微細(xì)粒石英/赤鐵礦異步絮凝浮選分離研究

楊誠，李明陽，龍紅明，王海川，Liu Qi

1.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243002；

2.阿爾伯塔大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，加拿大 埃德蒙頓 T6G 2V4

引言

隨著礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)利用，貧、細(xì)、雜礦石的入選比例不斷上升，細(xì)粒浮選技術(shù)研究引起越來越多的重視[1]。細(xì)粒級（粒徑-10 μm 左右）礦物的浮選難度極大，主要是由于其自身質(zhì)量小和表面能大等特性引起的。隨著粒度減小，礦物顆粒的浮選行為會發(fā)生根本改變。細(xì)粒級礦物比表面積大、表面能高，對浮選藥劑的非選擇性吸附嚴(yán)重，導(dǎo)致藥劑消耗量明顯增大，精礦品位降低；細(xì)粒級礦物的質(zhì)量小、動量低，造成顆粒與氣泡的碰撞黏附概率低，致使選礦時間延長，回收率降低；另外，細(xì)粒礦物溶解度比粗粒礦物大，溶解組分通常會干擾浮選過程，使浮選指標(biāo)惡化。金屬氧化物礦石在開采和粉碎過程中更容易發(fā)生過粉碎和泥化，加上自身溶解度大、可浮性差、藥劑選擇性低等特點，使得細(xì)粒浮選問題更為突出[2-5]。細(xì)粒級礦物的浮選回收是現(xiàn)代礦物加工領(lǐng)域面臨的重大科學(xué)難題。

改善細(xì)粒絮凝浮選指標(biāo)的主要技術(shù)瓶頸在于兩方面：一方面在于絮凝劑的選擇性，絮凝過程干擾顆粒與目的礦物夾雜包裹是造成絮凝浮選指標(biāo)不理想的主要原因，如果所用絮凝劑分子鏈強度大、絮團(tuán)致密，后續(xù)作業(yè)很難再將已包裹的雜質(zhì)顆粒通過解吸解團(tuán)等操作去除[5-9]；另一方面，脫泥作業(yè)時目的礦物流失嚴(yán)重，導(dǎo)致浮選尾礦品位偏高、精礦回收率低，造成資源的嚴(yán)重浪費[10-15]。對于鐵礦反浮選，淀粉、羧甲基纖維素和瓜兒膠常用來選擇性絮凝氧化鐵礦，而DDA和殼聚糖用來選擇性絮凝石英[16-17]。聚氧化乙烯（PEO）是一種水溶性的聚合物，廣泛應(yīng)用于造紙廠和油砂工業(yè)的廢物脫水。在選礦領(lǐng)域，PEO 還被發(fā)現(xiàn)可以降低精礦中石英的夾雜，提高硫化礦的分選效率[18]。

一直以來，細(xì)粒浮選的研究工作多集中在剪切條件下顆粒的疏水團(tuán)聚、單一絮凝劑疏水顆粒絮凝-脫泥浮選方面，而在“異步雙絮凝”即多絮凝劑分別絮凝目的礦物和脈石礦物方面的研究較少。本文以聚氧化乙烯和淀粉為選擇性絮凝劑，探索了異步絮凝浮選在細(xì)粒赤鐵礦-石英浮選中的選擇性，同時對絮凝效果進(jìn)行探討，對微細(xì)粒鐵礦的絮凝浮選分離具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗樣品及藥劑

赤鐵礦和石英純礦物取自遼寧鞍山，選取純度較高的礦石經(jīng)破碎磨礦后篩分，-10 μm 以下粒級用于浮選試驗。對制得的赤鐵礦和石英純礦物進(jìn)行XRD 和XRF 分析，如圖1 和表1 所示，可以看出赤鐵礦和石英的純度均較高，赤鐵礦中僅含有極少量的石英，所制得樣品完全滿足試驗要求。

表1 赤鐵礦和石英化學(xué)成分分析Table 1 Chemical composition analysis of hematite and quartz

圖1 赤鐵礦(a)和石英(b)XRD 分析Fig. 1 XRD analysis hematite (a) and quartz (b)

利用激光粒度分析儀(MasterSizer 2000)對赤鐵礦和石英純礦物進(jìn)行粒度分析，所得結(jié)果如圖2 所示，可以看出，赤鐵礦的d50=7.18 μm，而石英的d50=1.55 μm，赤鐵礦的粒度稍大于石英，兩者的粒度均小于10 μm，屬于微細(xì)粒難選礦物。

圖2 赤鐵礦和石英粒度分析Fig. 2 Size fraction analysis of hematite and quartz

十二胺(DDA)作為捕收劑兼起泡劑，氫氧化鈉和鹽酸做pH 調(diào)整劑，聚氧化乙烯(PEO)為石英絮凝劑，淀粉為赤鐵礦絮凝劑兼抑制劑，其中DDA、PEO、氫氧化鈉、鹽酸為分析純，淀粉為工業(yè)純。

1.2 試驗方法

1.2.1 浮選試驗

浮選試驗在XFG 5 變頻掛槽式浮選機(長沙順澤礦冶機械制造有限公司)中進(jìn)行，試驗流程和設(shè)備如圖3 所示，在50 mL 去離子水中加入1.0 g 赤鐵礦和1.0 g 石英，攪拌1 min 后加入鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)礦漿pH 值為8，繼續(xù)攪拌2 min 后加入一定量的PEO 攪拌2 min 后加入3 kg/t 的淀粉溶液并繼續(xù)攪拌2 min，再加入400 g/t 的DDA 并攪拌3 min，刮泡5 min，泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品分別過濾稱重，利用化學(xué)分析法檢測產(chǎn)品中的Fe 品位，最后根據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)率和品位計算回收率。

圖3 人工混合礦浮選流程和浮選機Fig. 3 Artificial mixed-ore flotation flowchart and machine

1.2.2 沉降試驗

沉降試驗用來研究PEO、淀粉對赤鐵礦和石英的絮凝行為，取1.0 g 試樣置于100 mL 去離子水中，電磁攪拌器攪拌下調(diào)節(jié)礦漿pH，加入PEO 或淀粉維持?jǐn)嚢? min 后將礦漿轉(zhuǎn)移到100 mL 的沉降量筒中。固定沉降時間2 min，將上層50 mL 吸出，將剩余礦漿過濾干燥稱重，用差減法計算絮凝效果，懸浮物質(zhì)量越低說明絮凝效果越好。

1.2.3 掃描電鏡分析

將1.0 g 赤鐵礦和1.0 g 石英置于100 mL 去離子水中，在電磁攪拌條件下，按照淀粉和PEO 用量分別為3 kg/t 和50 g/t，取1 mL 懸浮液于燒杯中，加入99 mL去離子水，攪拌混合均勻后取1 mL 懸浮液滴在SEM載物臺上，25 ℃下自然風(fēng)干后用作掃描電鏡(Tescan Vega-3 SEM)分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 浮選試驗

在固定淀粉用量2 kg/t 條件下，考察了DDA 用量對浮選鐵精礦品位和回收率的影響，結(jié)果如圖4 所示。可以看出，精礦鐵品位隨DDA 用量增大而不斷升高，同時回收率呈現(xiàn)下降趨勢，DDA 用量為400 g/t 時精礦的品位和回收率分別為59.70%和79.65%，繼續(xù)將DDA 用量增加到500 g/t，雖然精礦的鐵品位升高到60.23%，但是回收率降低至72.06%，可見400 g/t 是DDA的最佳用量。

圖4 DDA 用量對鐵精礦品位和回收率的影響Fig. 4 Effect of DDA dosage on the grade and recovery of iron concentrate

在確定DDA 最佳用量400 g/t 的基礎(chǔ)上，考察了淀粉用量對浮選鐵精礦品位和回收率的影響。如圖5所示，精礦鐵品位隨淀粉用量的增加而緩慢下降，但回收率呈快速升高趨勢。當(dāng)?shù)矸塾昧繌? kg/t 增大到3 kg/t 時，精礦的品位由59.70%微降低至59.23%，同時回收率從73.36%升高至79.65%，但當(dāng)?shù)矸塾昧坷^續(xù)增大至4 kg/t 時，精礦品位和回收率分別為59.02%和80.86%，可見繼續(xù)增加淀粉用量對分選指標(biāo)的影響并不明顯，綜合考慮，選擇淀粉用量為3 kg/t。

圖5 淀粉用量對鐵精礦品位和回收率的影響Fig. 5 Effect of starch dosage on the grade and recovery of iron concentrate

圖6 為DDA 和淀粉用量分別為400 g/t 和3 kg/t時，不同PEO 用量與反浮選精礦品位和回收率的關(guān)系，可以看出，隨著PEO 用量的增加，鐵精礦回收率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在不添加PEO 時的回收率為79.6%左右，而當(dāng)向礦漿中加入50 g/t 的PEO 時，鐵精礦的回收率升高至81.2%，同時品位升高至60.5%。繼續(xù)增加PEO 用量至100 g/t，鐵精礦品位升高了0.3百分點，而回收率降低至78.6%。可見，PEO 的加入對提高精礦品位是有利的，但是過高的PEO 會降低精礦回收率，在本研究中較合適的PEO 用量是50 g/t。

圖6 PEO 用量對鐵精礦品位和回收率的影響Fig. 6 Effect of PEO dosage on the grade and recovery of iron concentrate

絮凝劑的鏈長對絮凝效果有至關(guān)重要的影響，在PEO 用量為50 g/t 的條件下分別選取分子量為400 萬、800 萬、1 200 萬、1 600 萬、2 000 萬五種PEO，研究PEO 分子量與絮凝效果的之間的關(guān)系，試驗結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，精礦回收率與PEO 分子量成反比，而精礦品位與之成正比，當(dāng)PEO 分子量為800萬時精礦的回收率和品位分別為81.83%和60.41%，繼續(xù)增加PEO 的分子量，精礦品位變化不明顯，但是精礦的回收率顯著降低。這是因為PEO 分子鏈長增大有助于石英絮凝，但同時會增加石英絮團(tuán)中赤鐵礦顆粒的夾雜，因此鐵精礦品位隨PEO 分子量的增大而增大。

圖7 PEO 分子量對鐵精礦品位和回收率的影響Fig. 7 Effect of PEO molecular weight on the grade and recovery of iron concentrate

2.2 沉降試驗

沉降試驗可以定量研究絮凝劑對礦石顆粒的絮凝效果，為此通過沉降試驗對比了PEO 和淀粉對赤鐵礦和石英的絮凝效果，結(jié)果分別如圖8 和圖9 所示。由圖8 可知，在不添加PEO 時，石英懸浮量為60%左右，而當(dāng)PEO 用量為20 g/t 時，石英的懸浮量迅速降低至5%，說明PEO 對石英有十分明顯的絮凝作用；繼續(xù)增加PEO 用量，石英懸浮量呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，這是由于礦漿中過多的PEO 會增大礦漿黏度，減弱了石英絮團(tuán)的沉降速度造成的。另外，PEO 的加入未對赤鐵礦的沉降產(chǎn)生明顯影響，這說明PEO 對赤鐵礦的絮凝作用較弱，這與浮選結(jié)果是一致的。

圖8 PEO 用量對赤鐵礦絮凝效果的影響Fig. 8 Effect of PEO dosage on the flocculation effects of hematite

圖9 為淀粉對石英和赤鐵礦絮凝效果的影響，2 kg/t 淀粉的加入可以使赤鐵礦懸浮量由無淀粉時的52%迅速降低至6%左右，可見，淀粉不僅對赤鐵礦具有極強抑制作用，同時還兼有較強的絮凝作用。與之相對比可以看出，石英的懸浮量并未隨淀粉的加入有明顯變化，說明淀粉對石英沒有顯著的絮凝作用。綜合來看，PEO 對石英的選擇性絮凝效果明顯，而淀粉對赤鐵礦的選擇性絮凝較強，在先添加PEO 再添加淀粉的情況下可以實現(xiàn)對石英和赤鐵礦的異步絮凝，從而強化了微細(xì)粒石英和赤鐵礦的分選效果。

圖9 淀粉用量對石英絮凝效果的影響Fig. 9 Effect of starch dosage on the flocculation effects of quartz

2.3 絮 凝 產(chǎn) 物SEM 分 析

對赤鐵礦和石英混合物選擇性異步絮凝產(chǎn)物進(jìn)行了SEM 分析，結(jié)果如圖10 所示。圖10(a)中可以看到有多個石英絮團(tuán)，典型代表為圖中紅線區(qū)域中絮團(tuán)直徑約40 μm 左右，這說明PEO 對石英的選擇性絮凝效果明顯。圖10(b)中可見多個赤鐵礦絮團(tuán)，其中紅線區(qū)域絮團(tuán)直徑在30 μm 左右，說明赤鐵礦和石英在礦漿中均發(fā)生了選擇性絮凝，且由絮團(tuán)大小可以看出PEO對石英的絮凝效果好于淀粉對赤鐵礦的絮凝效果。

圖10 凝效果SEM 分析：(a) 石英+PEO，(b) 赤鐵礦+淀粉Fig. 10 SEM analysis on the flocculation effects: (a) quartz+PEO, (b) hematite+starch

對于常規(guī)絮凝浮選，當(dāng)絮凝浮選中目的礦物和脈石礦物均為細(xì)顆粒時，若只對目的礦物絮凝，采用絮凝-脫泥工藝時，勢必造成部分目的礦物隨礦泥一起被脫除，從而降低精礦回收率；而單獨絮凝目的礦物時，未絮凝的脈石礦物仍處于高度細(xì)粒分散狀態(tài)，高表面能細(xì)粒脈石礦物勢必會吸附在已被絮凝的目的礦物表面，當(dāng)采用絮凝-浮選工藝時，勢必會造成浮選選擇性降低，進(jìn)而造成精礦品位難以提高。本文采用“異步雙絮凝”方案，即PEO 和淀粉分別作為石英和赤鐵礦的絮凝劑，別絮凝目的礦物和脈石礦物，很好地解決了以上兩個難題，兩種絮凝浮選的作用模型如圖11 所示。

圖11 微細(xì)粒赤鐵礦和石英異步絮凝浮選模型Fig. 11 Schematic asynchronous flocculation flotation model on ultra-fine quartz and ultra-fine hematite separation

3 結(jié)論

（1） PEO 是石英良好的選擇性絮凝劑，在微細(xì)粒赤鐵礦和石英浮選分離中加入適量PEO，可以在保持鐵精礦品位的情況下提高精礦回收率，當(dāng)PEO 用量和分子量分別為50 g/t 和800 萬時的分離效果最好，此時的浮選精礦的品位和回收率分別為60.41%和81.83%。

（2） PEO 可以選擇性地絮凝石英，而對赤鐵礦無明顯絮凝作用，且PEO 對石英的選擇性絮凝效果比淀粉對赤鐵礦的強。

（3） 淀粉對赤鐵礦有較強抑制作用的同時兼有絮凝效果，但對石英的絮凝作用不明顯。