表面活性劑Tween-1.3對二氧化硅可浮性的影響

姜效軍，陳娜娜， 碗建華，郭德水

(遼寧科技大學,遼寧 鞍山 114051)

我國鐵礦石具有品位相對低、構造復雜、富礦少等特點，97.5%的礦石需要選礦后方能利用[1]。由于陽離子捕收劑成本較高、泡沫黏性大后處理困難等缺點[2],因此我國普遍采用陰離子反浮選工藝。葛英勇等[3]認為常溫陰離子捕收劑的研究和成功開發可大大降低現有陰離子反浮選工藝的加溫成本，將使我國現有的許多陰離子反浮選企業受益，實現全行業的節能減排。Keith Quest[4]試驗發現當碳原子數目為14時，精礦的回收率達到最大。陰離子捕收劑的主要成分是脂肪酸，宋仁峰等[5]認為溫度低于33℃時赤鐵礦浮選指標急劇變差，他們用臭氧氧化油酸成壬二酸制成KYY捕收劑，給礦用量1600g/t,25℃條件下對51.25%的給礦反浮選，精礦品位67.50%，收率為86.52%,尾礦品位19.70%，拋尾率13.48%。朱一民等[6]合成陰離子反浮選捕收劑DZN-1，對鞍鋼齊大山礦對46.02%的混磁精給礦浮選，藥耗800g/t,閉路浮選后精礦達到66.75%，收率80.0%。方靜坤等[7]認為捕收劑低溫溶解性差和官能團低溫適應性差，與目的礦物的作用能力減弱是低溫浮選效果差的原因，制備了捕收劑Fly-101,在15℃條件下對58.24%的給礦浮選后精礦品位為66.72%，收率為79.19。

為達到精礦品位大于68%，收率超過89%的目的，本文合成表面活性劑Tween-1.3，以工業環烷酸和油酸為捕收劑主要原料，通過表面張力和接觸角的測定，確定環烷酸鈉加入可提高油酸鈉在SiO2界面上的疏水性，進而提高氧化鈣活化后SiO2在氣泡上的吸附能力，使其可浮性增強。由油酸鈉、環烷酸鈉、Tween-1.3混合配制的捕收劑用于赤鐵礦常溫反浮選，獲得了良好的分選指標。

1 試驗

1.1 失水山梨醇1.3油酸酯聚氧乙烯醚的合成

第一步酯的合成：稱取一定量山梨醇于裝有電動攪拌器、分水冷凝器和溫度計的500mL四口燒瓶中，加入合適量的油酸，催化劑為NaOH0.3%和亞磷酸0.2%，連接冷凝管，在N2(0.5L/min)保護下30min內加熱至210℃反應。抽樣測定酸值A≤6mgKOH/g，反應結束，大約5h。

第二步加成環氧乙烷：上述反應物在反應釜中加0.2%的NaOH催化劑。通N2排出空氣，當溫度升到120℃時滴加環氧乙烷，保持145～150℃，壓力≤0.4Mpa，合成酯和環氧乙烷的摩爾比為1∶20。

1.2 表面張力和接觸角的測定

溶液的表面張力測定由德國Kruss公司K100測量。接觸角由自制毛細管滲透法通過Washburn方程測得，實驗所用二氧化硅均為多次掃選的尾礦經HCl處理后的純化樣品，二氧化硅經CaO活化后測定接觸角。

1.3 反浮選試驗

浮選在吉林探礦設備公司的0.5LXFDⅡ型單槽浮選機中進行，混磁精給礦全鐵品位48.24%，試驗中礦漿濃度35%，溫度在22～24℃，粗選加入藥劑順序及用量為：NaOH(2%)8.0mL，淀粉(2.5%)6.5mL，氧化鈣(2.5%)6.0mL，捕收劑(2.4%)2.75mL；精選：1.0mLNaOH、1.0mL捕收劑；每加完一種藥攪拌3min，一掃補加NaOH1.8mL，二掃、三掃分別補加NaOH1.2mL，粗選藥劑用量為正交試驗優化的結果，浮選機轉速為2300r/min。

2 試驗結果與討論

2.1 兩步法合成失水山梨醇1.3油酸酯聚氧乙烯醚

第一步合成的酯IR光譜圖見圖1，由IR-760完成。

圖1 失水山梨醇1.3倍油酸酯的IR譜圖

由圖1可知油酸的特征吸收峰1711cm-1消失，1740cm-1處出現了酯類化合物C=O伸縮振動特征峰。本成品為中紅色粘稠液體，產率98.32%。

2.2 表面張力的測定

在25℃下，測量一系列不同濃度油酸鈉溶液和環烷酸鈉溶液的表面張力，以濃度的對數為橫坐標，以表面張力為縱坐標作γ-lgC圖，如圖2所示。

圖2 25℃下油酸鈉和環烷酸鈉溶液的表面張力

由圖2可知，油酸鈉和環烷酸鈉溶液的表面張力隨著濃度的增大而減小，當達到一定濃度時，表面張力基本保持不變，此時形成了膠束，曲線拐點前后切線交點對應濃度為該溫度下的臨界膠束濃度。由γ-lgC曲線測得25℃油酸鈉的CMC為0.457g/L。這表明油酸鈉在常溫時易形成膠束，不利于與活化SiO2的吸附。環烷酸中因含有疏水性很強的中性油，25℃下工業環烷酸鈉的CMC是4.68g/L。

根據作者前期工作[8]，當油酸鈉與環烷酸鈉質量比為2∶3混合溶液的表面張力最小，以此比例混合后γ-lgC曲線見圖3。

圖3 油酸鈉與環烷酸鈉混合溶液的表面張力

由圖3測得混合溶液的CMC為1.55g/L，明顯高于油酸結果。雖然環烷酸鈉CMC更高，由于鏈中不含雙鍵，常溫浮選效果并不理想。

2.3 T-1.3對油酸鈉臨界膠束濃度的影響

在上述混合脂肪酸鈉溶液中添加不同質量濃度的Tween-1.3后，測定表面張力和CMC,結果列于表1。

表1 Tween-1.3對油酸鈉臨界膠束濃度的影響

由表1可知，混合溶液的CMC隨著Tween-1.3加入量的增多逐漸增大。一方面，Tween-1.3作為一種非離子表面活性劑，促進脂肪酸鈉在水中分散，使體系的粘度下降，對形成膠束有阻化作用。另一方面，Tween-1.3中含有油酸的鏈結構，相似相溶作用可增大油酸鈉的CMC數值。

2.4 接觸角的測定

利用Washburn方程L2=σrtcosθ/2G，通過測定兩種脂肪酸鈉以及Tween1.3混合液在SiO2顆粒床上爬升高度，可得到不同組分在活化SiO2上接觸角，Tween-1.3的加入量為0.4g/L,pH與實際反浮選時一致，結果列于表2。

從測得各組合脂肪酸鈉溶液在活化二氧化硅填充床上爬升距離，由公式L2=σrtcosθ/2G可以得θ,測得結果如圖4所示。

表2 混合油酸和環烷酸在二氧化硅填充床上吸附距離/cm(pH=11.50)

圖4 油酸占比與接觸角θ的關系

固-液-氣三相界面張力平衡時，楊氏方程為：σGS=σLS+σLGcosθ，用cosθ表示濕潤性，用1-cosθ可表示可浮性。混合脂肪酸根吸附在活化的SiO2上疏水性增大，SiO2浮選分離的可能性提高。由于工業環烷酸酸值為140mg KOH/g，其中有30%的烴類中性油,使其達到更好的疏水狀態。當環烷酸含量大于40%，由于溶解性減弱，三相角θ逐漸減小，不利于SiO2的上浮分離。

2.5 閉路浮選結果

以油酸、環烷酸、Tween-1.3按1.2%、0.8%和0.4%配制捕收劑，其他藥劑按1.3的實驗條件，在一粗一精開路浮選實驗的基礎上，進行了一粗一精三掃閉路浮選試驗，結果及物料流程圖如圖5所示。

由圖5可以看出，閉路實驗獲得精礦品位為68.63%，精礦回收率為90.20%的良好指標,捕収劑用兩位450g/T。試驗結果表明，油酸、環烷酸、Tween-1.3按一定質量比配制的捕收劑具有捕收能力強、選擇性高、常溫浮選的優點。

3 結論

1)兩步法合成的非離子表面活性劑失水山梨醇(1.3)油酸酯聚氧乙烯醚，加入油酸鈉、環烷酸鈉混合溶液中可明顯提高溶液的CMC和二氧化硅表面的接觸角，減弱了脂肪酸產生膠束的傾向，有利于在礦物顆粒表面的吸附，增大SiO2的疏水性和可浮性。

2)閉路浮選試驗結果表明，由油酸、環烷酸、Tween-1.3混合配制的捕收劑在常溫下具有用量少、選擇性高、捕收能力強等優點，這種捕收劑可實現赤鐵礦的常溫浮選，達到節能降耗低碳的目的。

圖5 閉路反浮選試驗物料平衡圖

[1] 楊茂麟，鄧朝勇，徐本軍.鐵礦石浮選藥劑的研究現狀[J].鋼鐵研究學報.2011,23(11):1-3,46.

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[3] 葛英勇，余俊，朱鵬程.鐵礦浮選藥劑評述[J].現代礦業，2009(11)：6-10.

[4] Keith Quast.Flotation of hematite using C6-C18starated fatty acids[J]．Minerals Engineering，2006(19)：582-597．

[5] 宋仁峰,呂建華,郭客.KYY常溫反浮選捕收劑選礦試驗研究[J].礦業工程,2013，11(6)：37-39.

[6] 朱一民，任建蕾，趙寧.陰離子捕收劑DZN-1對齊大山選廠的反浮選試驗研究[J].中國礦業,2012,21(6)：74-77.

[7] 方敬坤，周瑜林，李文.低溫高效鐵礦反浮選捕收劑Fly-101 的研究[J].礦冶工程,2012,32(6):37-39.

[8] Xiaojun Jiang，Yunjin Wang.Effects of Non-Ionic Surfactant on the Deep Temperature Flotation Agents of Hematite [J].Advanced Materials Research,2012(538)：2354-2357.