某低品位沉积型海泡石提纯试验研究

2022-08-08郑承辉张俊华杨华明

金属矿山 2022年7期

侯凯郑承辉张俊华杨华明

(1.中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙 410083;2.矿物材料及其应用湖南省重点实验室,湖南长沙 410083;3.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030002)

海泡石来自远古的边缘海、内陆海和湖泊，是一种富镁的含水硅酸盐黏土矿物(化学通式为Mg8(OH2)4[Si6O15]2(OH)·8H2O)，由火山沉积物、黏土或玄武玻璃经热液蚀变产生，分为热液型和沉积型2种，其结构特点为2个四面体与1个八面体构成的层状结构，层状结构之间通过镂空的形式有规律排列[1]。海泡石呈现不同长径比的纤维形貌，具有多孔、质量轻、色泽白、可漂浮于水中等特性，属不可再生的非金属矿产资源[2-5]。目前，世界海泡石已探明储量约8 000万t，其中，西班牙海泡石已探明储量3 800万t，中国海泡石已探明储量2 600万t，其中85%分布在湖南湘潭一带，主要属低品位沉积型海泡石[6-8]。我国海泡石资源虽然丰富，但是多数品位较低，不利于矿产资源的开发利用和资源的直接供应[9-12]。

海泡石具有特殊的孔道结构，在黏土矿物中拥有最大的比表面积(理论值可达900 m2/g)。基于此优势，海泡石往往作为吸附剂等应用于环境领域。但由于天然海泡石品位较低且海泡石纤维易发生团聚现象，导致其实际比表面积远低于理论值[13]，难以将其应用于要求较为苛刻的高新技术领域。因此，有必要对海泡石进行提纯和分散研究。针对某原矿品位30%～40%的海泡石黏土矿物，张晓华[14]通过WL(db)-450多锥角并流型卧螺离心机1次分离后得到品位90%以上的精矿，矿物回收率80%以上，既满足了提纯的要求，又解决了海泡石分选设备的问题;雷季纯[15]在自然pH值条件下优先浮出滑石，然后调整矿浆环境为酸性或碱性，加入高分子凝聚剂团聚微细粒海泡石后采用胺类或脂肪酸作为捕收剂浮选海泡石，可获得富集比2～3，回收率60%～65%的选别指标，该方法强调滑石与海泡石的分离，经湿法选别后品位提升有限;张志强等[16]对河北某海泡石矿进行了选矿工艺研究，确定了“选择性絮凝—离心分离”的试验方案，获得了精矿品位92.15%、回收率76.94%的海泡石，但工艺流程较为复杂。本试验基于对海泡石原矿性质的分析研究，采用“水浸—筛分—分散—沉降”的提纯工艺，得到的海泡石产品纯度较高，以期对低品位海泡石的提纯提供有益参考。

1 试样性质

1.1 矿物组成及化学成分

对湖南某海泡石进行粗碎，混匀、取样后分析试样矿物组成及主要化学成分，结果分别见图1、表1。

图1 试样XRD图谱Fig.1 XRD pattern of the samples

表1 试样主要化学成分分析结果Table 1 Analysis results of the main chemical component of the samples%

由图1可知，试样受风化作用影响较大，杂质组分较多，主要含有方解石、石英和滑石。2θ为7.3°的特征峰属于海泡石的最强峰(JCPDS No.13—0595)，对应海泡石(110)面;2θ为20.9°、26.6°和50.1°的特征峰属于石英的特征衍射峰(JCPDS No.46—1045);2θ为9.5°和28.6°的特征峰属于滑石的特征衍射峰(JCPDS No.19—0770);2θ为23.1°、29.4°、36.0°、39.4°、43.2°、47.5°和48.5°的特征峰属于方解石的特征衍射峰(JCPDS No.47—1743)。XRD图谱中各峰形尖、狭窄、对称且主要元素峰值高，表明矿物中各成分结晶度较好、晶粒较大。根据XRD图谱结果，计算得到试样中海泡石含量为28.9%，方解石含量为48.3%，滑石含量为13.1%，石英含量为9.7%。

由表1可知，试样主要有价组分为SiO2、CaO、MgO等，根据滑石理想分子式为Mg3[Si4O10](OH)2，海泡石理想分子式为Mg8(H2O)4[Si6O16]2，方解石理想分子式为CaCO3，石英理想分子式为SiO2可知，测试得到的主要元素Ca、Mg、Si包含于以上矿物中，证实了XRD的测试结果。同时，试样中还含有少量的Al2O3、Fe2O3、F等成分，这可能是存在微量的其他独立矿物，也可能是以吸附形式存在(如氟离子);还可能是包裹体或类质同象，如石英晶格中的硅常常被铝和铁所替代。

1.2 粒度筛析

采用湿筛法对500 g试样进行粒度筛析，结果见表2。

表2 试样筛分分析试验结果Table 2 Test results of the screening analysis of the samples

由表2可知，试样中-30 μm粒级产率最高，为66.59%，其次为+74 μm粒级，产率为14.47%，中间粒级产率合计18.94%。

2 试验方案、设备及药剂

2.1 试验方案制定

由于海泡石会吸收大量的水，从而在水中悬浮起来，而石英、方解石颗粒则会沉降于水底，因此考虑选用湿法工艺进行提纯。海泡石属于黏土矿物，细度较细，而+74 μm粒级矿物明显不属于海泡石，且该粒级条件下的筛分效率较高，因此可考虑通过预先筛分法除去，以减少后期药剂的消耗，提高产率，减少夹带现象。此外，海泡石属黏土矿物，易粘附在其他矿物表面，需要借助高速分散机进行分散以提高其纯度。同时，探索试验结果表明，单纯采用机械方式分散，脉石夹带现象严重，需同时配合化学分散药剂进行分散。因此，最终制定水浸—筛分—分散—沉降的提纯方案，具体流程见图2。

图2 海泡石提纯工艺流程Fig.2 Process flow of sepiolite purification

本文主要针对分散和沉降工艺进行优化，分散条件主要包括高速分散机转速、分散时间、固液比、矿浆pH值，分散剂条件包括分散剂种类和用量;通过沉降试验测试海泡石浆液的稳定性来说明沉降分离效果[17]，具体方法为:取不同试验条件获得的浆料500 mL，置于相同规格的等体积量筒中，然后保持静置和外界环境不变，一定时间后海泡石矿浆会沉降并出现分层。使用相对沉降高度(RSH)表征浆料分散稳定性，计算公式如下

式中，H为浆料总高度，cm;H1为浆料中沉降分层处的高度，cm。RSH越高，矿浆分散稳定性越好。

2.2 试验设备及药剂

试验所用设备、药剂分别见表3、表4。

表3 试验所用仪器Table 3 List of devices used in tests

表4 试验所用药剂Table 4 List of agents used in tests

3 试验结果与讨论

3.1 分散条件试验

3.1.1 固液比的影响

在高速分散机转速为2 000 r/min、分散时间为10 min、矿浆pH=8的条件下，考察固液比对相对沉降高度的影响，结果见图3。

由图3可知，当矿浆浓度较高时，矿浆中海泡石颗粒互相碰撞的几率增大，但过高的矿浆浓度会使浆液失去流动性，海泡石黏土分散效果变差;当矿浆浓度较低时，有利于海泡石的分散，但过低的矿浆浓度会使海泡石颗粒互相碰撞的几率降低，从而需要更长的分散时间。综合考虑，确定适宜的固液比为1∶10 mg/L。

图3 不同固液比的沉降试验结果Fig.3 Results of sedimentation tests with different solid-to-liquid ratio

3.1.2 分散时间的影响

在高速分散机转速为2 000 r/min、固液比为1∶10 mg/L、矿浆pH=8的条件下，考察分散时间对相对沉降高度的影响，结果见图4。

图4 不同分散时间的沉降试验结果Fig.4 Results of sedimentation tests with different dispersion time

由图4可知，随着分散时间的增加，矿浆的分散稳定性随之提升，当分散时间高于20 min时，量筒中悬浮矿浆体积值的增加趋于稳定，且过长的分散时间会造成电力的浪费。因此，确定适宜的分散时间为20 min。

3.1.3 分散机转速的影响

在固液比为1∶10 mg/L、分散时间为20 min、矿浆pH=8的条件下，考察分散机转速对相对沉降高度的影响，结果见图5。

图5 不同分散机转速的沉降试验结果Fig.5 Results of sedimentation tests with different disperse speed

由图5可知，矿浆的分散稳定性随着高速分散机搅拌强度的增大而有所提升。当高速分散机搅拌强度大于2 000 r/min后，量筒中悬浮矿浆体积值的增加趋势降低。因此，确定分散机适宜的转速为2 000 r/min。

3.1.4 矿浆pH值的影响

矿浆的pH值会影响矿浆中黏土矿物的分散情况[18-22]，在不加pH调整剂的情况下，海泡石浆料的pH值为8.3，本试验通过对浆料中添加NaOH和HCl调节浆料的pH值。在高速分散机转速为2 000 r/min、固液比为1∶10 mg/L、分散时间为20 min的条件下，考察矿浆pH值对相对沉降高度的影响，结果见图6。

图6 不同pH值条件下的沉降试验结果Fig.6 Results of sedimentation tests with different pH

由图6可知，随着矿浆pH值的增加，矿浆中海泡石的分散悬浮性变好，RSH值增大。综合考虑，确定矿浆适宜的pH值为9。

3.2 分散剂条件试验

3.2.1 无机分散剂种类试验

试验选用的无机分散剂包括六偏磷酸纳(SHMP)、焦磷酸钠(TSPP)、硅酸钠和碳酸钠，由于后两者兼具pH调整剂的效果[23-25]，因此，在加入分散剂后，用NaOH和HCl对浆液进行pH调节。在分散剂浓度为0.6 g/L、固液比为1∶10 mg/L、高速分散剂转速2 000 r/min、分散时间20 min、矿浆pH值为9的条件下进行了无机分散剂种类试验，对分散悬浮物进行了XRD分析，结果见图7。

图7 不同无机分散剂提纯海泡石产物的XRD图谱Fig.7 XRD patterns of sepiolites purified products with different inorganic dispersants

由图7可知，SHMP和TSPP对海泡石的分散提纯效果较好，能成功地将原矿中的海泡石与滑石、石英、方解石等分离。通过含量计算可知，使用TSPP分散剂分散提纯的精矿品位能达到89.32%;使用SHMP分散剂分散提纯的精矿品位能达到85.07%;硅酸钠和碳酸钠分散剂的分散提纯效果不佳，不能成功将海泡石与杂质矿物分离，使用硅酸钠提纯的精矿品位为35.84%，提纯效果不显著;使用碳酸钠提纯的精矿品位为27.83%，与原矿品位相近，没有提纯效果。

分散剂SHMP为一种多聚无机盐，其阴离子一般由30～90个基团组成，且具有很高的分子量，SHMP水解时会产生大量阴离子。根据胶体稳定理论DLVO理论可知，这些阴离子会吸附在海泡石颗粒表面，使海泡石表面负电性增加，进而增加了海泡石颗粒间的静电排斥，防止分散体系中海泡石的再次团聚[26]，而且SHMP是长链分子，可形成空间位阻效应，有助于海泡石在介质中的均匀散布。分散剂TSPP则是小分子，可通过调节海泡石颗粒表面的电位，使海泡石表面电负性增加[27]。

3.2.2 有机分散剂种类试验

试验选用2种常见的有机分散剂对原矿的分散提纯效果进行了比较。探索的有机分散剂包括短链阴离子型的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，主要通过改变颗粒的Zeta电位，以提高静电斥力，进而实现对颗粒的稳定分散作用;长链非离子型的分散剂聚乙二醇(PEG)，主要通过长链的高分子结构产生空间位阻效应，进而实现对颗粒的稳定分散。

与无机分散剂分散工艺的不同在于:使用PEG或SDBS进行高速分散时，会产生大量泡沫。将泡沫刮出，并取悬浊液进行干燥，可以得到精矿产品。对提纯精矿进行XRD表征，结果见图8。

图8 不同有机分散剂提纯海泡石产物的XRD图谱Fig.8 XRD patterns of sepiolites purified products with different organic dispersants

由图8可知，提纯的海泡石精矿中仍有明显的石英和方解石的特征峰，计算得PEG提纯后的海泡石含量为33.48%，SDBS提纯后的海泡石含量为30.67%，提纯效果均不佳。因此，单独使用PEG或SDBS不能有效提纯海泡石。

3.2.3 分散剂TSPP用量试验

以TSPP为分散剂，研究其用量对海泡石原矿提纯的影响。在固液比为1∶10 mg/L、高速分散剂转速2 000 r/min、分散时间20 min、矿浆pH值为9的条件下进行了TSPP用量试验。用激光粒度分析仪和XRD来表征分散提纯效果，结果见图9。

图9 TSPP用量对海泡石分离提纯效果的影响Fig.9 Effects of TSPP dosages on purification effect of sepiolites

由图9(a)可知，随着TSPP用量的增大，海泡石精矿的粒径逐渐减小。当分散剂用量为0.8 g/L时，海泡石精矿的粒径分布在3 μm以下，能达到较好的分散效果;继续增加分散剂用量，海泡石精矿的粒度分布情况基本不变。

由图9(b)可知，随着TSPP用量的增大，精矿中海泡石的XRD特征峰逐渐增强;当TSPP用量为0.8 g/L时，XRD图谱中海泡石的特征峰明显，脉石峰显著降低;继续增加分散剂用量，精矿中海泡石的含量有所增加，但变化并不明显。这是因为当TSPP用量达到一定程度后，若继续增加TSPP用量，会使得海泡石颗粒表面形成多分子层吸附，由于多分子吸附层间具有良好的相容性，进而增强了团聚效应，使海泡石颗粒重新团聚;同时，分散剂自身的氢键作用增强，竞争吸附作用增强，有效分散作用减弱。因此，确定分散剂TSPP适宜的用量为0.8 g/L，此时，海泡石精矿品位为92.77%，富集比为3.21。