預糊化木薯淀粉對微細粒赤鐵礦選擇性團聚特性研究

郭 穎 杜浩偉 李文博

(東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

在我國復雜難選鐵礦資源中,微細粒嵌布鐵礦石儲量豐富,需充分細磨以獲得合格的選別產品,此過程產生了大量微細粒鐵礦物[1-4]。東鞍山燒結廠在現階段的工藝改造中使用強磁機作為拋尾脫泥設備,大幅降低了作業尾礦品位,為選廠提高回收率起到了關鍵作用[5]。但隨著新采出礦石性質的變化及設備運轉年限的增加,東鞍山燒結廠的強磁拋尾作業也成為鐵流失的關鍵環節,對于微細粒級強磁給礦,尤其是粒度小于20μm的礦物顆粒,強磁選的回收效果仍有待改善,而此部分微細粒鐵礦物未能有效回收也正是強磁尾礦品位偏高的根本原因[6-7]。因此,開展強化細粒級鐵礦物強磁選回收的試驗研究對深化提質降雜、強化減排增效的意義重大。

微細粒弱磁性鐵礦物具有粒度小、比表面積大、比磁化系數小的特點,強磁分選中難以被捕獲,為此提出了選擇性團聚分選工藝,其中有機高分子絮凝分選工藝的研究和應用較為廣泛[6,8-10]。牛福生等[7]研究了木薯、玉米及馬鈴薯淀粉經改性后對赤鐵礦單礦物的絮凝效果,以絮團的平均粒徑和分形維數表征淀粉絮凝性能,并研究了赤鐵礦與淀粉的作用機理,結果表明赤鐵礦與淀粉分子之間存在化學吸附和氫鍵的作用。李文博等[10]采用改性聚丙烯酰胺團聚處理弓長嶺選礦廠強磁給礦,選擇性聚團—濕式強磁選與直接強磁選相比,精礦鐵回收率提高了5.39個百分點,提高了強磁選作業的回收率。程紹凱等[11]在交聯玉米淀粉作絮凝劑、水玻璃作分散劑的基礎上,通過橋聯團聚—強磁工藝處理東鞍山的弱磁尾礦,獲得了鐵品位46.70%、鐵回收率72.66%的磁選精礦。蘇興國等[12]以東鞍山鐵礦石為研究對象、DLZ為絮凝劑,開展了細粒鐵礦物回收利用新技術的研究,獲得了磁選精礦鐵品位47.15%、鐵回收率71.24%的分選指標。因此,有機高分子選擇性絮凝技術可以實現微細粒鐵礦的有效團聚,增大鐵礦物顆粒的體積,通過磁選使其富集。

本文在現有工作的基礎上,以預糊化木薯淀粉為絮凝劑、水玻璃為分散劑,探究了木薯淀粉用量、礦漿pH值以及攪拌轉速對赤鐵礦和石英兩種單礦物體系的絮凝性能。并基于單礦物試驗,采用選擇性團聚—強磁選工藝,強化回收東鞍山燒結廠強磁給礦,考察了木薯淀粉用量、礦漿pH值以及攪拌轉速對分選指標的影響。

1 試驗礦樣與方法

1.1 礦樣分析

單礦物團聚—沉降試驗中赤鐵礦單礦物TFe品位為67.95%,石英中SiO2含量為98.55%,所用單礦物純度較高。采用激光粒度儀分析赤鐵礦與石英單礦物的粒度特征,其粒度分布曲線如圖1所示,粒度特征參數如表1所示。可以看出,赤鐵礦和石英單礦物的粒度均集中分布在10μm左右,微細顆粒在礦樣中占比較大。

圖1 赤鐵礦與石英單礦物的粒度分布曲線Fig.1 Grain size distribution curve of hematite and quartz

表1 赤鐵礦與石英單礦物的粒度特征參數Table 1 Grain size characteristic parameters of hematite and quartz

實際礦取自東鞍山燒結廠強磁給礦,其化學成分和XRD分析結果分別見表2和圖2。礦樣的TFe含量為27.43%,主要以赤鐵礦、菱鐵礦和磁鐵礦的形式存在,雜質SiO2的含量為55.79%,有害元素S、P的含量較少。

圖2 礦樣XRD分析圖圖譜Fig.2 XRD pattern of ore sample

表2 礦樣化學成分分析結果Table 2 Chemical composition analysis results of ore samples %

為了進一步了解礦樣中有用鐵礦物的粒級分布,對礦樣進行了粒度組成分析,結果如表3所示。

由表3可知,粒度小于 0.038 mm的含量占81.80%、鐵分布率為89.58%,由此可知物料中的有用鐵礦物主要分布在細粒級顆粒中。

表3 礦樣粒度組成結果Table 3 The results of particle size composition of ore samples

1.2 試驗方法

1.2.1 赤鐵礦和石英單礦物團聚—沉降試驗

單礦物團聚—沉降試驗采用IKA-RW20型攪拌器進行攪拌調漿,稱取赤鐵礦和石英的單礦物各20 g,分別放入150mL的燒杯中,并加入120mL去離子水,添加20 mg/L的水玻璃使單礦物顆粒分散,并以初始攪拌速度700 r/min攪拌預處理5min;然后調節攪拌機轉速,同時滴加NaOH溶液調整礦漿pH值,攪拌3min;添加一定量的預糊化木薯淀粉絮凝劑,攪拌5 min使單礦物顆粒充分聚團;把礦漿轉移至250 mL的具塞量筒中,定容至200 mL;量筒上下顛倒8次,使礦物充分懸浮,然后靜置1 min,用虹吸法抽取100 mL上層清液;對上、下層礦漿過濾、烘干、稱重,試驗流程如圖3所示。

圖3 赤鐵礦與石英單礦物團聚—沉降試驗流程Fig.3 Flow chart of hematite and quartz single mineral reunion sedimentation test

1.2.2 實際礦樣選擇性團聚—強磁選試驗

選擇性團聚預處理過程中礦漿濃度為30%,采用XJT-Ⅱ型浸出攪拌機進行攪拌調漿,首先加入水玻璃使礦物顆粒充分分散,以1 990 r/min的轉速攪拌5 min;然后調低攪拌機轉速,同時滴加NaOH溶液調整礦漿pH值,攪拌3 min;添加一定量的預糊化木薯淀粉,攪拌5 min,使強磁給礦礦物顆粒充分聚團。采用SSS-Ⅱ-80×90型高梯度強磁選機進行選別,對磁選精礦和尾礦過濾、烘干、稱重、化驗,以磁選精礦鐵品位和回收率指標評價分選效果,試驗流程如圖4所示。

圖4 選擇性團聚—強磁選試驗流程Fig.4 The flow chart of selective reunion-high intensity magnetic separation test

1.2.3 光學顯微鏡團聚形態分析

礦物團聚形態特征分析采用重慶奧特BDS200生物顯微鏡進行觀察分析。首先分別取適量未添加預糊化木薯淀粉調漿和添加預糊化木薯淀粉調漿的赤鐵礦單礦物和強磁給礦樣品,稀釋到適宜濃度,將其滴加在載玻片上,分別放大600倍、1500倍和500倍,然后采用顯微鏡進行觀察分析。

1.2.4 掃描電鏡(SEM)分析

礦物團聚前后微觀形貌分析采用德國ULTRA PLUS型場發射掃描電子顯微鏡進行觀測分析。首先分別取適量未添加預糊化木薯淀粉調漿和添加預糊化木薯淀粉調漿的強磁給礦礦漿樣品,稀釋后將其滴加在儀器的載物座上,待自然干燥后噴金處理,然后通過掃描電鏡(SEM)進行觀測分析。

2 試驗結果與分析

2.1 赤鐵礦和石英單礦物選擇性團聚—沉降試驗

2.1.1 預糊化木薯淀粉用量對團聚效果的影響

預糊化木薯淀粉用量是影響赤鐵礦團聚效果的重要因素。在水玻璃用量為20 mg/L、pH 值為 10.0、攪拌轉速為500 r/min的條件下,分別考察了預糊化木薯淀粉用量對赤鐵礦和石英單礦物團聚沉降性能的影響,試驗結果如圖5所示。

圖5 預糊化木薯淀粉用量對赤鐵礦和石英團聚效果的影響Fig.5 The effect of the dosage of pregelatinized cassava starch on reunion of hematite and quartz

由圖5可知,隨著淀粉用量的增加,赤鐵礦單礦物的沉降率逐漸增大。當木薯淀粉用量由0增至7.5 mg/L時,赤鐵礦沉降率由76.87%增至98.59%,淀粉用量對石英沉降效果的影響較小,沉降率波動在2個百分點以內。這說明預糊化木薯淀粉能促進赤鐵礦聚團,且對石英基本不會產生團聚作用,該藥劑具有良好的團聚效果和選擇性能。因此,確定適宜的絮凝劑用量為7.5 mg/L。

2.1.2 礦漿pH值對團聚效果的影響

礦漿pH值通過改變礦物表面的荷電性質,進而影響淀粉在礦物表面的吸附[10]。因此,進一步考察了礦漿pH值對赤鐵礦和石英單礦物的團聚沉降性能的影響。在淀粉用量為7.5 mg/L、水玻璃用量為20 mg/L、攪拌轉速為500 r/min的條件下,研究了礦漿pH值對赤鐵礦和石英單礦物團聚效果的影響,試驗結果如圖6所示。

圖6 礦漿pH值對赤鐵礦和石英團聚效果的影響Fig.6 The effect of pulp pH on reunion of hematite and quartz

由圖6可以看出,礦漿pH值對赤鐵礦的團聚效果影響較大,在pH值由4.0增大到10.0的過程中,赤鐵礦的沉降率不斷上升,由94.27%增至98.49%,繼續增加pH值,沉降率略有下降。這是由于溶液中的OH-與赤鐵礦表面的Fe3+形成鐵的羥基絡合物,這些羥基絡合物能夠與預糊化木薯淀粉中的羧基形成氫鍵,促進赤鐵礦的團聚[13]。對于石英團聚體系,礦漿pH值在4.0～10.0時,木薯淀粉對于石英基本沒有團聚作用,當pH值增大到12.0時,石英的沉降率有所增加,這說明在pH值為12時,預糊化木薯淀粉對石英有團聚作用。因此,確定適宜團聚的礦漿pH值為10.0。

2.1.3 攪拌轉速對團聚效果的影響

一定強度的攪拌動能輸入將有助于提高礦物的碰撞概率,促進礦物絮團的形成,因此,考察了攪拌轉速對赤鐵礦和石英單礦物的團聚沉降性能的影響。在淀粉用量為7.5 mg/L、水玻璃用量為20 mg/L、pH值為10.0的條件下,探究了攪拌轉速對赤鐵礦和石英單礦物的團聚效果的影響,試驗結果如圖7所示。

由圖7可以看出,當攪拌轉速從400 r/min增至500 r/min時,赤鐵礦的沉降率逐漸增大,達到最大值98.54%;繼續增大攪拌轉速,赤鐵礦的沉降率明顯降低。隨著攪拌轉速的增大,石英的沉降率基本保持不變,維持在58%左右。因此,確定適宜的團聚攪拌轉速為500 r/min。

圖7 攪拌轉速對赤鐵礦和石英團聚效果的影響Fig.7 The effect of stirring speed on reunion and sedimentation of hematite and quartz

2.2 實際礦物選擇性團聚—強磁選試驗

以赤鐵礦和石英單礦物的團聚—沉降試驗為基礎,探究了預糊化木薯淀粉對實際礦物的團聚分選效果,確定了適宜的團聚預處理參數。固定高梯度強磁選操作條件為:磁選背景磁感應強度0.8 T,介質為棒徑2mm、填充率13%的交錯排布圓棒,磁選機脈動沖次170次/min、沖程11.4mm,磁選沖洗水流量120 mL/s。分別考察了預糊化木薯淀粉用量、礦漿pH值及攪拌轉速對分選指標的影響。

2.2.1預糊化木薯淀粉用量試驗

在水玻璃用量為500 g/t、礦漿 pH 值為 9.0、攪拌轉速為900 r/min的條件下,研究了預糊化木薯淀粉用量對強磁分選指標的影響,試驗結果如圖8所示。

圖8 預糊化木薯淀粉用量對分選指標的影響Fig.8 The effect of the dosage of pregelatinized cassava starch on separation index

由圖8可知,當預糊化木薯淀粉的用量從0增加到100 g/t時,磁選精礦鐵品位逐漸下降,由48.27%降至46.78%,降低了1.49個百分點;鐵回收率和選礦效率則有所升高,回收率由67.57%增至72.65%,整體提高了5.08個百分點,選礦效率由48.04%增至49.16%。繼續增加淀粉的用量,鐵品位波動較小,但回收率及選礦效率均有所下降。這是因為預糊化木薯淀粉對微細粒赤鐵礦的團聚作用,增大了其表觀粒徑從而提高了選礦回收率,當礦物顆粒絮團的表觀尺寸繼續增大時,礦物顆粒受到的流體黏性力也急劇增加,難以被磁介質捕捉,導致磁選精礦鐵回收率下降[13];同時團聚過程中部分石英顆粒的夾雜導致磁選精礦鐵品位降低。綜上,確定適宜的預糊化木薯淀粉用量為100 g/t。

2.2.2 礦漿pH值試驗

在預糊化木薯淀粉用量為100 g/t、水玻璃用量為500 g/t、攪拌轉速為900 r/min的條件下,研究了礦漿pH值對強磁分選指標的影響,結果如圖9所示。

圖9 礦漿pH值對分選指標的影響Fig.9 The effect of pulp pH value on separation index

由圖9可知,當礦漿pH值從7.0增至10.0時,磁選精礦的鐵品位變化不大,但鐵回收率逐漸增加。其原因可能為礦物表面的活性位點增加,淀粉在其表面產生較多的氫鍵吸附,且吸附量逐漸增加,從而導致鐵回收率逐漸升高。繼續增加礦漿pH值,鐵回收率逐漸下降。由此確定最佳礦漿pH值為10.0。

2.2.3 攪拌轉速試驗

在淀粉用量為100 g/t、水玻璃用量為500 g/t,礦漿pH值為10.0的條件下,研究了攪拌轉速對強磁分選指標的影響,試驗結果如圖10所示。

圖10 攪拌轉速對分選指標的影響Fig.10 The effect of stirring speed on separation index

由圖10可知,隨著攪拌轉速從450 r/min增大到900 r/min,磁選精礦鐵品位、回收率及選礦效率均有所升高。繼續增大攪拌轉速,鐵品位略有降低,回收率及選礦效率迅速下降。由此說明,適當增加攪拌強度,可以增強淀粉與赤鐵礦的碰撞,促進淀粉在赤鐵礦表面的吸附,有利于團聚體的形成,但是當攪拌強度過大時,形成的絮團會被高強度的機械攪拌破壞[7]。因此,確定最佳攪拌轉速為900 r/min,此時磁選精礦鐵品位為47.41%、鐵回收率為72.39%。

通過對以上團聚作業操作參數試驗研究,確定了適宜的藥劑用量為100 g/t,礦漿pH值為10.0,攪拌轉速為900 r/min,此時分選指標較高。

2.3 團聚前后礦物顆粒形態對比分析

采用光學顯微鏡觀測了團聚前后礦物顆粒的微觀形貌,結果如圖11所示。

圖11 團聚前后礦物顆粒形態對比Fig.11 Micro morphology of mineral particles before and after flocculation

從圖11(a)和(b)可知,團聚前赤鐵礦顆粒在礦漿中均勻分散,且顆粒粒度較小,為相對獨立存在,而添加預糊化木薯淀粉后,赤鐵礦顆粒間發生了明顯團聚,出現塊狀和長鏈狀絮團。由圖11(c)和(d)可知,加藥團聚前樣品中赤鐵礦和石英顆粒呈均勻分散狀態,添加預糊化木薯淀粉后,礦漿中赤鐵礦發生了選擇性團聚,細粒磁鐵礦含量明顯減少,石英顆粒基本不產生聚團。說明該藥劑的選擇性團聚效果較好,能強化細粒赤鐵礦的回收。

進一步通過掃描電鏡觀察了加藥前后強磁給礦樣品的微觀形貌,結果如圖12所示。

圖12 團聚前后礦物微觀形貌圖Fig.12 Micromorphology of the minerals before and after flocculation by SEM

從圖12可知,未添加淀粉時,礦物顆粒主要呈分散狀態,而添加淀粉后,微細粒赤鐵礦產生團聚并附著在大顆粒上,石英顆粒未發生團聚。

3 結 論

(1)試驗礦樣TFe含量為27.43%,FeO的含量為3.05%,SiO2含量為55.79%。有用鐵礦物主要包括赤鐵礦、磁鐵礦和菱鐵礦,其中赤鐵礦分布率高達90.28%。

(2)赤鐵礦與石英單礦物團聚—沉降試驗結果表明:在預糊化木薯淀粉用量7.5 mg/L、礦漿pH值10.0,攪拌轉速500 r/min的適宜條件下,淀粉對赤鐵礦有較好的團聚效果,而對石英基本上無絮凝作用,預糊化木薯淀粉具有良好的團聚作用與選擇性能。

(3)實際礦選擇性團聚—強磁選試驗結果表明:在預糊化木薯淀粉用量100 g/t、礦漿 pH 值 10.0、攪拌轉速900 r/min的適宜條件下對礦漿進行團聚預處理,經強磁選后,獲得精礦鐵品位47.41%,鐵回收率72.39%的分選指標。

(4)添加預糊化木薯淀粉后,微細粒赤鐵礦物顆粒產生了良好的選擇性團聚,表觀粒徑明顯增大,強化了微細粒赤鐵礦的磁選回收。