磁化對油酸鈉溶液物化性質(zhì)和礦物浮選的影響

周文波 李 賽 陶黎明 李青青 余 凡 張 力

（1.省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北武漢430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北武漢430081）

油酸常作為浮選藥劑，在選礦中廣泛應(yīng)用。但油酸不易溶解和分散，選擇性差，不耐硬水和低溫，用量卻較大。因此大量科研人員對如何提高油酸的捕收性能進(jìn)行了探究。王宇斌等[1]發(fā)現(xiàn)電化學(xué)預(yù)處理能夠提高油酸根離子和白云母相互作用的概率，增加油酸鈉的捕收性能。

浮選是一種物理和化學(xué)過程，若所加入藥劑的物化性質(zhì)發(fā)生改變，會影響浮選結(jié)果。而非鐵磁流體在磁場作用下，可使流體的某些物化性質(zhì)發(fā)生變化，甚至能提高生產(chǎn)效率和使用效率[2-3]。因此，許多研究人員在浮選中采用了磁化處理技術(shù)來提高浮選指標(biāo)。有研究報道[4-6]：水經(jīng)過磁化處理后，其pH、吸光度、電導(dǎo)率、Zeta電位、表面張力、顆粒在水中的分散性和黏結(jié)性等性質(zhì)都發(fā)生一定程度的變化。邊炳鑫[7]和邱廷省[8]等發(fā)現(xiàn)，磁化處理后明顯影響藥劑的捕收性能。磁化處理技術(shù)操作簡單快捷，投資成本低，因此具有很大的潛在價值。

本論文探索了油酸鈉經(jīng)過磁化處理后，油酸鈉溶液的pH值、吸光度、表面張力和電導(dǎo)率等物化性質(zhì)的變化，以及對方解石和螢石浮選效果的影響。

1 試樣、藥劑與設(shè)備

1.1 試樣、藥劑及儀器

方解石來自安徽（CaCO3的含量為99.52%），螢石來自江西（CaF2的含量為99.31%）。方解石經(jīng)行星球磨機(jī)磨細(xì)，篩分得到37～106 μm的礦樣。螢石礦物經(jīng)手選塊礦，對輥破碎，瓷磨機(jī)磨細(xì)，篩分得到37～106 μm的礦樣。

試驗用水均為去離子水；調(diào)整劑為氫氧化鈉，分析純；捕收劑為油酸鈉，化學(xué)純，配置成濃度為5 mmol/L的溶液使用。

1.2 磁化裝置

磁化裝置采用Nd-Fe-B磁鐵塊，其示意圖如圖1所示。Nd-Fe-B中心磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁鐵塊距離之間的關(guān)系如表1所示。

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1.3 試驗主要分析儀器

試驗所用到的主要分析和測量儀器：PHS-3C精密pH計、JA2003型精密電子天平、Zetasizer NanoZs90型Zeta電泳儀、UV-1100型紫外可見光光度計、JK99C型全自動張力儀、DDSJ-319L型電導(dǎo)率儀以及FGC掛槽浮選機(jī)。

2 試驗方法

（1）磁化裝置的使用方法。通過調(diào)節(jié)磁鐵塊之間的間距來改變中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，將裝有油酸鈉溶液的燒杯放在磁鐵中間，使攪拌器轉(zhuǎn)子浸沒在燒杯的水溶液中，調(diào)節(jié)電動攪拌器的速率，進(jìn)行均勻攪拌。

（2）pH值和電導(dǎo)率測定。用PHS-3C型精密pH計分別測定油酸鈉溶液在不同磁化條件下的pH值，用DDSJ-319L型電導(dǎo)率儀測量油酸鈉溶液磁化處理前后電導(dǎo)率的變化，每組試驗測量3次，取平均值。

（3）吸光度測定。在分析波長225 nm下對不同磁化條件下的油酸鈉溶液進(jìn)行吸光度測試。每組試驗測量3次，取平均值。

（4）表面張力測定。取少量油酸鈉溶液到表面張力儀測量皿內(nèi)，利用JK99C型全自動張力儀，測量磁化前后油酸鈉溶液的表面張力，每個試驗樣品重復(fù)3次，取平均值。

（5）Zeta電位測定。取20 mg粒度為-5 μm的螢石或方解石純礦物于70 mL、pH=8的油酸鈉溶液中，溶液與礦物混合后攪拌10 min，靜置10 min，取其上清液注入Zetasizer NanoZs90型Zeta電泳儀樣品池中進(jìn)行Zeta電位測定，每個試驗樣品重復(fù)3次，取平均值。

（6）浮選試驗。純礦物浮選試驗在FGC掛槽浮選機(jī)中進(jìn)行，固定浮選機(jī)攪拌速度為1 680 r/min。每次稱取5.0 g粒度在37～106 μm的純礦物礦樣放入浮選槽，加入70 mL磁化后的油酸鈉溶液，與純礦物作用時間為2 min，刮泡5 min。泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品分別進(jìn)行過濾、烘干、稱重，計算回收率。

（7）吸附量試驗。配置油酸鈉濃度為5×10-3mol/L的溶液，在波長為225 nm條件下測定不同濃度下油酸鈉溶液的吸光度，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。每次稱取1 g礦樣，加入一定體積的所需pH值水溶液，按浮選條件添加藥劑，根據(jù)試驗要求進(jìn)行相應(yīng)的磁化處理，攪拌10 min后過濾，通過測定濾液的吸光度計算油酸鈉在螢石表面的吸附量。

3 試驗結(jié)果與分析

通過磁化時間和磁感應(yīng)強(qiáng)度單因素試驗，得到油酸鈉溶液在不同磁化條件下的pH值、吸光度、表面張力和電導(dǎo)率的試驗結(jié)果。試驗過程中，油酸鈉濃度為1.07×10-4mol/L；磁化時間為變量時，磁感應(yīng)強(qiáng)度為320 mT；磁感應(yīng)強(qiáng)度為變量時，磁化時間為10 min。

3.1 磁化對pH值的影響

油酸鈉溶液pH值隨磁化時間或磁感強(qiáng)度變化的影響結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：油酸鈉溶液經(jīng)磁化處理后，其pH值增大；隨著磁化時間的延長，pH值的變化先增加后降低，磁化時間為10 min時，pH值提高到最大值為8.53，說明短時間的磁化作用藥劑就能影響溶液中的電離水解平衡，進(jìn)而影響溶液的pH值，隨著磁化時間的增加，溶液中的電離水解平衡又向相反的平衡轉(zhuǎn)換，pH值降低；在磁感應(yīng)強(qiáng)度條件試驗中，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，pH值逐漸增加，在一定范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，對溶液中的電離水解平衡影響越明顯。

3.2 磁化對吸光度的影響

油酸鈉溶液吸光度隨磁化時間或磁感強(qiáng)度變化的影響結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：油酸鈉溶液經(jīng)磁化后，其吸光度值明顯增加；磁化時間為10 min時，油酸鈉溶液的吸光度由0.646增加到最大為0.759；在磁感應(yīng)強(qiáng)度試驗中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為320 mT時，油酸鈉溶液吸光度增加了0.113。吸光度的增加表明磁化影響了溶劑的變化，磁化作用使得液態(tài)油酸含量增加，當(dāng)液態(tài)的油酸增加到一定值，隨著磁化時間的增大，液態(tài)的油酸向著溶液態(tài)的油酸平衡進(jìn)行，吸光度降低。

3.3 磁化對表面張力的影響

油酸鈉溶液表面張力隨磁化時間或磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的影響結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：油酸鈉溶液的表面張力隨著磁化時間的增加而先降低后增加，但總體明顯降低，在磁化時間條件試驗中，磁化時間為10 min時，其表面張力從未磁化的49.56 mN/m減小到35.12 mN/m；隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，油酸鈉溶液的表面張力逐漸減小；磁感應(yīng)強(qiáng)度為320 mT時，油酸鈉溶液的表面張力由未磁化時的49.56 mN/m下降至35.12 mN/m。表面張力的降低，表明磁化降低了溶液中分子之間的相互作用力，磁場的作用，影響了分子的極性，磁化時間較短時，磁場作用使得正負(fù)粒子朝相反方向運(yùn)動，變化明顯，隨著磁化時間的增加，磁場的作用力與正負(fù)粒子之間的作用力達(dá)到平衡，影響分子的極性程度發(fā)生變化。

3.4 磁化對電導(dǎo)率的影響

油酸鈉溶液電導(dǎo)率隨磁化時間或磁感強(qiáng)度變化的影響結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：油酸鈉溶液的電導(dǎo)率隨著磁化時間的增加先提高后降低；在磁化時間條件試驗中，磁化時間10 min時，油酸鈉溶液的電導(dǎo)率從未磁化時的27.7 μS/cm增加到最大值，為29.4 μS/cm；在磁感應(yīng)強(qiáng)度條件試驗中，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，油酸鈉溶液的電導(dǎo)率逐漸增加，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為320 mT時，電導(dǎo)率最高，為29.4 μS/cm。電導(dǎo)率的增加，表明磁化使溶液中離子濃度增加，磁化使pH值增大，H+濃度減少，電離平衡向右移，油酸陰離子濃度也隨之增加。但當(dāng)增加到一定值時，電離反應(yīng)朝著相反方向進(jìn)行，離子濃度降低，電導(dǎo)率降低。

3.5 Zeta電位測量試驗結(jié)果

在磁化時間為10min條件下，磁感應(yīng)強(qiáng)度的改變對方解石和螢石礦物Zeta電位的影響如圖6所示。

由圖6可知：方解石和螢石的Zeta電位絕對值隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而降低；在磁感應(yīng)強(qiáng)度為320 mT時，方解石和螢石的Zeta電位絕對值從未磁化的40.92 mV和48.89 mV分別降至38.02 mV和41.48 mV；在此磁化過程中方解石的Zeta電位（負(fù)電性）降低了2.90 mV，螢石的Zeta電位（絕對值）降低了7.41 mV。

3.6 浮選試驗結(jié)果

磁化時間、磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化對方解石和螢石礦物浮選回收率的影響如圖7所示。

由圖7可知：隨著磁化時間的增加，方解石和螢石的浮選回收率先升高后降低，但是回收率較未磁化時明顯增加，在磁化時間為10 min時，方解石和螢石的浮選回收率分別從74.34%和80.92%增加到最大，為94.11%和93.73%；隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，方解石和螢石的浮選回收率逐漸增加，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為320 mT時，方解石和螢石回收率較未磁化時分別提高了19.77和12.81個百分點。

3.7 機(jī)理分析

3.7.1 溶液化學(xué)分析

油酸的溶解度S為10-7.6mol/L，在通常浮選用量下，礦漿中油酸鈉的濃度均大于其溶解度，此時，水溶液中溶解的油酸 HOl（aq）與不溶液態(tài)油酸 HOl（l）間形成飽和溶液，根據(jù)溶液化學(xué)原理[9]，油酸鈉水溶液中存在的化學(xué)平衡反應(yīng)如下所示。

計算可得不同pH值下的各組分濃度，如圖所8示。磁化后，油酸鈉溶液的pH值增加，促進(jìn)了油酸鈉的電離，使得陰離子的濃度增加，溶液中的油酸根離子數(shù)目的增多，使得溶液的電導(dǎo)率增大。

磁化前后，溫度、油酸鈉的濃度無變化，因此，磁化后，油酸鈉吸光度的改變是由于磁場影響了溶劑的性質(zhì)，使不溶液態(tài)的HOl（l）增多，油酸鈉溶液的吸光度增加[10]。磁化后，溶劑分子內(nèi)部的極性發(fā)生變化，使其將溶液表面的空間大量占據(jù)，提高了油酸鈉溶液的疏水性，使得油酸鈉溶液的表面張力降低。

在方解石和螢石礦漿中，礦物表面均有Ca2+解離出來，磁化處理能促進(jìn)油酸鈉的電離，使得油酸根離子數(shù)目增加，因此油酸鈉對于方解石和螢石的捕收能力增強(qiáng)，化學(xué)吸附反應(yīng)加劇，導(dǎo)致礦物表面在溶液中電離出的離子大量減少，2種純礦物的Zeta電位（絕對值）降低。

3.7.2 磁化對礦物表面吸附量的影響

磁化時間、磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化對油酸鈉在方解石和螢石礦物表面吸附量的影響如圖9所示。

由圖9可知：隨著磁化時間的增加，油酸鈉在礦物表面的吸附量先增加后趨于平緩，在磁化時間為10 min時，油酸鈉在方解石、螢石表面的吸附量達(dá)到最大，分別為1.1 mg/g、1.129 mg/g；隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，油酸鈉在方解石和螢石表面的吸附量逐漸增加，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為320 mT時，油酸鈉在方解石和螢石表面的吸附量增加量最大，分別為0.236、0.189 mg/g。這與前面浮選結(jié)果相一致，表明磁化使礦物表面的藥劑吸附量增加，提高礦物的浮選指標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）在磁感應(yīng)強(qiáng)度320 mT、磁化時間10 min條件下，磁化處理油酸鈉溶液后，油酸鈉溶液的pH值、吸光度和電導(dǎo)率較未磁化時分別增加了0.53、0.113和1.7 μS/cm，表面張力下降了14.44 mN/mT。

（2）磁化處理會提高油酸鈉的捕收性能，增強(qiáng)其與礦物的化學(xué)吸附能力。在磁感應(yīng)強(qiáng)度320 mT、磁化時間10 min條件下磁化處理使方解石的Zeta電位絕對值降低了2.90 mV，使螢石的Zeta電位絕對值降低了7.41 mV。

（3）不同磁化條件會對油酸鈉的捕收效果產(chǎn)生不同影響。在磁感應(yīng)強(qiáng)度320 mT、磁化時間10 min條件下磁化處理，方解石和螢石的浮選回收率分別從未磁化的74.34%和80.92%增加到94.11%和93.73%；方解石浮選回收率較未磁化時增加了19.77個百分點，螢石浮選回收率較未磁化時增加了12.81個百分點。

（4）磁化后，pH值的變化反映了磁化影響了油酸鈉在水溶液中的化學(xué)平衡反應(yīng)，pH值的增大使水溶液中油酸根陰離子濃度增加，有利于與方解石、螢石表面Ca2+結(jié)合，吸附量試驗結(jié)果也證實了磁化使得礦物表面吸附的油酸根陰離子量增多。