点石成“金”术——浮选*

高雅温，张国范，冯其明，石晴

中南大学 资源加工与生物工程学院，长沙 410083

人们匆匆行走在繁华都市中时，很少会停下来思考地球上的原始资源是如何被人们利用的。例如：煤、金属以及非金属类矿物……这些来自大自然的馈赠，在成为工业原料之前，往往经历了漫长而复杂的工业加工过程，包含地质勘探、采矿、选矿、冶金和材料加工等一系列连续工艺流程。其中，冶金的目的是将矿石中有价值的元素提取出来作为后续工业的原料。该过程往往对被处理物料的品质有较高的要求，比如有价元素的含量、杂质元素的含量等，而采矿工业过程开采出来的矿石常常不能满足这些要求，这就需要两者之间加入选矿工艺来解决这个问题，因此选矿是连接采矿与冶金的中间环节。

在地壳中，可以利用的金属资源常以某种化合物的形式存在，我们称之为矿物。多种矿物集合在一起并且达到某种含量要求使之具有经济利用价值的集合体，称之为矿石。选矿是将矿石中需要利用的矿物分离出来的过程，以满足后续冶金工艺对原料的要求。常见选矿技术有重选、磁选、浮选和化学选矿等，浮选则是选矿中具有代表性的一种分离技术。那么浮选是什么？它是怎样实现矿物分离的呢？

浮选是利用矿物表面物理化学性质的差异，常用添加浮选药剂的方法来扩大矿物颗粒间润湿性的差别，有选择性地富集一种或几种目的物料，从而达到与废弃物料分离的一种选别技术。人类对浮选的认识经历了上百年不断的摸索。浮选最早在工业中的应用是将矿石与大量的油、水一起搅拌，使某些易吸附油的颗粒随油一起上浮，之后在油、水中分离出不同产物，但这种方法分选效率低，逐渐被其他更先进的浮选分离方法取代[1]。在20世纪初开始出现了现代浮选法的雏形——泡沫浮选法，选矿的发展从此翻开了崭新的一页，工业生产开始变得越来越高效，再加上新型、高效浮选药剂的开发及浮选设备的大型化和多样化，浮选应用范围和规模越来越大。现今全世界每年用浮选处理的矿石量已达数十亿吨[2]。

泡沫浮选法看似简单却又十分神秘，仅在药剂、气泡的存在下就使有用矿物从混杂的矿浆中“脱颖而出”，并且在冶炼加工后成为产品进入大众生活。下面我们来看看浮选是如何实现矿物间有效分离的。

在浮选分离之前，从采矿场开采出来的矿石需要粉碎，其目的是为了将共生在一起的矿物碎解成单个的颗粒，这个过程称之为单体解离。实现单体解离的矿石被运输到搅拌桶内进行加药调浆，浮选分离过程正式开始了。

现代的泡沫浮选，我们可以形象地比作一个交通运输系统。在浮选整个过程中，气泡充当了“交通工具”，疏水性是一张“车票”，具有疏水性的矿物颗粒可以搭乘气泡这个交通工具上浮到矿浆表面，然后进入到泡沫槽内，而表面没有疏水性的颗粒只能停留在矿浆内，从而实现分离。

调浆搅拌的过程需加入一些药剂，如捕收剂、抑制剂、起泡剂等，不同的药剂承担着不同的功能。捕收剂是最为关键的药剂，它赋予目的颗粒“车票”，使某些颗粒具有疏水性。这种有机药剂分子具有异极性的结构，分子的一端含有疏水基团，而另一端具有亲水基团。亲水基团使得捕收剂具有靶向功能，能指导捕收剂有选择性地吸附在我们想要浮选的矿物颗粒表面。吸附在矿物表面的捕收剂会形成亲水基朝向固体表面，疏水基朝向水溶液的吸附层，这样使得矿物表面由亲水转变成疏水，从而使得目的矿物获得了“车票”。捕收剂吸附过程中的选择性往往不会如此完美，这时就需要抑制剂了。抑制剂作为“检票者”，需确保脉石矿物颗粒拿不到“车票”留在矿浆中。起泡剂类似于“交通工具”气泡的制造原料，用于维持气泡的正常工作。除了这三类药剂外，为了使得这个系统更加高效，往往还需要添加其他的药剂，如改善捕收剂吸附的活化剂、改变矿浆中颗粒分散与集聚状态的分散剂、改变矿浆pH值的调整剂等。

经过搅拌桶调浆后的矿浆，进入到浮选机中。浮选机内气泡持续而稳定地产生，将表面疏水的目的矿物带到矿浆表面，形成具有一定稳定性的泡沫，最后上层泡沫被刮板刮出，表面亲水的矿物颗粒则留在矿浆内，从而实现不同表面性质的矿物的分离(图1)。

图1 浮选槽内的浮选过程(F——λ料；K——泡沫精矿；T——尾矿；○——空气；· ——矿粒。图片来自《选矿学》[7])

近年来，随着矿产资源的开发利用，我国矿产资源的特点日益向着“贫、细、杂、难”的方向发展。为解决这一现状，广大选矿科技工作者不断研发新的浮选技术。目前针对粗粒矿物不易悬浮、与气泡碰撞几率小的特点，研发了泡沫中分选(SIF)技术[3]；针对细粒矿物质量小、动量小、比表面积大、与气泡碰撞、黏附几率小的特点，研发了载体浮选技术[4]、选择性絮凝分选技术和浮选柱分选技术[5]；针对微细粒矿物活化能较高、易形成水化膜的特性，研发了剪切絮凝浮选技术针[6]。针对矿石的不同性质，采用新的浮选工艺进行选别，在提高分选效率的同时又降低了浮选成本。浮选技术的不断进步，浮选条件的不断优化，分离效果的不断提高，能够使我们在获取“金山、银山”的同时拥有“绿水、青山”。

目前，中南大学309课题组主要浮选研究方向为：

(1)硫化铜镍矿选矿。针对以滑石、绿泥石、蛇纹石为主要脉石的硫化铜镍矿，重点研究其固-液界面性质特征，以及含镁层状硅酸盐矿物与硫化矿物颗粒间的相互作用机制，形成了含镁层状硅酸盐矿物选择性抑制与分散的调控方案，开发出了“低品位硫化铜镍矿强化浮选技术”与“高强度调浆预处理浮选硫化铜镍矿新技术”。研究结果在云南金平镍矿、哈密天隆镍矿、金川铜镍矿等得到推广应用。

(2)复杂多金属硫化矿选矿。针对低品位、难处理硫化铜钼(钴)、铜锌矿选矿中铜硫分离碱度高、铜矿物与脉石矿物难浮选分离、精矿产品中金属互含高及砷含量高等技术问题，开发出了高效选择性捕收剂与有机抑制剂。采用快速-载体浮选新工艺，实现了低碱度铜硫高效浮选分离，提高了铜钼的选矿指标，降低了精矿产品中金属互含与砷含量。研究结果在德兴铜矿、大红山铜矿及云南华联锌铟铜矿等得到推广应用。

(3)氧化铅锌矿选矿。针对砂岩型及灰岩型氧化铅锌矿，重点研究了菱锌矿、异极矿等氧化锌矿物在各种浮选体系下的浮选行为，以及氧化锌矿物与方解石、石英在不同溶液化学环境下的浮选分离机制，开发出了“氧化锌矿原浆浮选技术”。

(4)铝土矿选矿。针对一水硬铝石沉积型及堆积型铝土矿，重点研究了符合捕收剂体系下一水硬铝石疏水聚团理论、铝土矿选择性解离机制及矿物间可浮性差异，为构建铝土矿正浮选脱硅工艺奠定了基础。在技术开发方面，形成了以复合捕收剂疏水聚团为基础的铝土矿“选择性磨矿-聚团浮选工艺”及“选择性解离-聚团浮选工艺”。研究结果在中州铝厂、山西铝厂等得到推广应用。

浮选的应用远不止这些，其看似简单的过程往往包含着复杂的原理。随着人类社会的科技进步，浮选应用也得到不断的发展。目前浮选不仅应用于选矿领域，在化工、建材、环保、农业、医药等领域也有广泛应用。相信在将来，浮选技术会发挥更大的作用。

(2018年5月14日收稿)