微细粒鲕状赤铁矿、石英的分散行为与机理研究

2014-04-02张晋霞牛福生

中国矿业 2014年5期

张晋霞，牛福生，陈淼

(河北联合大学矿业工程学院，河北唐山 063009)

微细粒难选赤铁矿的研究在铁矿选矿领域中一直备受关注，近年来世界各地实验及生产实践研究发现，该铁矿石难选的主要原因是：①此类铁矿石绝大部分属于沉积型铁矿床，在碎矿过程中极易形成含铁较高的矿泥，严重影响随后的选别作业；②铁矿物嵌布粒度非常细，当单体解离度达到85%时，矿物颗粒需磨至-20μm 左右，而现行选矿工艺设备无法对该粒径进行有效的分选；③矿物本身构造非常复杂[1-3]。

目前，对于难选赤铁矿采用了絮凝脱泥-反浮选，强磁选-阴离子反浮选，单一浮选等工艺，取得了一定的效果，但效果不明显[4-5]。选择性絮凝工艺主要是指通过高分子聚合物的桥联作用使微细颗粒选择性絮凝后进行分选的，但是若想获得较好的选择性絮凝效果，前提是获得良好分散条件。方启学等[6]研究了微细粒赤铁矿和石英的分散行为，认为分散剂的加入可以使矿浆微细体系发生较好的分散作用。于洋等[5]进行了微细粒鲕状赤铁矿的分散试验研究，认为水的硬度对微细颗粒的分散与稳定性能影响较大，水中的Ca2+、Mg2+离子会破坏悬浮体的分散稳定性，使微细颗粒凝聚沉降。

尽管前人对赤铁矿及石英的分散行为进行了较多的研究，但如何实现强化分散以及分散机理的研究开展较少[7-9]。因此，本文作者从微细粒颗粒在不同力场的粒度特性分析得出分散絮凝的重要性，且在微细粒赤铁矿、石英分散行为研究的基础上，针对强化分散等问题，研究了六偏磷酸钠对赤铁矿、石英分散行为的影响规律及可能存在的作用机理，这将为微细粒嵌布赤铁矿分散-选择性絮凝分选奠定理论和技术基础。

1 原料及实验方法

1.1 原料

1.1.1 纯矿物的制备

试样所用的赤铁矿来自河北滦县司家营铁矿选矿厂的螺旋溜槽精矿，并且对其进行多段摇床分选后得到赤铁矿纯矿物，经化验品位为67.23%，纯度为95.54%，并磨细至-18μm待用。石英来自江苏东海地区，用磁衬球磨机磨细至-18μm，纯度为98%待用。其化学多元素分析见表1、表2。

同时对赤铁矿及石英纯矿物进行了XRD分析，见图1、图2。从图1、图2可见两种矿物的纯度较高。

表1 赤铁矿化学多元素分析/%

表2 石英化学多元素分析/%

图1 赤铁矿单矿物XRD分析

图2 石英单矿物XRD分析

1.1.2 试剂

此实验中分散剂为：六偏磷酸钠、碳酸钠、焦磷酸钠，pH调整剂为硫酸和氢氧化钠，上述试剂均为化学纯，配制药剂及调浆时均使用蒸馏水。

1.2 实验方法

1.2.1 沉降实验

1)称取4.00g的赤铁矿或石英颗粒于TZC-颗粒仪自带的玻璃杯中。

2)加入不同的分散剂，调节到所需的pH值，并加蒸馏水至100mm处，搅拌天下一定的时间。

3)将搅拌后的溶液迅速移至颗粒仪上进行测定，获得该条件下的沉降曲线。

4)由沉降曲线可知某一时间的沉降率E。

其中W0指加入的赤铁矿或石英颗粒的重量(4.00g)，W是指沉降下来的矿浆过滤烘干稳重。因此沉降率越小，说明微细粒鲕状赤铁矿分散效果越好，反之，则聚团程度越高。

1.2.2 Zeta电位测定

单矿物用玛瑙研钵磨成粒度小于5μm的粉末，每次称取30mg，加入蒸馏水50ml，用适宜浓度的H2SO4或NaOH溶液调节矿浆至合适pH值，加入一定量的分散剂，使用Zetasizer Nano ZS90 测定单矿物在该pH值下的Zeta电位。

2 微细粒颗粒的沉降与受力状态研究

2.1 无外加力场中颗粒沉降特性研究

无外加力场中，颗粒的沉降主要有两种形式：一种是自由沉降，一种是干涉沉降。由于干涉沉降影响因素复杂，因此在本次微细颗粒研究中采用自由沉降体系。颗粒在水中的自由沉降时，主要受到三种力的作用，分别是重力(G)、浮力(F)、介质阻力(R)。

为研究方便，设定颗粒属于球形颗粒，颗粒自身的重力与受到的浮力称为有效重力(G0)，颗粒在水中的流动属层流流动，因此介质阻力主要以黏滞阻力(RS)为主。

有效重力公式见式(1)。

G0=δVg-ρVg

(1)

(2)

可见，有效重力与矿粒的尺寸、密度及介质的密度有关。

黏滞阻力公式见式(3)。

Rs=3πμdv

(3)

矿粒在介质中沉降时，受力与运动加速度关系见式(4)。

(4)

以黏性阻力计算公式代入G0=Rs的式中，得到公式(5)。

(5)

因此可以得到公式(6)。

(6)

对不同粒径的纯矿物采用沉降天平进行颗粒沉降试验，得出颗粒的沉降速度与颗粒粒径的关系曲线，同时与推导出的沉降速度计算公式得出数据进行比较，其结果见图3。

图3 颗粒沉降速度与粒径关系曲线

由纯矿物沉降试验可以看出，随着颗粒粒径的减小，其沉降速度也逐渐减小，当颗粒粒径小于30μm时，沉降速度降低更为明显，说明以密度为表征的有效重力不再起到主导作用，而黏性阻力的作用更为明显，导致微细粒颗粒的沉降速度降低。

2.2 强磁场中颗粒的受力状况

为了考察强磁场中赤铁矿纯矿物颗粒的受力状况与颗粒粒度的关系，进行了三种不同力的计算。磁性颗粒在磁场中除受重力、介质黏滞阻力外，还受磁力作用。在磁场强度为640kA/m的条件下，不同粒度赤铁矿(χ=1.08×10-4cm/g)所受磁力、黏滞阻力及重力的变化示于图4。

图4 强磁场中赤铁矿的受力状况与颗粒粒度的关系

当粒度小于30μm时，赤铁矿颗粒所受的磁力已不足以抵抗介质的黏滞阻力，赤铁矿将被水流冲走，因此这也是在强磁选分选中微细粒级赤铁矿颗粒损失在尾矿中的原因，同时也说明颗粒粒度过小，流体黏滞阻力超过磁力，磁力分选难以实现。

从上述不同微细粒在不同流场中的沉降及受力状况分析可知，当粒度小于30μm以下时，由于粒度的减小，比表面积急剧增大，比表面积的增大引起比表面能的增大，使表面特性的影响更加明显，矿粒将受到各种表面力(双电层静力作用、分子作用力等)的影响[10]，因此颗粒的粒度过细将对分选造成影响，若对微细粒颗粒进行分散—选择性絮凝处理后，能有效实现微细赤铁矿颗粒有效分选，而良好的分散是絮凝分选的先决条件。

3 微细粒赤铁矿与石英的分散行为研究

3.1 不同分散剂对沉降率的影响

使微细粒矿浆呈分散状态需要加入碱和分散剂，碱的作用是使矿粒之间表面负电位增大，使矿粒之间由于同性电荷排斥呈分散状态。分散剂一般都是亲水性物质，能吸附在赤铁矿表面增加矿粒的亲水性，更促进了矿粒分散的稳定性。

在自然pH值条件下，分别向蒸馏水中加入不同剂量的焦磷酸钠、碳酸钠、六偏磷酸钠溶液，形成不同浓度的分散介质，按照沉降试验中所述的试验步骤，测定赤铁矿和石英单矿物的沉降率，结果见图5。

1-六偏磷酸钠；2-焦磷酸钠；3-碳酸钠

图6 pH值对沉降率的影响

从图5中可以看出，三种药剂对赤铁矿和石英的沉降率均有一定的影响，其中六偏磷酸钠对赤铁矿和石英的沉降率影响较大。

赤铁矿的沉降率随着六偏磷酸钠用量的增加，呈先减小后增大的变化趋势。当六偏磷酸钠用量为20mg/L时，赤铁矿的沉降率达到最小值，为57.09%；当六偏磷酸钠用量大于20mg/L时，赤铁矿的沉降率逐渐增大，分散效果变差。六偏磷酸钠用量的变化对石英的沉降率影响不大，当六偏磷酸钠用量为20mg/L时，石英的沉降率最低，为20.31%。

在以焦磷酸钠作为分散剂时，赤铁矿沉降率的最小值出现在20mg/L时，为58.32%；石英沉降率的最小值出现在30mg/L时，为20.45%。两种单矿物的沉降率均低于以六偏磷酸钠作为分散剂时的沉降率。

当分散剂为碳酸钠时，药剂用量为40mg/L时，赤铁矿的沉降率最低为56.56%，此时石英的沉降率为27.12%；而石英沉降率的最小值为22.74%，此时的药剂用量为20mg/L，此时赤铁矿的沉降率为64.84%。

虽然碳酸钠用量为40mg/L时，赤铁矿的沉降率最低，但此条件下，相对于其他两种分散剂，此时石英的沉降率较高，综合考虑到赤铁矿和石英两种单矿物的沉降率，最终选定六偏磷酸钠作为本次试验的分散剂，用量为20mg/L。

3.2 pH值对沉降率的影响

用氢氧化钠和硫酸将矿浆pH值调至待测的范围内后，加入20mg/L的六偏磷酸钠作为分散剂，搅拌，测得两种单矿物的分散率，试验结果见图6。

pH值的变化对石英的沉降率影响较大。在酸性范围内和碱性范围内，石英的沉降率均为先降低后增加，当pH值为10.3时，石英的沉降率达到最小值，为19.83%。在pH值为酸性范围内，赤铁矿的沉降率变化不大，在pH值7.60～9.27范围内，赤铁矿的沉降率逐渐降低，随后呈上升的趋势。综合考虑赤铁矿和石英的沉降率，选定最佳pH值为pH=10.00。

3.3 搅拌速度对沉降率的影响

在矿浆pH=10，分散剂为六偏磷酸钠，用量为20mg/L，矿浆温度为20℃，进行不同的搅拌速度试验，试验结果见图7。

图7 搅拌速度对沉降率的影响

从图7可以看出，当搅拌转速分别从400～1200r/min时，赤铁矿的沉降率由62.41%降到56.99%，石英沉降率由25.40%降到20.21%，下降幅度分别为5.42%、5.19%，随着搅拌速率逐渐增大沉降率逐渐降低，分散效果逐渐增强，但是当转速大于800r/min后赤铁矿沉降率变化不大，但石英的沉降率仍随转速的增加而降低，当转速大于1000r/min后石英的沉降率趋于稳定，综合考虑赤铁矿和石英的沉降率，选定分散阶段的最佳转速为1000r/min。

4 六偏磷酸钠对微细粒赤铁矿的分散机理研究

4.1 动电位的测定

在赤铁矿分选中，矿浆中的H+和OH-为定位离子，因此矿浆pH值的变化会影响赤铁矿矿物表面电性发生变化，从而影响颗粒之间的分散或絮凝行为。图8为不同pH条件下赤铁矿单矿物以及在六偏磷酸钠(20mg/L)作用下赤铁矿矿物表面ζ电位的变化结果。

图8 不同pH值下六偏磷酸钠对赤铁矿表面ζ电位的影响

图9 六偏磷酸钠用量对赤铁矿表面ζ电位的影响

由图8可知，赤铁矿的等电点为7.1，与文献报道的研究结果基本一致。同时也可看出，随着pH的提高，赤铁矿颗粒间的ζ电位绝对值增大，根据图6赤铁矿的分散行为可得出赤铁矿表面ζ电位负值增大越多，其分散效果也越好，说明赤铁矿表面的ζ电位的大小与矿物分散性之间存在着关联性。加入分散剂六偏磷酸钠后，在pH=4～12的范围内，赤铁矿颗粒的表面电性为负值，且随着pH值的增大，绝对值越大。这些结果充分说明，六偏磷酸钠在赤铁矿表面产生了吸附，通过增大赤铁矿表面ζ电位的绝对值，从而增加了颗粒之间的静电斥力，这是微细粒赤铁矿颗粒分散的机理之一。

在矿浆pH=10条件下，六偏磷酸钠用量变化对赤铁矿表面ζ电位的影响结果见图9。由图9可见，随着六偏磷酸钠用量的增加，赤铁矿颗粒表面ζ电位绝对值增大，颗粒的分散性有所提高。