JZQ-F7捕收剂在赤铁矿反浮选中的浮选特性及机理研究

于慧梅

摘 要：论文以餐饮废油为原料，制备一种脂肪酸类捕收剂（以下称“JZQ-F7”），用于赤铁矿反浮选脱除石英研究，并与传统捕收剂油酸钠进行对比。浮选试验考察了矿浆浓度、矿浆温度、药剂用量及浮选时间因素对浮选指标的影响，通过电动电位分析、红外光谱分析、矿物的沉降行为分析和粒度分析揭示了JZQ-F7在石英表面的作用机理。浮选试验研究表明，当矿浆的浓度为50%、矿浆的温度为20～30 ℃时，在JZQ-F7作用下，铁精矿中铁品位达到67%，铁回收率为56%;电动电位和红外光谱研究表明，在pH为10～12范围内，JZQ-F7在石英表面吸附量最多，石英在活化剂CaO的作用下，与JZQ-F7发生了化学吸附;矿物的沉降行为和粒度分析表明，JZQ-F7的加入使得石英矿物颗粒增加，矿粒间出现疏水团聚。

关键词：餐饮废油;JZQ-F7捕收剂;浮选;电动电位;红外光谱

中图分类号：TD923

文献标志码：A

随着中国餐饮业的迅速发展，餐饮废弃物中的废弃油脂日益增多[1]，餐饮废油问题也越来越得到社会各界的关注[2-3]。研究发现，餐饮废油的危害主要表現在重返餐桌、生产化工产品等方面[4]。餐饮废油的不合理利用威胁到人类食品安全和身体健康。目前，关于餐饮废油的科学利用途径主要有：以餐饮废油为原料制备无磷洗衣粉、皂液[5]、生物柴油[6-8]、硬脂酸和油酸[9]、润滑脂[10]、混凝土制品脱模剂[11]、选煤捕收剂[12]等。

关于赤铁矿浮选的研究报道很多，围绕赤铁矿浮选主要集中在浮选工艺的选择、浮选影响因素的条件试验、以及药剂与矿物表面作用机理等几方面。研究表明，以氢氧化钠或氢氧化钠与碳酸钠混用作为介质调整剂，淀粉作为抑制剂，氧化钙作为活化剂，脂肪酸或脂肪酸皂可以将赤铁矿中的脉石矿物浮出[13-16]。

餐饮废油的成分与传统制备脂肪酸捕收剂原料的成分相近[17]，利用餐饮废油制备JZQ-F7脂肪类捕收剂用于赤铁矿反浮选中以期得到良好的浮选试验结果。论文以赤铁矿反浮选为基础，以矿浆浓度、矿浆温度、药剂用量、浮选时间为浮选因素，通过对比JZQ-F7脂肪类捕收剂与传统捕收剂油酸钠浮选指标，证实了JZQ-F7脂肪类捕收剂的捕收性能和选择性能，并揭示了JZQ-F7脂肪类捕收剂在矿物表面的作用机理。

1 试验研究内容与方法

1.1 矿样及药剂

试验所用的矿样来源于辽宁省，矿样粒度为-200目≥90%。通过Oxford ISI300能谱仪对矿样进行能谱分析，矿样X射线能谱图表明，矿样主要由Fe、Si、O等元素组成，X射线能谱图如图1所示。在日立S-3500扫描电镜（分辨率：30 Kv时0.4 nm，1 Kv时1.6 nm;加速电压：0.5～30 Kv;放大倍率： 低倍模式60X～10 000X，高倍模式800X～2 000 000X）下对该矿样的光片进行了观察，有用矿物主要有赤铁矿，脉石矿物主要有石英。图2为扫描电镜背散射电子图像，图中白色为赤铁矿，灰色是以石英为主的脉石矿物。通过化学分析矿样铁含量为43.93%，硅含量为32.99%。

试验所用捕收剂分别为自制脂肪酸类捕收剂JZQ-F7和传统脂肪酸类捕收剂油酸钠两种。其中JZQ-F7以餐饮废油为原料经过预处理-水解-萃取-酸化-改性工艺得到;油酸钠为市场销售油酸钠分析纯。

1.2 浮选试验

浮选试验采用XFD-0.5（转速1 800 r/min）浮选机，称取一定量的矿样放入浮选槽中，加入一定量的自来水，搅拌调浆，加入氢氧化钠调节矿浆的pH值，顺序加入抑制剂、捕收剂、起泡剂，各种药剂作用3～5 min后，收集泡沫产品。泡沫产品和槽底产品分别烘干、称量、制样、化验品位、计算回收率。

1.3 电动电位的测定

电动电位的测定是在室温下通过Zeta Plus DB-525电位电动仪（电泳测量粒度范围0.005～30 μm;样品体积1～1.5 ml;pH范围2～12;电导率范围0～700 Ms/m）测定完成的。每个实验重复5次。测试样品的制备详见参考文献[18]。

1.4 红外光谱分析

为了说明JZQ-F7的化学结构特征，对JZQ-F7进行红外光谱分析。测试样品的制备详见参考文献[19]。

1.5 矿物沉降试验

捕收剂在矿物表面作用前后团聚程度的变化可由矿物细粒的沉降行为表征。称取3.0 g矿物置于放入200 mL的烧杯中，加入80 mL的蒸馏水，用磁力搅拌器充分搅拌10 min（转速500 r/min）;向烧杯中加入一定量的捕收剂搅拌5 min;将矿浆移至100 mL沉降管中，将其定容、摇匀、沉降2 min，抽取上层液体50 mL，过滤烘干下层矿粉、称重并计算沉降产率。

1.6 捕收剂对矿石粒度分布影响试验

称取2.0 g矿粉于200 mL烧杯中，加入150 mL蒸馏水，使用磁力搅拌器充分搅拌10 min（转速500 r/min）;向烧杯中加入一定浓度的捕收剂搅拌5 min，采用LS-C（1）激光粒度检测仪（测试范围0.5～300 μm;测试时间1～2 min; 波长0.632 8 μm）检测矿样的粒度。

2 试验结果分析与讨论

在铁矿石反浮选试验中，主要考察了JZQ-F7用量、矿浆温度、矿浆浓度、浮选时间对浮选效果的影响，并与传统脂肪酸类捕收剂油酸钠进行比较。

2.1 捕收剂用量试验

在铁矿石反浮选中，在一定捕收剂用量范围内，捕收剂用量越大，精矿中铁品位越高。为了考察捕收剂用量对浮选效果的影响，分别考察了JZQ-F7捕收剂和传统捕收剂油酸钠不同用量与铁精矿中铁品位和回收率关系试验研究。浮选时，矿浆的浓度为43%，浮选矿浆pH值为11.5，矿浆的温度为30 ℃，采用一粗一精浮选流程，精矿中铁品位和回收率如图3所示。

由图3可知：JZQ-F7用量由200 g/t原矿增加到500 g/t原矿时，精矿铁品位由59.51%上升到67.30%，精矿铁回收率由57.25%降低到35.16%;油酸钠用量500 g/t时，精矿铁品位66.28%，比JZQ-F7用量500 g/t时精矿铁品位67.30%低1.02个百分点。当捕收剂用量达到刚好浮选脉石矿物石英，再增加捕收剂的用量，就会将少量与石英以连生体共存的赤铁矿浮选上来，导致精矿中铁矿物的损失，降低了精矿的铁回收率。在保证精矿铁品位的情况下，为了保证精矿铁回收率和从节约药剂成本的角度考虑，JZQ-F7在铁矿石反浮选中用量不宜超过500 g/t原矿。

2.2 矿浆温度试验

脂肪酸捕收剂在不同温度下溶解度不同导致温度对脂肪酸类捕收剂的影响很大。试验考察不同浮选温度下JZQ-F7对矿物铁矿石反浮选的影响，同时与油酸钠进行对比试验，浮选试验条件为：矿浆的浓度43%，浮选矿浆pH值11.5，采用一粗一精浮选流程，精矿中铁品位和回收率如图4所示。

浮选试验考察不同矿浆温度对浮选试验的影响，矿浆温度的变量分别为20，30，40，50 ℃。由图4中JZQ-F7品位曲线和回收率曲线可知：当浮选温度为20 ℃时，精矿中铁品位为65.21%，铁回收率为60.88%，当浮选温度升高到30 ℃时，精矿中铁品位增加到67.13%，增加了1.92百分点，继续升高浮选温度，铁精矿中铁品位上升的趋势缓慢，当温度增加到50 ℃时，铁精矿中铁品位增加到67.82%，比浮选温度为30 ℃时仅提高了0.69%，而铁回收率却大幅度的降低，由37.04%降低到15.07%。从各自品位和回收率曲线的交点可以得出结论，JZQ-F7的最佳浮选温度范围为30 ℃左右，而油酸钠的最佳浮选温度范围为40 ℃左右，由此可见，在相同温度下，JZQ-F7的溶解性要优于油酸的溶解性。

2.3 矿浆浓度试验

试验考察了不同矿浆浓度下JZQ-F7对矿物铁矿石反浮选的影响，并在相同条件下与油酸钠进行对比研究，浮选试验条件为：矿浆温度30 ℃，浮选矿浆pH值11.5，采用一粗一精浮选流程，精矿中铁品位和回收率如图5所示。

由图5中JZQ-F7精矿铁品位和回收率曲线可知：矿浆浓度由33%上升到43%，精矿中铁品位的上升幅度较小，由63.43%上升到64.50%，铁品位提高了1.07个百分点;铁回收率由63.10%降低到58.55%，降低了4.55个百分点;矿浆浓度由43%上升到50%，精矿中铁品位上升幅度较大，由64.50%上升到68.32%，铁品位提高了3.82个百分点，而回收率下降的幅度小，从58.55%降低到57.66%，仅降低了0.89个百分点。由上述可知，JZQ-F7在铁矿石反浮选时，浮选矿浆浓度的变化对铁精矿中铁品位有较大影响，在高浓度的浮选矿浆浓度下能获得理想的浮选指标。由油酸钠作为捕收剂时精矿中铁品位和回收率曲线可知，随着矿浆浓度的提高，精矿铁品位逐渐提高，在33%～38%范围内，精矿中铁品位提高幅度较大，而在38%～50%范圍内，精矿中铁品位提高幅度较小，铁回收率则表现出相反的趋势。

2.4 浮选时间试验

为了说明捕收剂对浮选速率的影响，分别进行了JZQ-F7和油酸钠两种捕收剂不同的浮选时间对精矿中铁品位和回收率的影响的试验。浮选试验时，矿浆温度30 ℃，浮选矿浆浓度50%，浮选矿浆pH值11.5，采用一次粗选浮选流程，精矿中铁品位和回收率如图6所示。

由图6中JZQ-F7精矿中铁品位和回收率曲线可知：浮选时间由3 min增加到4 min时，精矿中铁品位由53.56%提高到55.24%，增加的幅度较小;而浮选时间由4 min增加到5 min时，精矿中铁品位由55.24%提高到63.28%，提高了8.04个百分点;当浮选时间增加到6 min时，精矿铁品位由63.28%提高到63.98%。由此可见，JZQ-F7在铁矿石反浮选时适当的延长粗选时间，可以有效地提高精矿中铁品位。由油酸钠作为捕收剂时精矿中铁品位和回收率曲线可知，随着浮选时间的增加，精矿铁品位逐渐提高，铁回收率逐渐降低。

2.5 药剂与矿物吸附性能研究

2.5.1 电动电位测量

电动电位与浮选之间有着密切的关系，可用电动电位来评价矿物与药剂作用后矿物表面荷电情况的变化。在不同的pH条件下，分别研究了纯石英、纯赤铁矿表面荷电情况及两种矿石在不同捕收剂作用前后表面的荷电情况，试验结果见图7和图8。

由图7可知：在测量的pH范围内，石英的Zeta电位均为负值，且随着pH的增大，Zeta的变化趋势为其负电位值先以较大的速率增大然后增加速率变缓，石英的零电点出现在pH=3.95。按照静电吸引原理，此时石英矿物表面与脂肪酸阴离子捕收剂的作用不可能是靠静电力为主的物理吸附，而应当发生化学吸附。其反应为：在适宜的pH条件下，石英由于磨矿、搅拌、解离过程中导致金属离子水解形成羟基络合物，金属离子的羟基络合物通过脱水吸附在石英矿物表面，呈现出活性金属阳离子，脂肪酸阴离子捕收剂在此活性金属阳离子上发生化学吸附，使石英疏水上浮。加入JZQ-F7之后，石英的电动电位明显下降，对于JZQ-F7来说，在pH=11～12之间，石英的电动电位下降的幅度最大，由此可以说明，在pH=11～12范围内，石英与JZQ-F7作用最好，JZQ-F7在石英表面吸附量增多，石英表面水化作用减弱，水化层变薄，提高了石英表面的疏水性。图中另一曲线为加入油酸钠石英表面电动电位的变化。

由图8可知：赤铁矿的零电点出现在pH=4.90。当矿浆的pH大于4.90时，赤铁矿表面荷负电，当矿浆的pH小于4.90时，赤铁矿表面荷正电。捕收剂作用之后，赤铁矿的零电点有所降低，这是由于阴离子捕收剂在赤铁矿表面发生了特性吸附。对于JZQ-F7来说，当矿浆的pH值在3～7范围时，赤铁矿的电动电位有所降低，此时，JZQ-F7与赤铁矿的作用效果较好;当矿浆的pH值大于7时，赤铁矿的电动电位有所提高，且在pH=10 时达到最高值，此时JZQ-F7与赤铁矿作用效果变差。图中另一曲线为加入油酸钠赤铁矿表面电动电位的变化。综合图7和图8可知：矿浆pH值为10～12范围内，由于JZQ-F7在石英表面发生了化学吸附，提高了石英表面的疏水性，而捕收剂与赤铁矿之间不发生吸附，使石英从赤铁矿中分离出来，达到浮选效果。

2.5.2 红外光谱分析

为了进一步说明JZQ-F7与石英吸附特性，分别对石英矿物、石英与捕收剂作用、石英与捕收剂作用之后水洗进行红外光谱分析。样品的制备按照浮选流程的药剂制度进行。试验结果如图9、图10所示。

图9中石英的红外光谱曲线和石英只加JZQ-F7的红外光谱曲线几乎是一样的峰形，这说明在石英中只添加JZQ-F7时，JZQ-F7在矿物表面是不发生吸附作用的。如石英在CaO和JZQ-F7作用下的红外光谱所示，添加了CaO后，2 924.38 cm-1、2 853.97 cm-1、1 421.50 cm-1处出现了新的吸收峰。其中，2 924.38 cm-1、2 853.97 cm-1处是亚甲基CH2的反对称伸缩振动和对称伸缩振动。1 421.50 cm-1处出现的中强峰为链烷CH2的不对称变形振动。在CaO作用下，JZQ-F7与石英发生作用后，JZQ-F7捕收剂中1 708.08 cm-1处的羧酸类化合物CO双键的伸缩振动特征吸收峰已消失， 这个峰的消失表明了JZQ-F7捕收剂与石英的吸附关系不是物理吸附。结合曲线中出现的链烷CH2的特征吸收峰，说明石英在活化剂CaO的条件下，与JZQ-F7发生了化学反应，生成了新的物质，使得捕收剂在石英表面吸附。

图10中所示的两条曲线中，一个代表的是石英+CaO+JZQ-F7作用一段时间后未进行水洗的红外光谱分析曲线，另一条代表的是石英+CaO+JZQ-F7作用一段时间后进行了反复水洗后的红外光谱分析曲线。两谱图曲线基本一致，无新的特征峰出现，无明显变化，因此，证明了Ca2+活化后捕收剂与石英发生了化学吸附。

2.6 药剂对矿物团聚性能研究

2.6.1 矿物沉降行为研究

通过JZQ-F7与石英矿物作用前后的沉降试验，推断石英在捕收剂作用下石英团聚的变化，并与传统脂肪酸捕收剂油酸钠进行比较，试验结果见图11。

图11是JZQ-F7和油酸钠与石英作用前后沉降试验结果。由图可见，石英的沉降产率随着捕收剂浓度的增加而迅速增大，当捕收剂达到一定的浓度之后，与JZQ-F7作用的石英沉降产率呈阶梯状下降，而与油酸钠作用的石英沉降产率直线下降。由石英沉降产率迅速增加的阶段可见，JZQ-F7对石英的团聚影响明显优于传统脂肪酸油酸钠。当捕收剂浓度为0.04%时，JZQ-F7对石英的沉降产率达到98.92%，而传统捕收剂油酸钠对石英的沉降产率为96.52%。捕收剂作用之前，石英的沉降产率为84.47%，JZQ-F7作用之后，石英的沉降产率为98.92%。由此可见，JZQ-F7的加入使得石英颗粒之间团聚作用变好。

2.6.2 激光粒度分析

采用激光粒度分析仪，分析石英在JZQ-F7作用前后，粒度分布的变化，得到JZQ-F7对石英疏水团聚的影响。试验结果见图12。

由图12可知：在矿浆中加入不同浓度JZQ-F7后，石英的粒度分布曲线在不同程度上向右偏移，这是由于，JZQ-F7的加入使得石英矿物颗粒增加，矿粒间出现疏水团聚;随着JZQ-F7浓度的增加，石英的粒度分布曲线依次向右偏移。由此说明，增加JZQ-F7的浓度，可以促进石英颗粒的疏水团聚。

3 结论

论文以餐饮废油为原料，制备了脂肪酸捕收剂JZQ-F7并用于赤铁矿反浮选脱除石英的研究，主要得到以下结论：

1）JZQ-F7用量试验表明，随着JZQ-F7用量的增加，铁精矿中铁品位逐渐提高，铁回收率逐渐降低。为了保证较好的浮选指标，JZQ-F7用量不宜超过500 g/t;通过对矿浆温度、矿浆浓度的变量试验研究表明，当矿浆的浓度为50%、矿浆的温度为20～30 ℃时，可以获得良好的浮选指标，精矿中铁品位达到67%左右，铁回收率为56%左右。

2）電动电位研究表明，在pH=11～12范围内，石英与JZQ-F7作用最好，JZQ-F7在石英表面吸附量增多，与赤铁矿之间不发生吸附。

3）红外光谱研究表明，石英在活化剂CaO的条件下，与JZQ-F7发生了化学反应，生成了新的物质，使得捕收剂在石英表面吸附。

4）JZQ-F7的加入使得石英颗粒间发生了疏水团聚作用，且随着JZQ-F7浓度的增加，石英颗粒间的疏水团聚作用越明显。

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（责任编辑：曾 晶）

Abstract：

In this study， we prepared a fatty acid collector （abbreviated JZQ-F7） from hogwash oil， and analyzed its flotation characteristics and adsorption mechanism in separating quartz from hematite iron ore， and compared its performance with that of the traditional collector sodium oleate. The flotation performance of the JZQ-F7 was evaluated using a laboratory mechanical flotation cell under different process parameters， such as pulp concentration， pulp temperature， reagent dosage， and flotation time. Furthermore， the mechanism underlying the adsorption of JZQ-F7 on quartz and hematite surfaces is discussed， based on zeta potential analysis， infrared spectral analysis， the mineral settlement behavior test， and laser particle size analysis. The flotation results indicate that good flotation indexes， with a grade of iron concentrate of about 67% and a recovery rate of about 56%， can be achieved with a pulp temperature of 20～30℃ and a pulp concentration of 50%. Furthermore， the zeta potential analysis indicated that the JZQ-F7 chemically adsorbed onto the surface of the quartz， and that the chemical interaction between JZQ-F7 and the quartz surface reached its maximum when the pH of the slurry was within the 10～12 range. In addition， the chemical interaction between JZQ-F7 and the quartz surface occurred only in the presence of the activator CaO. It can be inferred from the mineral settlement behavior test and laser particle size analysis that the hydrophobic reunion of quartz occurred in the presence of JZQ-F7.

Key words：

hogwash oil; JZQ-F7 collector; flotation; zeta potential; infrared spectroscopy