湿法改性白云石粉体的研究

2022-07-13刘剑飞吕艳蕾朱丽佳

现代矿业 2022年6期

关键词：白云石硬脂酸搅拌器

刘剑飞江峰刘杰吕艳蕾朱丽佳

（1.包钢集团矿山研究院；2.东北大学资源与土木工程学院；3.难采选铁矿资源高效开发利用技术国家地方联合工程研究中心）

白云石是钙镁碳酸盐化合物，化学式为CaMg（CO3）2，CaO、MgO理论含量分别为30.41%和21.86%［1］，其中的Mg可被Fe、Mn、Co、Zn替代，Ca可被Pb、Na替代，当铁或锰原子数超过镁时，称为铁白云石或锰白云石［2］。

我国白云石资源分布广泛、储量丰富，已查明可开采资源储量超200亿t，并且全国各地的白云石矿纯度均较高，CaO理论含量多超过30%，MgO理论含量多超过19%，CaO、MgO质量比多在1.40～1.68，杂质含量较低［3］。

白云鄂博尾矿库中含有大量的白云石、稀土、萤石、铁矿物和铌矿物等可利用矿物。开发利用该尾矿中的白云石资源，实现白云石的高值化利用，对提高企业的经济效益、减轻环境压力都有积极意义。

白云石的应用包括冶金、化工、建材、陶瓷、玻璃、耐火材料、农业等领域［4］，其在化工方面用于涂料、橡胶、塑料等填充料，在一定程度上可替代轻质碳酸钙或重质碳酸钙等常用填料，如改性的白云石粉体可代替轻质碳酸钙作为橡胶填料［5］。作为无机材料的白云石粉体［6］，其与有机聚合物基质的表面性质存在很大差异，直接填充难以均匀稳定分散在聚合物基质中，从而导致复合材料的力学性能以及综合性能下降［7-9］。因此，白云石粉体用作聚合物填料时，有必要采用一定的工艺方法对其进行表面改性，增强其与聚合物基质的相容性和亲和性，使两者能够实现良好的界面结合，进而提高复合材料的机械强度和综合性能［10］。目前用于非金属矿物表面改性的方法主要有4种：表面化学包覆改性法、沉淀反应改性法、机械化学改性法和高能改性法［11］，其中表面化学包覆法是一种利用有机分子中的官能团在矿物表面吸附或化学反应对矿物颗粒表面进行包覆使其有机化的方法。

本试验将对白云鄂博尾矿的白云石浮选精矿进行湿法改性，考察改性剂种类和用量、改性温度、改性时间等工艺参数对改性效果的影响，并最终确定适宜的改性工艺参数。

1 现场尾矿

现场有代表性尾矿样主要化学成分分析结果见表1，主要矿物组成见表2。

由表1可知，现场尾矿的烧失量为43.07%，CaO含量为28.95%，MgO含量为13.46%，TFe含量为7.04%，Mn含量为2.37%，其他成分含量均较低，其中SiO2含量仅为0.86%。

由表2可知，现场尾矿中的矿物组成复杂，主要矿物为铁白云石，白云石、磁铁矿与赤铁矿、石英、萤石、金云母、磷灰石、菱锰矿、重晶石、独居石、氟碳钕锶镧矿等含量均较低。

2 试样及试验设备

试样为现场尾矿浮选所得白云石精矿，其白度为45.7，比表面积为0.534 m2/g，孔体积为1.90×10-3cm3/g，最大孔径14.24 nm，矿浆pH值为8.38，接触角为45.71°，d90=89.138μm，d50=36μm。

试验主要设备为湖南长沙清河机械厂生产的SLJM-2L型立式超细搅拌磨机、武汉探矿机械厂生产的XTLZ-φ260型真空过滤机、南京试验仪器厂生产的DGF30/5-IIA型电热鼓风干燥箱、常州荣华仪器制造有限公司生产的恒速强力电动搅拌器、美国双杰兄弟有限公司生产的JJ100型精密电子天平。

3 试样的改性

试验采用湿法表面改性，即用30.0 g磨至一定细度的试样与水配成一定浓度的白云石精矿浆，水浴加热搅拌，在一定温度下逐渐加入改性剂，搅拌一定时间后趁热过滤，滤饼干燥后即得改性产品。

4 试验结果与讨论

4.1 改性药剂种类试验

采用陶瓷球介质搅拌磨机将矿样磨至d90=5.5 μm，添加与试样质量比1.5%的药剂，在温度为80℃、搅拌器转速为900 r/min、改性时间为30 min情况下进行改性药剂（硬脂酸、硬脂酸钠、硬脂酸钙、钛酸酯、铝酸脂及硅烷）种类试验，结果见图1。

由图1可知，在相同改性条件下，采用硬脂酸为改性药剂，活化指数为98.20%，接触角为114.21°，均达到最大值，故选择硬脂酸为改性药剂。

4.2 硬脂酸用量试验

采用陶瓷球介质搅拌磨机将矿样磨至d90=5.5 μm，添加一定量（与试样的质量比）的硬脂酸，在温度为80℃、搅拌器转速为900 r/min、改性时间为30 min情况下进行硬脂酸用量试验，结果见图2。

由图2可知，硬脂酸用量由0.75%增加至1.25%，活化指数由92.78%明显提高至98.35%，接触角由103.04°明显提高至107.92°；继续增加药剂用量至1.75%，活化指数及接触角无明显变化。呈现这种现象的原因是在白云石与硬脂酸的吸附作用模型中，吸附层的最内层又称第一层，是由于白云石与硬脂酸发生了化学反应，形成了非常牢固的化学键，即发生了化学吸附；第二吸附层及以后的吸附层的吸附是依靠长烃链分子之间较弱的作用力而形成的，属于物理吸附。与化学吸附相比，物理吸附比较容易解吸。当硬脂酸的用量在1.25%以下时，硬脂酸逐渐吸附在白云石表面，未被包覆的白云石表面仍然亲水，故活化指数较低；随着硬脂酸用量的增加，反应生成的硬脂酸钙逐渐吸附在白云石表面，白云石表面被硬脂酸钙包覆的面积也随之增加，当硬脂酸用量达到1.25%时，白云石表面被硬脂酸包覆的面积最大，白云石疏水性最强，活化指数达到最大值；继续增加硬脂酸的用量至1.75%，在白云石表面形成双分子层或多分子层，碳酸钙表面的疏水性变化不大，因而活化指数变化不大。因此，硬脂酸的合适用量为1.5%。

4.3 给矿粒度试验

采用陶瓷球介质搅拌磨机将矿样磨至一定细度，添加与试样质量比1.5%的硬脂酸，在温度为80℃、搅拌器转速为900 r/min、改性时间为30 min情况下进行试样磨矿细度试验，结果见图3。

由图3可知，试样磨矿产品细度从d90=75μm提高至d90=5.5μm，活化指数由22.70%提高至98.10%，接触角的波动范围为110.05°～123.15°。综合考虑活化指数及接触角指标，确定适宜的试样磨矿产品细度为d90=10μm。

4.4 改性时间试验

采用陶瓷球介质搅拌磨机将矿样磨至d90=10 μm，添加与试样质量比1.5%的硬脂酸，在温度为80℃、搅拌器转速为900 r/min情况下进行改性时间试验，结果见图4。

由图4可知，改性时间由20 min增加至30 min，活化指数由89.97%提高至97.10%，接触角由115.01°增至116.78°；继续增加改性时间至60 min，活化指数由97.10%降低至92.53%，接触角由116.78°降低至107.44°。因此，确定改性时间为30 min。

4.5 改性温度试验

采用陶瓷球介质搅拌磨机将矿样磨至d90=10 μm，添加与试样质量比1.5%的硬脂酸，在搅拌器转速为900 r/min情况下改性30 min，改性温度试验结果见图5。

由图5可知，改性温度由75℃提高至80℃，活化指数由92.89%提高97.10%，接触角由126.74°降低至116.78°；继续提高改性温度至95℃，活化指数降低至92.04%，接触角的波动范围为116.78°～122.30°。因此，确定改性温度为80℃。

4.6 搅拌器转速试验

采用陶瓷球介质搅拌磨机将矿样磨至d90=10 μm，添加与试样质量比1.5%的硬脂酸，在温度为80℃、改性时间为30 min情况下进行搅拌器转速试验，结果见图6。

由图6可知，转速由300 r/min提高至900 r/min，活化指数由67.52%提高至97.10%，接触角由35.87°增大至116.78°；继续提高搅拌器转速至1100 r/min，活化指数由97.10%降低至91.80%，接触角由116.78%减小至87.64%。因此，确定搅拌器转速为900 r/min。