中低品位胶磷矿复配低温捕收剂作用机理研究

李冬莲,张 央

(武汉工程大学环境与城市建设学院,湖北 武汉 430074)

0 引 言

非硫化矿物常用的捕收剂是各种羧酸化合物,如脂肪酸及其皂、氧化石蜡皂、塔尔油等.羧酸捕收剂来源广泛,价格便宜,但选择性欠佳.长碳链烃基磺酸盐和硫酸脂也可用作非硫化矿物捕收剂,性能与羧酸捕收剂相当.羟肟酸、有机膦酸、有机胂酸由于选择性好,在近二三十年得到较多研究并工业应用,如7～9羟肟酸、苯乙烯膦酸、甲苯胂酸、苄基胂酸等,但由于这些药剂生产成本高,故还只用于浮选锡石、黑钨矿、氧化铅锌矿等一些经济价值较高的非硫化矿物.中低品位胶磷矿常用脂肪酸类捕收剂,常需要加温,目的在于提高药剂的分散性和水溶性,改善其捕收性能,但能耗增加,投资加大,成本增大,为此,选矿工作者[1-5]对磷矿的常温浮选做了大量的研究工作,得到了几种捕收剂,而这些捕收剂在冬天的捕收性能仍会降低,解决的方法是加热或是增加捕收剂的用量,可这两种方法要么造成资源浪费要么药剂的选择性降低,在现有资源愈来愈紧张的情况下,显然是下下之策,因此开发研究低温捕收剂是解决问题的关键.

本文采用来源广泛而且价格便宜的棉油皂脚工业品作为主体药剂,通过添加增效剂复配的方式,在温度为13～15 ℃条件下,对筛选出的低温捕收剂DWB9-3进行了实际矿石闭路试验,并对此捕收剂的作用机理进行了理论上的探讨.

1 试样及其性质

1.1 浮选试样的性质及制备

试样由宜昌中孚化工有限公司提供,用颚式破碎机和对辊式破碎机破碎至-2 mm;采用环锥法分样装袋,每袋1 kg备用.

胶磷矿化学多元素分析分析结果见表1.

表1 原矿化学多元素分析

1.2 高品位胶磷矿(纯矿物)的制备

高品位的胶磷矿也是由宜昌中孚化工有限公司提供.把高品位的胶磷矿用颚式破碎机破碎筛分,取其中+2 mm～10 mm粒级部分用密度为2.96 g/mL的四溴乙烷分选,取密度大于2.96 g/mL的部分[6]用无水乙醇清洗三次、再用蒸馏水清洗后烘干.将烘干后的矿物用盘磨机磨细用于机理研究,高品位试样的P2O5品位为36.23%.

2 试验结果及分析

2.1 闭路浮选试验

将表面活性剂Tween20、Tween80、SDBS、SDS、OP乳化剂、AOS、CTAB、SDBS+SDS等质复配、SDS+某有机物复配后作增效剂,按皂脚质量的2.5%、5.0%、7.5%、10.0%和皂脚混合均匀后配成捕收剂溶液进行粗选试验[7],筛选出低温捕收剂DWB9-3(10.0%SDS+7.5%某有机物+82.5%皂脚)进行低温与加温浮选闭路试验,试验流程见图1,试验结果见表2.

闭路试验结果表明:当温度13～15 ℃,正浮选粗选捕收剂的用量为2.4 kg/t时,磷精矿的品位达到30.40%,回收率达到81.36%.为了比较捕收剂的浮选性能,做加温浮选对比试验.发现在矿浆温度为28～30 ℃时,捕收剂的用量为1.8 kg/t时,精矿就可以达到30.55%,回收率达到82.37%.加温前后药剂的用量相差为0.6 kg/t,说明温度对此种药剂的影响不大,可以在冬天用于浮选生产.

图1 闭路浮选试验流程

表2 闭路浮选试验

2.2 机理研究

在以下的叙述中为了方便起见,将10.0%的SDS和7.5%的十二醇与棉油皂脚复配成的捕收剂标记为A;10.0%的SDS与棉油皂脚复配成的捕收剂标记为B;棉油皂脚捕收剂标记为C;10.0%的SDS水溶液标记为D;10.0%SDS和7.5%十二醇配成的水溶液标记为E.矿物与药剂作用的温度控制在15 ℃左右,pH=10.5,浮选试验时捕收剂的浮选浓度为800 mg/L.

2.2.1 表面张力的测定 称取2 g纯矿物加入浮选浓度下的Na2CO3、Na2SiO3后与A、B、C、D、E五种捕收剂充分搅拌30 min(总体积为200 mL),保持pH值不变.将矿浆静置10 min后,用Jk99B型全自动张力仪的铂金板法测定矿浆的表面张力,试验结果如图2所示.

图2 五种药剂矿浆表面张力与药剂浓度关系曲线

从图2可以看出:随着药剂浓度的增加,矿浆的表面张力降低.药剂C降低矿浆的能力不如药剂A强,因此A比较容易分散在矿浆中从而能充分的与矿粒接触,其浮选效果比药剂C和B的效果好,这与浮选试验的结果相一致.

药剂D(SDS)虽然也能降低矿浆的表面张力但是其能力不如加入了十二醇后的药剂E强.这是因为少量极性有机物的存在,能导致表面活性剂在水溶液中的CMC发生很大的变化,同时也常常增加表面活性剂的表面活性,少量极性有机物的存在导致溶液表面张力有最低值.因此实际应用的表面活性剂配方中,为了调节配方的应用性能,也常常加入极性有机物作为添加剂.

2.2.2 相对接触角 粉体的润湿接触角往往只有相对的意义,测定其准确的数值很困难.将五种药剂与矿物作用后,pH调至10.5,用Jf99A粉体接触角测定仪测定其与矿物作用的相对接触角,试验结果见表3.

表3 胶磷矿与五种捕收剂作用的相对接触角

从表3中可以看出:药剂A与胶磷矿作用时,其相对接触角最大;水与胶磷矿作用的相对接触角最小.矿物的润湿性可用cosθ表示,而疏水性或可浮性可用(1-cosθ)表示.由此可知,药剂A与矿物作用时,其可浮性最好,有利于浮选效果的提高.

2.2.3 脂肪酸皂吸附量的测定 捕收剂在矿物表面吸附量的大小直接影响到浮选的效果.若捕收剂的矿物表面的吸附量较大,则矿物的疏水性增加,容易上浮,浮选效果较好;反之则浮选效果差.

本次试验使用上海精密有限公司产722型光栅分光光度计,采用乙酸铜比色法[8]间接测定棉油皂脚在矿物表面的吸附量.温度13 ℃时,称取2 g纯矿物与浮选浓度下的药剂充分搅拌30 min(总体积为50 mL),保持pH=10.5不变,作用达平衡后用离心机固液分离,时间为5 min.取10 mL清液用乙酸铜比色法测定废液中残留的捕收剂量,然后用加入的捕收剂的量减去残留的捕收剂量即可测得捕收剂在矿物的吸附量.测量结果如图3所示.

图3 胶磷矿表面吸附量与药剂浓度关系曲线

从图3可以看出:在相同温度和药剂浓度条件下,药剂A在胶磷矿的吸附量比其它两种药剂大,说明在相同的温度下,药剂A更容易在矿物表面吸附.这与粗选试验的结果一致,从另一方面说明了SDS和十二醇可促进棉油皂脚中有效成份在矿物表面的吸附,改善了浮选性能,提高了胶磷矿浮选回收率.

2.2.4 动电位测定 矿物表面荷电情况的变化一定程度上可反映药剂的吸附特性.试验采用上海上立检测仪器厂生产的BDL-B型表面电位粒径仪,测定药剂作用时矿物表面的药剂A和C与矿物作用前后的ξ电位,ξ电位与pH值的关系如图4和图5所示.

图4 药剂A与矿物作用的ξ电位—pH图

图5 药剂C与矿物作用的ξ电位—pH图

结果表明:此胶磷矿纯矿物的PZC=5.4,当pH<5.4时,矿物表面荷正电;当pH>5.4时,矿物表面荷负电.当pH<5.4时矿物的动电位降低但还是正值,说明捕收剂在矿物表面的吸附量较少,发生的吸附可能是由静电吸引而引起的物理吸附;当pH>5.4时矿物的动电位为负值,与药剂作用后动电位值变得更负,此时在矿物表面发生的不可能是静电吸附而可能是化学吸附.

3 结 语

a.在低温条件下,采用棉油皂脚,通过添加增效剂可以达到加温条件下相当的浮选指标,增效剂的用量只需皂脚的10.0%.

b.10.0%的SDS和7.5%的十二醇与棉油皂脚复配的捕收剂DWB9-3用于宜昌胶磷矿的浮选,当浮选流程为一正粗选、三次正精选、一次正扫选、一次反粗选、一次反精选和一次反扫选,药剂用量为Na2CO36.0 kg/t,Na2SiO30.9 kg/t,H2SO420.4 kg/t,13～15 ℃时,获得了P2O530.40%以上,回收率81.36%的优良指标.

c.复配的捕收剂DWB9-3降低矿浆表面张力的能力明显比棉油皂脚强,体系更稳定,有利于药剂的分散.

d.相对接触角、吸附量测定表明:DWB9-3在矿物表面的吸附量比棉油皂脚大,吸附后的接触角增大,疏水性增强,可浮性增大.

e.ξ电位研究表明:在pH=10.5,温度为13～15 ℃条件下,该捕收剂在矿物表面发生化学吸附,有利于低温浮选.

参考文献:

[1]谢恒星,李冬莲,张傲时.增效剂Tween80对磷灰石浮选特性的影响[J].金属矿山,1998(9):32-33.

[2]李冬莲,卢寿慈.磷灰石浮选增效剂作用机理研究[J].国外金属矿选矿,1999(8):19-21.

[3]李冬莲,卢寿慈,谢恒星.磷灰石常温浮选溶液化学研究[J].矿业工程,1999,19(1):3-4.

[4]罗廉明,乐华斌,刘鑫.一种新型磷矿低温浮选捕收剂[J].化工矿物与加工,2005(12):35-37.

[5]罗惠华,刘丽芬,柏中能.云南海口中品位磷矿常温浮选试验[J].武汉化工学院学报,2005,27(2):31-34.

[6]李冬莲,罗惠华,张央,等.中孚化工磷矿可选性实验室小型试验研究报告[R].武汉:武汉化工学院,2005.

[7]张央,李冬莲.几种表面活性剂在磷矿低温浮选中的应用.化工矿物与加工,2007(4):8-9.

[8]矿冶研究总院《有机浮选药剂分析》组.有机浮选药剂分析[M].北京:冶金工业出版社,1978.