點(diǎn)石成“金”術(shù)
——浮選*

高雅溫，張國(guó)范，馮其明，石晴

中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

人們匆匆行走在繁華都市中時(shí)，很少會(huì)停下來思考地球上的原始資源是如何被人們利用的。例如：煤、金屬以及非金屬類礦物……這些來自大自然的饋贈(zèng)，在成為工業(yè)原料之前，往往經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而復(fù)雜的工業(yè)加工過程，包含地質(zhì)勘探、采礦、選礦、冶金和材料加工等一系列連續(xù)工藝流程。其中，冶金的目的是將礦石中有價(jià)值的元素提取出來作為后續(xù)工業(yè)的原料。該過程往往對(duì)被處理物料的品質(zhì)有較高的要求，比如有價(jià)元素的含量、雜質(zhì)元素的含量等，而采礦工業(yè)過程開采出來的礦石常常不能滿足這些要求，這就需要兩者之間加入選礦工藝來解決這個(gè)問題，因此選礦是連接采礦與冶金的中間環(huán)節(jié)。

在地殼中，可以利用的金屬資源常以某種化合物的形式存在，我們稱之為礦物。多種礦物集合在一起并且達(dá)到某種含量要求使之具有經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值的集合體，稱之為礦石。選礦是將礦石中需要利用的礦物分離出來的過程，以滿足后續(xù)冶金工藝對(duì)原料的要求。常見選礦技術(shù)有重選、磁選、浮選和化學(xué)選礦等，浮選則是選礦中具有代表性的一種分離技術(shù)。那么浮選是什么？它是怎樣實(shí)現(xiàn)礦物分離的呢？

浮選是利用礦物表面物理化學(xué)性質(zhì)的差異，常用添加浮選藥劑的方法來擴(kuò)大礦物顆粒間潤(rùn)濕性的差別，有選擇性地富集一種或幾種目的物料，從而達(dá)到與廢棄物料分離的一種選別技術(shù)。人類對(duì)浮選的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了上百年不斷的摸索。浮選最早在工業(yè)中的應(yīng)用是將礦石與大量的油、水一起攪拌，使某些易吸附油的顆粒隨油一起上浮，之后在油、水中分離出不同產(chǎn)物，但這種方法分選效率低，逐漸被其他更先進(jìn)的浮選分離方法取代[1]。在20世紀(jì)初開始出現(xiàn)了現(xiàn)代浮選法的雛形——泡沫浮選法，選礦的發(fā)展從此翻開了嶄新的一頁，工業(yè)生產(chǎn)開始變得越來越高效，再加上新型、高效浮選藥劑的開發(fā)及浮選設(shè)備的大型化和多樣化，浮選應(yīng)用范圍和規(guī)模越來越大?，F(xiàn)今全世界每年用浮選處理的礦石量已達(dá)數(shù)十億噸[2]。

泡沫浮選法看似簡(jiǎn)單卻又十分神秘，僅在藥劑、氣泡的存在下就使有用礦物從混雜的礦漿中“脫穎而出”，并且在冶煉加工后成為產(chǎn)品進(jìn)入大眾生活。下面我們來看看浮選是如何實(shí)現(xiàn)礦物間有效分離的。

在浮選分離之前，從采礦場(chǎng)開采出來的礦石需要粉碎，其目的是為了將共生在一起的礦物碎解成單個(gè)的顆粒，這個(gè)過程稱之為單體解離。實(shí)現(xiàn)單體解離的礦石被運(yùn)輸?shù)綌嚢柰皟?nèi)進(jìn)行加藥調(diào)漿，浮選分離過程正式開始了。

現(xiàn)代的泡沫浮選，我們可以形象地比作一個(gè)交通運(yùn)輸系統(tǒng)。在浮選整個(gè)過程中，氣泡充當(dāng)了“交通工具”，疏水性是一張“車票”，具有疏水性的礦物顆?？梢源畛藲馀葸@個(gè)交通工具上浮到礦漿表面，然后進(jìn)入到泡沫槽內(nèi)，而表面沒有疏水性的顆粒只能停留在礦漿內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)分離。

調(diào)漿攪拌的過程需加入一些藥劑，如捕收劑、抑制劑、起泡劑等，不同的藥劑承擔(dān)著不同的功能。捕收劑是最為關(guān)鍵的藥劑，它賦予目的顆?！败嚻薄?，使某些顆粒具有疏水性。這種有機(jī)藥劑分子具有異極性的結(jié)構(gòu)，分子的一端含有疏水基團(tuán)，而另一端具有親水基團(tuán)。親水基團(tuán)使得捕收劑具有靶向功能，能指導(dǎo)捕收劑有選擇性地吸附在我們想要浮選的礦物顆粒表面。吸附在礦物表面的捕收劑會(huì)形成親水基朝向固體表面，疏水基朝向水溶液的吸附層，這樣使得礦物表面由親水轉(zhuǎn)變成疏水，從而使得目的礦物獲得了“車票”。捕收劑吸附過程中的選擇性往往不會(huì)如此完美，這時(shí)就需要抑制劑了。抑制劑作為“檢票者”，需確保脈石礦物顆粒拿不到“車票”留在礦漿中。起泡劑類似于“交通工具”氣泡的制造原料，用于維持氣泡的正常工作。除了這三類藥劑外，為了使得這個(gè)系統(tǒng)更加高效，往往還需要添加其他的藥劑，如改善捕收劑吸附的活化劑、改變礦漿中顆粒分散與集聚狀態(tài)的分散劑、改變礦漿pH值的調(diào)整劑等。

經(jīng)過攪拌桶調(diào)漿后的礦漿，進(jìn)入到浮選機(jī)中。浮選機(jī)內(nèi)氣泡持續(xù)而穩(wěn)定地產(chǎn)生，將表面疏水的目的礦物帶到礦漿表面，形成具有一定穩(wěn)定性的泡沫，最后上層泡沫被刮板刮出，表面親水的礦物顆粒則留在礦漿內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)不同表面性質(zhì)的礦物的分離(圖1)。

圖1 浮選槽內(nèi)的浮選過程(F——λ料；K——泡沫精礦；T——尾礦；○——空氣；· ——礦粒。圖片來自《選礦學(xué)》[7])

近年來，隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，我國(guó)礦產(chǎn)資源的特點(diǎn)日益向著“貧、細(xì)、雜、難”的方向發(fā)展。為解決這一現(xiàn)狀，廣大選礦科技工作者不斷研發(fā)新的浮選技術(shù)。目前針對(duì)粗粒礦物不易懸浮、與氣泡碰撞幾率小的特點(diǎn)，研發(fā)了泡沫中分選(SIF)技術(shù)[3]；針對(duì)細(xì)粒礦物質(zhì)量小、動(dòng)量小、比表面積大、與氣泡碰撞、黏附幾率小的特點(diǎn)，研發(fā)了載體浮選技術(shù)[4]、選擇性絮凝分選技術(shù)和浮選柱分選技術(shù)[5]；針對(duì)微細(xì)粒礦物活化能較高、易形成水化膜的特性，研發(fā)了剪切絮凝浮選技術(shù)針[6]。針對(duì)礦石的不同性質(zhì)，采用新的浮選工藝進(jìn)行選別，在提高分選效率的同時(shí)又降低了浮選成本。浮選技術(shù)的不斷進(jìn)步，浮選條件的不斷優(yōu)化，分離效果的不斷提高，能夠使我們?cè)讷@取“金山、銀山”的同時(shí)擁有“綠水、青山”。

目前，中南大學(xué)309課題組主要浮選研究方向?yàn)椋?/p>

(1)硫化銅鎳礦選礦。針對(duì)以滑石、綠泥石、蛇紋石為主要脈石的硫化銅鎳礦，重點(diǎn)研究其固-液界面性質(zhì)特征，以及含鎂層狀硅酸鹽礦物與硫化礦物顆粒間的相互作用機(jī)制，形成了含鎂層狀硅酸鹽礦物選擇性抑制與分散的調(diào)控方案，開發(fā)出了“低品位硫化銅鎳礦強(qiáng)化浮選技術(shù)”與“高強(qiáng)度調(diào)漿預(yù)處理浮選硫化銅鎳礦新技術(shù)”。研究結(jié)果在云南金平鎳礦、哈密天隆鎳礦、金川銅鎳礦等得到推廣應(yīng)用。

(2)復(fù)雜多金屬硫化礦選礦。針對(duì)低品位、難處理硫化銅鉬(鈷)、銅鋅礦選礦中銅硫分離堿度高、銅礦物與脈石礦物難浮選分離、精礦產(chǎn)品中金屬互含高及砷含量高等技術(shù)問題，開發(fā)出了高效選擇性捕收劑與有機(jī)抑制劑。采用快速-載體浮選新工藝，實(shí)現(xiàn)了低堿度銅硫高效浮選分離，提高了銅鉬的選礦指標(biāo)，降低了精礦產(chǎn)品中金屬互含與砷含量。研究結(jié)果在德興銅礦、大紅山銅礦及云南華聯(lián)鋅銦銅礦等得到推廣應(yīng)用。

(3)氧化鉛鋅礦選礦。針對(duì)砂巖型及灰?guī)r型氧化鉛鋅礦，重點(diǎn)研究了菱鋅礦、異極礦等氧化鋅礦物在各種浮選體系下的浮選行為，以及氧化鋅礦物與方解石、石英在不同溶液化學(xué)環(huán)境下的浮選分離機(jī)制，開發(fā)出了“氧化鋅礦原漿浮選技術(shù)”。

(4)鋁土礦選礦。針對(duì)一水硬鋁石沉積型及堆積型鋁土礦，重點(diǎn)研究了符合捕收劑體系下一水硬鋁石疏水聚團(tuán)理論、鋁土礦選擇性解離機(jī)制及礦物間可浮性差異，為構(gòu)建鋁土礦正浮選脫硅工藝奠定了基礎(chǔ)。在技術(shù)開發(fā)方面，形成了以復(fù)合捕收劑疏水聚團(tuán)為基礎(chǔ)的鋁土礦“選擇性磨礦-聚團(tuán)浮選工藝”及“選擇性解離-聚團(tuán)浮選工藝”。研究結(jié)果在中州鋁廠、山西鋁廠等得到推廣應(yīng)用。

浮選的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，其看似簡(jiǎn)單的過程往往包含著復(fù)雜的原理。隨著人類社會(huì)的科技進(jìn)步，浮選應(yīng)用也得到不斷的發(fā)展。目前浮選不僅應(yīng)用于選礦領(lǐng)域，在化工、建材、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。相信在將來，浮選技術(shù)會(huì)發(fā)揮更大的作用。

(2018年5月14日收稿)