三种分散剂对微细粒赤铁矿、石英分散行为的影响

2014-04-02牛福生白丽梅

中国矿业 2014年2期

陈淼，牛福生，白丽梅

(河北联合大学，河北唐山 063009)

随着近几十年钢铁行业发展的消耗，我国易选铁矿石资源逐渐显现出短缺的局面，但我国鲕状赤铁矿石储量丰富，其中已探明的难选鲕状赤铁矿37亿t(含表外矿)左右[1]，如果能够有效地选别和利用这一部分铁矿资源，那么能够在很大程度上解决我国铁矿石的需求问题。但是由于这部分矿石嵌布粒度极细，单体解离度达到80%～90%时，粒度往往是在10～20μm左右，现有的选矿设备很难对其进行选别，无法有效地回收微细粒的铁矿物，有用矿物大量流失。选择性絮凝分选则是解决这一问题的有效方法之一。

选择性絮凝工艺是向充分分散的矿浆中加入一定量的絮凝剂，絮凝剂选择性地吸附在目的矿物表面，并通过絮凝剂分子之间的作用使之团聚，悬浮液中的其他矿物仍以分散状态存在，进一步分离絮团产品和悬浮液，便可实现分离目的和脉石矿物的目的。选择性絮凝的一个主要前提矿浆的充分分散。因此本文研究了几种分散剂对赤铁矿单矿物和石英单矿物沉降率的影响。

1 试样及药剂

赤铁矿单矿物是由实际矿石经阶段磨矿-弱磁选-强磁选 -摇床重选后制得，经化验品位为66.87%，纯度为95.54%，并磨细至-18μm。石英单矿物是经手捡纯度较高的小矿块后，使用磁衬球磨机磨细至-20μm，纯度为98%待用。并对两种单矿物样品进行了X射线衍射(XRD)分析，结果见图1、图2。

试验所用的药剂为六偏磷酸钠分析纯、多聚磷酸钠分析纯、水玻璃(模数为2.4)，使用氢氧化钠和盐酸调节pH值。试验中所用的均为去离子水。

图1 赤铁矿单矿物XRD图

图2 石英单矿物XRD图

2 试验方法

使用TZC-4颗粒仪进行沉降试验。称取3g单矿物置于玻璃杯中，加入所需的调整剂溶液并加蒸馏水至100mm处，使用搅拌器在一定转速下搅拌10min。将搅拌后的溶液迅速移至颗粒仪上进行测定，可获得该条件下的沉降曲线，由沉降曲线可知某一时间的沉降率。沉降率越大，絮凝效果越好，分散效果越差。

3 试验结果

3.1 不同分散剂对分散结果的影响

在自然pH值条件下，分别向蒸馏水中加入不同剂量的多聚磷酸钠、水玻璃、六偏磷酸钠溶液，以形成不同浓度的分散介质，按照2中所述的试验步骤，测定赤铁矿的沉降率，结果见图3。

图3 不同分散剂及用量对赤铁矿沉降率的影响

从图3中可以看出，多聚磷酸钠、六偏磷酸钠在用量较低时对赤铁矿的分散作用并不明显，随着药剂用量的增加，赤铁矿的沉降率逐渐降低，分散效果越来越好，但是用量大于100mg/L后沉降率略微上升，分散效果变差。水玻璃在较少的用量时，便能获得较低的沉降率，但是水玻璃用量的增加对赤铁矿沉降率的影响不大。三种分散剂中，六偏磷酸钠对赤铁矿的分散作用比较明显。当六偏磷酸钠的用量为100mg/L时，赤铁矿的沉降率达到最小值，为64.09%。

考察不同分散剂及其用量对石英沉降率的影响，结果见图4。

图4 不同分散剂及用量对石英沉降率的影响

从图4中可以看出，多聚磷酸钠、六偏磷酸钠和水玻璃对石英也有一定的分散作用，其中六偏磷酸钠的分散效果较好，在其用量为50mg/L时，石英的沉降率便趋于稳定，为39.76%。

3.2 pH值对分散效果的影响

由于六偏磷酸钠的用量在50mg/L时对石英的分散效果较好，在100mg/L时对赤铁矿的分散效果较好，所以只考察在这两种药剂用量的条件下，pH值对赤铁矿和石英沉降率的影响，结果见图5。

图5 不同pH值条件下，赤铁矿和石英的沉降率

从图5中可以看出，在六偏磷酸钠用量为50mg/L时，pH值的变化对赤铁矿的沉降率影响较大，在pH值在2～10.5之间时，赤铁矿的沉降率随着pH值的增加而逐渐降低，当pH值为10.5时，赤铁矿的沉降率达到最低，而后赤铁矿的沉降率增大。但是六偏磷酸钠用量为100mg/L时，pH值的变化对赤铁矿沉降率的影响不大。同样的，在两种药剂用量条件下，pH值的变化对石英的沉降率影响都不大，在整个pH范围内，石英都呈稳定的分散状态。由于分散剂在较大用量时可能会影响到后续的絮凝结果，因此在分散结果相近的情况下，选定分散矿浆的pH值为10.5，六偏磷酸钠的用量为40mg/L作为分散的最终条件。

4 六偏磷酸钠分散机理探讨

六偏磷酸钠(NaP03)6是一种长链状聚磷酸盐，在水中发生电离反应

(NaPO3)6↔6Na++(Na4P6O18)2-

在矿浆中赤铁矿多带正电，石英多呈电负性，因此电离出的阴离子能够有效地吸附在带正电的赤铁矿颗粒的表面，并进入到双电层结构的扩散层和紧密层，从而改变双电层结构，使得赤铁矿的ζ电位负值增加。此外，由于六偏磷酸钠是大分子的聚合物，能够吸附在矿粒表面以形成一层吸附层，致使矿粒相互靠近时，两个吸附层之间能够产生排斥作用以阻止矿粒的相互凝聚。

范德华能计算公式

(1)

式中：A为Hamake常数，J；R为颗粒半径，m；H为颗粒间的间距，nm。

静电能计算公式

VE=2πεoεrRφ2ln(1+exp(-κH))

(2)

式中：κ-1为Debye长度，代表双电层厚度，m；ε0为真空中绝对介电常数，ε0=8.854×10-12;εr为分散介质的介电常数，εr=78.5C2·J-1·m-1;φ为颗粒表面电位，V；R为颗粒半径，m；H为颗粒间的间距，m。

疏水-亲水结构化能计算公式

(3)

式中：R为颗粒半径，m；δ为吸附层厚度nm；H为颗粒问的间距，m；K为Boltzmann常数1．381×10-23J/K：AR为一个大分子在颗粒表面所占面积，m2。

DLVO理论相互作用能的计算公式[7]为

V=VW+VE

(4)

EDLVO理论相互作用能的计算公式[7]为

V=VW+VE+VH

(5)

测得在自然去离子水的pH值条件下，六偏磷酸钠用量为100mg/L时赤铁矿的zeta电位值为-15.36mV，代入到式(1)～(5)进行计算，得到相应的作用势能，绘制成图6。

图6 赤铁矿颗粒的总作用势能

从图6中可以看出，按照传统的DLVO理论计算出的颗粒间的总作用势能恒为负值，则颗粒间恒为吸引力，应该呈凝聚状态，这与试验现象不符，因此，传统的DLVO理论并不能解释六偏磷酸钠对于赤铁矿的作用机理。而扩展DLVO能够很好的解释六偏磷酸钠对赤铁矿的分散机理。从图5中的EDLVO理论曲线上可以看出在颗粒间的距离小于5nm时，总作用势能为正值，颗粒间为排斥力，颗粒间呈分散状态，这一试验现象相一致。

因此，六偏磷酸钠对赤铁矿的分散机理为：六偏磷酸钠的存在可以增加赤铁矿颗粒间的静电排斥力，也能够使颗粒间产生强烈的空间位阻排斥力。