離心選礦機提純硅藻土的中試研究

楊小平，孫志明，毛 俊，鄭水林

（中國礦業(yè)大學(xué) （北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

硅藻土是由大小僅幾微米至幾十微米的單細胞植物硅藻連結(jié)而成的具有多種形態(tài)的群體，沉積于水底，夾雜著黏土、石英等礦物，經(jīng)過億萬年的積累和地質(zhì)變遷而成為的非金屬礦產(chǎn)。由于硅藻獨特的細胞壁結(jié)構(gòu)，使得硅藻土具有特殊的理化性能，廣泛用于化工、環(huán)保、建材、農(nóng)業(yè)和工業(yè)過濾等領(lǐng)域[1－2]。地球上這種不可再生的資源，隨著工業(yè)的發(fā)展，需求量逐年增加[3]。雖然我國硅藻土資源豐富，但天然優(yōu)質(zhì)的硅藻土礦正在枯竭。中低品位的硅藻土雖然儲量大，但因為含有雜質(zhì)，使得這類原土的使用受到了限制，除非進行選礦提純加工，以富集硅藻，剔除黏土類礦物、石英、金屬氧化物礦物和有機質(zhì)等。也正是由于硅藻微觀結(jié)構(gòu)的特殊性，給硅藻土礦的提純帶來了很多困難。

硅藻土的提純方法很多[4]，主要有干法分級[5]、濕法重選[5－7]、酸浸[8－11，15]、磁選[12－13]、浮選[14]、焙燒[15]以及多種方法的聯(lián)合提純工藝[15－17]。 特別是酸浸法，因為對環(huán)境的污染太大，基本不允許投建。硅藻土的用途不同，加工的工藝和難易程度也不一樣，其中濕法重選是最簡單、最環(huán)保和最經(jīng)濟的一種方法，它的基本原理是根據(jù)礦物粒度和硬度不同，原土通過添加水和分散劑進行擦洗，以增強蒙脫石等黏土礦物與硅藻在水中的分散性差異，實現(xiàn)硅藻和黏土礦物的分離。再進行篩分，去除粗粒的石英、長石和金屬氧化礦物，篩下的礦漿用重力或離心力等沉降法實現(xiàn)硅藻和黏土礦物的分層和分開，沉降速度快的粗粒為硅藻精土，而細粒級為黏土礦物[5－6]。由于離心加速度是重力加速度的數(shù)倍甚至數(shù)百倍，因此，離心力沉降法提純硅藻土更有前景。

離心選礦機出現(xiàn)于20世紀60年代[18]，主要用于細粒金屬礦物的分選[19]，但工業(yè)化應(yīng)用于中低品位硅藻土的提純在國內(nèi)外還未見報道。試驗主要針對離心選礦機不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)研究對分選產(chǎn)品硅藻精土特性的影響，從而確定出離心選礦機的優(yōu)化分選條件和運行方式，并分析離心選礦機是否達到了選礦的目的，即提高硅藻精土中的SiO2含量，同時硅藻殼體孔壁結(jié)構(gòu)沒有被明顯地破壞。

1 原礦性質(zhì)與試驗工藝

1.1 原礦性質(zhì)

中試線的原礦取自臨江市六道溝某硅藻土礦山廢棄的硅藻土，其主要化學(xué)成分見表1，掃描電鏡分析結(jié)果見圖6（a）。從表1可知，原礦的SiO2含量為82.42%，屬于含黏土質(zhì)二級硅藻土。從圖6（a）可以看出，硅藻形貌主要以圓盤藻為主，還有少量的舟形藻、直鏈藻和由羽紋硅藻構(gòu)成的碎屑，大部分硅藻形貌不完整，一些小的破碎的硅藻殼體粘覆在完整的硅藻表面。完整的硅藻直徑為20～50μm。

表1 硅藻土原礦化學(xué)成分

1.2 試驗工藝

圖1為硅藻土離心選礦的中試工藝。圖中，1為專為硅藻土分選而研制的離心選礦機[20]，轉(zhuǎn)筒直徑小的一端與底盤連接，底盤固定在主軸上，給料管從大端伸入圓筒，分選后的礦物從大端分時排出，圓筒大端直徑800mm，圓筒內(nèi)壁斜長600mm，最大轉(zhuǎn)速1500r／min（在線可調(diào)），最大分離因數(shù)為1000。2為原礦礦漿緩沖罐，3為精礦緩沖罐，4為尾礦緩沖罐，5為渣漿泵，6、7為換流箱，8、9、10、11為管道閥門，12為電磁閥，13、14、15為數(shù)字式流量計。換流箱6、7中的翻板由控制器控制電磁鐵的通電或斷電而動作，實現(xiàn)切換礦漿的流向。

圖1 中試試驗工藝

離心選礦機采用給料－間歇－沖礦－休止的四階段連續(xù)工作方式。首先，在緩沖罐2中的原礦礦漿由渣漿泵5打至換流箱6，翻板處于零位（向著原礦緩沖罐），礦漿回流到緩沖罐2。離心選礦機圓筒轉(zhuǎn)速達到要求后，開始給料階段：換流箱6的翻板動作，礦漿流入離心選礦機，在離心力的作用下精礦沉積于圓筒內(nèi)壁，尾礦流出離心選礦機，并經(jīng)換流箱7，進入尾礦緩沖罐4；經(jīng)過t1后，進入間歇階段：換流箱6的翻板回零位，等待t2秒，保證給料管中礦漿流入離心選礦機、離心選礦機中的尾礦全部流進尾礦緩沖罐4；接著進入沖礦階段：換流箱7中的翻板動作，翻板向著精礦緩沖罐3，沖水電磁閥12導(dǎo)電，圓筒內(nèi)壁的精礦被水沖走并流入精礦緩沖罐3，經(jīng)過t3秒關(guān)閉沖水電磁閥12，等待t4秒的休止時間后，換流箱7中的翻板回零位，又開始下一個分選循環(huán)。

1.3 分析項目

采用DHF82多元素快速分析儀測定硅藻原土和分選后精土的化學(xué)成分，主要檢測SiO2、Fe2O3和Al2O3含量。目前國內(nèi)外普遍用SiO2含量作為評價硅藻土等級，SiO2含量越高，同時Fe2O3和Al2O3含量越低，硅藻土等級越高。用S－3500N掃描電子顯微鏡觀察硅藻土分選前后形貌的變化。用JX－2000型圖像分析儀在最佳的觀察視場下，數(shù)500個硅藻，分別計數(shù)形貌完整和破損的硅藻，得到破損率，作為評價硅藻土原礦在通過中試線分選后硅藻的破損情況。在硅藻土的高端應(yīng)用中，要求硅藻的結(jié)構(gòu)越完整越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 圓筒轉(zhuǎn)速和錐角對分選的影響

試驗考察了在相同的料水制度（給料濃度24%、給料量12L／min、沖水壓力0.4MPa和沖水流量30L／min、沖礦時間20s）、不同給料時間（75s、90s）和不同錐角（4°和0.5°）下離心選礦機的產(chǎn)品濃度，結(jié)果見圖2。從圖中發(fā)現(xiàn)，在錐角為4°時，尾礦濃度較大，而精礦濃度均小于3.5%。即使延長給料時間，精礦濃度的提高也不明顯。但當(dāng)錐角換為0.5°時，在相同轉(zhuǎn)速下，精礦濃度提高很大，在圓筒轉(zhuǎn)速為800r／min時精礦濃度也能達到7.0%。錐角的大小決定錐體內(nèi)壁的表面積、斜面的長度和顆粒在分選過程中的行程，直接影響顆粒的軸向受力和軸向加速度，以及顆粒在徑向和軸向的運動速度和軌跡。錐角大，礦漿通過速度快，部分原礦甚至沒有經(jīng)過分選而流出圓筒，進入到了尾礦，也就是在離心選礦機內(nèi)壁形成物料層薄，而且在4°錐角情況下，離心選礦機的轉(zhuǎn)速和給料時間對沉積的料層厚度影響不大，通過停機檢查也證實了這一觀點。在相同工況下，離心選礦機的精礦濃度低，說明精礦產(chǎn)率小，分選效果差，大部分硅藻土進入了溢流成為尾礦。因此，將后續(xù)試驗的錐角定為0.5°。

2.2 單因素分選試驗

圖2 錐角對分選的影響

試驗對比了不同圓筒轉(zhuǎn)速下，離心選礦機分選硅藻土礦的情況。試驗條件是：錐角0.5°、原礦濃度24%、給料量12L／min、給料時間t1＝75s、間歇時間t2＝6s、沖礦時間t3＝22s、休止時間t4＝6s、沖水壓力0.4MPa、沖水流量30L／min，結(jié)果如圖3所示（A－B和A－D）。從圖3可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，精礦中SiO2含量逐漸增加，而尾礦濃度隨圓筒轉(zhuǎn)速的增加而下降。圓筒轉(zhuǎn)速決定了顆粒的離心力，隨著轉(zhuǎn)速的增加，分離因數(shù)加大，能加快顆粒的沉降，但是礦漿在離心機里分選效果還與顆粒的粒度和密度有關(guān)。對于細粒金屬礦的分選，300～500r／min就能滿足要求，但對于硅藻土，其松散密度[1]為0.58～0.65g／cm3，遠小于細粒金屬礦物的密度，因此，用離心選礦機分選硅藻土需要較高的轉(zhuǎn)速。

在上述試驗條件的基礎(chǔ)上，研究不同的給料濃度對硅藻土分選效果的影響（見圖3的C－B和CD）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著給料濃度增加，精礦中SiO2含量先增加，在給料濃度超過24%時，卻呈下降趨勢；而尾礦濃度隨給料濃度的增加而增加。濃度提高，礦漿的流動性變差，而且黏度也變大，分層緩慢，結(jié)果處理量提高，沉積的精礦中部分硅藻流失，使SiO2含量減小。

圖4反映了在不同給料時間或給料量下尾礦濃度和精礦中SiO2含量的變化關(guān)系。在給料時間由45s增加到60s時，精礦中的SiO2含量增加了2.17%，之后再延長給料時間，精礦中的SiO2含量增加的幅度非常?。晃驳V濃度也是隨著給料時間的增加而增大，然后保持穩(wěn)定。這說明，一定的給料時間對分選有利，給料時間過大，一旦圓筒內(nèi)壁的料層厚度達到一定程度（或者飽和），只是增加了處理量，不能再提高精礦的SiO2含量。試驗結(jié)果還表明，尾礦濃度隨著給料量的增加而增加（圖4的C－B），而精礦SiO2含量先隨給料量的增加而增加，過了12L／min后卻呈下降趨勢，說明在此分選條件下過大的給料量會造成硅藻的損失。

圖4 給料量和給料時間對分選的影響

2.3 響應(yīng)面試驗

為了尋找離心選礦機分選硅藻土的最佳工藝條件，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，對影響硅藻土分選效果的離心選礦機圓筒轉(zhuǎn)速、給料濃度、給料量和給料時間等因素進行了4因素3水平的響應(yīng)面Box－Behnken試驗設(shè)計（包括3個中心點），參數(shù)的因素水平見表2，以精礦SiO2含量和尾礦濃度為評價指標，總共需要進行27次試驗，試驗結(jié)果見表3。經(jīng)過使用標準最小二乘擬合的線性模型，分析得出了離心選礦機工藝參數(shù)對精礦SiO2含量影響的主次順序為：給料量＞給料濃度＞圓筒轉(zhuǎn)速＞給料時間，其中給料量影響顯著；而對尾礦濃度影響的主次順序為：給料濃度＞給料量＞給料時間＞圓筒轉(zhuǎn)速，其中給料濃度和給料量影響特別顯著。因此，給料量對精礦SiO2含量和尾礦濃度的影響均較大。

試驗的目的是為了找到離心選礦機分選硅藻土最佳的工藝條件，要求精礦中SiO2含量至少大于85%（一級硅藻土標準），而尾礦濃度也不能太低。過低的尾礦濃度表明：黏土礦物由于離心力的作用而沉積到了圓筒內(nèi)壁，從而進入了精礦導(dǎo)致品位下降，所以應(yīng)該同時兼顧這兩個評價指標。由圖5所示的模型預(yù)測刻畫器按照最大化意愿得到了最優(yōu)因素組合，即給料濃度為24.66%、圓筒轉(zhuǎn)速為856r／min、給料量為14L／min、給料時間為90s，預(yù)測得到精礦SiO2含量（87.5±0.94）%和尾礦濃度（6.98±0.97）%。

表2 試驗因素及其水平

表3 響應(yīng)面設(shè)計試驗方案及結(jié)果

再以響應(yīng)面試驗結(jié)果得到的最優(yōu)組合在中試線上進行連續(xù)試驗，條件為：給料濃度為24.66%、圓筒轉(zhuǎn)速為856r／min、給料量為14L／min、給料時間為90s，間隔時間6s，沖礦時間22s，休止時間6s。通過取樣化驗得到精礦中SiO2含量為87.61%、Al2O3含量為3.81%、Fe2O3含量為1.64%和尾礦濃度為6.14%。對硅藻土原礦和分選后的精土進行了掃描電鏡分析，如圖6所示，分選后硅藻殼體的孔隙堵塞得到明顯改善。

利用圖像分析儀檢查，得到硅藻土原礦的硅藻破損率為67.4%，離心選礦機入料的硅藻破損率為69.3%，分選后的硅藻精土的硅藻破損率為63.5%，經(jīng)過擦洗后，硅藻破損率增加了1.9%，而離心選礦機分選后硅藻破損率降低了5.8%，原因可能是碎屑硅藻因為粒度小（特別是跟黏土礦物的粒度級別相當(dāng)時）而進入到了離心選礦機的溢流而成為尾礦。由此可見，硅藻土原礦本身較碎，而經(jīng)過中試線選礦處理后，硅藻破損率沒有明顯變化，與原礦相比，選礦精土的破損率反而得到了降低。因此，這種物理選礦方法對硅藻殼體的破壞非常小。

圖5 模型預(yù)測刻畫器

圖6 硅藻土分選前后掃描電鏡對比

3 結(jié)論

1）單因素試驗表明，精礦中SiO2含量隨著圓筒轉(zhuǎn)速的增加而增加；隨給料濃度增加而增加，但給料濃度超過24%時卻呈下降趨勢；隨給料量的增加而增加，但給料量過了12L／min后卻呈下降趨勢；隨給料時間的增加而增加，但超過60s后增幅非常小。

2）響應(yīng)面試驗表明，對精礦SiO2含量影響的因素主次順序為：給料量＞給料濃度＞圓筒轉(zhuǎn)速＞給料時間，其中給料量影響顯著；對尾礦濃度影響的因素主次順序為：給料濃度＞給料量＞給料時間＞圓筒轉(zhuǎn)速，其中給料濃度和給料量影響特別顯著；給料量對精礦SiO2含量和尾礦濃度的影響均較大。

3）由模型預(yù)測刻畫器按照最大化意愿得到最優(yōu)因素組合：給料濃度為24.66%、圓筒轉(zhuǎn)速為856r／min、給料量為14L／min、給料時間為90s，預(yù)測得到精礦SiO2含量（87.5±0.94）%和尾礦濃度（6.98±0.97）%。

4）以最優(yōu)因素組合在中試線上進行連續(xù)試驗，得到精礦中SiO2含量為87.61%，達到了硅藻土一級品標準；經(jīng)SEM分析發(fā)現(xiàn)硅藻殼體的孔隙堵塞得到明顯改善，經(jīng)圖像分析儀檢查硅藻破損率沒有明顯變化，說明這種物理選礦方法對硅藻土礦的提純是有效的。

[1]鄭水林.非金屬礦加工與應(yīng)用[M].第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]于漧，包亞芳.硅藻土在污水處理中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)，2002，11（2）：33－36.

[3]吳榮慶，張燕如.硅藻土國內(nèi)外市場形勢分析和發(fā)展前景預(yù)測[J].中國礦業(yè)，1994，3（3）：16－22.

[4]于漧，于艾琳，焦維定，等.中國非金屬礦——硅藻土提純研究[J].中國礦業(yè)，1998，7（4）：6－9.

[5]鄭水林.我國黏土質(zhì)硅藻土礦的提純研究[J].非金屬礦，1994，17（4）：24－51.

[6]鄭水林，李揚，杜玉成，等.吉林某礦含黏土硅藻土提純工藝研究[J].非金屬礦，1997，20（4）：49－50.

[7]王慶中.中低品位硅藻土濕法選礦方法：中國，96110152[P].1997－04－09.

[8]Osman?an，Remzi G?ren，Cem ?zgür.Purification of diatomite powder by acid leaching for use in fabrication of porous ceramics [J].International Journal of Mineral Processing，2009（93）：6－10.

[9]王澤民，馬小凡，孫文田，等.酸法提純硅藻土及廢酸綜合利用研究[J].非金屬礦，1995，18（1）：16－19.

[10]谷晉川，劉亞川，張允湘.硅藻土微波酸浸提純工藝研究[J].中國礦業(yè)，2005，14（1）：45－48.

[11]楊一楑，章永年.硅藻土的提純方法：中國，90100675[P].1991－08－21.

[12]Videnov N，Shoumkov S，Dimitrov Z，et al.Beneficiation of diatomites by high gradient magnetic separation [J].International Journal of Mineral Processing，1993，39（3－4）：291－298.

[13]馬圣堯，周岳遠，李小靜.吉林硅藻土磁選除鐵工藝研究[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2012，96（3）：13－15.

[14]王世彬.湖泊相型硅藻土綜合利用及其熱浮選工藝研究[J].非金屬礦，1992，15（3）：10－13.

[15]鄭水林，王利劍，舒鋒，等.酸浸和焙燒對硅藻土性能的影響.硅酸鹽學(xué)報，2006，34（11）：82－68.

[16]丁浩，林海，崔天順.云南某低品位硅藻土的選礦提純[J].礦產(chǎn)綜合利用，1995（4）：12－14.

[17]崔天順，吳宏海，鄒正光.云南雙江低品位硅藻土的選礦工藝[J].桂林工學(xué)院學(xué)報，1996，16（3）：313－316.

[18]李季.離心選礦機[J].有色金屬：冶煉部分，1974（2）：5－13.

[19]東北工學(xué)院選礦教研室.對離心選礦機處理鞍山式假象貧赤鐵礦石的探討[J].金屬礦山，1973（2）：45－56.

[20]張雁鳴，李金輝，鄭水林，等.硅藻土選礦用層流離心選礦機：中國，202238334U[P].2012－05－30.