用阳离子型捕收剂DYP 反浮选铁矿物

朱一民 王 鹏 杨艳平 韩跃新 李艳军

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819)

浮选通过浮选药剂灵活有效地控制分选过程，从而成功地将有用矿物和脉石矿物分离［1］。我国已经成功研发出很多铁矿的浮选药剂，处于国际先进水平，但仍存在一些不足:①缺乏能够高效捕收细粒复杂铁矿的选矿药剂;②大部分浮选药剂的配制温度较高，并且使用时常常需要进行加温，这不仅需要消耗大量的能源，还对环境产生巨大的影响［2］。从提高浮选效率、低碳环保的角度，研制出浮选时药剂制度简单、成本低的常温浮选药剂具有重要的经济价值和社会效益。本研究对东北大学研制的新型浮选药剂DYP 进行了单矿物及人工混合矿浮选试验，以考察DYP 是否适合于铁矿石反浮选，并对DYP 与石英的作用机理进行了探讨。

1 试验原料及试验药剂和设备

1.1 试验原料

石英单矿物:石英矿块经颚式破碎机破碎之后，手选纯度高的小矿块，然后用手锤破碎到较小粒度，经三头研磨机磨碎后，经0.074 mm 标准筛水筛，筛下产品经过3 次盐酸浸出，每次24 h。然后用蒸馏水浸泡24 h，连续浸泡3 次。最后，样品自然风干后装入磨口瓶备用。

赤铁矿单矿物:取鞍千矿业公司强磁选精矿，经弱磁分选后，经摇床5 次分选，得到的产物经0.074 mm 标准水筛，筛下样品经低温烘干装入磨口瓶作为试验用纯矿物。

磁铁矿单矿物:磁铁矿矿石取自鞍千手选磁铁矿富矿，经颚式破碎—对辊破碎—湿式磨矿后，经2 次弱磁选后得到精矿产品，最后经0.074 mm 标准筛水筛，筛下样品低温烘干后装入磨口瓶作为试验用纯矿物。

试验采用的石英、赤铁矿、磁铁矿单矿物的化学成分分析结果见表1、表2、表3。

表1 石英单矿物化学多元素分析结果Table 1 Chemical multi-element analysis of single quartz %

表2 赤铁矿单矿物化学多元素分析结果Table 2 Chemical multi-element analysis of single hematite %

表3 磁铁矿单矿物化学多元素分析结果Table 3 Chemical multi-element analysis of single magnetite %

由表1 ～表3 可知，试验采用的磁铁矿、赤铁矿和石英纯度较高，可作为试验用单矿物。为了验证DYP 反浮选铁矿石的效果，根据东鞍山铁矿中磁铁矿、赤铁矿和石英的质量分数以及原矿的铁品位(TFe 47.93%)，混合矿浮选试验时单矿物配比确定为w(磁铁矿)∶ w(赤铁矿)∶ w(石英)=2∶ 3∶ 2。

1.2 试验药剂及设备仪器

试验药剂:捕收剂DYP、羧甲基淀粉，都为工业级;盐酸、硫酸、氢氧化钠，都为分析纯。其中，单矿物试验时DYP 配制成浓度为0.4%使用，人工混合矿浮选时DYP 配制成浓度为0.1%使用，羧甲基淀粉配制成浓度为1.5%使用［3］，氢氧化钠配制成浓度为2%使用，盐酸配制成浓度为1%使用。

仪器设备:XFG 型挂槽浮选机，Xshy －81 型远红外烤箱，UW220H 电子天平，E －201 － C 型酸度计，DFH 型恒温干燥箱，标准检验筛，XPM－φ180 ×20 型瓷衬球磨机等。

2 试验结果与分析

单矿物及人工混合矿浮选试验采用XFGCⅡ型挂槽式浮选机，搅拌转速为1 992 r/min，浮选时矿浆温度为25 ℃，试验流程见图1。

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图1 单矿物及人工混合矿物浮选流程Fig.1 Flowsheet of single and artificial mixed ore

2.1 pH 对单矿物可浮性的影响

取3.00 g 矿样，加入20 mL 蒸馏水，用氢氧化钠、盐酸调节矿浆pH，在捕收剂DYP 用量为50 mg/L条件下进行pH 对单矿物浮选影响试验，结果见图2。

图2 pH 对3 种单矿物可浮性的影响Fig.2 Effect of pH on the floatability of the three mono-mineral

从图2 知:pH 对石英的回收率影响较小，且回收率都在80%以上，当pH 为6.96 时，石英的回收率较高，达到97.33%;在试验pH 范围内，磁铁矿和赤铁矿基本不上浮，这也正是DYP 可用于铁矿物反浮选的原因。当pH 为6.96 时，石英和磁铁矿、赤铁矿的浮游性差达到最大，并且此时矿浆pH 接近矿浆自然pH，无需添加pH 调整剂，所以捕收剂DYP 用于铁矿物浮选具有药剂制度相对简单的特点。

2.2 捕收剂DYP 用量对单矿物可浮性的影响

取3.00 g 矿样，加入20 mL 蒸馏水，进行捕收剂DYP 用量对单矿物浮选影响试验，结果见图3。

从图3 可知，石英、赤铁矿、磁铁矿3 种单矿物浮选的最佳捕收剂DYP 用量分别为50，200，300 mg/L，当捕收剂用量为50 mg/L 时，赤铁矿和磁铁矿的回收率分别为6.50%、4.33%，而此时石英的回收率达到了97.33%，这说明捕收剂DYP 可用于铁矿物反浮选。同时这也说明了DYP 对这3 种单矿物的捕收能力由强到弱依次为石英＞赤铁矿＞磁铁矿。并且在浮选过程中捕收剂DYP 具有选择性高、捕收能力强，泡沫量适中、黏度小、易消泡、合成成本低的特点，适合用于浮选石英。

图3 DYP 用量对3 种单矿物可浮性影响Fig.3 Effect of collector DYP dosage on the floatability of the three mono-mineral

2.3 DYP 用量对人工混合矿浮选的影响

取2.80 g 混合矿样，加入蒸馏水20 mL，进行人工混合矿铁矿物反浮选DYP 用量试验，结果见图4。

图4 DYP 用量对人工混合矿浮选的影响Fig.4 Effect of collector DYP dosage on the floatability of artificial mixed ore

从图4 知，当捕收剂用量从10.00 mg/L 逐渐增加至60.00 mg/L 时，精矿铁品位逐渐上升、铁回收率不断下降，但变化幅度均较小，选择浮选人工混合矿最佳捕收剂DYP 用量为40.00 mg/L，此时获得的精矿铁品位为67.02%、回收率为81.27%，分选指标较好。

3 捕收剂DYP 浮选石英的作用机理

3.1 捕收剂DYP 在溶液中的平衡

捕收剂DYP 在溶液中存在以下平衡:

捕收剂DYP 初始浓度为1.0 ×10－4mol/L 时的lgc－pH 关系曲线见图5，由图5 知:

图5 捕收剂DYP 的lgc－pH 图Fig.5 The lgc-pH of the collector DYP

(1)当pH ＜4.3 时，捕收剂DYP 在溶液中主要以RO(CH2)3NH3+形式存在。

(2)当4.3 ＜pH ＜pHS时，捕收剂DYP 在溶液中主要以RO(CH2)3NH3+、RO(CH2)3NH2(aq)形式存在。

(3)当pH ＞pHS时，溶液中RO(CH2)3NH3+的浓度开始下降，RO(CH2)3NH2(s)在溶液中逐渐累积，而RO(CH2)3NH2(aq)稳定存在于溶液中。所以DYP 能和石英矿物产生静电吸附的吸附条件为PZC ＜pH ＜pHS［5］。

3.2 捕收剂DYP 在石英表面的吸附形式

捕收剂在石英表面的吸附形式有以下3 种［6］:

(1)静电吸附。当PZC ＜pH ＜pHS，即石英表面电位和捕收剂DYP 所带电荷相反时，石英矿物表面有可能与药剂之间形成静电吸附。

(2)氢键吸附。大多数氧化物在溶液中会形成羟基化表面，因此石英表面含有高电负性的羟基或者—O－;在捕收剂DYP 分子结构中有—NH 基团，所以在石英矿物表面有可能和捕收剂DYP 形成氢键，从而发生氢键吸附作用。

(3)键合作用。单矿物石英中的硅原子属于p区原子，价电子构型为3s23p2，且没有空轨道［7］，不可能和带有孤电子对的基团发生键合，因此捕收剂DYP 不可能在石英表面产生键合作用。

综上，捕收剂DYP 在石英表面可能发生的吸附形式是静电吸附和氢键吸附。

3.3 捕收剂DYP 与石英吸附机理分析

捕收剂DYP 初始浓度为0.4%时，pH 对石英表面动电位及可浮性的影响分别见图6、图7。

由图6 可知:当pH 值为2.20 时，石英表面动电位为零，该点为石英零电点;当pH ＜2.20 时，石英表面带正电，而捕收剂DYP 在该pH 范围内主要以RO(CH2)3NH3+形式存在，石英表面电性和捕收剂DYP 表面带电相同，都为正电，因此不可能发生静电吸附，但石英表面电位发生了微量变化，说明捕收剂DYP在石英表面发生了少量的吸附，因为石英和捕收剂不可能发生键合吸附也不可能发生静电吸附，所以此时石英和捕收剂DYP 只能以氢键的形式发生吸附作用。当矿浆pH 逐渐升高但仍低于pHS时，矿浆中［OH－］不断增大，石英表面吸附的OH－也会持续增多，而此时捕收剂DYP 在矿浆中主要存在形式仍为RO(CH2)3NH3+，石英与捕收剂DYP 之间的静电吸附力增强;同时，捕收剂DYP 在矿浆中更多地以RO(CH2)3NH2(aq)的形式存在，氢键作用力逐渐增强。从图7 可知:在pH=4 ～10 时，石英的回收率趋于100%，静电吸附与氢键在协同作用下将石英完全捕收。当矿浆pH ＞pHS时，随着矿浆pH 升高，RO(CH2)3NH3+在矿浆中的浓度降低，静电吸附力逐渐减弱。捕收剂在矿浆中以RO(CH2)3NH2(S)形式存在，而RO(CH2)3NH2(aq)的存在形式趋于稳定，所以石英与捕收剂DYP 主要以氢键的形式相互作用。pH 值为12 左右时，石英回收率为35.1%，比pH 值为3 时的石英回收率高出2.67 个百分点，说明氢键作用强于静电吸附作用。

图6 pH 对石英表面动电位影响Fig.6 Effect of pH on ζ-potential of quartz

图7 pH 对石英可浮性的影响Fig.7 Effect of pH on the floatability of quartz

4 结 论

(1)在捕收剂DYP 浮选体系中，石英、赤铁矿、磁铁矿这3 种单矿物的可浮性由强到弱依次为石英＞赤铁矿＞磁铁矿，DYP 浮选单矿物石英的最佳用量为50 mg/L，此时石英的回收率达到了97.33%，而赤铁矿和磁铁矿的回收率分别为6.50%、4.33%，捕收剂DYP 具有很好的选择性，适合铁矿物反浮选;当pH=6.96 时，石英和磁铁矿、赤铁矿的浮游差达到最大，并且此时矿浆接近自然pH，无需添加pH 调节剂，捕收剂DYP 用于铁矿石的反浮选具有药剂制度简单的特点。

(2)pH 对石英表面动电位及可浮性影响的分析表明，捕收剂DYP 对石英的捕收是静电吸附和氢键吸附协同作用的结果。

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