 為DDA 和淀粉用量分別為400 g/t 和3 kg/t時，不同PEO 用量與反浮選精礦品位和回收率的關系，可以看出，隨著PEO 用量的增加，鐵精礦回收率呈現先升高后降低的趨勢，在不添加PEO 時的回收率為79.6%左右，而當向礦漿中加入50 g/t 的PEO 時，鐵精礦的回收率升高至81.2%，同時品位升高至60.5%。繼續增加PEO 用量至100 g/t，鐵精礦品位升高了0.3百分點，而回收率降低至78.6%。可見，PEO 的加入對提高精礦品位是有利的，但是過高的PEO 會降低精礦回收率，在本研究中較合適的PEO 用量是50 g/t。

圖6 PEO 用量對鐵精礦品位和回收率的影響Fig. 6 Effect of PEO dosage on the grade and recovery of iron concentrate

絮凝劑的鏈長對絮凝效果有至關重要的影響，在PEO 用量為50 g/t 的條件下分別選取分子量為400 萬、800 萬、1 200 萬、1 600 萬、2 000 萬五種PEO，研究PEO 分子量與絮凝效果的之間的關系，試驗結果如圖7所示。從圖中可以看出，精礦回收率與PEO 分子量成反比，而精礦品位與之成正比，當PEO 分子量為800萬時精礦的回收率和品位分別為81.83%和60.41%，繼續增加PEO 的分子量，精礦品位變化不明顯，但是精礦的回收率顯著降低。這是因為PEO 分子鏈長增大有助于石英絮凝，但同時會增加石英絮團中赤鐵礦顆粒的夾雜，因此鐵精礦品位隨PEO 分子量的增大而增大。

圖7 PEO 分子量對鐵精礦品位和回收率的影響Fig. 7 Effect of PEO molecular weight on the grade and recovery of iron concentrate

2.2 沉降試驗

沉降試驗可以定量研究絮凝劑對礦石顆粒的絮凝效果，為此通過沉降試驗對比了PEO 和淀粉對赤鐵礦和石英的絮凝效果，結果分別如圖8 和圖9 所示。由圖8 可知，在不添加PEO 時，石英懸浮量為60%左右，而當PEO 用量為20 g/t 時，石英的懸浮量迅速降低至5%，說明PEO 對石英有十分明顯的絮凝作用；繼續增加PEO 用量，石英懸浮量呈現緩慢上升趨勢，這是由于礦漿中過多的PEO 會增大礦漿黏度，減弱了石英絮團的沉降速度造成的。另外，PEO 的加入未對赤鐵礦的沉降產生明顯影響，這說明PEO 對赤鐵礦的絮凝作用較弱，這與浮選結果是一致的。

圖8 PEO 用量對赤鐵礦絮凝效果的影響Fig. 8 Effect of PEO dosage on the flocculation effects of hematite

圖9 為淀粉對石英和赤鐵礦絮凝效果的影響，2 kg/t 淀粉的加入可以使赤鐵礦懸浮量由無淀粉時的52%迅速降低至6%左右，可見，淀粉不僅對赤鐵礦具有極強抑制作用，同時還兼有較強的絮凝作用。與之相對比可以看出，石英的懸浮量并未隨淀粉的加入有明顯變化，說明淀粉對石英沒有顯著的絮凝作用。綜合來看，PEO 對石英的選擇性絮凝效果明顯，而淀粉對赤鐵礦的選擇性絮凝較強，在先添加PEO 再添加淀粉的情況下可以實現對石英和赤鐵礦的異步絮凝，從而強化了微細粒石英和赤鐵礦的分選效果。

圖9 淀粉用量對石英絮凝效果的影響Fig. 9 Effect of starch dosage on the flocculation effects of quartz

2.3 絮凝產物SEM 分析

對赤鐵礦和石英混合物選擇性異步絮凝產物進行了SEM 分析，結果如圖10 所示。圖10(a)中可以看到有多個石英絮團，典型代表為圖中紅線區域中絮團直徑約40 μm 左右，這說明PEO 對石英的選擇性絮凝效果明顯。圖10(b)中可見多個赤鐵礦絮團，其中紅線區域絮團直徑在30 μm 左右，說明赤鐵礦和石英在礦漿中均發生了選擇性絮凝，且由絮團大小可以看出PEO對石英的絮凝效果好于淀粉對赤鐵礦的絮凝效果。

圖10 凝效果SEM 分析：(a) 石英+PEO，(b) 赤鐵礦+淀粉Fig. 10 SEM analysis on the flocculation effects: (a) quartz+PEO, (b) hematite+starch

對于常規絮凝浮選，當絮凝浮選中目的礦物和脈石礦物均為細顆粒時，若只對目的礦物絮凝，采用絮凝-脫泥工藝時，勢必造成部分目的礦物隨礦泥一起被脫除，從而降低精礦回收率；而單獨絮凝目的礦物時，未絮凝的脈石礦物仍處于高度細粒分散狀態，高表面能細粒脈石礦物勢必會吸附在已被絮凝的目的礦物表面，當采用絮凝-浮選工藝時，勢必會造成浮選選擇性降低，進而造成精礦品位難以提高。本文采用“異步雙絮凝”方案，即PEO 和淀粉分別作為石英和赤鐵礦的絮凝劑，別絮凝目的礦物和脈石礦物，很好地解決了以上兩個難題，兩種絮凝浮選的作用模型如圖11 所示。