湖北某中低品位膠磷礦反浮選脫鎂試驗(yàn)研究*

何翔昊,李智力,唐 遠(yuǎn),何東升,池汝安,2,秦 芳,涂冉東,李 志

(1.武漢工程大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,磷資源開(kāi)發(fā)利用教育部工程研究中心,湖北 武漢 430074;2.湖北省三峽實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443007)

0 引言

磷礦是一種重要的農(nóng)業(yè)和工業(yè)原料,廣泛應(yīng)用于軍工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域[1]。我國(guó)磷礦資源豐富,主要分布在云南、貴州、四川、湖北、湖南等地[2]。湖北省的磷礦資源集中分布于宜昌、荊門(mén)、襄陽(yáng)、神農(nóng)架等地區(qū),以中低品位膠磷礦為主,品位低、嵌布粒度細(xì)、開(kāi)發(fā)利用難度大,須經(jīng)選礦后才可利用[3-4]。浮選是目前選別磷礦最常用的方法[5],常見(jiàn)的浮選工藝有單一正浮選、單一反浮選、正-反浮選、反-正浮選、雙反浮選、同步反浮選等[6]。由于我國(guó)磷礦中碳酸鹽含量較高,而碳酸鹽的可浮性與磷灰石相近,故正浮選工藝在工業(yè)上應(yīng)用較少[7]。目前主要通過(guò)反浮選來(lái)分離磷礦物與碳酸鹽等脈石礦物,其中單一反浮選工藝更適合高鎂磷礦脫鎂,此法的關(guān)鍵在于選擇性能優(yōu)異的脫鎂捕收劑或磷礦抑制劑[8-10]。脂肪酸類(lèi)捕收劑常被用于磷礦反浮選脫鎂,但是存在選擇性差、耐低溫性能弱、藥劑消耗大、對(duì)礦漿中的雜質(zhì)離子敏感等缺陷[11]。將脂肪酸復(fù)配使用,可以更好地發(fā)揮藥劑的協(xié)同作用,從而提高其選擇性、水溶性和分散性[12]。

本文以湖北某中低品位膠磷礦為研究對(duì)象,采用自制的脂肪酸類(lèi)捕收劑HLF進(jìn)行單一反浮選脫鎂試驗(yàn),探討該捕收劑對(duì)膠磷礦的浮選效果,以期為我國(guó)中低品位磷礦的高效利用提供參考。

1 原料性質(zhì)及試驗(yàn)方法

1.1 礦石性質(zhì)

本次試驗(yàn)樣品取自湖北某地膠磷礦,外觀呈乳白色,對(duì)原礦進(jìn)行定量X射線熒光光譜(XRF)和X射線衍射(XRD)分析,結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 原礦多元素分析結(jié)果 單位:%

表2 原礦主要礦物組成 單位:%

由表1可知,原礦P2O5品位為19.37%,MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.90%,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.43%,其他成分含量較低,屬于典型的低品位高鎂膠磷礦。由表2可知,原礦主要由白云石和氟磷灰石組成,含有少量的石英和方解石。其中主要的脈石礦物為白云石,宜采用單一反浮選脫鎂浮選流程。

1.2 試驗(yàn)藥劑及儀器設(shè)備

試驗(yàn)藥劑:自制脂肪酸類(lèi)藥劑(HLF,脂肪酸、脂肪醇類(lèi)氧化物,陰離子表面活性劑按照一定比例混合得到);油酸鈉:分析純,購(gòu)自上海麥克林生化科技股份有限公司;磷酸:分析純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;硫酸:分析純,購(gòu)自西隴化工股份有限公司;試驗(yàn)用水均為實(shí)驗(yàn)室級(jí)蒸餾水。

主要儀器設(shè)備:XFD型單槽浮選機(jī),RK/ZL-φ260/φ200多功能真空過(guò)濾機(jī),101-4A電熱鼓風(fēng)干燥箱,電子天平(FA224),XSHF2-3型濕式分樣機(jī),φ240×300棒磨機(jī)和萬(wàn)用爐。

1.3 試驗(yàn)方法

稱(chēng)取礦樣1 000 g,在固液比1∶1條件下磨礦,分樣后得到6份樣品,將礦漿倒入單槽浮選機(jī)預(yù)先攪拌2 min后加入pH調(diào)整劑,攪拌30 s后加入捕收劑,調(diào)漿30 s后充氣刮泡3 min。泡沫產(chǎn)品為尾礦,槽內(nèi)產(chǎn)品為精礦,將精礦和尾礦分別抽濾、烘干、稱(chēng)質(zhì)量、化驗(yàn),最后計(jì)算產(chǎn)率、P2O5品位、回收率和選礦效率。精礦P2O5回收率計(jì)算公式為ε=β×γ/α,選礦效率計(jì)算公式為E=(ε-γ)×100%,其中β為精礦P2O5品位,γ為精礦產(chǎn)率,α為原礦P2O5品位[13]。浮選流程見(jiàn)圖1。

圖1 單一反浮選試驗(yàn)流程

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磨礦細(xì)度試驗(yàn)

礦物的單體解離是實(shí)現(xiàn)目的礦物和脈石礦物有效浮選分離的基本條件,為研究磨礦細(xì)度對(duì)該磷礦浮選的影響,在捕收劑HLF用量為0.8 kg/t、pH調(diào)整劑磷酸用量為16 kg/t的條件下,通過(guò)改變磨礦時(shí)間、調(diào)節(jié)磨礦細(xì)度進(jìn)行單一反浮選試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同磨礦細(xì)度對(duì)浮選指標(biāo)的影響

由圖2可知:精礦品位隨著磨礦細(xì)度的增加呈上升趨勢(shì),在磨礦細(xì)度-0.074 mm占70%后上升趨勢(shì)減緩,基本保持不變;精礦回收率隨著磨礦細(xì)度的增加呈下降趨勢(shì),從90.47%降至85.21%;精礦品位和回收率在磨礦細(xì)度-0.074mm占70%時(shí)較好,選礦效率在磨礦細(xì)度-0.074 mm占70%時(shí)達(dá)到極大值29.95%。磨礦細(xì)度小時(shí),由于有用礦物和脈石礦物未單體解離,導(dǎo)致浮選效率不高。而當(dāng)磨礦細(xì)度大時(shí),過(guò)多的細(xì)粒級(jí)礦物可能會(huì)惡化浮選效果,同時(shí)增加磨礦成本。綜合考慮各項(xiàng)浮選指標(biāo),確定最佳磨礦細(xì)度為-0.074 mm占70%。

2.2 磷酸用量試驗(yàn)

磷礦單一反浮選脫鎂是在礦漿pH為5.0～6.5的弱酸性中進(jìn)行的,磷酸常作為礦漿pH調(diào)整劑和磷礦抑制劑。磷酸能夠抑制磷礦物主要是由于磷酸氫根離子對(duì)磷灰石表面鈣離子的特性吸附,同時(shí)碳酸鹽在酸性介質(zhì)中其表面會(huì)形成微泡,可以提高浮選時(shí)氣泡的附著概率[14],有利于磷礦反浮選。為了探究磷酸用量對(duì)該礦石反浮選指標(biāo)的影響,在磨礦細(xì)度-0.074 mm占70%、捕收劑HLF用量為0.8 kg/t的條件下進(jìn)行磷酸用量試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 磷酸用量對(duì)浮選指標(biāo)的影響

由圖3可知:隨著磷酸用量的增加,精礦品位呈先升高后下降的趨勢(shì),在磷酸用量為12 kg/t時(shí)達(dá)到最大值28.24%,精礦品位整體超過(guò)25%,分選效果較好;精礦回收率呈逐漸升高趨勢(shì),選礦效率先升高后趨于平緩。在磷酸用量為18 kg/t時(shí),精礦品位為27.7%,回收率為92.21%,選礦效率為30.78%。磷酸用量小于18 kg/t時(shí),各浮選指標(biāo)均呈上升趨勢(shì),磷酸用量大于18 kg/t時(shí),由于抑制劑用量過(guò)大,不僅磷礦物的浮選受到抑制,而且白云石的浮選也會(huì)受到抑制,因此精礦品位和選礦效率均有所降低。綜合考慮各項(xiàng)浮選指標(biāo),確定最佳磷酸用量為18 kg/t。

2.3 捕收劑HLF用量試驗(yàn)

捕收劑的用量對(duì)磷礦浮選有著重要影響,用量少時(shí)達(dá)不到分選效果,用量多時(shí)會(huì)降低浮選選擇性,同時(shí)還會(huì)造成藥劑的浪費(fèi)。在磨礦細(xì)度-0.074 mm占70%、磷酸用量為18 kg/t的條件下考查捕收劑HLF用量對(duì)浮選效果的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 捕收劑用量對(duì)浮選指標(biāo)的影響

由圖4可知:隨著捕收劑用量的增加,精礦品位呈先上升后下降的趨勢(shì),在捕收劑用量為1.6 kg/t時(shí)達(dá)到最大值;選礦效率也呈先上升后下降的趨勢(shì),回收率整體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)捕收劑用量為1.6 kg/t時(shí),由于精礦品位和選礦效率均較高(精礦品位為30.64%,選礦效率為33.17%),此時(shí)由于捕收劑用量較大,在浮出脈石礦物的同時(shí),部分含磷礦物也被一同浮出而導(dǎo)致回收率相對(duì)較低,精礦回收率為81.89%,效果較好。當(dāng)捕收劑用量小于1.6 kg/t時(shí),精礦品位和選礦效率均呈上升趨勢(shì),這是由于隨著捕收劑用量的增加,白云石上浮量增加,且增加的趨勢(shì)大于磷礦物上浮的趨勢(shì)。當(dāng)捕收劑用量大于1.6 kg/t時(shí),精礦品位和選礦效率均顯著下降,浮選選擇性下降。綜合考慮各項(xiàng)浮選指標(biāo),確定最佳捕收劑HLF用量為1.6 kg/t。

2.4 浮選產(chǎn)品分析

對(duì)磨礦細(xì)度-0.074 mm占70%、磷酸用量為18 kg/t、捕收劑HLF用量為1.6 kg/t時(shí)所得浮選磷精礦進(jìn)行XRF多元素分析,對(duì)所得浮選精礦和尾礦進(jìn)行掃描電鏡能譜分析(SEM-EDS),結(jié)果分別見(jiàn)表3、圖5。

圖5 單一反浮選脫鎂浮選產(chǎn)品SEM-EDS分析結(jié)果

表3 精礦樣品多元素分析結(jié)果 單位:%

由表3可知,P2O5品位由原礦的19.37%富集到了30.95%,MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原礦的9.90%降到了1.34%,脫鎂率為86.5%,指標(biāo)較好,說(shuō)明HLF對(duì)氟磷灰石和白云石具有很好的分選效果。

由圖5(a)可知:顆粒1的磷含量高,為磷礦物顆粒;顆粒2主要元素為硅,因此為硅質(zhì)礦物;顆粒3的鎂含量高,極有可能是少量未脫除的白云石礦物。由圖5(b)可知,顆粒1和顆粒3的鎂含量高,為反浮選出來(lái)的白云石;顆粒2的磷含量高,是少量被夾帶的磷礦物顆粒。從外觀上看,膠磷礦和白云石的表面形態(tài)不一樣,同時(shí),從圖5(a)和圖5(b)可以看出,膠磷礦表面多孔、不光滑、呈球粒狀,而白云石等脈石礦物表面較平坦,多棱角,呈菱面體。因此,結(jié)合元素組成和形貌分析可知,單一反浮選精礦中大部分為磷礦物顆粒,脈石礦物含量低,反浮選尾礦中含磷礦物較少,脈石礦物含量高。在最佳的分選條件下,磷灰石和白云石實(shí)現(xiàn)了較好的分離。

2.5 抑制劑優(yōu)化試驗(yàn)

硫酸和磷酸常用作磷礦反浮選pH調(diào)整劑和抑制劑,磷酸對(duì)于磷礦的抑制效果較硫酸好,硫酸有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)[15]。硫酸和磷礦物表面發(fā)生反應(yīng),生成磷酸氫根離子,吸附于磷礦表面,阻止捕收劑在磷礦表面的吸附?？紤]浮選成本,將浮選所用磷酸替換為硫酸,考查硫酸用量對(duì)單一反浮選的影響,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 硫酸用量對(duì)浮選指標(biāo)的影響

由圖6可知,隨著硫酸用量的增加,精礦品位、回收率、選礦效率呈上升趨勢(shì),均在20 kg/t時(shí)達(dá)到最大值,此時(shí)精礦品位為30.49%、回收率為84.47%、選礦效率為34.09%。與磷酸用量試驗(yàn)相比,硫酸作pH調(diào)整劑時(shí),精礦品位和選礦效率與磷酸作pH調(diào)整劑時(shí)相差不大,回收率比磷酸作抑制劑時(shí)高2.57%。綜合考慮浮選指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益,選擇硫酸作為pH調(diào)整劑。

2.6 捕收劑對(duì)比試驗(yàn)

為了比較自制脂肪酸類(lèi)捕收劑HLF與傳統(tǒng)脂肪酸類(lèi)捕收劑油酸鈉的浮選效果,用油酸鈉代替HLF進(jìn)行捕收劑用量試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 油酸鈉用量對(duì)浮選指標(biāo)的影響

由圖7可知:隨著油酸鈉用量的增加,精礦品位變化趨勢(shì)不明顯,選礦效率變化趨勢(shì)也不明顯,回收率略有下降;當(dāng)油酸鈉用量為2.0 kg/t時(shí),精礦品位為25.87%,回收率為94.27%,選礦效率為25.9%。以HLF為捕收劑時(shí),在最佳條件下精礦品位為30.49%,回收率為84.47%,選礦效率為34.09%。由此可見(jiàn),以HLF為捕收劑時(shí)精礦品位比油酸鈉高4.62%,選礦效率高8.19%。捕收劑HLF對(duì)氟磷灰石和脈石礦物的分選效果比油酸鈉更好,這是由于捕收劑HLF為脂肪酸、脂肪醇類(lèi)氧化物,陰離子表面活性劑按照一定比例混合得到,脂肪醇類(lèi)氧化物和陰離子表面活性劑主要起到兩個(gè)作用:①脂肪醇類(lèi)氧化物和陰離子表面活性劑與脂肪酸共吸附于白云石表面,增強(qiáng)了白云石表面的疏水性,提高了白云石的可浮性;②脂肪醇類(lèi)氧化物和陰離子表面活性劑的加入可以調(diào)節(jié)浮選過(guò)程產(chǎn)生的泡沫,使得泡沫性能更適應(yīng)于白云石礦物的浮選。

3 結(jié)論

a.湖北某磷礦原礦P2O5品位為19.37%,MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.90%。在磨礦細(xì)度-0.074 mm占70%、磷酸用量18 kg/t、捕收劑HLF用量1.6 kg/t的條件下,以自制脂肪酸類(lèi)藥劑HLF作為捕收劑,通過(guò)一次反浮選脫鎂可以得到精礦P2O5品位為30.95%、回收率為81.89%、選礦效率為33.17%、精礦MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.34%、鎂脫除率為86.5%的良好指標(biāo)。

b.通過(guò)對(duì)反浮選精礦進(jìn)行XRF多元素分析、對(duì)精尾礦進(jìn)行掃描電鏡能譜分析,發(fā)現(xiàn)氟磷灰石與白云石得到了較好的浮選分離,表明HLF是一種良好的膠磷礦脫鎂捕收劑。

c.浮選優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明,用硫酸替換磷酸作為抑制劑可達(dá)到同樣的浮選效果,且能降低選礦成本。通過(guò)對(duì)比HLF和油酸鈉單一反浮選脫鎂指標(biāo),發(fā)現(xiàn)HLF相比油酸鈉有更為優(yōu)異的反浮選脫鎂性能。