三種分散劑對微細粒赤鐵礦、石英分散行為的影響

陳 淼，牛福生，白麗梅

(河北聯合大學，河北 唐山 063009)

隨著近幾十年鋼鐵行業發展的消耗，我國易選鐵礦石資源逐漸顯現出短缺的局面，但我國鮞狀赤鐵礦石儲量豐富，其中已探明的難選鮞狀赤鐵礦37億t(含表外礦)左右[1]，如果能夠有效地選別和利用這一部分鐵礦資源，那么能夠在很大程度上解決我國鐵礦石的需求問題。但是由于這部分礦石嵌布粒度極細，單體解離度達到80%～90%時，粒度往往是在10～20μm左右，現有的選礦設備很難對其進行選別，無法有效地回收微細粒的鐵礦物，有用礦物大量流失。選擇性絮凝分選則是解決這一問題的有效方法之一。

選擇性絮凝工藝是向充分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作用使之團聚，懸浮液中的其他礦物仍以分散狀態存在，進一步分離絮團產品和懸浮液，便可實現分離目的和脈石礦物的目的。選擇性絮凝的一個主要前提礦漿的充分分散。因此本文研究了幾種分散劑對赤鐵礦單礦物和石英單礦物沉降率的影響。

1 試樣及藥劑

赤鐵礦單礦物是由實際礦石經階段磨礦-弱磁選-強磁選 -搖床重選后制得，經化驗品位為66.87%，純度為95.54%，并磨細至-18μm。石英單礦物是經手撿純度較高的小礦塊后，使用磁襯球磨機磨細至-20μm，純度為98%待用。并對兩種單礦物樣品進行了X射線衍射(XRD)分析，結果見圖1、圖2。

試驗所用的藥劑為六偏磷酸鈉分析純、多聚磷酸鈉分析純、水玻璃(模數為2.4)，使用氫氧化鈉和鹽酸調節pH值。試驗中所用的均為去離子水。

圖1 赤鐵礦單礦物XRD圖

圖2 石英單礦物XRD圖

2 試驗方法

使用TZC-4顆粒儀進行沉降試驗。稱取3g單礦物置于玻璃杯中，加入所需的調整劑溶液并加蒸餾水至100mm處，使用攪拌器在一定轉速下攪拌10min。將攪拌后的溶液迅速移至顆粒儀上進行測定，可獲得該條件下的沉降曲線，由沉降曲線可知某一時間的沉降率。沉降率越大，絮凝效果越好，分散效果越差。

3 試驗結果

3.1 不同分散劑對分散結果的影響

在自然pH值條件下，分別向蒸餾水中加入不同劑量的多聚磷酸鈉、水玻璃、六偏磷酸鈉溶液，以形成不同濃度的分散介質，按照2中所述的試驗步驟，測定赤鐵礦的沉降率，結果見圖3。

圖3 不同分散劑及用量對赤鐵礦沉降率的影響

從圖3中可以看出，多聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉在用量較低時對赤鐵礦的分散作用并不明顯，隨著藥劑用量的增加，赤鐵礦的沉降率逐漸降低，分散效果越來越好，但是用量大于100mg/L后沉降率略微上升，分散效果變差。水玻璃在較少的用量時，便能獲得較低的沉降率，但是水玻璃用量的增加對赤鐵礦沉降率的影響不大。三種分散劑中，六偏磷酸鈉對赤鐵礦的分散作用比較明顯。當六偏磷酸鈉的用量為100mg/L時，赤鐵礦的沉降率達到最小值，為64.09%。

考察不同分散劑及其用量對石英沉降率的影響，結果見圖4。

圖4 不同分散劑及用量對石英沉降率的影響

從圖4中可以看出，多聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和水玻璃對石英也有一定的分散作用，其中六偏磷酸鈉的分散效果較好，在其用量為50mg/L時，石英的沉降率便趨于穩定，為39.76%。

3.2 pH值對分散效果的影響

由于六偏磷酸鈉的用量在50mg/L時對石英的分散效果較好，在100mg/L時對赤鐵礦的分散效果較好，所以只考察在這兩種藥劑用量的條件下，pH值對赤鐵礦和石英沉降率的影響，結果見圖5。

圖5 不同pH值條件下，赤鐵礦和石英的沉降率

從圖5中可以看出，在六偏磷酸鈉用量為50mg/L時，pH值的變化對赤鐵礦的沉降率影響較大，在pH值在2～10.5之間時，赤鐵礦的沉降率隨著pH值的增加而逐漸降低，當pH值為10.5時，赤鐵礦的沉降率達到最低，而后赤鐵礦的沉降率增大。但是六偏磷酸鈉用量為100mg/L時，pH值的變化對赤鐵礦沉降率的影響不大。同樣的，在兩種藥劑用量條件下，pH值的變化對石英的沉降率影響都不大，在整個pH范圍內，石英都呈穩定的分散狀態。由于分散劑在較大用量時可能會影響到后續的絮凝結果，因此在分散結果相近的情況下，選定分散礦漿的pH值為10.5，六偏磷酸鈉的用量為40mg/L作為分散的最終條件。

4 六偏磷酸鈉分散機理探討

六偏磷酸鈉(NaP03)6是一種長鏈狀聚磷酸鹽，在水中發生電離反應

(NaPO3)6?6Na++(Na4P6O18)2-

在礦漿中赤鐵礦多帶正電，石英多呈電負性，因此電離出的陰離子能夠有效地吸附在帶正電的赤鐵礦顆粒的表面，并進入到雙電層結構的擴散層和緊密層，從而改變雙電層結構，使得赤鐵礦的ζ電位負值增加。此外，由于六偏磷酸鈉是大分子的聚合物，能夠吸附在礦粒表面以形成一層吸附層，致使礦粒相互靠近時，兩個吸附層之間能夠產生排斥作用以阻止礦粒的相互凝聚。

范德華能計算公式

(1)

式中：A為Hamake常數，J；R為顆粒半徑，m；H為顆粒間的間距，nm。

靜電能計算公式

VE=2πεoεrRφ2ln(1+exp(-κH))

(2)

式中：κ-1為Debye長度，代表雙電層厚度，m；ε0為真空中絕對介電常數，ε0=8.854×10-12;εr為分散介質的介電常數，εr=78.5C2·J-1·m-1;φ為顆粒表面電位，V；R為顆粒半徑，m；H為顆粒間的間距，m。

疏水-親水結構化能計算公式

(3)

式中：R為顆粒半徑，m；δ為吸附層厚度nm；H為顆粒問的間距，m；K為Boltzmann常數1．381×10-23J/K：AR為一個大分子在顆粒表面所占面積，m2。

DLVO理論相互作用能的計算公式[7]為

V=VW+VE

(4)

EDLVO理論相互作用能的計算公式[7]為

V=VW+VE+VH

(5)

測得在自然去離子水的pH值條件下，六偏磷酸鈉用量為100mg/L時赤鐵礦的zeta電位值為-15.36mV，代入到式(1)～(5)進行計算，得到相應的作用勢能，繪制成圖6。

圖6 赤鐵礦顆粒的總作用勢能

從圖6中可以看出，按照傳統的DLVO理論計算出的顆粒間的總作用勢能恒為負值，則顆粒間恒為吸引力，應該呈凝聚狀態，這與試驗現象不符，因此，傳統的DLVO理論并不能解釋六偏磷酸鈉對于赤鐵礦的作用機理。而擴展DLVO能夠很好的解釋六偏磷酸鈉對赤鐵礦的分散機理。從圖5中的EDLVO理論曲線上可以看出在顆粒間的距離小于5nm時，總作用勢能為正值，顆粒間為排斥力，顆粒間呈分散狀態，這一試驗現象相一致。

因此，六偏磷酸鈉對赤鐵礦的分散機理為：六偏磷酸鈉的存在可以增加赤鐵礦顆粒間的靜電排斥力，也能夠使顆粒間產生強烈的空間位阻排斥力。

5 結論

1) 分散劑的添加有利于赤鐵礦的分散，且分散效果為：六偏磷酸鈉>水玻璃>多聚磷酸鈉；且六偏磷酸鈉對石英也有一定的分散作用。

2) 使用NaOH調節礦漿pH值到10.5時，較少用量的六偏磷酸鈉就可以是赤鐵礦達到穩定的分散狀態。

3) 六偏磷酸鈉的分散機理為：六偏磷酸鈉在水中電離出的陰離子可以增加顆粒間的靜電排斥力，也能夠使顆粒間產生強烈的空間位阻排斥力，從而使赤鐵礦能夠呈分散狀態。

[1] 劉若華.不同淀粉對赤鐵礦的抑制機理及工藝研究[D].長

沙：中南大學,2012.

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