磁化浸金溶液提高某低品位金礦石滴淋堆浸效果研究

代 豪 薩伍提·阿卜杜熱伊木 孫春寶 寇 玨 胡 陽邢成軍 李冠華 白 楊

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083;2.內(nèi)蒙古太平礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 014010)

我國黃金礦產(chǎn)資源豐富，但隨著礦產(chǎn)資源的不斷消耗，低品位難處理金礦資源占比逐漸增大，呈現(xiàn)出“貧、小、散”的特點(diǎn)，即貧礦多、富礦少，小礦多、大礦少，單一金礦少、共伴生礦多。因此，低品位難處理金礦資源的開發(fā)利用日益引起人們的高度重視[1-2]。目前，堆浸提金法憑借其工藝簡單、易于操作、生產(chǎn)成本低廉、能耗低等優(yōu)點(diǎn)已成為處理低品位含金礦石的有效方法[3]。但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，氰化法提金容易受到銅、鐵、鉛、鋅和硫等雜質(zhì)元素的干擾，且氰化法處理細(xì)粒包裹金、高砷、高硫、含有機(jī)碳的難處理金礦石時(shí)存在浸金溶液潤濕性差、浸堆滲透性差等問題[4-5]。因此，提高浸金溶液的浸潤特性以及浸堆的滲透性，加快浸金溶液在礦物顆粒間的流動(dòng)速率，增強(qiáng)氰化物和金粒的有效接觸十分必要。

近幾年，磁化處理技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸運(yùn)用于礦業(yè)開發(fā)。1945年維爾馬林發(fā)明了用磁化水減少鍋垢形成技術(shù)[6]。前蘇聯(lián)研究人員提出，使水系統(tǒng)的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化是磁化處理影響鍋垢沉淀的原因，該結(jié)論為水系統(tǒng)磁處理的研究和應(yīng)用開辟了廣闊的途徑[7]。磁化處理可以影響溶液分子團(tuán)簇的締合度、離子水合半徑和分子結(jié)構(gòu)，使溶液中離子運(yùn)動(dòng)加快，溶液的滲透能力增強(qiáng)，液固接觸面積增大，有效碰撞增多，因此溶液更易浸潤礦物表面，加快礦物表面對藥劑的吸附，進(jìn)而影響浸礦速率與浸礦效果[8]。

研究表明，磁場處理水可以破壞水中原來的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使較大的締合水分子基團(tuán)變成較小的締合水分子基團(tuán)，甚至是單個(gè)的水分子，進(jìn)而使水分子得到“活化”[9]。所以對水溶液進(jìn)行磁化處理，可以降低溶液的表面張力，改善溶液在礦石表面的潤濕作用，強(qiáng)化溶液在礦石表面孔裂隙內(nèi)的擴(kuò)散[10-11]?；诖?，本研究以長山壕低品位金礦的滴淋堆浸過程為對象，利用磁場磁化浸金溶液，以提高浸金溶液的潤濕性、滲透性及反應(yīng)“活性”，從而強(qiáng)化浸金過程，達(dá)到提高金浸出率、縮短浸出時(shí)間、最大化利用浸出劑的目的。

1 試驗(yàn)原料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用礦樣取自內(nèi)蒙古太平礦業(yè)有限公司長山壕金礦。試樣中金礦物以自然金為主;金屬礦物以黃鐵礦為主，其次為磁黃鐵礦;非金屬礦物主要為石英，其次為絹云母、長石、石榴子石等[12]。試樣化學(xué)多元素分析結(jié)果見表1。

表1 試樣化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the chemical multi-elements of the sample %

由表1可知，試樣金品位較低，僅為0.65 g/t，有害雜質(zhì) As、S、C的含量分別為 0.03%、1.38%、1.99%。

試驗(yàn)所用藥劑包括氧化鈣、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈣、氯化鎂、氯化鈉，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純;試驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

磁化設(shè)備采用自行設(shè)計(jì)的磁化裝置，主要由矩形強(qiáng)磁鐵和導(dǎo)磁片組成，磁鐵采用強(qiáng)磁性的銣鐵硼。圖1為磁化裝置示意及水流管道內(nèi)部磁場在垂直及水平方向上的分布。

圖1 磁化裝置示意及水流管道內(nèi)部磁場在垂直及水平方向上的分布Fig.1 Schematic diagram of magnetization device and distribution of magnetic field in vertical and horizontal directions in water flow pipeline

試驗(yàn)所用儀器主要有精密pH計(jì)、電子天平、K100型表面張力測試儀、DSA100S接觸角測試儀等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 磁化時(shí)間和水流速度對去離子水表面張力的影響

磁化試驗(yàn)系統(tǒng)由磁化裝置、錐形瓶和蠕動(dòng)泵組成，各部分之間通過乳膠管連接，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T。取水樣300 mL盛放在錐形瓶中并進(jìn)行編號封口，試驗(yàn)時(shí)，只改變磁化時(shí)間和水流速度(蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速)2個(gè)條件中的一個(gè)。磁化完成后，取約100 mL的磁化水，在恒溫條件下測定水樣的表面張力。確定適宜磁化條件后，將300 mL水樣在最佳磁化條件下磁化，磁化結(jié)束后立即測試水樣的表面張力，然后靜放在恒溫箱，每隔10 min取出并測試表面張力。

1.3.2 Ca2+、Mg2+及Na+濃度對去離子水表面張力的影響

準(zhǔn)確稱量氯化鈣、氯化鎂和氯化鈉3種藥劑，分別放于燒杯中并加入去離子水溶解，然后用玻璃棒不斷攪拌使之完全溶解，把溶解后的溶液移入容量瓶中定容并搖勻。用移液管在溶液內(nèi)部取樣，然后置于測試皿中，使用K100型全自動(dòng)表面張力儀，選用脫環(huán)法測量方式，測定水樣的表面張力。

1.3.3 磁化浸金溶液對礦石表面潤濕特性的影響

利用滴高法評價(jià)礦石表面潤濕性能，其原理為用所需測定液體在固體表面上形成的液體高度來計(jì)算得到鋪展系數(shù)。試驗(yàn)過程中使用德國KRUSS公司生產(chǎn)的DSA100S滴形分析儀系統(tǒng)對不同性質(zhì)水溶液在礦石表面的鋪展過程進(jìn)行記錄。試驗(yàn)前，使用電動(dòng)砂輪將礦石表面打磨平整并用去離子水清洗分析系統(tǒng)的儲(chǔ)液管。試驗(yàn)時(shí)，使用分析系統(tǒng)自帶的針管將磁化溶液和未磁化溶液分別滴在礦石表面，進(jìn)行對比試驗(yàn)。為減少操作引起的誤差，針尖距礦石表面的距離需保持一致，且需控制溶液的初始速度在較低的狀態(tài)下，并要保證每次滴的溶液體積相等。

1.3.4 柱浸試驗(yàn)

圖2為柱浸試驗(yàn)裝置示意。試驗(yàn)分為A、B兩組，A組浸金液進(jìn)行磁化處理，處理方式為300 mL浸金液磁化5 min，磁化后滴淋60 min，如此重復(fù)，保證浸金液在滴淋過程中每24 h有15 h處于磁化狀態(tài);B組浸金液不進(jìn)行磁化處理。首先對礦樣進(jìn)行混勻縮分，得到2組試樣，保證2組試樣的P80=3 mm，礦石量為4 kg，然后將2組試樣分別裝入對應(yīng)的浸出柱內(nèi)，裝柱過程中每間隔10 cm加入石灰作保護(hù)堿并人工壓實(shí)，裝柱完成后，用pH值為10.5～11.5的氫氧化鈉溶液進(jìn)行堿洗，堿洗至柱內(nèi)排出的溶液pH值穩(wěn)定在10.5～11.0，最后用濃度為300 mg/L的氰化鈉浸金液以10 L/(m2·h)的強(qiáng)度滴淋。浸出過程中，每12 h對貴液計(jì)重一次，并化驗(yàn)金含量、氰根離子濃度以及pH值。計(jì)算累計(jì)金含量，當(dāng)其不再明顯增加時(shí)，認(rèn)為浸出基本達(dá)到終點(diǎn)。

圖2 柱浸試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of column immersion test device

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磁化時(shí)間和水流速度對去離子水表面張力的影響

圖3展示了去離子水表面張力隨磁化時(shí)間及水流速度的變化情況。

圖3 磁化時(shí)間和水流速度對去離子水表面張力的影響Fig.3 Influence of magnetization time and water flow velocity on the surface tension of ionic water

由圖3可知:①磁化可以降低去離子水的表面張力，且隨著磁化時(shí)間的延長，去離子水的表面張力先降低后上升，呈波動(dòng)性變化，因此磁化時(shí)間不宜過長或過短。當(dāng)磁化時(shí)間為15 min時(shí)，去離子水的表面張力降至56.979 mN/m，相比磁化前的表面張力70.743 mN/m，降低幅度最高，為19.46%。②磁化后去離子水的表面張力隨著水流速度的增加而降低，但降至一定程度后基本不變。當(dāng)水流速度為300 r/min時(shí)，去離子水的表面張力降至58.567 mN/m，之后再增加水流速度，去離子水表面張力變化幅度不大。綜合考慮，確定磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T時(shí)適宜的磁化條件為磁化時(shí)間15 min、水流速度300 r/min。

磁場對水溶液的磁化作用是暫時(shí)性的，不會(huì)永久性改變?nèi)芤旱睦砘匦訹13]。在確定的適宜磁化條件下進(jìn)行去離子水磁化處理，而后進(jìn)行磁化去離子水表面張力與放置時(shí)間的關(guān)系研究，結(jié)果見圖4。

圖4 去離子水磁化效果衰減曲線Fig.4 Decaying curve of magnetization effect of deionized water

由圖4可知，離開磁場后，去離子水的表面張力逐漸回升。前20 min內(nèi)，去離子水表面張力變化幅度不大，仍能保持較好的磁化效果;20～40 min內(nèi)，表面張力快速回升，磁化效果也快速衰減;50min后，表面張力恢復(fù)至磁化前，磁化效果基本消失。

2.2 Ca2+、M g2+及Na+濃度對去離子水表面張力的影響

圖5展示了磁化(磁感應(yīng)強(qiáng)度1 T、磁化時(shí)間15 min、水流速度300 r/min)與未磁化的各溶質(zhì)溶液濃度與表面張力的關(guān)系。

圖5 磁化與未磁化的各溶質(zhì)溶液濃度與表面張力的關(guān)系Fig.5 The relationship between the concentration of each solute solution and the surface tension with magnetization or unmagnetization

由圖5(a)和(b)可以看出，磁化前，氯化鈣溶液和氯化鎂溶液的表面張力普遍比去離子水大，且溶液的表面張力隨著Ca2+濃度和Mg2+濃度的增大而增大;磁化后，不同濃度的氯化鈣溶液和氯化鎂溶液的表面張力均有所降低，降低幅度分別在3～10 mN/m和6～10 mN/m之間，并且溶液中Ca2+、Mg2+濃度越高，磁化后溶液表面張力的降幅越小，因此Ca2+、Mg2+不利于水溶液在礦石表面的潤濕，但磁化可以削弱這種影響。由圖5(c)可以看出，磁化前，不同濃度氯化鈉溶液的表面張力變化不大，但仍高于去離子水的表面張力;磁化后，不同濃度氯化鈉溶液的表面張力均降低，降低幅度在8～10 mN/m之間。磁化前后氯化鈉溶液表面張力受Na+濃度的影響均較小，可能原因是在溶液飽和之前氯化鈉完全溶于水，Na+與水分子的結(jié)合作用較強(qiáng)，溶液濃度的改變引起的表面張力變化較小。

2.3 磁化浸金液對礦石表面潤濕特性的影響研究

使用DSA100S滴形分析儀系統(tǒng)記錄濃度為300 mg/L的氰化鈉浸金液磁化前后在礦石表面的鋪展過程，對比磁化前后溶液接觸角與鋪展系數(shù)的數(shù)值變化，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 磁化對接觸角的影響Fig.6 Influence of magnetization on contact angle

圖7 磁化對液滴直徑的影響Fig.7 Influence of magnetization on droplet diameter

由圖6可知，對于磁化與未磁化的氰化鈉浸金液，磁化前后接觸角均隨著液滴與礦石表面接觸時(shí)間的增加不斷變小，且磁化后礦石表面的接觸角小于磁化前礦石表面的接觸角，1 500 ms時(shí)磁化后礦石表面的接觸角為36.7°，相比磁化前礦石表面的接觸角41.3°，減小了4.6°，這是因?yàn)榇呕梢杂绊懰芤旱谋砻鎻埩Υ笮?，?dǎo)致液滴在礦石表面的受力情況發(fā)生改變，使表面張力降低，液滴在礦石表面的接觸角也隨之減小。同時(shí)，磁化后水溶液接觸角的變化曲線更加光滑，這可能是因?yàn)榇呕淖兞怂蟹肿拥呐帕蟹绞剑沟梅肿釉谀撤较虻呐判蜃兊酶佑行?，分子間斥力減小，進(jìn)而更容易在礦石表面排列和吸附。

采用液滴直徑表征鋪展面積，根據(jù)幾何學(xué)規(guī)律，在溶液體積和密度一定情況下，液滴直徑越大，液滴表面積越大，液滴在礦石表面的鋪展面積也越大。從圖7可以看出，液滴在礦石表面的鋪展面積隨著時(shí)間的延長而增大，面積的擴(kuò)展速率(曲線斜率)呈現(xiàn)先增大后減少的變化規(guī)律。同一時(shí)刻，磁化后的水溶液在礦石表面的鋪展面積比磁化前的水溶液在礦石表面的鋪展面積大，礦石表面潤濕性更好，說明磁化有利于溶液在礦石表面的鋪展。

2.4 浸金液磁化對礦石柱浸效果的影響

浸金液磁化對礦石柱浸效果的影響見圖8。

圖8 浸金液磁化對礦石柱浸效果的影響Fig.8 Influence of magnetization of gold-leaching liquid on the column leaching effect of the ores

由圖8可知，在柱浸試驗(yàn)初期，礦石中大部分金被浸出，所以A、B兩組金浸出率上升較快。隨著浸出反應(yīng)的不斷進(jìn)行，金的浸出速率減小，曲線變化趨于平緩。在浸出后期，浸出液中的金幾乎不再增加，試驗(yàn)結(jié)束。對浸金液進(jìn)行磁化處理，金浸出率由58.04%提高至62.21%，增幅達(dá)4.17個(gè)百分點(diǎn)，說明磁化處理可以提高金的浸出率。

對浸出機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，首先，對浸金液進(jìn)行磁化處理時(shí)，磁場對水的偶極分子有定向極化作用，電子云會(huì)發(fā)生改變，造成氫鍵的彎曲和局部斷裂，破壞水中原來的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，使較大的締合水分子集團(tuán)變小，單個(gè)水分子的數(shù)量增多，使浸金液的表面張力降低[14-17];其次，浸金液表面張力的降低改善了溶液在礦石表面的浸潤特性，提升了浸金液與礦石中金的有效且充分接觸的可能性[18];此外，磁化降低了浸金液的表面張力，使單位體積浸金液有更大的接觸面積，進(jìn)而更有機(jī)會(huì)在礦石表面鋪展和吸附，進(jìn)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有選擇性地將目的礦物從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。

3 結(jié) 論

(1)磁化可以降低去離子水的表面張力，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T時(shí)適宜的磁化條件為磁化時(shí)間15 min、水流速度300 r/min，該條件下磁化后去離子水的磁化效果僅維持50 min。

(2)溶液中Ca2+、Mg2+會(huì)使溶液的表面張力不同程度地增大，且表面張力隨離子濃度的增大而增大，而磁化可以在一定程度上減弱或消除這類離子的影響;盡管Na+的存在也會(huì)降低溶液的表面張力，但溶液表面張力受Na+濃度的影響較小。

(3)磁化后的氰化鈉浸金液與礦石的接觸角更小，磁化有利于氰化鈉浸金液在礦石表面的鋪展。

(4)浸金液的磁化處理有利于提高礦石的金浸出率，金浸出率由58.04%提高至62.21%，增幅達(dá)4.17個(gè)百分點(diǎn)。