微细粒石英/赤铁矿异步絮凝浮选分离研究

杨诚，李明阳，龙红明，王海川，Liu Qi

1.安徽工业大学 冶金工程学院, 安徽 马鞍山 243002；

2.阿尔伯塔大学 化学与材料工程学院，加拿大 埃德蒙顿 T6G 2V4

引言

随着矿产资源的大规模开发利用，贫、细、杂矿石的入选比例不断上升，细粒浮选技术研究引起越来越多的重视[1]。细粒级（粒径-10 μm 左右）矿物的浮选难度极大，主要是由于其自身质量小和表面能大等特性引起的。随着粒度减小，矿物颗粒的浮选行为会发生根本改变。细粒级矿物比表面积大、表面能高，对浮选药剂的非选择性吸附严重，导致药剂消耗量明显增大，精矿品位降低；细粒级矿物的质量小、动量低，造成颗粒与气泡的碰撞黏附概率低，致使选矿时间延长，回收率降低；另外，细粒矿物溶解度比粗粒矿物大，溶解组分通常会干扰浮选过程，使浮选指标恶化。金属氧化物矿石在开采和粉碎过程中更容易发生过粉碎和泥化，加上自身溶解度大、可浮性差、药剂选择性低等特点，使得细粒浮选问题更为突出[2-5]。细粒级矿物的浮选回收是现代矿物加工领域面临的重大科学难题。

改善细粒絮凝浮选指标的主要技术瓶颈在于两方面：一方面在于絮凝剂的选择性，絮凝过程干扰颗粒与目的矿物夹杂包裹是造成絮凝浮选指标不理想的主要原因，如果所用絮凝剂分子链强度大、絮团致密，后续作业很难再将已包裹的杂质颗粒通过解吸解团等操作去除[5-9]；另一方面，脱泥作业时目的矿物流失严重，导致浮选尾矿品位偏高、精矿回收率低，造成资源的严重浪费[10-15]。对于铁矿反浮选，淀粉、羧甲基纤维素和瓜儿胶常用来选择性絮凝氧化铁矿，而DDA和壳聚糖用来选择性絮凝石英[16-17]。聚氧化乙烯（PEO）是一种水溶性的聚合物，广泛应用于造纸厂和油砂工业的废物脱水。在选矿领域，PEO 还被发现可以降低精矿中石英的夹杂，提高硫化矿的分选效率[18]。

一直以来，细粒浮选的研究工作多集中在剪切条件下颗粒的疏水团聚、单一絮凝剂疏水颗粒絮凝-脱泥浮选方面，而在“异步双絮凝”即多絮凝剂分别絮凝目的矿物和脉石矿物方面的研究较少。本文以聚氧化乙烯和淀粉为选择性絮凝剂，探索了异步絮凝浮选在细粒赤铁矿-石英浮选中的选择性，同时对絮凝效果进行探讨，对微细粒铁矿的絮凝浮选分离具有一定的理论指导意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验样品及药剂

赤铁矿和石英纯矿物取自辽宁鞍山，选取纯度较高的矿石经破碎磨矿后筛分，-10 μm 以下粒级用于浮选试验。对制得的赤铁矿和石英纯矿物进行XRD 和XRF 分析，如图1 和表1 所示，可以看出赤铁矿和石英的纯度均较高，赤铁矿中仅含有极少量的石英，所制得样品完全满足试验要求。

表1 赤铁矿和石英化学成分分析Table 1 Chemical composition analysis of hematite and quartz

图1 赤铁矿(a)和石英(b)XRD 分析Fig. 1 XRD analysis hematite (a) and quartz (b)

利用激光粒度分析仪(MasterSizer 2000)对赤铁矿和石英纯矿物进行粒度分析，所得结果如图2 所示，可以看出，赤铁矿的d50=7.18 μm，而石英的d50=1.55 μm，赤铁矿的粒度稍大于石英，两者的粒度均小于10 μm，属于微细粒难选矿物。

图2 赤铁矿和石英粒度分析Fig. 2 Size fraction analysis of hematite and quartz

十二胺(DDA)作为捕收剂兼起泡剂，氢氧化钠和盐酸做pH 调整剂，聚氧化乙烯(PEO)为石英絮凝剂，淀粉为赤铁矿絮凝剂兼抑制剂，其中DDA、PEO、氢氧化钠、盐酸为分析纯，淀粉为工业纯。

1.2 试验方法

1.2.1 浮选试验

浮选试验在XFG 5 变频挂槽式浮选机(长沙顺泽矿冶机械制造有限公司)中进行，试验流程和设备如图3 所示，在50 mL 去离子水中加入1.0 g 赤铁矿和1.0 g 石英，搅拌1 min 后加入盐酸或氢氧化钠调节矿浆pH 值为8，继续搅拌2 min 后加入一定量的PEO 搅拌2 min 后加入3 kg/t 的淀粉溶液并继续搅拌2 min，再加入400 g/t 的DDA 并搅拌3 min，刮泡5 min，泡沫产品和槽内产品分别过滤称重，利用化学分析法检测产品中的Fe 品位，最后根据产品的产率和品位计算回收率。

图3 人工混合矿浮选流程和浮选机Fig. 3 Artificial mixed-ore flotation flowchart and machine

1.2.2 沉降试验

沉降试验用来研究PEO、淀粉对赤铁矿和石英的絮凝行为，取1.0 g 试样置于100 mL 去离子水中，电磁搅拌器搅拌下调节矿浆pH，加入PEO 或淀粉维持搅拌5 min 后将矿浆转移到100 mL 的沉降量筒中。固定沉降时间2 min，将上层50 mL 吸出，将剩余矿浆过滤干燥称重，用差减法计算絮凝效果，悬浮物质量越低说明絮凝效果越好。

1.2.3 扫描电镜分析

将1.0 g 赤铁矿和1.0 g 石英置于100 mL 去离子水中，在电磁搅拌条件下，按照淀粉和PEO 用量分别为3 kg/t 和50 g/t，取1 mL 悬浮液于烧杯中，加入99 mL去离子水，搅拌混合均匀后取1 mL 悬浮液滴在SEM载物台上，25 ℃下自然风干后用作扫描电镜(Tescan Vega-3 SEM)分析。

2 试验结果与讨论

2.1 浮选试验

在固定淀粉用量2 kg/t 条件下，考察了DDA 用量对浮选铁精矿品位和回收率的影响，结果如图4 所示。可以看出，精矿铁品位随DDA 用量增大而不断升高，同时回收率呈现下降趋势，DDA 用量为400 g/t 时精矿的品位和回收率分别为59.70%和79.65%，继续将DDA 用量增加到500 g/t，虽然精矿的铁品位升高到60.23%，但是回收率降低至72.06%，可见400 g/t 是DDA的最佳用量。

图4 DDA 用量对铁精矿品位和回收率的影响Fig. 4 Effect of DDA dosage on the grade and recovery of iron concentrate

在确定DDA 最佳用量400 g/t 的基础上，考察了淀粉用量对浮选铁精矿品位和回收率的影响。如图5所示，精矿铁品位随淀粉用量的增加而缓慢下降，但回收率呈快速升高趋势。当淀粉用量从2 kg/t 增大到3 kg/t 时，精矿的品位由59.70%微降低至59.23%，同时回收率从73.36%升高至79.65%，但当淀粉用量继续增大至4 kg/t 时，精矿品位和回收率分别为59.02%和80.86%，可见继续增加淀粉用量对分选指标的影响并不明显，综合考虑，选择淀粉用量为3 kg/t。

图5 淀粉用量对铁精矿品位和回收率的影响Fig. 5 Effect of starch dosage on the grade and recovery of iron concentrate

图6 为DDA 和淀粉用量分别为400 g/t 和3 kg/t时，不同PEO 用量与反浮选精矿品位和回收率的关系，可以看出，随着PEO 用量的增加，铁精矿回收率呈现先升高后降低的趋势，在不添加PEO 时的回收率为79.6%左右，而当向矿浆中加入50 g/t 的PEO 时，铁精矿的回收率升高至81.2%，同时品位升高至60.5%。继续增加PEO 用量至100 g/t，铁精矿品位升高了0.3百分点，而回收率降低至78.6%。可见，PEO 的加入对提高精矿品位是有利的，但是过高的PEO 会降低精矿回收率，在本研究中较合适的PEO 用量是50 g/t。

图6 PEO 用量对铁精矿品位和回收率的影响Fig. 6 Effect of PEO dosage on the grade and recovery of iron concentrate

絮凝剂的链长对絮凝效果有至关重要的影响，在PEO 用量为50 g/t 的条件下分别选取分子量为400 万、800 万、1 200 万、1 600 万、2 000 万五种PEO，研究PEO 分子量与絮凝效果的之间的关系，试验结果如图7所示。从图中可以看出，精矿回收率与PEO 分子量成反比，而精矿品位与之成正比，当PEO 分子量为800万时精矿的回收率和品位分别为81.83%和60.41%，继续增加PEO 的分子量，精矿品位变化不明显，但是精矿的回收率显著降低。这是因为PEO 分子链长增大有助于石英絮凝，但同时会增加石英絮团中赤铁矿颗粒的夹杂，因此铁精矿品位随PEO 分子量的增大而增大。

图7 PEO 分子量对铁精矿品位和回收率的影响Fig. 7 Effect of PEO molecular weight on the grade and recovery of iron concentrate

2.2 沉降试验

沉降试验可以定量研究絮凝剂对矿石颗粒的絮凝效果，为此通过沉降试验对比了PEO 和淀粉对赤铁矿和石英的絮凝效果，结果分别如图8 和图9 所示。由图8 可知，在不添加PEO 时，石英悬浮量为60%左右，而当PEO 用量为20 g/t 时，石英的悬浮量迅速降低至5%，说明PEO 对石英有十分明显的絮凝作用；继续增加PEO 用量，石英悬浮量呈现缓慢上升趋势，这是由于矿浆中过多的PEO 会增大矿浆黏度，减弱了石英絮团的沉降速度造成的。另外，PEO 的加入未对赤铁矿的沉降产生明显影响，这说明PEO 对赤铁矿的絮凝作用较弱，这与浮选结果是一致的。

图8 PEO 用量对赤铁矿絮凝效果的影响Fig. 8 Effect of PEO dosage on the flocculation effects of hematite

图9 为淀粉对石英和赤铁矿絮凝效果的影响，2 kg/t 淀粉的加入可以使赤铁矿悬浮量由无淀粉时的52%迅速降低至6%左右，可见，淀粉不仅对赤铁矿具有极强抑制作用，同时还兼有较强的絮凝作用。与之相对比可以看出，石英的悬浮量并未随淀粉的加入有明显变化，说明淀粉对石英没有显著的絮凝作用。综合来看，PEO 对石英的选择性絮凝效果明显，而淀粉对赤铁矿的选择性絮凝较强，在先添加PEO 再添加淀粉的情况下可以实现对石英和赤铁矿的异步絮凝，从而强化了微细粒石英和赤铁矿的分选效果。

图9 淀粉用量对石英絮凝效果的影响Fig. 9 Effect of starch dosage on the flocculation effects of quartz

2.3 絮 凝 产 物SEM 分 析

对赤铁矿和石英混合物选择性异步絮凝产物进行了SEM 分析，结果如图10 所示。图10(a)中可以看到有多个石英絮团，典型代表为图中红线区域中絮团直径约40 μm 左右，这说明PEO 对石英的选择性絮凝效果明显。图10(b)中可见多个赤铁矿絮团，其中红线区域絮团直径在30 μm 左右，说明赤铁矿和石英在矿浆中均发生了选择性絮凝，且由絮团大小可以看出PEO对石英的絮凝效果好于淀粉对赤铁矿的絮凝效果。

图10 凝效果SEM 分析：(a) 石英+PEO，(b) 赤铁矿+淀粉Fig. 10 SEM analysis on the flocculation effects: (a) quartz+PEO, (b) hematite+starch

对于常规絮凝浮选，当絮凝浮选中目的矿物和脉石矿物均为细颗粒时，若只对目的矿物絮凝，采用絮凝-脱泥工艺时，势必造成部分目的矿物随矿泥一起被脱除，从而降低精矿回收率；而单独絮凝目的矿物时，未絮凝的脉石矿物仍处于高度细粒分散状态，高表面能细粒脉石矿物势必会吸附在已被絮凝的目的矿物表面，当采用絮凝-浮选工艺时，势必会造成浮选选择性降低，进而造成精矿品位难以提高。本文采用“异步双絮凝”方案，即PEO 和淀粉分别作为石英和赤铁矿的絮凝剂，别絮凝目的矿物和脉石矿物，很好地解决了以上两个难题，两种絮凝浮选的作用模型如图11 所示。

图11 微细粒赤铁矿和石英异步絮凝浮选模型Fig. 11 Schematic asynchronous flocculation flotation model on ultra-fine quartz and ultra-fine hematite separation

3 结论

（1） PEO 是石英良好的选择性絮凝剂，在微细粒赤铁矿和石英浮选分离中加入适量PEO，可以在保持铁精矿品位的情况下提高精矿回收率，当PEO 用量和分子量分别为50 g/t 和800 万时的分离效果最好，此时的浮选精矿的品位和回收率分别为60.41%和81.83%。

（2） PEO 可以选择性地絮凝石英，而对赤铁矿无明显絮凝作用，且PEO 对石英的选择性絮凝效果比淀粉对赤铁矿的强。

（3） 淀粉对赤铁矿有较强抑制作用的同时兼有絮凝效果，但对石英的絮凝作用不明显。