不同絮凝劑對微細粒赤鐵礦、石英的絮凝行為研究
張晉霞1,2，牛福生1,2
（1．華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北唐山063009;2．河北省安全技術(shù)及開采重點實驗室，河北唐山063009）
摘要：通過單礦物沉降實驗，考查了不同絮凝劑的種類、攪拌強度對赤鐵礦、石英的絮凝行為影響 規(guī)律。結(jié)果表明，4種絮凝劑劑對赤鐵礦絮凝效果由強至弱的順序為：苛化玉米淀粉>羧甲基纖維素鈉>十二烷基磺酸鈉>聚丙烯酰胺。在一定范圍內(nèi)增強攪拌強度有利于微細粒顆粒的絮凝，但超過某一臨界值后絮凝效果變差。Zeta電位測定表明，隨著淀粉用量的增加，赤鐵礦的電位逐漸增大，降低了顆粒間的靜電斥力，促進淀粉在赤鐵礦表面的吸附。
關鍵詞：微細粒；赤鐵礦；絮凝行為；機理研究
中圖分類號：TD951 文章編號：1004-4051(2016)03-0102-05
微細顆粒嵌布鐵礦石資源的高效回收一直是一個技術(shù)難題。一是鐵礦物本身在解離過程中需磨至很細，如祁東地區(qū)鐵礦粒度95%小于30μm，鮞狀赤鐵礦的粒度85%小于22μm，且多以集合體形式存在，袁家村鐵礦粒度90%小于44μm等，通常顆粒尺寸大小與其獲得分選力呈指數(shù)正比關系，粒度減少一個數(shù)量級常會引起分選力的急劇衰減；二是其他如石英、綠泥石和黏土類等脈石礦物磨礦后多為幾個微米，甚至更為細小，極易對鐵礦顆粒造成泥覆蓋，使得傳統(tǒng)的分選工藝幾乎不能回收此類鐵礦顆粒，從而造成大量細粒鐵礦資源難以有效回收利用。
選擇性絮凝主要是向分散的礦漿中加入一定量的絮凝劑，絮凝劑選擇性地吸附在目的礦物表面，并通過絮凝劑分子之間的相互作用而發(fā)生團聚，進而使得目的礦物沉淀，而非目的礦物仍在礦漿中呈分散狀態(tài)。近年來，選礦工作者在使用高分子絮凝劑對微細粒礦物脫泥、分選等進行了大量的研究，并取得了一定的進展。苑宏倩等針對齊大山鐵礦選礦分廠工藝流程中反浮選尾礦品位高達15%～18%，細粒鐵礦物難于回收的特點，以石油磺酸鈉為捕收劑和絮凝劑，對磁選后的鐵精礦預先絮凝后采用了一次粗選、三次精選的浮選流程，最終得到了品位為66. 08%，回收率95. 93%的鐵精礦，取得了較好的分選指標。朱林英針對通道赤鐵礦必須磨至19μm才能單體解離的特點，對強磁精礦采用五次選擇性絮凝脫泥后，進行反浮選回收，最終獲得了精礦品位為62. 60%，回收率為64. 47%以及尾礦品位為13. 22%的分選效果。
本論文在微細粒赤鐵礦、石英良好分散的基礎上，研究了不同的絮凝劑對赤鐵礦、石英絮凝行為的影響規(guī)律及可能存在的作用機理，以期為微細粒嵌布赤鐵礦選擇性絮凝分選奠定理論和技術(shù)基礎。
1試樣及藥劑
1.1試樣
試樣所用赤鐵礦來自河北司家營鐵礦選礦廠，精選后化驗品位為67. 34%，純度為95. 67%，采用瓷襯球磨機磨細置于密封玻璃瓶中待用。石英純度為98. 23%，兩種純礦物的化學成分分析見表1和表2。
試樣的粒級表征見圖1和圖2。
由粒級表征結(jié)果可知，赤鐵礦和石英計算得平均粒徑分別為17. 32μm和19. 42μm左右，滿足試驗要求。
1.2試劑
該實驗中4種絮凝劑分別為：十二烷基磺酸鈉、苛化玉米淀粉、聚丙烯酰胺以及羧甲基纖維素鈉，上述試劑均為化學純。使用蒸餾水配制各種藥劑，藥劑濃度為1%。
2實驗方法
2.1沉降實驗
使用TZC-4顆粒儀進行沉降試驗，實驗步驟如下所示。
1)稱取純礦物( W o)放置于TZC-4顆粒儀自帶的玻璃杯中，加入適量的絮凝劑并加蒸餾水至100mm處，攪拌。
2)將攪拌后的溶液迅速移至顆粒儀上進行測定，待天平讀數(shù)(W)穩(wěn)定后，計算沉降率。
3)定義W（天平讀數(shù)）與W o（礦物重量）的比值為沉降率Es，以此衡量微細顆粒在水介質(zhì)中的絮凝效果，即Es=W/Wo×100%。沉降率Es越大，說明微細粒顆粒絮凝效果越好。
2.2Zeta電位測定
用研缽將純礦物磨至5μm以下，一次稱取20mg，加入50ml蒸餾水，用Na OH調(diào)節(jié)礦漿至合適pH值，加入絮凝劑，使用Zetasizer Nano ZS90測定單礦物在該pH值下的Zeta電位。
3試驗結(jié)果與討論
3.1不同藥劑對微細粒顆粒絮凝行為的影響
為了得到選擇性絮凝的目的，良好分散是前提條件。在探索試驗的基礎上，確定了最佳分散條件為：六偏磷酸鈉作為分散劑，且藥劑用量為20mg/L，pH為10.4，攪拌速度為1000r/min，且攪拌時間為6min，在此基礎上進行了不同藥劑對絮凝行為的影響實驗。
3.1.1 十二烷基磺酸鈉對顆粒絮凝行為的影響
將分散好的礦漿中加入不同劑量的十二烷基磺酸鈉，再以600r／min的條件下攪拌4min，沉降3min測不同藥劑用量下的沉降率，結(jié)果見圖3。
從圖3中可以看出，十二烷基磺酸鈉用量為10mg／L時，赤鐵礦的沉降率最大為63. 48%;當十二烷基磺酸鈉用量為6mg/L時，石英的沉降率趨于穩(wěn)定，為25. 31%。當藥劑用量為4mg／L時，赤鐵礦和石英沉降率差值最大，為40. 66%。因此，十二烷基磺酸鈉的最佳用量為4mg/L。
3.1.2 聚丙烯酰胺對顆粒絮凝行為的影響
向礦漿中加入不同劑量的聚丙烯酰胺，調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌時間與上述相同，沉降3min，沉降率結(jié)果如圖4所示。
從圖4中可以看出，聚丙烯酰胺對石英和赤鐵礦都有絮凝的作用，且藥劑用量較少。當聚丙烯酰胺用量為2mg/L時，赤鐵礦的沉降率達到穩(wěn)定值，為57. 32%。當聚丙烯酰胺用量為1mg/L時，石英的分散率為22. 16%，此時，赤鐵礦和石英沉降率差值最大，為33. 08%。因此，聚丙烯酰胺的最佳用量為1mg／L。
3.1.3苛化玉米淀粉對顆粒絮凝行為的影響
向礦漿中加入不同劑量的苛化玉米淀粉，沉降率結(jié)果如圖5所示。
從圖5中可以看出，玉米淀粉對石英的沉降率幾乎沒有影響，但對赤鐵礦沉降率影響較大。當玉米淀粉用量在0～4mg/L時，赤鐵礦的沉降率逐漸增大，沉降率為75. 41%，此后，隨著玉米淀粉用量的增加，赤鐵礦的沉降率變化不大。當玉米淀粉用量為6mg/L時，赤鐵礦和石英沉降率差值達到最大，為50. 73%。
3.1.4羧甲基纖維素鈉對顆粒絮凝行為的影響
向礦漿中加入不同用量的羧甲基纖維素鈉，考察其對單礦物沉降率的影響，結(jié)果見圖6。
從圖6中可以看出，羧甲基纖維素鈉纖維素鈉對赤鐵礦和石英都能起到一定的絮凝作用，對赤鐵礦沉降率的影響較大，當羧甲基纖維素鈉用量為5mg/L時，赤鐵礦的沉降率達到最大值，為67. 13%，此后，隨著藥劑用量的增加，赤鐵礦的沉降率降低，當藥劑用量大于7 mg／L，赤鐵礦的沉降率基本不變。羧甲基纖維素鈉為石英也起到一定的絮凝作用，當藥劑用量為1mg/L時，石英的沉降率達到最大值，為25.9%；藥劑用量為1～5mg/L，石英的沉降率逐漸降低，藥劑用量大于5mg/L，石英的沉降率逐漸上升。從圖中可以明顯看出，當藥劑用量為5mg/L時，赤鐵礦和石英沉降率差值最大，為45. 92%。因此，羧甲基纖維素鈉的最佳用量為5mg／L。
3.1.5 4種絮凝劑的沉降結(jié)果比較
根據(jù)上述試驗所得的結(jié)果繪制成表3。
從表3中可以看出，4種絮凝劑中，苛化玉米淀粉對赤鐵礦的絮凝作用最強，可使赤鐵礦的沉降率上升至75. 41%，雖然對石英也有一定的絮凝作用，但是赤鐵礦和石英的差值最大，為50. 73%，可以達到選擇性絮凝赤鐵礦的目的。
3.2攪拌強度對絮凝行為的影響
3.2.1 攪拌速度對絮凝行為的影響
前述結(jié)果表明，微細粒赤鐵礦與石英在pH=10.4，苛化淀粉用量為6mg/L條件下有較好的絮凝結(jié)果，因此以這種溶液為介質(zhì)，改變攪拌速度為400r/min、500r／min、600r／min、700r／min、800r/min，攪拌4min，測定赤鐵礦和石英的沉降率，試驗結(jié)果見圖7。
從圖7中可以看出，攪拌速度對赤鐵礦和石英的沉降率均有一定的影響，但是對石英的影響較小。當轉(zhuǎn)速為600r/min時，赤鐵礦和石英的沉降率差值最大，為48. 06%。攪拌速度在400～600r/min范圍內(nèi)，赤鐵礦的沉降率由70. 33%上升至75. 41%，石英的沉降率由26. 12%上升至27. 35%;隨后隨著攪拌速度的增加，兩種單礦物的沉降率均下降。
在一定范圍內(nèi)，增加攪拌速度會提高微細顆粒間的碰撞機率，有利于絮凝作用的發(fā)生，但當轉(zhuǎn)速超過一定量時，攪拌所產(chǎn)生的里會破壞礦物顆粒之間的結(jié)合力，絮團遭到破壞。因此，存在一定的臨界轉(zhuǎn)速，小于這一臨界轉(zhuǎn)速，達不到最佳的絮凝效果；大于這一臨界轉(zhuǎn)速，絮團產(chǎn)品會被破壞。因此，最佳攪拌速率在600r／min。
3.2.2 攪拌時間對絮凝行為的影響
在上述最佳條件下，調(diào)整攪拌速度為600r/min，改變攪拌時間分別為1min、2 min、3 min、4min、5min，測定赤鐵礦和石英的沉降率，試驗結(jié)果見圖8。
由圖8可知，攪拌時間為l～3 min時，赤鐵礦的沉降率由58. 12%增至75. 39%，；石英的沉降率由21. 44%增至24. 57%。當攪拌時間超過3min時，兩種單礦物的沉降率變化緩慢。加長攪拌時間，可以增加絮凝劑與微細粒礦物顆粒表面的作用時間，使絮凝劑分子在礦物顆粒分子吸附量增加，更加利于體系的絮凝。隨著絮凝體的產(chǎn)生，礦漿中的礦物顆粒濃度降低，單位時間內(nèi)微細礦粒表面的吸附藥劑量降低，生成絮團的速度降低。綜合考慮，絮凝時間應確定為3min，此時繼續(xù)增加攪拌時間絮團數(shù)量也無明顯增加。
3.3淀粉對對單礦物Zeta電位的影響
使用硫酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)礦漿的pH值，測定不同pH值條件下赤鐵礦和石英zeta電位，測定結(jié)果如圖9所示。
由圖9可知，此赤鐵礦單礦物的零電點為7.5，石英單礦物的零點點為2. 46。從圖7中可以看出，在中性pH值范圍內(nèi)，赤鐵礦電動電位的絕對值較小，而在酸性pH值范圍內(nèi)和堿性pH值范圍內(nèi)，電動電位的絕對值較大，且堿性范圍內(nèi)電動電位的絕對值大于酸性范圍內(nèi)電動電位的絕對值。
淀粉屬于高分子糖類化合物，分子中含有大量的葡萄糖單元，每個葡萄糖單元有3個親水基團一羥基。淀粉依靠靜電力、氫鍵以及淀粉鏈的“擠壓效應”三種作用力與礦物表面相結(jié)合。淀粉在溶液中帶負電，由于在赤鐵礦一石英體系中，赤鐵礦的表面電位較低，因此淀粉與赤鐵礦間的靜電斥力較低，使得赤鐵礦更容易與淀粉相結(jié)合，易于赤鐵礦的沉降。
在pH =10.4的條件下，測定不同苛性淀粉用量時，赤鐵礦和石英表面的電動電位，試驗結(jié)果見圖10。
從圖10中可以看出，淀粉的加入對赤鐵礦和石英的Zeta電位均有不同程度的影響。結(jié)果表明，淀粉對石英的Zeta電位影響不大，石英表面仍呈較高的負電，因此相對來講，淀粉對石英的絮凝作用不明顯；淀粉對赤鐵礦的Zeta電位影響較大，隨著淀粉用量的增加，赤鐵礦的電位逐漸增大，降低顆粒間的靜電斥力。赤鐵礦和石英表面Zeta電位存在著上述差異，使得淀粉可以選擇性地吸附在赤鐵礦的表面。
4結(jié) 論
1)4種絮凝劑對石英和赤鐵礦均有一定的絮凝作用，其順序為：苛化玉米淀粉>羧甲基纖維素鈉>十二烷基磺酸鈉>聚丙烯酰胺。
2)通過試驗可知，最佳的選擇性絮凝分選赤鐵礦的條件：6mg/L的苛化玉米淀粉作為絮凝劑，在600r／min的條件下攪拌3min，此時赤鐵礦的沉降率為75. 39%，石英的沉降率為24. 57%，差值為50. 81%。
3)淀粉的加入，增大了赤鐵礦和石英表面電動電位的差異，使得淀粉能夠選擇性地吸附在赤鐵礦的表面，利于選擇性絮凝赤鐵礦。
