JZQ-F7捕收劑在赤鐵礦反浮選中的浮選特性及機理研究

于慧梅

摘 要：論文以餐飲廢油為原料，制備一種脂肪酸類捕收劑（以下稱“JZQ-F7”），用于赤鐵礦反浮選脫除石英研究，并與傳統(tǒng)捕收劑油酸鈉進行對比。浮選試驗考察了礦漿濃度、礦漿溫度、藥劑用量及浮選時間因素對浮選指標的影響，通過電動電位分析、紅外光譜分析、礦物的沉降行為分析和粒度分析揭示了JZQ-F7在石英表面的作用機理。浮選試驗研究表明，當礦漿的濃度為50%、礦漿的溫度為20～30 ℃時，在JZQ-F7作用下，鐵精礦中鐵品位達到67%，鐵回收率為56%;電動電位和紅外光譜研究表明，在pH為10～12范圍內，JZQ-F7在石英表面吸附量最多，石英在活化劑CaO的作用下，與JZQ-F7發(fā)生了化學吸附;礦物的沉降行為和粒度分析表明，JZQ-F7的加入使得石英礦物顆粒增加，礦粒間出現疏水團聚。

關鍵詞：餐飲廢油;JZQ-F7捕收劑;浮選;電動電位;紅外光譜

中圖分類號：TD923

文獻標志碼：A

隨著中國餐飲業(yè)的迅速發(fā)展，餐飲廢棄物中的廢棄油脂日益增多[1]，餐飲廢油問題也越來越得到社會各界的關注[2-3]。研究發(fā)現，餐飲廢油的危害主要表現在重返餐桌、生產化工產品等方面[4]。餐飲廢油的不合理利用威脅到人類食品安全和身體健康。目前，關于餐飲廢油的科學利用途徑主要有：以餐飲廢油為原料制備無磷洗衣粉、皂液[5]、生物柴油[6-8]、硬脂酸和油酸[9]、潤滑脂[10]、混凝土制品脫模劑[11]、選煤捕收劑[12]等。

關于赤鐵礦浮選的研究報道很多，圍繞赤鐵礦浮選主要集中在浮選工藝的選擇、浮選影響因素的條件試驗、以及藥劑與礦物表面作用機理等幾方面。研究表明，以氫氧化鈉或氫氧化鈉與碳酸鈉混用作為介質調整劑，淀粉作為抑制劑，氧化鈣作為活化劑，脂肪酸或脂肪酸皂可以將赤鐵礦中的脈石礦物浮出[13-16]。

餐飲廢油的成分與傳統(tǒng)制備脂肪酸捕收劑原料的成分相近[17]，利用餐飲廢油制備JZQ-F7脂肪類捕收劑用于赤鐵礦反浮選中以期得到良好的浮選試驗結果。論文以赤鐵礦反浮選為基礎，以礦漿濃度、礦漿溫度、藥劑用量、浮選時間為浮選因素，通過對比JZQ-F7脂肪類捕收劑與傳統(tǒng)捕收劑油酸鈉浮選指標，證實了JZQ-F7脂肪類捕收劑的捕收性能和選擇性能，并揭示了JZQ-F7脂肪類捕收劑在礦物表面的作用機理。

1 試驗研究內容與方法

1.1 礦樣及藥劑

試驗所用的礦樣來源于遼寧省，礦樣粒度為-200目≥90%。通過Oxford ISI300能譜儀對礦樣進行能譜分析，礦樣X射線能譜圖表明，礦樣主要由Fe、Si、O等元素組成，X射線能譜圖如圖1所示。在日立S-3500掃描電鏡（分辨率：30 Kv時0.4 nm，1 Kv時1.6 nm;加速電壓：0.5～30 Kv;放大倍率： 低倍模式60X～10 000X，高倍模式800X～2 000 000X）下對該礦樣的光片進行了觀察，有用礦物主要有赤鐵礦，脈石礦物主要有石英。圖2為掃描電鏡背散射電子圖像，圖中白色為赤鐵礦，灰色是以石英為主的脈石礦物。通過化學分析礦樣鐵含量為43.93%，硅含量為32.99%。

試驗所用捕收劑分別為自制脂肪酸類捕收劑JZQ-F7和傳統(tǒng)脂肪酸類捕收劑油酸鈉兩種。其中JZQ-F7以餐飲廢油為原料經過預處理-水解-萃取-酸化-改性工藝得到;油酸鈉為市場銷售油酸鈉分析純。

1.2 浮選試驗

浮選試驗采用XFD-0.5（轉速1 800 r/min）浮選機，稱取一定量的礦樣放入浮選槽中，加入一定量的自來水，攪拌調漿，加入氫氧化鈉調節(jié)礦漿的pH值，順序加入抑制劑、捕收劑、起泡劑，各種藥劑作用3～5 min后，收集泡沫產品。泡沫產品和槽底產品分別烘干、稱量、制樣、化驗品位、計算回收率。

1.3 電動電位的測定

電動電位的測定是在室溫下通過Zeta Plus DB-525電位電動儀（電泳測量粒度范圍0.005～30 μm;樣品體積1～1.5 ml;pH范圍2～12;電導率范圍0～700 Ms/m）測定完成的。每個實驗重復5次。測試樣品的制備詳見參考文獻[18]。

1.4 紅外光譜分析

為了說明JZQ-F7的化學結構特征，對JZQ-F7進行紅外光譜分析。測試樣品的制備詳見參考文獻[19]。

1.5 礦物沉降試驗

捕收劑在礦物表面作用前后團聚程度的變化可由礦物細粒的沉降行為表征。稱取3.0 g礦物置于放入200 mL的燒杯中，加入80 mL的蒸餾水，用磁力攪拌器充分攪拌10 min（轉速500 r/min）;向燒杯中加入一定量的捕收劑攪拌5 min;將礦漿移至100 mL沉降管中，將其定容、搖勻、沉降2 min，抽取上層液體50 mL，過濾烘干下層礦粉、稱重并計算沉降產率。

1.6 捕收劑對礦石粒度分布影響試驗

稱取2.0 g礦粉于200 mL燒杯中，加入150 mL蒸餾水，使用磁力攪拌器充分攪拌10 min（轉速500 r/min）;向燒杯中加入一定濃度的捕收劑攪拌5 min，采用LS-C（1）激光粒度檢測儀（測試范圍0.5～300 μm;測試時間1～2 min; 波長0.632 8 μm）檢測礦樣的粒度。

2 試驗結果分析與討論

在鐵礦石反浮選試驗中，主要考察了JZQ-F7用量、礦漿溫度、礦漿濃度、浮選時間對浮選效果的影響，并與傳統(tǒng)脂肪酸類捕收劑油酸鈉進行比較。

2.1 捕收劑用量試驗

在鐵礦石反浮選中，在一定捕收劑用量范圍內，捕收劑用量越大，精礦中鐵品位越高。為了考察捕收劑用量對浮選效果的影響，分別考察了JZQ-F7捕收劑和傳統(tǒng)捕收劑油酸鈉不同用量與鐵精礦中鐵品位和回收率關系試驗研究。浮選時，礦漿的濃度為43%，浮選礦漿pH值為11.5，礦漿的溫度為30 ℃，采用一粗一精浮選流程，精礦中鐵品位和回收率如圖3所示。

由圖3可知：JZQ-F7用量由200 g/t原礦增加到500 g/t原礦時，精礦鐵品位由59.51%上升到67.30%，精礦鐵回收率由57.25%降低到35.16%;油酸鈉用量500 g/t時，精礦鐵品位66.28%，比JZQ-F7用量500 g/t時精礦鐵品位67.30%低1.02個百分點。當捕收劑用量達到剛好浮選脈石礦物石英，再增加捕收劑的用量，就會將少量與石英以連生體共存的赤鐵礦浮選上來，導致精礦中鐵礦物的損失，降低了精礦的鐵回收率。在保證精礦鐵品位的情況下，為了保證精礦鐵回收率和從節(jié)約藥劑成本的角度考慮，JZQ-F7在鐵礦石反浮選中用量不宜超過500 g/t原礦。

2.2 礦漿溫度試驗

脂肪酸捕收劑在不同溫度下溶解度不同導致溫度對脂肪酸類捕收劑的影響很大。試驗考察不同浮選溫度下JZQ-F7對礦物鐵礦石反浮選的影響，同時與油酸鈉進行對比試驗，浮選試驗條件為：礦漿的濃度43%，浮選礦漿pH值11.5，采用一粗一精浮選流程，精礦中鐵品位和回收率如圖4所示。

浮選試驗考察不同礦漿溫度對浮選試驗的影響，礦漿溫度的變量分別為20，30，40，50 ℃。由圖4中JZQ-F7品位曲線和回收率曲線可知：當浮選溫度為20 ℃時，精礦中鐵品位為65.21%，鐵回收率為60.88%，當浮選溫度升高到30 ℃時，精礦中鐵品位增加到67.13%，增加了1.92百分點，繼續(xù)升高浮選溫度，鐵精礦中鐵品位上升的趨勢緩慢，當溫度增加到50 ℃時，鐵精礦中鐵品位增加到67.82%，比浮選溫度為30 ℃時僅提高了0.69%，而鐵回收率卻大幅度的降低，由37.04%降低到15.07%。從各自品位和回收率曲線的交點可以得出結論，JZQ-F7的最佳浮選溫度范圍為30 ℃左右，而油酸鈉的最佳浮選溫度范圍為40 ℃左右，由此可見，在相同溫度下，JZQ-F7的溶解性要優(yōu)于油酸的溶解性。

2.3 礦漿濃度試驗

試驗考察了不同礦漿濃度下JZQ-F7對礦物鐵礦石反浮選的影響，并在相同條件下與油酸鈉進行對比研究，浮選試驗條件為：礦漿溫度30 ℃，浮選礦漿pH值11.5，采用一粗一精浮選流程，精礦中鐵品位和回收率如圖5所示。

由圖5中JZQ-F7精礦鐵品位和回收率曲線可知：礦漿濃度由33%上升到43%，精礦中鐵品位的上升幅度較小，由63.43%上升到64.50%，鐵品位提高了1.07個百分點;鐵回收率由63.10%降低到58.55%，降低了4.55個百分點;礦漿濃度由43%上升到50%，精礦中鐵品位上升幅度較大，由64.50%上升到68.32%，鐵品位提高了3.82個百分點，而回收率下降的幅度小，從58.55%降低到57.66%，僅降低了0.89個百分點。由上述可知，JZQ-F7在鐵礦石反浮選時，浮選礦漿濃度的變化對鐵精礦中鐵品位有較大影響，在高濃度的浮選礦漿濃度下能獲得理想的浮選指標。由油酸鈉作為捕收劑時精礦中鐵品位和回收率曲線可知，隨著礦漿濃度的提高，精礦鐵品位逐漸提高，在33%～38%范圍內，精礦中鐵品位提高幅度較大，而在38%～50%范圍內，精礦中鐵品位提高幅度較小，鐵回收率則表現出相反的趨勢。

2.4 浮選時間試驗

為了說明捕收劑對浮選速率的影響，分別進行了JZQ-F7和油酸鈉兩種捕收劑不同的浮選時間對精礦中鐵品位和回收率的影響的試驗。浮選試驗時，礦漿溫度30 ℃，浮選礦漿濃度50%，浮選礦漿pH值11.5，采用一次粗選浮選流程，精礦中鐵品位和回收率如圖6所示。

由圖6中JZQ-F7精礦中鐵品位和回收率曲線可知：浮選時間由3 min增加到4 min時，精礦中鐵品位由53.56%提高到55.24%，增加的幅度較小;而浮選時間由4 min增加到5 min時，精礦中鐵品位由55.24%提高到63.28%，提高了8.04個百分點;當浮選時間增加到6 min時，精礦鐵品位由63.28%提高到63.98%。由此可見，JZQ-F7在鐵礦石反浮選時適當的延長粗選時間，可以有效地提高精礦中鐵品位。由油酸鈉作為捕收劑時精礦中鐵品位和回收率曲線可知，隨著浮選時間的增加，精礦鐵品位逐漸提高，鐵回收率逐漸降低。

2.5 藥劑與礦物吸附性能研究

2.5.1 電動電位測量

電動電位與浮選之間有著密切的關系，可用電動電位來評價礦物與藥劑作用后礦物表面荷電情況的變化。在不同的pH條件下，分別研究了純石英、純赤鐵礦表面荷電情況及兩種礦石在不同捕收劑作用前后表面的荷電情況，試驗結果見圖7和圖8。

由圖7可知：在測量的pH范圍內，石英的Zeta電位均為負值，且隨著pH的增大，Zeta的變化趨勢為其負電位值先以較大的速率增大然后增加速率變緩，石英的零電點出現在pH=3.95。按照靜電吸引原理，此時石英礦物表面與脂肪酸陰離子捕收劑的作用不可能是靠靜電力為主的物理吸附，而應當發(fā)生化學吸附。其反應為：在適宜的pH條件下，石英由于磨礦、攪拌、解離過程中導致金屬離子水解形成羥基絡合物，金屬離子的羥基絡合物通過脫水吸附在石英礦物表面，呈現出活性金屬陽離子，脂肪酸陰離子捕收劑在此活性金屬陽離子上發(fā)生化學吸附，使石英疏水上浮。加入JZQ-F7之后，石英的電動電位明顯下降，對于JZQ-F7來說，在pH=11～12之間，石英的電動電位下降的幅度最大，由此可以說明，在pH=11～12范圍內，石英與JZQ-F7作用最好，JZQ-F7在石英表面吸附量增多，石英表面水化作用減弱，水化層變薄，提高了石英表面的疏水性。圖中另一曲線為加入油酸鈉石英表面電動電位的變化。

由圖8可知：赤鐵礦的零電點出現在pH=4.90。當礦漿的pH大于4.90時，赤鐵礦表面荷負電，當礦漿的pH小于4.90時，赤鐵礦表面荷正電。捕收劑作用之后，赤鐵礦的零電點有所降低，這是由于陰離子捕收劑在赤鐵礦表面發(fā)生了特性吸附。對于JZQ-F7來說，當礦漿的pH值在3～7范圍時，赤鐵礦的電動電位有所降低，此時，JZQ-F7與赤鐵礦的作用效果較好;當礦漿的pH值大于7時，赤鐵礦的電動電位有所提高，且在pH=10 時達到最高值，此時JZQ-F7與赤鐵礦作用效果變差。圖中另一曲線為加入油酸鈉赤鐵礦表面電動電位的變化。綜合圖7和圖8可知：礦漿pH值為10～12范圍內，由于JZQ-F7在石英表面發(fā)生了化學吸附，提高了石英表面的疏水性，而捕收劑與赤鐵礦之間不發(fā)生吸附，使石英從赤鐵礦中分離出來，達到浮選效果。

2.5.2 紅外光譜分析

為了進一步說明JZQ-F7與石英吸附特性，分別對石英礦物、石英與捕收劑作用、石英與捕收劑作用之后水洗進行紅外光譜分析。樣品的制備按照浮選流程的藥劑制度進行。試驗結果如圖9、圖10所示。

圖9中石英的紅外光譜曲線和石英只加JZQ-F7的紅外光譜曲線幾乎是一樣的峰形，這說明在石英中只添加JZQ-F7時，JZQ-F7在礦物表面是不發(fā)生吸附作用的。如石英在CaO和JZQ-F7作用下的紅外光譜所示，添加了CaO后，2 924.38 cm-1、2 853.97 cm-1、1 421.50 cm-1處出現了新的吸收峰。其中，2 924.38 cm-1、2 853.97 cm-1處是亞甲基CH2的反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動。1 421.50 cm-1處出現的中強峰為鏈烷CH2的不對稱變形振動。在CaO作用下，JZQ-F7與石英發(fā)生作用后，JZQ-F7捕收劑中1 708.08 cm-1處的羧酸類化合物CO雙鍵的伸縮振動特征吸收峰已消失， 這個峰的消失表明了JZQ-F7捕收劑與石英的吸附關系不是物理吸附。結合曲線中出現的鏈烷CH2的特征吸收峰，說明石英在活化劑CaO的條件下，與JZQ-F7發(fā)生了化學反應，生成了新的物質，使得捕收劑在石英表面吸附。

圖10中所示的兩條曲線中，一個代表的是石英+CaO+JZQ-F7作用一段時間后未進行水洗的紅外光譜分析曲線，另一條代表的是石英+CaO+JZQ-F7作用一段時間后進行了反復水洗后的紅外光譜分析曲線。兩譜圖曲線基本一致，無新的特征峰出現，無明顯變化，因此，證明了Ca2+活化后捕收劑與石英發(fā)生了化學吸附。

2.6 藥劑對礦物團聚性能研究

2.6.1 礦物沉降行為研究

通過JZQ-F7與石英礦物作用前后的沉降試驗，推斷石英在捕收劑作用下石英團聚的變化，并與傳統(tǒng)脂肪酸捕收劑油酸鈉進行比較，試驗結果見圖11。

圖11是JZQ-F7和油酸鈉與石英作用前后沉降試驗結果。由圖可見，石英的沉降產率隨著捕收劑濃度的增加而迅速增大，當捕收劑達到一定的濃度之后，與JZQ-F7作用的石英沉降產率呈階梯狀下降，而與油酸鈉作用的石英沉降產率直線下降。由石英沉降產率迅速增加的階段可見，JZQ-F7對石英的團聚影響明顯優(yōu)于傳統(tǒng)脂肪酸油酸鈉。當捕收劑濃度為0.04%時，JZQ-F7對石英的沉降產率達到98.92%，而傳統(tǒng)捕收劑油酸鈉對石英的沉降產率為96.52%。捕收劑作用之前，石英的沉降產率為84.47%，JZQ-F7作用之后，石英的沉降產率為98.92%。由此可見，JZQ-F7的加入使得石英顆粒之間團聚作用變好。

2.6.2 激光粒度分析

采用激光粒度分析儀，分析石英在JZQ-F7作用前后，粒度分布的變化，得到JZQ-F7對石英疏水團聚的影響。試驗結果見圖12。

由圖12可知：在礦漿中加入不同濃度JZQ-F7后，石英的粒度分布曲線在不同程度上向右偏移，這是由于，JZQ-F7的加入使得石英礦物顆粒增加，礦粒間出現疏水團聚;隨著JZQ-F7濃度的增加，石英的粒度分布曲線依次向右偏移。由此說明，增加JZQ-F7的濃度，可以促進石英顆粒的疏水團聚。

3 結論

論文以餐飲廢油為原料，制備了脂肪酸捕收劑JZQ-F7并用于赤鐵礦反浮選脫除石英的研究，主要得到以下結論：

1）JZQ-F7用量試驗表明，隨著JZQ-F7用量的增加，鐵精礦中鐵品位逐漸提高，鐵回收率逐漸降低。為了保證較好的浮選指標，JZQ-F7用量不宜超過500 g/t;通過對礦漿溫度、礦漿濃度的變量試驗研究表明，當礦漿的濃度為50%、礦漿的溫度為20～30 ℃時，可以獲得良好的浮選指標，精礦中鐵品位達到67%左右，鐵回收率為56%左右。

2）電動電位研究表明，在pH=11～12范圍內，石英與JZQ-F7作用最好，JZQ-F7在石英表面吸附量增多，與赤鐵礦之間不發(fā)生吸附。

3）紅外光譜研究表明，石英在活化劑CaO的條件下，與JZQ-F7發(fā)生了化學反應，生成了新的物質，使得捕收劑在石英表面吸附。

4）JZQ-F7的加入使得石英顆粒間發(fā)生了疏水團聚作用，且隨著JZQ-F7濃度的增加，石英顆粒間的疏水團聚作用越明顯。

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（責任編輯：曾 晶）

Abstract：

In this study， we prepared a fatty acid collector （abbreviated JZQ-F7） from hogwash oil， and analyzed its flotation characteristics and adsorption mechanism in separating quartz from hematite iron ore， and compared its performance with that of the traditional collector sodium oleate. The flotation performance of the JZQ-F7 was evaluated using a laboratory mechanical flotation cell under different process parameters， such as pulp concentration， pulp temperature， reagent dosage， and flotation time. Furthermore， the mechanism underlying the adsorption of JZQ-F7 on quartz and hematite surfaces is discussed， based on zeta potential analysis， infrared spectral analysis， the mineral settlement behavior test， and laser particle size analysis. The flotation results indicate that good flotation indexes， with a grade of iron concentrate of about 67% and a recovery rate of about 56%， can be achieved with a pulp temperature of 20～30℃ and a pulp concentration of 50%. Furthermore， the zeta potential analysis indicated that the JZQ-F7 chemically adsorbed onto the surface of the quartz， and that the chemical interaction between JZQ-F7 and the quartz surface reached its maximum when the pH of the slurry was within the 10～12 range. In addition， the chemical interaction between JZQ-F7 and the quartz surface occurred only in the presence of the activator CaO. It can be inferred from the mineral settlement behavior test and laser particle size analysis that the hydrophobic reunion of quartz occurred in the presence of JZQ-F7.

Key words：

hogwash oil; JZQ-F7 collector; flotation; zeta potential; infrared spectroscopy