蛇紋石濃度對(duì)黃銅礦礦漿流變性和浮選的影響

胡家城 余曉光 石 晴 荀駱冰 羅青云

（1.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中鋁礦業(yè)國(guó)際中鋁秘魯?shù)V業(yè)公司，利馬 999084）

在浮選過(guò)程中，礦石類(lèi)型、礦物含量、顆粒形狀和大小等因素的變化都會(huì)對(duì)礦漿懸浮液的流變特性產(chǎn)生影響［1-2］。深入研究后發(fā)現(xiàn)顆粒間的相互作用受到范德華吸引力和雙電層排斥力（DLVO理論）的控制，這些物理因素的差異使礦物顆粒表面具有不同的性質(zhì)（電荷大小、雙電層厚度和親/疏水性等），改變礦物顆粒間的相互作用力，從而影響顆粒間“網(wǎng)絡(luò)狀”結(jié)構(gòu)的形成［3］。

礦漿流變性的變化也同樣會(huì)對(duì)浮選產(chǎn)生重大影響：礦漿黏度和屈服應(yīng)力的增加可以改變氣泡分散方式，影響氣泡-顆粒的碰撞效率，從而降低礦物浮選的回收率［4］。例如CRUZ等［5-6］發(fā)現(xiàn)，在含金銅礦的浮選作業(yè)中，含鈣鹽類(lèi)礦物與黏土礦物在浮選藥劑的作用下，增大了礦漿的表觀黏度與屈服應(yīng)力，阻礙了氣泡的有效分散和浮選藥劑與目的礦物的選擇性作用，導(dǎo)致銅和金浮選指標(biāo)的惡化。FARROKHPAY等［7］發(fā)現(xiàn)，礦漿中云母含量的增加增大了礦漿表觀黏度值，從而提高了泡沫夾帶量，使銅精礦品位降低。

在以蛇紋石為主要脈石礦物的硫化銅礦中，蛇紋石因質(zhì)地軟、硬度小、易泥化及表面電性高等原因在浮選過(guò)程中易與黃銅礦產(chǎn)生異相凝聚，使目的礦物表面被細(xì)泥罩蓋，降低黃銅礦的可浮性。另外，由于蛇紋石顆粒粒度較細(xì)，質(zhì)量較小，在浮選過(guò)程中也易導(dǎo)致藥劑選擇性下降、礦漿流變性復(fù)雜等問(wèn)題。因此，本文以蛇紋石為研究對(duì)象，探究不同濃度蛇紋石條件下礦漿流變性和礦物浮選速率的變化趨勢(shì)，分析其相應(yīng)作用機(jī)理，為后續(xù)調(diào)控礦漿流變性進(jìn)而分離兩種礦物提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

黃銅礦和蛇紋石純礦物樣品分別取自廣東廣州和黑龍江哈爾濱。塊狀的黃銅礦經(jīng)捶碎后進(jìn)行手工除雜，將除雜過(guò)的黃銅礦晶體用去離子水反復(fù)沖洗多遍后烘干，將烘干的礦樣用陶瓷球磨罐磨細(xì)并制備成-74 μm的樣品。蛇紋石純礦物經(jīng)振動(dòng)磨磨至-0.15 mm，用氣流磨磨細(xì)制備成-10μm的樣品，礦樣粒度分析結(jié)果見(jiàn)表1。試樣化學(xué)成分分析及X射線衍射分析結(jié)果見(jiàn)表2、圖1，蛇紋石和黃銅礦礦樣純度均在95%以上，可以作為純礦物試驗(yàn)用樣。

試驗(yàn)所用鹽酸（HCl）和氫氧化鈉（NaOH）均為分析純，戊基黃原酸鉀（PAX）和甲基異丁基甲醇（MIBC）為化學(xué)純，試驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 流變性測(cè)試

流變性測(cè)試采用型號(hào)為Anton Paar MCR102（奧地利安東帕（中國(guó)）有限公司）的旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行測(cè)定。每次稱(chēng)取不同質(zhì)量的純礦物樣品放入40 mL樣品杯中，加入一定量去離子水，然后用HCl或NaOH調(diào)節(jié)礦漿pH至10左右，保持礦漿總體積為40 mL。攪拌均勻后把樣品杯放入旋轉(zhuǎn)流變儀中進(jìn)行礦漿流變性測(cè)試。測(cè)量時(shí)，剪切速率范圍控制在0.01～400 s-1之間，測(cè)量時(shí)間為15 min。試驗(yàn)完成后選用常規(guī)剪切速率的平均值100 s-1為特征點(diǎn)比較黏度相對(duì)值。

1.3 浮選試驗(yàn)

浮選試驗(yàn)采用40 mL XFGCII型掛槽式浮選機(jī)（吉林省探礦機(jī)械廠），浮選機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為1 992 r/min。每次試驗(yàn)礦物用量根據(jù)浮選質(zhì)量濃度確定（對(duì)于可能部分氧化的黃銅礦，將其置入燒杯中加入去離子水超聲20 min后靜置一段時(shí)間，隨后倒出上層液，用稱(chēng)量好的25 mL去離子水將下層固體樣品轉(zhuǎn)入浮選槽中），加入浮選藥劑并攪拌3 min，調(diào)節(jié)礦漿pH至10后，充氣進(jìn)行手工刮泡。在礦物浮選試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合分析，找出最佳的浮選動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而確定浮選動(dòng)力學(xué)參數(shù)與流變性參數(shù)間的關(guān)系。

1.4 濁度測(cè)試

試驗(yàn)采用WGZ?3型散射光濁度儀（東莞市泰納電子科技有限公司）測(cè)定懸浮液濁度。將黃銅礦和蛇紋石按浮選條件進(jìn)行調(diào)漿后，倒入100 mL比色管內(nèi)沉降3 min，隨后抽取上部25 mL懸浮液測(cè)定其濁度值。濁度可表征顆粒間的分散程度，測(cè)得的濁度值越大，懸浮液分散性越好。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 蛇紋石濃度對(duì)混合礦漿流變性的影響

圖2為混合礦總濃度30%、pH=9.7～10.2條件下，不同質(zhì)量濃度的蛇紋石對(duì)混合礦礦漿表觀黏度的影響。

由圖2可知，當(dāng)?shù)V漿中蛇紋石濃度由15%提高至20%時(shí)，混合礦礦漿表觀黏度大幅度增加，由19.01 mPa·s升高至36.71 mPa·s。這主要是由于蛇紋石粒度較小，隨著礦漿中蛇紋石濃度增大，顆粒在剪切流場(chǎng)中的內(nèi)摩擦效應(yīng)也隨之增大，顆粒間的相互作用幾率增加，容易形成具有一定強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致礦漿黏度增大［8］。當(dāng)?shù)V漿中蛇紋石濃度大于20%時(shí)，混合礦礦漿表觀黏度則在35.72 mPa·s附近小幅變化，即此時(shí)蛇紋石濃度的進(jìn)一步升高對(duì)混合礦礦漿表觀黏度值影響較小。

2.2 蛇紋石濃度對(duì)混合礦浮選行為的影響

以HCl和NaOH為pH調(diào)整劑，戊基黃原酸鉀（PAX）為捕收劑，用量10-4mol/L，甲基異丁基甲醇（MIBC）為起泡劑，用量30 g/t，考察蛇紋石濃度對(duì)混合礦浮選行為的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，當(dāng)蛇紋石濃度由15%上升至24%時(shí)，黃銅礦的浮選回收率及浮選速率均顯著下降，其中浮選速率從0.013 2%/s下降至0.009 8%/s，說(shuō)明黃銅礦單位時(shí)間內(nèi)上浮的速率越來(lái)越慢，黃銅礦受到顯著抑制；而相對(duì)應(yīng)的蛇紋石浮選速率及回收率則略微上升，浮選速率從0.007 4%/s上升至0.008 3%/s，蛇紋石浮選得到相應(yīng)的提升。由圖3(b)可知，在同一濃度下，隨著浮選時(shí)間增加至300 s，精礦中MgO含量先緩慢下降后保持不變。在浮選前180 s，黃銅礦被捕收劑捕收后的上浮量大于蛇紋石的上浮量，因此精礦中MgO含量逐漸降低，而隨著浮選時(shí)間的進(jìn)一步增加，精礦中黃銅礦濃度降低，此時(shí)其單位時(shí)間上浮量與蛇紋石基本相同，導(dǎo)致精礦中MgO含量保持不變。隨著溶液中蛇紋石濃度的增加，精礦中MgO含量逐漸上升，即黃銅礦的浮選在一定程度上會(huì)被抑制。蛇紋石是一種親水的硅酸鹽礦物，在浮選中幾乎不與黃藥類(lèi)捕收劑反應(yīng)，而常通過(guò)泡沫夾帶等方式上?。?-10］。溶液中蛇紋石濃度的升高在增大礦漿黏度的同時(shí)，也相應(yīng)增加了蛇紋石泡沫夾帶量，造成精礦中MgO含量逐漸增加，使黃銅礦回收率逐漸降低。

2.3 礦漿流變性與浮選速率的關(guān)系

圖4所示為蛇紋石濃度為20%條件下的礦漿表觀黏度和黃銅礦、蛇紋石浮選速率間的關(guān)系。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，礦漿表觀黏度和黃銅礦浮選速率間呈二次函數(shù)：Y=0.014+1.761 0×10-5X-3.541 0×10-6X2負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與蛇紋石浮選速率間呈二次函數(shù)：Y=0.008-8.831 0×10-5X+2.391 0×10-6X2正相關(guān)關(guān)系，即隨礦漿表觀黏度的增加，黃銅礦浮選速率降低，蛇紋石浮選速率上升。另外，從函數(shù)斜率可以看出，黃銅礦浮選速率下降的幅度比蛇紋石大得多，說(shuō)明礦漿黏度的變化對(duì)黃銅礦的浮選影響更大。

2.4 蛇紋石與黃銅礦異相凝聚機(jī)制

圖5為混合礦總濃度30%、pH=9.7～10.2時(shí)蛇紋石質(zhì)量濃度的變化對(duì)混合礦礦漿濁度的影響。

由圖5可知，質(zhì)量濃度為30%的黃銅礦單礦物濁度極低，主要原因在于黃銅礦平均粒度較粗，沉降速度較快。因此，可以用蛇紋石單礦物的濁度表征混合礦的理論濁度。而對(duì)比理論濁度值與實(shí)際濁度值后，發(fā)現(xiàn)混合礦的實(shí)際濁度值明顯低于蛇紋石單礦物的濁度值，說(shuō)明蛇紋石與黃銅礦發(fā)生了異相凝聚。

DLVO理論［11-14］認(rèn)為，在無(wú)藥劑作用下的溶液中膠體或顆粒間的范德華吸引力和雙電層排斥力之和決定了膠體或顆粒間的相互作用關(guān)系。顆粒間總的作用能（VT）等于顆粒間的范德華作用能（VW）與靜電排斥能（VE）之和，即：

當(dāng)顆粒間總作用能VT>0時(shí)，表示顆粒處于分散狀態(tài)；反之，則顆粒相互凝聚。

半徑分別為R1和R2的兩個(gè)球形顆粒，顆粒間的范德華作用力表達(dá)式為：

式中，A11為顆粒1在真空中的Hamaker常數(shù)；A22為顆粒2在真空中的Hamaker常數(shù)；A33為介質(zhì)3在真空中的Hamaker常數(shù)；H為顆粒間的分散距離。

對(duì)半徑分別為R1和R2的兩個(gè)球形顆粒，顆粒間的靜電相互作用能表達(dá)式為：

式中，?1和?2分別為礦物1和礦物2的表面電位，V；ε0為真空中絕對(duì)介電常數(shù)，8.854×10-12C-2J-1m-1；ε為分散介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)，78.5 C-2J-1m-1；к-1為Debye長(zhǎng)度，nm，表示雙電層厚度，к=0.180 nm-1。

黃銅礦、蛇紋石和水在真空中的Hamaker常數(shù)分別取A11=28.4×10-20J［15］；A22=9.7×10-20J［16］和A33=3.7×10-20J；黃銅礦顆粒半徑R1=58.31μm，蛇紋石顆粒半徑R2=5.07μm（表1）；在pH=10時(shí)，蛇紋石和黃銅礦動(dòng)電位分別為-20.71 mV和-27.45 mV（見(jiàn)圖6）。因此，蛇紋石顆粒間和蛇紋石與黃銅礦顆粒間相互作用總勢(shì)能曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)pH為10時(shí)，蛇紋石顆粒間和蛇紋石與黃銅礦顆粒間總勢(shì)能曲線都為負(fù)，顆粒間表現(xiàn)為相互吸引。而在相同間距條件下，蛇紋石顆粒間的總勢(shì)能絕對(duì)值大于蛇紋石與黃銅礦間的總勢(shì)能絕對(duì)值，說(shuō)明蛇紋石顆粒間的吸引力比蛇紋石與黃銅礦間的更強(qiáng)烈，表現(xiàn)出蛇紋石顆粒間有較強(qiáng)的團(tuán)聚作用，這與之前流變性測(cè)試結(jié)果是一致的。

3 結(jié) 論

（1）保持黃銅礦與蛇紋石總礦漿濃度30%不變，蛇紋石質(zhì)量濃度越高，礦漿黏度越高，原因在于蛇紋石同相間的相互吸引力遠(yuǎn)大于黃銅礦間和黃銅礦與蛇紋石間的吸引力。

（2）在混合礦漿濃度為30%條件下，隨蛇紋石質(zhì)量濃度增加，混合礦漿泡沫夾雜現(xiàn)象嚴(yán)重，蛇紋石浮選速率上升，黃銅礦浮選速率下降，精礦中MgO含量逐漸增多。