超導(dǎo)磁分離技術(shù)用于信陽(yáng)高嶺土提純除雜研究

李亦然，蔣 浩，張衛(wèi)民，曾 華，馬仲英

(1.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西南昌 332400;2.東華理工大學(xué)非傳統(tǒng)安全中心，江西南昌 3324002; 3.江蘇旌凱中科超導(dǎo)高技術(shù)有限公司，江蘇江陰 214404)

目前，國(guó)內(nèi)外高嶺土除雜工藝主要分為三類:①物理法:磁選、浮選、絮凝;②化學(xué)法:酸浸、氧化、還原、氧化—還原聯(lián)合漂白;③微生物法(王振宇等，2012)。其中，化學(xué)漂白技術(shù)在當(dāng)前高嶺土工業(yè)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，處理效果好，但污染嚴(yán)重，易腐蝕設(shè)備且成本較高。微生物法除鐵污染少，但其針對(duì)性強(qiáng)，微生物培養(yǎng)周期長(zhǎng)，受外界條件影響較大且操作繁瑣，因此，不適宜大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。物理法中的浮選與絮凝藥劑消耗量大，成本高且工藝復(fù)雜。超導(dǎo)磁選工藝具有以下明顯優(yōu)勢(shì):①除雜率高，對(duì)弱磁性微細(xì)顆粒甚至膠體顆粒都十分有效;②能耗低，節(jié)能降耗效益顯著;③綠色環(huán)保，無(wú)化學(xué)要?jiǎng)┨砑?，不破壞高嶺土特性;④具有快速激磁和退磁能力，減少分選、沖洗雜質(zhì)時(shí)間，能明顯提高處理量;⑤自動(dòng)化程度高(Yan L G et al.，1994)?？梢姡瑢?dǎo)磁選工藝具有良好的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。

1986年美國(guó)成功地將超導(dǎo)磁選技術(shù)應(yīng)用于高嶺土選礦，后改進(jìn)設(shè)計(jì)采用往復(fù)系統(tǒng)，處理量提高一倍，到1990年代又研制出一種新型往復(fù)式超導(dǎo)磁選機(jī)，該機(jī)可連續(xù)給礦，且氦消耗量極小(徐星佩，2009)。我國(guó)研制超導(dǎo)磁選機(jī)始于1980年代，然而進(jìn)展緩慢，市場(chǎng)一直被美國(guó)壟斷，其價(jià)格與維護(hù)成本高昂，難以推廣使用。近年來(lái)，隨著制冷與超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成功研制出液氦零揮發(fā)5.5 T高梯度超導(dǎo)磁選機(jī)，并開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)(劉永振，2011)。

我國(guó)高嶺土礦產(chǎn)分布廣，類型多，資源極為豐富，但無(wú)論在生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品品種上我國(guó)高嶺土工業(yè)與國(guó)外相比都存在明顯差距。選礦所采用的傳統(tǒng)工藝相對(duì)落后，自動(dòng)化程度不高是主要原因之一。因此，本文主要研究高嶺土超導(dǎo)磁選影響因素及效果，對(duì)于改進(jìn)超導(dǎo)磁選高嶺土工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，提高自動(dòng)化程度，推廣使用超導(dǎo)磁選高嶺土新工藝具有積極意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑

高嶺土樣品取自河南某礦，原礦經(jīng)研磨粉碎、配漿，過(guò)325目篩后備用。實(shí)驗(yàn)中涉及的六偏磷酸鈉、氫氟酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉等分析測(cè)試及超導(dǎo)磁選實(shí)驗(yàn)相關(guān)化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 高嶺土測(cè)試方法

高嶺土的消解溶劑為87.5%王水(HCl∶HNO3=3∶1)、12.5%氫氟酸混合液。經(jīng)微波消解儀(MARS，CEM)處理制成溶液后，利用原子吸收分光光度計(jì)(北京瑞利分析儀器，WFX-210)測(cè)鐵含量。利用粉體白度計(jì)(杭州品享科技，PN-PWT)測(cè)得高嶺土白度。精礦通過(guò)90℃烘干稱重，計(jì)算產(chǎn)品回收率。

1.3 超導(dǎo)磁分離系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用液氦零揮發(fā)5.5 T高梯度超導(dǎo)磁選系統(tǒng)(JKS102)，該設(shè)備由江蘇旌凱中科超導(dǎo)高技術(shù)有限公司提供，磁體口徑102 mm，有效磁場(chǎng)區(qū)域長(zhǎng)度為400 mm。超導(dǎo)磁選機(jī)三維圖，見圖1。

超導(dǎo)磁分離系統(tǒng)主要由超導(dǎo)線圈、分選腔、鋼毛三部分構(gòu)成，見圖2。超導(dǎo)線圈浸于液氦中，電阻接近于零，通過(guò)直流勵(lì)磁產(chǎn)生高強(qiáng)度磁場(chǎng)，從而使鋼毛在分選腔中產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng)，弱磁性等顆粒受磁力作用向鋼毛靠攏(Chander et al.，1988)。

系統(tǒng)設(shè)置有兩個(gè)有效分選腔，當(dāng)其中一個(gè)在磁場(chǎng)中工作時(shí)，另外一個(gè)移出，其加載磁場(chǎng)消失，此時(shí)利用高速水流沖洗鋼毛，去除鋼毛上的吸附雜質(zhì)。待磁場(chǎng)中有效分選腔處理完礦漿后，清理完后的有效分選腔再移入磁場(chǎng)內(nèi)，以此達(dá)到交替循環(huán)利用的目的(Zhu et al.，2013;Maria et al.，2003)。

本實(shí)驗(yàn)鋼毛型號(hào)如表1，經(jīng)磨具壓實(shí)，按5%體積填充分選腔。

表1 鋼毛型號(hào)Table 1 The Steel wool type

1.4 試驗(yàn)方法

超導(dǎo)磁選實(shí)驗(yàn)中，采用物料分散機(jī)(精誠(chéng)化工，YB2-90L-2)配制10%濃度礦漿，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8‰的六偏磷酸鈉分散劑。取5 L礦漿，在特定流速下進(jìn)行1 T與5.5 T超導(dǎo)磁分離。經(jīng)強(qiáng)磁處理后得到精礦，移出分選腔，用清水高速?zèng)_洗得到殘礦。殘礦經(jīng)3500 r/min高速離心4 min，撇去上清液90℃烘干備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼毛類型與漿料流速對(duì)高梯度超導(dǎo)除鐵效果的影響

實(shí)驗(yàn)采用三種型號(hào)鋼毛，原樣氧化鐵含量為2.5%，在5.5T條件下進(jìn)行超導(dǎo)除鐵，精礦氧化鐵含量、精礦回收率變化分別如圖3、4所示。

圖1 高梯度超導(dǎo)磁選機(jī)三維圖Fig.1 The three-dimensional figure of high gradient superconducting magnetic separation machine

圖2 高梯度超導(dǎo)磁分離系統(tǒng)工藝流程圖Fig.2 The flow diagram of high gradient superconducting magnetic separation process

圖3 原礦漿經(jīng)5.5T超導(dǎo)磁選，鋼毛、流速對(duì)除鐵效果影響Fig.3 The effects of velocity and the type of steel wool on the removal of ferric oxide in raw slurry by applying HGMS under the magnetic field of 5.5 T

由圖3可以得出，分別采用1#、3#、5#鋼毛，經(jīng)高梯度磁分選后，所得精礦的平均氧化鐵含量分別為0.93%、1.14%、1.18%，精礦平均回收率分別為38.73%、32.99%、37.50%?？梢姡捎?#鋼毛處理的精礦氧化鐵含量最低，且精礦回收率較高，處理效果最優(yōu)。

磁顆粒在有效分選腔中受到磁力Fm、水流作用力Fd、重力Fg、范德瓦爾力Fvdw等作用，當(dāng)顆粒處于受力平衡狀態(tài)時(shí)，上述作用力矢量和為:

圖4 原礦漿經(jīng)5.5T超導(dǎo)磁選，鋼毛、流速對(duì)精礦回收率影響Fig.4 The effects of velocity and the type of steel wool on the recovery of Concentrate in raw slurry by applying HGMS under the magnetic field of 5.5 T

其中χm為顆粒磁化率，Vp為顆粒體積，B為飽和磁化強(qiáng)度，μ0=4π×10－7Hm－1為真空磁化率，a為鋼毛平均半徑。χm、Vp為磁顆粒固有屬性，μ0為常數(shù)。鋼毛為強(qiáng)磁介質(zhì)，在1 T左右即可達(dá)到磁飽和，實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)強(qiáng)度為5.5 T，可知其飽和磁化強(qiáng)度B為定值，磁顆粒受到磁力Fm與a成反比。1#鋼毛等效半徑最小，因此，磁顆粒在1#鋼毛中受到的磁力最大，顆粒被捕捉概率最高，除雜率最高。

由圖4可計(jì)算出采用1#、3#、5#鋼毛分別進(jìn)行磁分選處理，所得精礦平均回收率分別為38.73%，32.99%，37.50%。可見，鋼毛類型對(duì)精礦回收率有影響，但其中機(jī)理較為復(fù)雜，可能受到鋼毛有效通道堵塞、非磁性顆粒夾雜、實(shí)驗(yàn)計(jì)算方法等影響，有待進(jìn)一步探究。

由圖3可以看出，在使用同種類型鋼毛條件下，進(jìn)漿速度對(duì)處理效果產(chǎn)生較大影響，漿料流速為1 cm/s時(shí)三種鋼毛處理效果均達(dá)到最優(yōu)，所得精礦平均氧化鐵含量為0.98%，漿料流速升至1.5 cm/s時(shí)，處理效果略微下降，平均氧化鐵含量為1.04%，當(dāng)漿料流速升至2 cm/s時(shí)，處理效果較差，平均氧化鐵含量為1.23%。因此，在保證產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的情況下，流速最好保持在1～1.5 cm/ s之間。

流速?zèng)Q定顆粒在礦漿中所受流體阻力以及在鋼毛內(nèi)部停留時(shí)間。雖然礦漿不是理想流體，但其流速低，雷諾數(shù)小，所以圓柱體迎水面的流線與理想流體的流線基本相同 對(duì)粒度較小的顆粒，礦粒所受流體粘滯力滿足斯托克斯阻力公式(趙禮兵等，2012)，即:

式中，b為礦物顆粒半徑，η為礦漿的粘滯系數(shù)，υ為礦漿運(yùn)動(dòng)速度。由此可知當(dāng)?shù)V漿的粘度系數(shù)、礦粒半徑一定時(shí)，流速υ與流體阻力Fd成正比。由上述已知，磁性礦粒的捕收率取決于Fm與Fd的比值。所以，若Fm保持不變，流速增加，流體阻力Fd也隨之增大，F(xiàn)m與Fd比值減小，磁性礦粒捕收率降低。同時(shí)流速增大后，鋼毛表面已截留下來(lái)的顆粒受到的沖刷力加大，部分懸浮物會(huì)脫離鋼毛而被水流帶走，降低精礦品位。此外，降低流速可以增加雜質(zhì)在分選腔中的停留時(shí)間，增大顆粒與鋼毛碰撞概率，增加鋼毛吸附雜質(zhì)機(jī)率，提高精礦品位。

由上述分析可知，超導(dǎo)磁選除雜率與流速成反比。因此，為保證產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，應(yīng)保持適當(dāng)流速。

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)高梯度超導(dǎo)除鐵效果的影響

原礦漿分別在1 cm/s流速，3.5 T、5.5 T磁場(chǎng)條件下，利用鋼毛作為高梯度介質(zhì)處理高嶺土的研究結(jié)果見圖5。磁場(chǎng)強(qiáng)度由3.5 T上升至5.5 T后，磁選后精礦的平均氧化鐵含量由1.09%下降至0.98%。

圖5 原礦漿分別經(jīng)3.5 T、5.5 T磁選，鋼毛對(duì)磁選效果影響Fig.5 The effects of types of steel wool on the removal of ferric oxide in raw slurry by applying HGMS under the magnetic field of 3.5 T，5.5 T

磁顆粒在磁場(chǎng)中理論最大受磁力由公式(4)給出(Cafer et al.，2006):

式中，B為磁顆粒飽和磁化強(qiáng)度，▽B為磁場(chǎng)梯度。鋼毛為鐵磁體，其在背景磁場(chǎng)為1T左右時(shí)即可達(dá)到磁飽和。當(dāng)鋼毛達(dá)到磁飽和后，磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)升高對(duì)鋼毛周邊的磁場(chǎng)梯度理論上無(wú)影響(Baik et al.，2012)。因此，對(duì)于強(qiáng)磁性及磁性顆粒，當(dāng)背景磁場(chǎng)高于其飽和磁化強(qiáng)度時(shí)，其受磁力不會(huì)隨場(chǎng)強(qiáng)增大而增加，僅可一定程度上增大填充高梯度磁介質(zhì)捕集區(qū)，提高鋼毛捕集磁顆粒概率。此外，礦漿中存在著難以達(dá)到磁飽和的弱磁性、順磁性顆粒，其在磁場(chǎng)中受磁力可由公式(5)表示:

式中，ρ為顆粒密度，H為外磁場(chǎng)強(qiáng)度。Vp，ρ，χm為顆粒固有屬性，▽B固定不變。因此，弱磁性顆粒受磁力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H增大而增加，從而增大鋼毛捕捉顆粒概率，提高雜質(zhì)去除率。

兩種場(chǎng)強(qiáng)下磁選后精礦的平均氧化鐵含量差別不大，且不同類型鋼毛的出礦品位有所波動(dòng)，但總體上精礦品位隨場(chǎng)強(qiáng)增大而下降。磁場(chǎng)強(qiáng)度由3.5 T增加至5.5 T，精礦的平均氧化鐵含量由1.09%下降至0.98%，這表明增加磁場(chǎng)強(qiáng)度能提高磁顆粒的去除能力，與上述理論分析相符。

2.3 弱磁預(yù)處理對(duì)高梯度超導(dǎo)除鐵效果的影響

原樣經(jīng)1 T預(yù)處理，5.5 T強(qiáng)磁處理，進(jìn)漿流速均為1 cm/s。所得精礦平均氧化鐵含量、白度及回收率如表2所示:

表2 磁選后所得精礦的主要參數(shù)Table 2 The main parameters of the concentrate after magnetic separation /%

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)1 T弱磁預(yù)處理與5.5 T強(qiáng)磁處理，所得精礦的平均氧化鐵含量為0.89%略低于5.5 T磁選后的精礦平均氧化鐵含量0.98%，白度相差不大。精礦的平均回收率為28.95%略高于5.5 T強(qiáng)磁處理后精礦平均回收率26.67%。

精礦回收率差異主要?dú)w結(jié)于以下兩方面原因:

(1)磁性顆粒在外磁場(chǎng)中磁化，相互吸引形成磁團(tuán)聚現(xiàn)象(Sovboda，1982)。磁團(tuán)內(nèi)部除磁性顆粒外，還包裹著高嶺土顆粒，高嶺土顆粒隨磁團(tuán)被分離出來(lái)，因而降低了產(chǎn)品回收率。磁團(tuán)產(chǎn)生速率與外界磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，其隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而增加(Tsouris et al.，1995)。若礦漿未經(jīng)預(yù)處理易造成5.5 T強(qiáng)磁處理過(guò)程中磁顆粒負(fù)荷過(guò)高，產(chǎn)生大量磁團(tuán)，造成高嶺土流失嚴(yán)重。當(dāng)采取分段處理工藝時(shí)，在1 T預(yù)處理過(guò)程中雖產(chǎn)生磁團(tuán)聚現(xiàn)象，但磁團(tuán)數(shù)量相對(duì)5.5 T磁場(chǎng)中產(chǎn)生量較少，因而高嶺土損失較少。預(yù)選階段去除了大量雜質(zhì)，減輕了5.5 T強(qiáng)磁處理過(guò)程中磁顆粒負(fù)荷，降低了磁團(tuán)數(shù)量，減少了高嶺土損失。

(2)鋼毛表面吸附大量磁顆粒，且隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而增多。若直接進(jìn)行5.5 T強(qiáng)磁處理，易造成大量磁顆粒吸附在鋼毛上堵塞通路，形成物理截留，影響高嶺土顆粒通過(guò)。若先經(jīng)過(guò)1 T預(yù)處理，會(huì)減輕下一步強(qiáng)磁處理的雜質(zhì)負(fù)荷，使得在5.5 T強(qiáng)磁處理過(guò)程中高嶺土顆粒能順利通過(guò)鋼毛。因此，經(jīng)1 T、5.5 T分段處理得到的精礦回收率較高。

1 T、5.5 T分段處理與5.5 T處理的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:常規(guī)磁選預(yù)處理并未大幅提升超導(dǎo)磁分離流程的處理效率和能力。可見，超導(dǎo)磁選系統(tǒng)對(duì)高負(fù)荷雜質(zhì)耐受能力較強(qiáng)，可對(duì)高雜質(zhì)含量的土樣進(jìn)行直接處理。若采用常規(guī)磁選機(jī)進(jìn)行1 T預(yù)處理，噸土處理成本與一次性投資會(huì)進(jìn)一步增加，且增大了工藝復(fù)雜性，降低了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)論

鋼毛尺寸、礦漿流速、場(chǎng)強(qiáng)及常規(guī)磁場(chǎng)預(yù)處理對(duì)超導(dǎo)磁選高嶺土效果均有重要影響。由本實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:高嶺土原礦氧化鐵去除效率隨鋼毛尺寸減小而增加。根據(jù)對(duì)比精礦氧化鐵含量與回收率，1#鋼毛具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，樣品氧化鐵含量由2.5%下降至0.93%;選擇礦漿流速應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)流速為1～1.5 cm/s;磁場(chǎng)強(qiáng)度升高會(huì)增大鋼毛吸附捕集區(qū)，且對(duì)于去除弱磁性顆粒有顯著效果，因此提高了雜質(zhì)去除率;常規(guī)磁場(chǎng)預(yù)處理并未大幅提升超導(dǎo)磁分離流程的處理效率和能力，超導(dǎo)磁選系統(tǒng)對(duì)高負(fù)荷雜質(zhì)耐受能力較強(qiáng)，可對(duì)高雜質(zhì)含量的土樣進(jìn)行直接處理。

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