乳化煤油在金紅石與石榴石浮選分離中的增效作用研究

李洪強(qiáng) 母順興 張艷清 李洪潮 宋少先

(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，武漢 湖北 430073；2.習(xí)水縣國土資源局，遵義 貴州 564600；3.中國北方稀土(集團(tuán))高科技股份有限公司，包頭 內(nèi)蒙古 014010；4.國土資源部鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，鄭州 河南 450006；5.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 湖北 430070)

原生金紅石礦是我國金紅石礦的主要工業(yè)類型，占金紅石資源總量的86%，金紅石砂礦僅占總儲量的14%[1]。我國原生金紅石礦主要以榴輝巖型存在，榴輝巖型金紅石礦的脈石礦物主要為石榴石、綠輝石。金紅石與石榴石的物理性質(zhì)相近，二者較難高效分離。金紅石與石榴石有相近的密度(分別為4.16 g/cm3和4.03 g/cm3)，重選方法不能實(shí)現(xiàn)二者的高效分離。雖然金紅石具弱磁性，石榴石具中等磁性，但金紅石晶格中存在鐵的類質(zhì)同象，表面易被鐵污染，導(dǎo)致其磁性增強(qiáng)，磁選分離也存在較大困難。因而浮選工藝技術(shù)就成為實(shí)現(xiàn)金紅石與石榴石高效分離研究的主要方向。

金紅石的捕收劑羧酸類及其皂捕收能力強(qiáng)，但浮選選擇性差[2]；膦酸類捕收劑如苯乙烯膦酸和烷胺二甲雙膦酸等浮選效果好，但藥劑成本高[3-4]；胂酸類捕收劑如芐基胂酸等浮選效果好，但其毒性大，污染環(huán)境。近年來，羥肟酸類捕收劑如C7-9羥肟酸、水楊羥肟酸等因選擇性好，價格相對較低，毒性相對較小而受到業(yè)界重視[5]，但其捕收能力和藥劑用量問題亟待解決。

煤油等烴油作為羥肟酸類捕收劑的輔助捕收劑添加時可增強(qiáng)捕收劑的捕收能力，提高目的礦物的回收率。周源等在某難選含金礦石的載體浮選研究中，采用丁基黃藥為主要捕收劑，磺化煤油為輔助捕收劑，明顯可以強(qiáng)化藥劑的協(xié)同效應(yīng)，提高藥劑的捕收能力[6]。朱申紅等開展了氟碳鈰礦浮選混合捕收劑的研究，考察了羥肟酸與異辛醇、煤油等混用作捕收劑時的浮選效果，結(jié)果表明，羥肟酸與煤油混用時，協(xié)同捕收效應(yīng)明顯[7]。孫宗華等進(jìn)行了攀枝花細(xì)粒鈦鐵礦疏水絮凝浮選工藝研究，證實(shí)添加非極性油是疏水絮凝分選的要素之一，添加非極性油對細(xì)粒鈦鐵礦浮選非常必要[8]。

在金紅石與石榴石浮選分離過程中，以選擇性好的羥肟酸為捕收劑，乳化煤油為輔助捕收劑，重點(diǎn)研究了乳化劑對煤油的增效作用，確定了金紅石和石榴石浮選高效分離的藥劑制度，利用乳化煤油與羥肟酸的協(xié)同效應(yīng)，提高了羥肟酸類藥劑的捕收能力，降低了藥劑用量，實(shí)現(xiàn)了藥劑成本的下降。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)藥劑

1.1 試驗(yàn)原料

海南某海濱沙礦的搖床重選金紅石精礦，再經(jīng)過瓷球磨、濕篩得到粒度為0.074～0.038 mm的金紅石單礦物試驗(yàn)樣。取江蘇東海某石榴石磁選精礦中的+0.149 mm粒級進(jìn)行干式磁選、振動磨礦、濕篩，得到粒度為0.074～0.038 mm的石榴石單礦物試驗(yàn)樣。金紅石和石榴石單礦物試樣的X射線熒光光譜分析結(jié)果見表1，X射線衍射(XRD)分析結(jié)果見圖1、圖2。

表1 單礦物X射線熒光光譜分析結(jié)果

圖1 金紅石單礦物試樣的XRD分析結(jié)果

圖2 石榴石單礦物試樣的XRD分析結(jié)果

由表1、圖1和圖2可知，本試驗(yàn)所用金紅石單礦物純度大于98%，石榴石單礦物純度大于92%，滿足純礦物浮選試驗(yàn)的要求。

1.2 試驗(yàn)藥劑

水楊羥肟酸(SHA，捕收劑)、甲基異丁基甲醇(MIBC，起泡劑)、硝酸鉛(活化劑)、煤油均為分析純試劑，乳化劑均為工業(yè)品，其中醚類非離子乳化劑TX-100為親水性的芐基酚聚氧乙烯醚，HLB值為14.5，酯類非離子乳化劑Span80為親油性較強(qiáng)的失水山梨醇脂肪酸酯，HLB值為4.5，水溶性比Span80大的Tween80為失水山梨醇脂肪酸酯環(huán)氧乙烷加成物，HLB值為15.0。

稱取一定量的煤油或SHA與水混合，再定量加入乳化劑得到100 mL煤油-乳化劑-水或者煤油-SHA-乳化劑-水的混合液，然后用高剪切攪拌機(jī)在10 000 r/min下攪拌1 min，得到不同乳化劑乳化的乳化煤油，濃度為1.0 g/L。

2 試驗(yàn)方法

2.1 單礦物浮選試驗(yàn)

單礦物浮選試驗(yàn)采用100 mL的 RK/FGC35型掛槽浮選機(jī)，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，每次試驗(yàn)的金紅石或石榴石單礦物質(zhì)量為3.00 g。試驗(yàn)時，先將礦漿攪拌2 min，然后順序加入鉛離子(礦漿中鉛離子濃度為1×10-4mol/L)、SHA、乳化煤油、MIBC(礦漿中的濃度為2.0×10-4mol/L)，每次加藥后攪拌3 min，浮選pH值為6.3附近。單礦物浮選刮泡3 min，每6 s刮泡1次，30 s加水1次。泡沫產(chǎn)品分別烘干、稱重，計(jì)算浮選精礦的上浮率。

2.2 混合礦浮選試驗(yàn)

金紅石和石榴石單礦物按質(zhì)量比1∶3混勻，獲得人工混合礦。試驗(yàn)采用100 mL的 RK/FGC35型掛槽浮選機(jī)，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，每次試驗(yàn)取3.00 g人工混合礦，先將礦漿攪拌2 min，然后順序加入鉛離子(礦漿中鉛離子濃度為1×10-4mol/L)、SHA、乳化煤油、MIBC(礦漿中的濃度為2.0×10-4mol/L)，每次加藥后攪拌3 min，浮選pH值為6.3附近。混合礦物浮選刮泡3 min，每6 s刮泡1次，30 s加水1次。泡沫產(chǎn)品分別烘干、稱重、化驗(yàn)，計(jì)算浮選精礦的回收率和品位。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 單礦物浮選試驗(yàn)

3.1.1 乳化劑種類試驗(yàn)

選取常見的3類乳化劑進(jìn)行對比試驗(yàn)，考察乳化劑種類對金紅石和石榴石可浮性的影響。試驗(yàn)固定乳化劑與煤油的質(zhì)量比為0.3%，礦漿中SHA的濃度為5.0×10-4mol/L，乳化煤油的濃度為50 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 乳化劑種類對金紅石和石榴石可浮性的影響

從圖3可以看出，添加未乳化的煤油，金紅石的上浮率為68.64%，低于添加乳化煤油情況，說明乳化劑在改善金紅石上浮率中不可缺少。3種乳化劑中以Tween 80的效果最好，金紅石的上浮率為94.95%，高于TX-100和Span80的75.22%和90.86%。無論是否使用乳化劑或使用何種乳化劑，石榴石的上浮率均低于5.00%，說明乳化煤油能選擇性提高金紅石的上浮率。

3.1.2 乳化煤油添加方式

SHA本身是陰離子表面活性劑，對煤油也具有一定的乳化能力，若SHA和乳化煤油混合一步添加，可減輕現(xiàn)場配藥工人的工作量，因而，考察乳化煤油的添加方式(即SHA與乳化煤油分步或一步添加)對金紅石可浮性的影響。

試驗(yàn)固定乳化劑與煤油的質(zhì)量比為0.3%，礦漿中SHA的濃度為5.0×10-4mol/L，乳化煤油的濃度為50 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 乳化煤油添加方式對金紅石可浮性的影響

從圖4可以看出，以TX-100為乳化劑，SHA與乳化煤油一步添加和分步添加時金紅石的上浮率分別為75.22%和92.13%；以Tween 80為乳化劑，SHA與乳化煤油一步添加和分步添加時金紅石的上浮率分別為94.95%和96.06%；以Span 80為乳化劑，SHA與乳化煤油一步添加和分步添加時金紅石的上浮率分別為90.86%和94.85%。表明與SHA和乳化煤油混合一步添加相比，SHA和乳化煤油分步添加更有利于金紅石的浮選。

3.1.3 乳化劑Tween80的添加量

基于以Tween80為乳化劑時金紅石的可浮性最好，因此，以Tween80為乳化劑進(jìn)行添加量試驗(yàn)。試驗(yàn)固定礦漿中SHA的濃度為5.0×10-4mol/L，乳化煤油的濃度為20 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 Tween80與煤油的質(zhì)量比對金紅石可浮性的影響

從圖5可以看出，Tween80與煤油的質(zhì)量比從0提高到3.0%，金紅石的上浮率從66.11%提高到95.12%，說明在固定礦漿中乳化煤油濃度的情況下，金紅石的上浮率隨著Tween80與煤油質(zhì)量比的提高而增大。Tween80在礦漿中的作用可能有2個方面：一方面，Tween80使煤油在水中更好地分散，Tween80用量增大，煤油分散得更充分、更穩(wěn)定[9]；另一方面，Tween80本身是表面活性劑，能與金紅石顆粒表面發(fā)生作用，使得金紅石上浮，藥劑用量越大浮選效果越好。

3.1.4 乳化煤油添加量與金紅石、石榴石的可浮性

以Tween80為乳化劑，Tween80與煤油的質(zhì)量比為3.0%，礦漿中SHA的濃度為5.0×10-4mol/L，考察礦漿中乳化煤油濃度對金紅石及石榴石可浮性的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 乳化煤油濃度對金紅石和石榴石可浮性的影響

從圖6可以看出，隨著乳化煤油用量的增大，金紅石的上浮率先上升后略微下降，礦漿中乳化煤油的濃度為30 mg/L時金紅石上浮率可達(dá)97.44%，說明乳化煤油的加入能有效提高金紅石的上浮率且最優(yōu)用量為30 mg/L。隨著礦漿中乳化煤油用量的增大，石榴石的上浮率也有明顯的升高。礦漿中乳化煤油的濃度為30 mg/L時石榴石的上浮率僅為7.10%，繼續(xù)增大至200 mg/L時，石榴石上浮率才到達(dá)90.31%，說明礦漿中乳化煤油的濃度為30 mg/L時，金紅石和石榴石浮選分離的選擇性非常理想。

3.2 混合礦浮選試驗(yàn)

3.2.1 乳化煤油用量試驗(yàn)

用人工混合礦模擬實(shí)際礦石進(jìn)行浮選試驗(yàn)，以檢驗(yàn)試驗(yàn)確定的藥劑在浮選分離金紅石和石榴石時的效果。試驗(yàn)固定礦漿中SHA的濃度為5.0×10-4mol/L，考察礦漿中乳化煤油(Tween80與煤油的質(zhì)量比為3.0%)濃度對金紅石和石榴石浮選分離效果的影響，結(jié)果見圖7。

從圖7可知，隨著乳化煤油用量的增大，金紅石精礦TiO2含量先顯著下降后降幅趨緩，TiO2回收率先顯著上升后升幅趨緩。綜合考慮，確定乳化煤油的用量為15 mg/L，對應(yīng)的精礦TiO2含量為62.19%，金紅石回收率為89.78%。

3.2.2 SHA用量試驗(yàn)

市場上SHA的售價高于煤油和Tween80，為了降低藥劑成本，希望能在有乳化煤油的情況下減少SHA的用量。SHA合適用量試驗(yàn)固定礦漿中乳化煤油(Tween80與煤油的質(zhì)量比為3.0%)的濃度為50 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖7 乳化煤油用量對金紅石和石榴石

圖8 SHA用量對金紅石和石榴石可浮性的影響

從圖8可以看出，當(dāng)SHA用量為5.0×10-4mol/L，精礦金紅石回收率為97.44%，TiO2含量為32.99%；SHA用量大幅降低至5.0×10-5mol/L時，精礦金紅石回收率小幅降低至89.73%，TiO2含量升高為46.77%。可見，礦漿中添加適量的乳化煤油，可大幅降低SHA的用量。

4 結(jié) 論

(1)單礦物浮選試驗(yàn)表明：經(jīng)Tween80乳化的煤油改善SHA浮選性能的效果最好；相比乳化煤油與SHA混合一步添加，分步添加的浮選效果更佳；增大乳化劑用量能提升金紅石的上浮率，乳化劑Tween80與煤油較好的質(zhì)量比為3.0%。提高礦漿中乳化煤油的濃度，能大幅度提高金紅石上浮率，但會影響SHA對金紅石和石榴石浮選的選擇性。

(2)人工混合礦浮選試驗(yàn)表明：以鉛離子為活化劑、SHA為捕收劑、乳化煤油為捕收增效劑、MIBC為起泡劑，浮選礦漿pH=6.3附近時，可實(shí)現(xiàn)金紅石與石榴石的高效分離。適當(dāng)增大乳化煤油用量，能大幅度降低SHA的消耗，從而減少藥劑成本。

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