药剂的磁化处理对赤铁矿浮选的影响及机理研究

李凤久 孔亚然 赵留成 贾清梅

(华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063000)

磁化处理最早应用于医学领域,在13世纪,物理学家格尔休发现了磁化处理水的医疗作用,北宋《圣济总录》记载磁石炼水可治疗小儿惊痫。1945年,比利时韦梅朗发现磁化处理水可减少锅垢的产生,然而直到苏联提出该技术可能改变水系的物理化学性质的假设后,磁化处理才引起广泛关注[1]。21世纪以来,磁化处理技术逐渐在矿物加工领域受到重视[2-3]。研究表明[4-7],磁化处理能够强化捕收剂与目的矿物的作用,降低浮选过程中的药剂用量,同时提高浮选回收率。水是选矿过程中重要的介质,而磁化处理能够改变水溶液的电导率、蒸发速度、渗透压等物理化学性质,提高水溶解氧量及一些盐类的溶解度,降低表面张力和黏度,对选矿过程具有重要意义[8-9]。

众多研究表明,将磁化技术应用于铁矿浮选具有积极作用[10-12],磁化处理浮选药剂可以加强赤铁矿颗粒间的絮凝作用,磁化油酸钠对钛铁矿的选择性增大。目前对磁化处理的研究多集中于磁感应强度和磁化时间等对浮选的影响,鲜有磁场位型对磁化效果影响的研究。为进一步了解油酸钠体系下磁化处理对赤铁矿和石英浮选分离效果的影响,通过纯矿物和人工混合矿试验,研究了磁化处理中磁感应强度、磁化时间、磁场位型对油酸钠的捕收效果,并从表面张力、电导率和Zeta电位等方面分析作用机理。

1 试验原料、装置及方法

1.1 试验原料

赤铁矿原矿样取自淡水河谷国际公司,TFe品位为64.38%,SiO2含量为2.25%。经洗矿、破碎、磨矿、重选、弱磁选、脱磁,制得赤铁矿纯矿物样品,TFe品位为66.11%,纯度为94.52%。石英纯矿物为美国尤尼明高纯石英砂,纯度 99.99%,含铁小于3×10-5%。对赤铁矿和石英纯矿物进行XRD分析,结果如图1所示。

由图1可知,赤铁矿纯矿物中含赤铁矿和微量针铁矿,石英纯矿物中未发现其他杂质。

通过NKT6100-D激光粒度仪进行粒度分析,结果表明:赤铁矿纯矿物的D50为50.64μm,石英纯矿物的D50为62.24μm。

本试验所用药剂均为分析纯,NaOH和HCl作为pH值调整剂,油酸钠作为赤铁矿的捕收剂;浮选用水为超纯水,试验前浮选用水和药剂均水浴加热至25℃。

1.2 试验装置

浮选试验所用设备为XFGⅡ5挂槽浮选机;磁化处理由实验室自制磁化装置实现,磁化装置结构示意如图2所示,浮选药剂在图3所示区域磁化,通过调节激磁电流和2个磁极的间距来改变磁场中心位置的磁感应强度,更换磁场位型(图4)来改变磁化区域的磁场分布。

图2 磁化装置结构示意Fig.2 Structural diagram of magnetizing device

图3 磁化区域示意Fig.3 Schematic diagram of magnetization area

图4 磁场位型示意Fig.4 Schematic diagram of magnetic field configuration

1.3 试验方法

(1)磁化处理。将0.01 mol/L的油酸钠溶液(40.0 mL)置于磁化装置中磁化,搅拌转速600 r/min,在一定磁化条件下对浮选药剂进行磁化处理。

(2)浮选试验。在XFGⅡ5挂槽浮选机浮选槽内加入5.0 g赤铁矿或石英纯矿物,并加入45.0 mL一定pH值的超纯水,搅拌3 min,加入油酸钠,搅拌3 min,手动刮泡5 min。所得产品过滤、烘干、称重,计算回收率。

(3)表面张力测定。按(1)中所述方法对油酸钠溶液进行磁化处理,磁化完成后立即用BZY系列全自动表面张力仪测其表面张力。

(4)电导率测定。按(1)中所述方法对油酸钠溶液进行磁化处理,磁化完成后立即用STARTER 3C电导率仪测其电导率。

(5)Zeta电位测定[12-13]。称取-5μm矿样50 mg,置于40.0 mL、pH=9的氢氧化钠溶液中,加入药剂作用5 min,取均质溶液进行Zeta电位测定。

2 试验结果及分析

2.1 不同磁场位型下磁感应强度分布模拟

利用Ansys Electronics电磁模拟软件建立Maxwell 3D模型,对该磁化装置进行模拟,磁场中心点磁感应强度150 mT时不同磁场位型条件下的磁感应强度分布如图5、图6所示。

图5 磁极中心连线所在垂直面磁感应强度分布Fig.5 Distribution ofmagnetic induction intensity on the vertical plane where the center line of magnetic pole is located

图6 磁极间隙中心面磁感应强度分布Fig.6 Distribution of magnetic induction intensity on the central surface of magnetic pole gap

通过分析图5、图6可知,从1号磁场位型到5号磁场位型,磁化区域(磁化处理浮选药剂时药剂所在区域)内磁场的不均匀程度逐渐降低,磁场梯度减小。

2.2 未磁化处理条件下油酸钠用量试验

前期试验确定浮选机转速为2 100 r/min,矿浆pH=9。在此基础上进行油酸钠用量试验,结果如图7所示。

图7 未磁化处理条件下油酸钠用量试验Fig.7 Sodium oleate dosage test without magnetizing treatment

由图7可知,随着油酸钠用量的增加,赤铁矿和石英回收率均增大。油酸钠用量为2×10-4mol/L时,赤铁矿回收率为54.65%,油酸钠用量为4×10-4mol/L时,赤铁矿回收率为94.72%;继续增加药剂用量,赤铁矿回收率变化不明显。为了更直观地研究磁化处理对浮选的影响,后续试验油酸钠用量定为2×10-4mol/L。

2.3 磁化处理浮选药剂对纯矿物浮选的影响

2.3.1 磁感应强度试验

在浮选机转速2 100 r/min,矿浆 pH=9、油酸钠用量2×10-4mol/L、磁化时间8 min、1号磁场位型的条件下考察磁感应强度对赤铁矿和石英浮选效果的影响,结果如图8所示。

图8 磁感应强度对浮选效果的影响Fig.8 Influence of magnetic induction on flotation effectintensity

由图8可知,随着磁感应强度的增大,赤铁矿回收率先增大后降低;随着磁感应强度的增大,石英回收率基本不变,认为磁化处理浮选药剂不影响石英浮选。磁感应强度为150 mT时,赤铁矿回收率达到最大值,因此后续试验磁感应强度定为150 mT。

2.3.2 磁化时间试验

在浮选机转速2 100 r/min,矿浆 pH=9、油酸钠用量2×10-4mol/L、磁感应强度150 mT、1 号磁场位型的条件下研究磁化时间对赤铁矿和石英浮选效果的影响,结果如图9所示。

图9 磁化时间对浮选效果的影响Fig.9 Influence of magnetization time on flotation effect

由图9可知,随着磁化时间的延长,赤铁矿回收率先增大后降低;随着磁化时间的延长,石英回收率基本不变。磁化时间为6 min时,赤铁矿回收率达到最大值,因此后续试验磁化时间定为6 min。

2.3.3 磁场位型试验

在浮选机转速2 100 r/min,矿浆 pH=9、油酸钠用量2×10-4mol/L、磁感应强度150 mT,磁化时间6 min的条件下研究磁场位型对赤铁矿和石英浮选效果的影响,结果如图10所示。

图10 磁场位型对浮选效果的影响Fig.10 Influence of magnetic field configuration on flotation effect

由图10可知,1号磁场位型条件下,赤铁矿回收率最高。而5种磁场位型下石英回收率基本一致。因此,后续试验磁场位型定为1号。结合图5和图6可知,从1号磁场位型到5号磁场位型,磁化区域内磁场的不均匀程度降低,1号磁场位型条件下磁场的不均匀程度最高,表明磁场梯度的提高有利于磁化处理强化赤铁矿的浮选。

2.4 机理分析

为了研究磁化处理浮选药剂强化赤铁矿回收的作用机理,测定了不同磁化条件下溶液表面张力、电导率及Zeta电位,结果见图11～图13。

图11 磁感应强度对水系性质的影响Fig.11 Influence of magnetic induction intensity on water system properties

图13 磁场位型对水系性质的影响Fig.13 Influence of magnetic field configuration on water system properties

由图11可知,磁感应强度从0增长到150 mT,油酸钠的表面张力从24.6 mN/m增长到25.4 mN/m,电导率从35.9μs/cm降低至41.6μs/cm,赤铁矿的Zeta电位从-35.24mV增长到-51.47mV,石英的Zeta电位几乎不变;继续增大磁感应强度,油酸钠的表面张力趋于平稳,电导率缓慢减小,赤铁矿的Zeta电位减小,石英的Zeta电位几乎不变。

由图12可知,磁化时间从0增加到6 min,药剂的表面张力从24.6 mN/m增长到25.4 mN/m,电导率从35.9μs/cm降低至44.9μs/cm,Zeta电位从-35.24 mV增长到-54.77 mV,继续增加磁化时间,油酸钠的表面张力趋于平稳,电导率缓慢减小,赤铁矿的Zeta电位减小,石英的Zeta电位几乎不变。

图12 磁化时间对水系性质的影响Fig.12 Influence of magnetization time on water system properties

由图13可知,1号磁场位型条件下,油酸钠的表面张力、电导率和赤铁矿的Zeta电位绝对值均最大。

少量油酸钠就能显著降低水的表面张力,再增加溶液浓度,溶液表面张力几无变化,油酸钠的临界胶束浓度(CMC)为1.025×10-3mol/L[14-15]。磁化处理后油酸钠溶液的表面张力增大,说明油酸钠溶液中的表面活性组分发生变化。油酸钠溶液中分子离子络合物浓度最大时,表面张力最低[12,16-17]。因此,磁化处理后油酸钠溶液中分子离子络合物占比减少,络合物分解,油酸根离子和油酸根离子二聚物增加,油酸钠对赤铁矿的捕收能力增强。溶液的电导率与溶液中的离子种类和离子浓度有关[4],磁化处理后油酸钠溶液的电导率增大,说明磁化处理促进了油酸的电离,溶液中油酸根离子增多,有利于药剂在赤铁矿表面的吸附。Zeta电位的变化说明磁化处理后油酸根离子在赤铁矿表面的吸附增强[12],提高了赤铁矿的可浮性,与电导率、表面张力结果一致。

2.5 人工混合矿浮选

在纯矿物试验确定的最佳条件下对人工混合矿(赤铁矿和石英质量比为7∶3)进行分选试验,结果如表1所示。

表1 人工混合矿浮选试验结果Table 1 Flotation test results of artificial mixed ore %

由表1可知,磁化处理浮选药剂和未磁化相比,混合矿精矿TFe品位和回收率均有不同程度的提高。磁化处理浮选药剂时精矿TFe品位提高了0.77个百分点,TFe回收率提高了6.75个百分点,磁化处理对赤铁矿和石英的浮选分离有积极作用。

3 结 论

(1)在浮选机转速2 100 r/min、pH=9、油酸钠用量2×10-4mol/L的条件下研究磁化处理浮选药剂对赤铁矿和石英浮选的影响,纯矿物试验结果表明,适宜的磁感应强度和磁化时间磁化处理浮选药剂有利于赤铁矿和石英的浮选分离,当磁感应强度为150 mT、磁化时间为6 min、1号磁场位型时,赤铁矿回收率达78.27%,相较未磁化条件下提高了23.62个百分点。

(2)表面张力、电导率和Zeta电位测试结果表明,磁化处理后溶液中油酸钠离子浓度增加,油酸根离子在赤铁矿表面的吸附增强,有利于赤铁矿和石英的浮选分离。

(3)人工混合矿浮选试验结果表明,和未磁化时相比,磁化处理浮选药剂时精矿TFe品位提高了0.77个百分点,TFe回收率提高了6.75个百分点,磁化处理对赤铁矿和石英的浮选分离有积极作用。