磁化浸金溶液提高某低品位金矿石滴淋堆浸效果研究

2022-04-14萨伍提阿卜杜热伊木孙春宝阳邢成军李冠华

金属矿山 2022年3期

代豪萨伍提·阿卜杜热伊木孙春宝寇珏胡阳邢成军李冠华白杨

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083;2.内蒙古太平矿业有限公司，内蒙古巴彦淖尔 014010)

我国黄金矿产资源丰富，但随着矿产资源的不断消耗，低品位难处理金矿资源占比逐渐增大，呈现出“贫、小、散”的特点，即贫矿多、富矿少，小矿多、大矿少，单一金矿少、共伴生矿多。因此，低品位难处理金矿资源的开发利用日益引起人们的高度重视[1-2]。目前，堆浸提金法凭借其工艺简单、易于操作、生产成本低廉、能耗低等优点已成为处理低品位含金矿石的有效方法[3]。但在实际工业生产过程中，氰化法提金容易受到铜、铁、铅、锌和硫等杂质元素的干扰，且氰化法处理细粒包裹金、高砷、高硫、含有机碳的难处理金矿石时存在浸金溶液润湿性差、浸堆渗透性差等问题[4-5]。因此，提高浸金溶液的浸润特性以及浸堆的渗透性，加快浸金溶液在矿物颗粒间的流动速率，增强氰化物和金粒的有效接触十分必要。

近几年，磁化处理技术发展迅速，逐渐运用于矿业开发。1945年维尔马林发明了用磁化水减少锅垢形成技术[6]。前苏联研究人员提出，使水系统的物理、化学性质发生了变化是磁化处理影响锅垢沉淀的原因，该结论为水系统磁处理的研究和应用开辟了广阔的途径[7]。磁化处理可以影响溶液分子团簇的缔合度、离子水合半径和分子结构，使溶液中离子运动加快，溶液的渗透能力增强，液固接触面积增大，有效碰撞增多，因此溶液更易浸润矿物表面，加快矿物表面对药剂的吸附，进而影响浸矿速率与浸矿效果[8]。

研究表明，磁场处理水可以破坏水中原来的内部结构，使较大的缔合水分子基团变成较小的缔合水分子基团，甚至是单个的水分子，进而使水分子得到“活化”[9]。所以对水溶液进行磁化处理，可以降低溶液的表面张力，改善溶液在矿石表面的润湿作用，强化溶液在矿石表面孔裂隙内的扩散[10-11]。基于此，本研究以长山壕低品位金矿的滴淋堆浸过程为对象，利用磁场磁化浸金溶液，以提高浸金溶液的润湿性、渗透性及反应“活性”，从而强化浸金过程，达到提高金浸出率、缩短浸出时间、最大化利用浸出剂的目的。

1 试验原料、设备及方法

1.1 试验原料

试验所用矿样取自内蒙古太平矿业有限公司长山壕金矿。试样中金矿物以自然金为主;金属矿物以黄铁矿为主，其次为磁黄铁矿;非金属矿物主要为石英，其次为绢云母、长石、石榴子石等[12]。试样化学多元素分析结果见表1。

表1 试样化学多元素分析结果Table 1 Analysis results of the chemical multi-elements of the sample %

由表1可知，试样金品位较低，仅为0.65 g/t，有害杂质 As、S、C的含量分别为 0.03%、1.38%、1.99%。

试验所用药剂包括氧化钙、氢氧化钠、盐酸、氯化钙、氯化镁、氯化钠，购自国药集团化学试剂有限公司，分析纯;试验用水为去离子水。

1.2 试验仪器及设备

磁化设备采用自行设计的磁化装置，主要由矩形强磁铁和导磁片组成，磁铁采用强磁性的铷铁硼。图1为磁化装置示意及水流管道内部磁场在垂直及水平方向上的分布。

图1 磁化装置示意及水流管道内部磁场在垂直及水平方向上的分布Fig.1 Schematic diagram of magnetization device and distribution of magnetic field in vertical and horizontal directions in water flow pipeline

试验所用仪器主要有精密pH计、电子天平、K100型表面张力测试仪、DSA100S接触角测试仪等。

1.3 试验方法

1.3.1 磁化时间和水流速度对去离子水表面张力的影响

磁化试验系统由磁化装置、锥形瓶和蠕动泵组成，各部分之间通过乳胶管连接，磁化磁场的磁感应强度为1 T。取水样300 mL盛放在锥形瓶中并进行编号封口，试验时，只改变磁化时间和水流速度(蠕动泵转速)2个条件中的一个。磁化完成后，取约100 mL的磁化水，在恒温条件下测定水样的表面张力。确定适宜磁化条件后，将300 mL水样在最佳磁化条件下磁化，磁化结束后立即测试水样的表面张力，然后静放在恒温箱，每隔10 min取出并测试表面张力。

1.3.2 Ca2+、Mg2+及Na+浓度对去离子水表面张力的影响

准确称量氯化钙、氯化镁和氯化钠3种药剂，分别放于烧杯中并加入去离子水溶解，然后用玻璃棒不断搅拌使之完全溶解，把溶解后的溶液移入容量瓶中定容并摇匀。用移液管在溶液内部取样，然后置于测试皿中，使用K100型全自动表面张力仪，选用脱环法测量方式，测定水样的表面张力。

1.3.3 磁化浸金溶液对矿石表面润湿特性的影响

利用滴高法评价矿石表面润湿性能，其原理为用所需测定液体在固体表面上形成的液体高度来计算得到铺展系数。试验过程中使用德国KRUSS公司生产的DSA100S滴形分析仪系统对不同性质水溶液在矿石表面的铺展过程进行记录。试验前，使用电动砂轮将矿石表面打磨平整并用去离子水清洗分析系统的储液管。试验时，使用分析系统自带的针管将磁化溶液和未磁化溶液分别滴在矿石表面，进行对比试验。为减少操作引起的误差，针尖距矿石表面的距离需保持一致，且需控制溶液的初始速度在较低的状态下，并要保证每次滴的溶液体积相等。

1.3.4 柱浸试验

图2为柱浸试验装置示意。试验分为A、B两组，A组浸金液进行磁化处理，处理方式为300 mL浸金液磁化5 min，磁化后滴淋60 min，如此重复，保证浸金液在滴淋过程中每24 h有15 h处于磁化状态;B组浸金液不进行磁化处理。首先对矿样进行混匀缩分，得到2组试样，保证2组试样的P80=3 mm，矿石量为4 kg，然后将2组试样分别装入对应的浸出柱内，装柱过程中每间隔10 cm加入石灰作保护碱并人工压实，装柱完成后，用pH值为10.5～11.5的氢氧化钠溶液进行碱洗，碱洗至柱内排出的溶液pH值稳定在10.5～11.0，最后用浓度为300 mg/L的氰化钠浸金液以10 L/(m2·h)的强度滴淋。浸出过程中，每12 h对贵液计重一次，并化验金含量、氰根离子浓度以及pH值。计算累计金含量，当其不再明显增加时，认为浸出基本达到终点。

图2 柱浸试验装置示意Fig.2 Schematic diagram of column immersion test device

2 试验结果与讨论

2.1 磁化时间和水流速度对去离子水表面张力的影响

图3展示了去离子水表面张力随磁化时间及水流速度的变化情况。

图3 磁化时间和水流速度对去离子水表面张力的影响Fig.3 Influence of magnetization time and water flow velocity on the surface tension of ionic water

由图3可知:①磁化可以降低去离子水的表面张力，且随着磁化时间的延长，去离子水的表面张力先降低后上升，呈波动性变化，因此磁化时间不宜过长或过短。当磁化时间为15 min时，去离子水的表面张力降至56.979 mN/m，相比磁化前的表面张力70.743 mN/m，降低幅度最高，为19.46%。②磁化后去离子水的表面张力随着水流速度的增加而降低，但降至一定程度后基本不变。当水流速度为300 r/min时，去离子水的表面张力降至58.567 mN/m，之后再增加水流速度，去离子水表面张力变化幅度不大。综合考虑，确定磁感应强度为1 T时适宜的磁化条件为磁化时间15 min、水流速度300 r/min。

磁场对水溶液的磁化作用是暂时性的，不会永久性改变溶液的理化特性[13]。在确定的适宜磁化条件下进行去离子水磁化处理，而后进行磁化去离子水表面张力与放置时间的关系研究，结果见图4。

图4 去离子水磁化效果衰减曲线Fig.4 Decaying curve of magnetization effect of deionized water

由图4可知，离开磁场后，去离子水的表面张力逐渐回升。前20 min内，去离子水表面张力变化幅度不大，仍能保持较好的磁化效果;20～40 min内，表面张力快速回升，磁化效果也快速衰减;50min后，表面张力恢复至磁化前，磁化效果基本消失。

2.2 Ca2+、M g2+及Na+浓度对去离子水表面张力的影响

图5展示了磁化(磁感应强度1 T、磁化时间15 min、水流速度300 r/min)与未磁化的各溶质溶液浓度与表面张力的关系。

图5 磁化与未磁化的各溶质溶液浓度与表面张力的关系Fig.5 The relationship between the concentration of each solute solution and the surface tension with magnetization or unmagnetization

由图5(a)和(b)可以看出，磁化前，氯化钙溶液和氯化镁溶液的表面张力普遍比去离子水大，且溶液的表面张力随着Ca2+浓度和Mg2+浓度的增大而增大;磁化后，不同浓度的氯化钙溶液和氯化镁溶液的表面张力均有所降低，降低幅度分别在3～10 mN/m和6～10 mN/m之间，并且溶液中Ca2+、Mg2+浓度越高，磁化后溶液表面张力的降幅越小，因此Ca2+、Mg2+不利于水溶液在矿石表面的润湿，但磁化可以削弱这种影响。由图5(c)可以看出，磁化前，不同浓度氯化钠溶液的表面张力变化不大，但仍高于去离子水的表面张力;磁化后，不同浓度氯化钠溶液的表面张力均降低，降低幅度在8～10 mN/m之间。磁化前后氯化钠溶液表面张力受Na+浓度的影响均较小，可能原因是在溶液饱和之前氯化钠完全溶于水，Na+与水分子的结合作用较强，溶液浓度的改变引起的表面张力变化较小。

2.3 磁化浸金液对矿石表面润湿特性的影响研究

使用DSA100S滴形分析仪系统记录浓度为300 mg/L的氰化钠浸金液磁化前后在矿石表面的铺展过程，对比磁化前后溶液接触角与铺展系数的数值变化，结果如图6和图7所示。

图6 磁化对接触角的影响Fig.6 Influence of magnetization on contact angle

图7 磁化对液滴直径的影响Fig.7 Influence of magnetization on droplet diameter

由图6可知，对于磁化与未磁化的氰化钠浸金液，磁化前后接触角均随着液滴与矿石表面接触时间的增加不断变小，且磁化后矿石表面的接触角小于磁化前矿石表面的接触角，1 500 ms时磁化后矿石表面的接触角为36.7°，相比磁化前矿石表面的接触角41.3°，减小了4.6°，这是因为磁化可以影响水溶液的表面张力大小，导致液滴在矿石表面的受力情况发生改变，使表面张力降低，液滴在矿石表面的接触角也随之减小。同时，磁化后水溶液接触角的变化曲线更加光滑，这可能是因为磁化改变了水中分子的排列方式，使得分子在某方向的排序变得更加有序，分子间斥力减小，进而更容易在矿石表面排列和吸附。

采用液滴直径表征铺展面积，根据几何学规律，在溶液体积和密度一定情况下，液滴直径越大，液滴表面积越大，液滴在矿石表面的铺展面积也越大。从图7可以看出，液滴在矿石表面的铺展面积随着时间的延长而增大，面积的扩展速率(曲线斜率)呈现先增大后减少的变化规律。同一时刻，磁化后的水溶液在矿石表面的铺展面积比磁化前的水溶液在矿石表面的铺展面积大，矿石表面润湿性更好，说明磁化有利于溶液在矿石表面的铺展。

2.4 浸金液磁化对矿石柱浸效果的影响

浸金液磁化对矿石柱浸效果的影响见图8。

图8 浸金液磁化对矿石柱浸效果的影响Fig.8 Influence of magnetization of gold-leaching liquid on the column leaching effect of the ores

由图8可知，在柱浸试验初期，矿石中大部分金被浸出，所以A、B两组金浸出率上升较快。随着浸出反应的不断进行，金的浸出速率减小，曲线变化趋于平缓。在浸出后期，浸出液中的金几乎不再增加，试验结束。对浸金液进行磁化处理，金浸出率由58.04%提高至62.21%，增幅达4.17个百分点，说明磁化处理可以提高金的浸出率。

对浸出机理分析发现，首先，对浸金液进行磁化处理时，磁场对水的偶极分子有定向极化作用，电子云会发生改变，造成氢键的弯曲和局部断裂，破坏水中原来的团簇结构，使较大的缔合水分子集团变小，单个水分子的数量增多，使浸金液的表面张力降低[14-17];其次，浸金液表面张力的降低改善了溶液在矿石表面的浸润特性，提升了浸金液与矿石中金的有效且充分接触的可能性[18];此外，磁化降低了浸金液的表面张力，使单位体积浸金液有更大的接触面积，进而更有机会在矿石表面铺展和吸附，进而发生化学反应，有选择性地将目的矿物从固态转化为液态。