用陽離子型捕收劑DYP 反浮選鐵礦物

朱一民 王 鵬 楊艷平 韓躍新 李艷軍

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819)

浮選通過浮選藥劑靈活有效地控制分選過程，從而成功地將有用礦物和脈石礦物分離［1］。我國已經成功研發出很多鐵礦的浮選藥劑，處于國際先進水平，但仍存在一些不足:①缺乏能夠高效捕收細粒復雜鐵礦的選礦藥劑;②大部分浮選藥劑的配制溫度較高，并且使用時常常需要進行加溫，這不僅需要消耗大量的能源，還對環境產生巨大的影響［2］。從提高浮選效率、低碳環保的角度，研制出浮選時藥劑制度簡單、成本低的常溫浮選藥劑具有重要的經濟價值和社會效益。本研究對東北大學研制的新型浮選藥劑DYP 進行了單礦物及人工混合礦浮選試驗，以考察DYP 是否適合于鐵礦石反浮選，并對DYP 與石英的作用機理進行了探討。

1 試驗原料及試驗藥劑和設備

1.1 試驗原料

石英單礦物:石英礦塊經顎式破碎機破碎之后，手選純度高的小礦塊，然后用手錘破碎到較小粒度，經三頭研磨機磨碎后，經0.074 mm 標準篩水篩，篩下產品經過3 次鹽酸浸出，每次24 h。然后用蒸餾水浸泡24 h，連續浸泡3 次。最后，樣品自然風干后裝入磨口瓶備用。

赤鐵礦單礦物:取鞍千礦業公司強磁選精礦，經弱磁分選后，經搖床5 次分選，得到的產物經0.074 mm 標準水篩，篩下樣品經低溫烘干裝入磨口瓶作為試驗用純礦物。

磁鐵礦單礦物:磁鐵礦礦石取自鞍千手選磁鐵礦富礦，經顎式破碎—對輥破碎—濕式磨礦后，經2 次弱磁選后得到精礦產品，最后經0.074 mm 標準篩水篩，篩下樣品低溫烘干后裝入磨口瓶作為試驗用純礦物。

試驗采用的石英、赤鐵礦、磁鐵礦單礦物的化學成分分析結果見表1、表2、表3。

表1 石英單礦物化學多元素分析結果Table 1 Chemical multi-element analysis of single quartz %

表2 赤鐵礦單礦物化學多元素分析結果Table 2 Chemical multi-element analysis of single hematite %

表3 磁鐵礦單礦物化學多元素分析結果Table 3 Chemical multi-element analysis of single magnetite %

由表1 ～表3 可知，試驗采用的磁鐵礦、赤鐵礦和石英純度較高，可作為試驗用單礦物。為了驗證DYP 反浮選鐵礦石的效果，根據東鞍山鐵礦中磁鐵礦、赤鐵礦和石英的質量分數以及原礦的鐵品位(TFe 47.93%)，混合礦浮選試驗時單礦物配比確定為w(磁鐵礦)∶ w(赤鐵礦)∶ w(石英)=2∶ 3∶ 2。

1.2 試驗藥劑及設備儀器

試驗藥劑:捕收劑DYP、羧甲基淀粉，都為工業級;鹽酸、硫酸、氫氧化鈉，都為分析純。其中，單礦物試驗時DYP 配制成濃度為0.4%使用，人工混合礦浮選時DYP 配制成濃度為0.1%使用，羧甲基淀粉配制成濃度為1.5%使用［3］，氫氧化鈉配制成濃度為2%使用，鹽酸配制成濃度為1%使用。

儀器設備:XFG 型掛槽浮選機，Xshy －81 型遠紅外烤箱，UW220H 電子天平，E －201 － C 型酸度計，DFH 型恒溫干燥箱，標準檢驗篩，XPM－φ180 ×20 型瓷襯球磨機等。

2 試驗結果與分析

單礦物及人工混合礦浮選試驗采用XFGCⅡ型掛槽式浮選機，攪拌轉速為1 992 r/min，浮選時礦漿溫度為25 ℃，試驗流程見圖1。

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圖1 單礦物及人工混合礦物浮選流程Fig.1 Flowsheet of single and artificial mixed ore

2.1 pH 對單礦物可浮性的影響

取3.00 g 礦樣，加入20 mL 蒸餾水，用氫氧化鈉、鹽酸調節礦漿pH，在捕收劑DYP 用量為50 mg/L條件下進行pH 對單礦物浮選影響試驗，結果見圖2。

圖2 pH 對3 種單礦物可浮性的影響Fig.2 Effect of pH on the floatability of the three mono-mineral

從圖2 知:pH 對石英的回收率影響較小，且回收率都在80%以上，當pH 為6.96 時，石英的回收率較高，達到97.33%;在試驗pH 范圍內，磁鐵礦和赤鐵礦基本不上浮，這也正是DYP 可用于鐵礦物反浮選的原因。當pH 為6.96 時，石英和磁鐵礦、赤鐵礦的浮游性差達到最大，并且此時礦漿pH 接近礦漿自然pH，無需添加pH 調整劑，所以捕收劑DYP 用于鐵礦物浮選具有藥劑制度相對簡單的特點。

2.2 捕收劑DYP 用量對單礦物可浮性的影響

取3.00 g 礦樣，加入20 mL 蒸餾水，進行捕收劑DYP 用量對單礦物浮選影響試驗，結果見圖3。

從圖3 可知，石英、赤鐵礦、磁鐵礦3 種單礦物浮選的最佳捕收劑DYP 用量分別為50，200，300 mg/L，當捕收劑用量為50 mg/L 時，赤鐵礦和磁鐵礦的回收率分別為6.50%、4.33%，而此時石英的回收率達到了97.33%，這說明捕收劑DYP 可用于鐵礦物反浮選。同時這也說明了DYP 對這3 種單礦物的捕收能力由強到弱依次為石英＞赤鐵礦＞磁鐵礦。并且在浮選過程中捕收劑DYP 具有選擇性高、捕收能力強，泡沫量適中、黏度小、易消泡、合成成本低的特點，適合用于浮選石英。

圖3 DYP 用量對3 種單礦物可浮性影響Fig.3 Effect of collector DYP dosage on the floatability of the three mono-mineral

2.3 DYP 用量對人工混合礦浮選的影響

取2.80 g 混合礦樣，加入蒸餾水20 mL，進行人工混合礦鐵礦物反浮選DYP 用量試驗，結果見圖4。

圖4 DYP 用量對人工混合礦浮選的影響Fig.4 Effect of collector DYP dosage on the floatability of artificial mixed ore

從圖4 知，當捕收劑用量從10.00 mg/L 逐漸增加至60.00 mg/L 時，精礦鐵品位逐漸上升、鐵回收率不斷下降，但變化幅度均較小，選擇浮選人工混合礦最佳捕收劑DYP 用量為40.00 mg/L，此時獲得的精礦鐵品位為67.02%、回收率為81.27%，分選指標較好。

3 捕收劑DYP 浮選石英的作用機理

3.1 捕收劑DYP 在溶液中的平衡

捕收劑DYP 在溶液中存在以下平衡:

捕收劑DYP 初始濃度為1.0 ×10－4mol/L 時的lgc－pH 關系曲線見圖5，由圖5 知:

圖5 捕收劑DYP 的lgc－pH 圖Fig.5 The lgc-pH of the collector DYP

(1)當pH ＜4.3 時，捕收劑DYP 在溶液中主要以RO(CH2)3NH3+形式存在。

(2)當4.3 ＜pH ＜pHS時，捕收劑DYP 在溶液中主要以RO(CH2)3NH3+、RO(CH2)3NH2(aq)形式存在。

(3)當pH ＞pHS時，溶液中RO(CH2)3NH3+的濃度開始下降，RO(CH2)3NH2(s)在溶液中逐漸累積，而RO(CH2)3NH2(aq)穩定存在于溶液中。所以DYP 能和石英礦物產生靜電吸附的吸附條件為PZC ＜pH ＜pHS［5］。

3.2 捕收劑DYP 在石英表面的吸附形式

捕收劑在石英表面的吸附形式有以下3 種［6］:

(1)靜電吸附。當PZC ＜pH ＜pHS，即石英表面電位和捕收劑DYP 所帶電荷相反時，石英礦物表面有可能與藥劑之間形成靜電吸附。

(2)氫鍵吸附。大多數氧化物在溶液中會形成羥基化表面，因此石英表面含有高電負性的羥基或者—O－;在捕收劑DYP 分子結構中有—NH 基團，所以在石英礦物表面有可能和捕收劑DYP 形成氫鍵，從而發生氫鍵吸附作用。

(3)鍵合作用。單礦物石英中的硅原子屬于p區原子，價電子構型為3s23p2，且沒有空軌道［7］，不可能和帶有孤電子對的基團發生鍵合，因此捕收劑DYP 不可能在石英表面產生鍵合作用。

綜上，捕收劑DYP 在石英表面可能發生的吸附形式是靜電吸附和氫鍵吸附。

3.3 捕收劑DYP 與石英吸附機理分析

捕收劑DYP 初始濃度為0.4%時，pH 對石英表面動電位及可浮性的影響分別見圖6、圖7。

由圖6 可知:當pH 值為2.20 時，石英表面動電位為零，該點為石英零電點;當pH ＜2.20 時，石英表面帶正電，而捕收劑DYP 在該pH 范圍內主要以RO(CH2)3NH3+形式存在，石英表面電性和捕收劑DYP 表面帶電相同，都為正電，因此不可能發生靜電吸附，但石英表面電位發生了微量變化，說明捕收劑DYP在石英表面發生了少量的吸附，因為石英和捕收劑不可能發生鍵合吸附也不可能發生靜電吸附，所以此時石英和捕收劑DYP 只能以氫鍵的形式發生吸附作用。當礦漿pH 逐漸升高但仍低于pHS時，礦漿中［OH－］不斷增大，石英表面吸附的OH－也會持續增多，而此時捕收劑DYP 在礦漿中主要存在形式仍為RO(CH2)3NH3+，石英與捕收劑DYP 之間的靜電吸附力增強;同時，捕收劑DYP 在礦漿中更多地以RO(CH2)3NH2(aq)的形式存在，氫鍵作用力逐漸增強。從圖7 可知:在pH=4 ～10 時，石英的回收率趨于100%，靜電吸附與氫鍵在協同作用下將石英完全捕收。當礦漿pH ＞pHS時，隨著礦漿pH 升高，RO(CH2)3NH3+在礦漿中的濃度降低，靜電吸附力逐漸減弱。捕收劑在礦漿中以RO(CH2)3NH2(S)形式存在，而RO(CH2)3NH2(aq)的存在形式趨于穩定，所以石英與捕收劑DYP 主要以氫鍵的形式相互作用。pH 值為12 左右時，石英回收率為35.1%，比pH 值為3 時的石英回收率高出2.67 個百分點，說明氫鍵作用強于靜電吸附作用。

圖6 pH 對石英表面動電位影響Fig.6 Effect of pH on ζ-potential of quartz

圖7 pH 對石英可浮性的影響Fig.7 Effect of pH on the floatability of quartz

4 結 論

(1)在捕收劑DYP 浮選體系中，石英、赤鐵礦、磁鐵礦這3 種單礦物的可浮性由強到弱依次為石英＞赤鐵礦＞磁鐵礦，DYP 浮選單礦物石英的最佳用量為50 mg/L，此時石英的回收率達到了97.33%，而赤鐵礦和磁鐵礦的回收率分別為6.50%、4.33%，捕收劑DYP 具有很好的選擇性，適合鐵礦物反浮選;當pH=6.96 時，石英和磁鐵礦、赤鐵礦的浮游差達到最大，并且此時礦漿接近自然pH，無需添加pH 調節劑，捕收劑DYP 用于鐵礦石的反浮選具有藥劑制度簡單的特點。

(2)pH 對石英表面動電位及可浮性影響的分析表明，捕收劑DYP 對石英的捕收是靜電吸附和氫鍵吸附協同作用的結果。

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