廣西拜耳法赤泥選鐵預(yù)富集試驗(yàn)研究

王健月，崔衛(wèi)華，張以河，倪　文，劉　軒

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

廣西拜耳法赤泥選鐵預(yù)富集試驗(yàn)研究

王健月1，2，崔衛(wèi)華3，張以河3，倪文1，2，劉軒1，2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

摘要：隨著Al2O3需求量的增長(zhǎng)和鋁土礦品位的降低，赤泥排放量將越來(lái)越大，如何有效地利用赤泥已引起世界各國(guó)的普遍重視。拜耳法赤泥中主要化學(xué)成分為Fe2O3，若將其中的鐵回收利用，不僅可以提高赤泥的利用程度，而且有利于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。本文提出了一條預(yù)富集-深度還原-磁選分離提鐵的技術(shù)路線，通過(guò)使用浮選、單一強(qiáng)磁選、選擇性疏水絮凝-磁選等方法對(duì)廣西赤泥進(jìn)行選別和比較，最終確定使用單一強(qiáng)磁選作為預(yù)富集手段，得到全鐵品位為30.74%的富鐵赤泥，可以為后續(xù)的深度還原試驗(yàn)提供合適的原料。

關(guān)鍵詞：拜耳法赤泥；預(yù)富集；強(qiáng)磁選

赤泥是拜耳法生產(chǎn)Al2O3過(guò)程中排出的工業(yè)固體廢棄物，具有強(qiáng)堿性[1]。目前，采用拜耳法生產(chǎn)1t Al2O3，將產(chǎn)生1.0～1.4 t赤泥。隨著Al2O3需求量的增大和鋁土礦品位的降低[2]，赤泥排放量將越來(lái)越大。目前國(guó)內(nèi)外氧化鋁廠大都將赤泥輸送至堆場(chǎng)，筑壩濕法堆存[3]。大量赤泥的堆放，不但占用土地，且赤泥中的化學(xué)成分滲入土壤，會(huì)造成土地堿化、地下水污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此，對(duì)赤泥進(jìn)行綜合利用方面的研究勢(shì)在必行。

我國(guó)鐵礦資源的主要特點(diǎn)是“貧”、“細(xì)”、“雜”，平均鐵品位32%，比世界平均品位低11個(gè)百分點(diǎn)[4]。而拜耳法赤泥中鐵是主要有價(jià)組分之一，若將其中的鐵回收利用，不僅可以提高赤泥的利用程度，而且有利于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

由于赤泥具有堿性高、粒度細(xì)、礦物成分復(fù)雜等特點(diǎn)，使用常規(guī)選礦方法難以獲得較好指標(biāo)[5-7]，因此提出了一條預(yù)富集-度還原-磁選分離提鐵的技術(shù)路線。已有的大量研究顯示，當(dāng)鐵精礦市場(chǎng)價(jià)格較高時(shí)，品位在30%以上的極難選含鐵物料，通過(guò)深度還原直接回收金屬鐵粉具有經(jīng)濟(jì)可行性[8-10]。本文的研究目標(biāo)是通過(guò)對(duì)廣西拜耳法赤泥的預(yù)富集進(jìn)行研究，為后續(xù)深度還原的研究提供原料。

1試驗(yàn)原料

1.1廣西赤泥

試驗(yàn)所用原料為廣西平果鋁業(yè)生產(chǎn)Al2O3的過(guò)程中排出的工業(yè)固體廢棄物—拜耳法赤泥(以下簡(jiǎn)稱廣西赤泥)，其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，XRD分析圖譜見(jiàn)圖1。由表1可知，赤泥的TFe為21.52%，其他主要成分是Al2O3、SiO2和CaO。由圖1可知，赤泥中鐵的物相主要是赤鐵礦，而赤泥中其它礦物成分包括鈣霞石、鈣鈦礦和水鈣鋁榴石。

表2是廣西赤泥粒度篩析結(jié)果，由表2可知，廣西赤泥小于0.0308mm的含量為82.48%，粒度較細(xì)。

表1　廣西赤泥主要化學(xué)成分分析結(jié)果

圖1廣西赤泥的XRD分析圖譜

表2廣西赤泥粒度篩析結(jié)果

粒級(jí)/mm產(chǎn)率/%鐵品位/%分布率/%+0.15.6023.465.75-0.1+0.0743.2538.135.42-0.074+0.0504.7238.017.85-0.050+0.03083.9532.785.67-0.030882.4820.8675.31合計(jì)100.0021.52100.00

1.2試劑與設(shè)備

試劑和設(shè)備如表3所示。試驗(yàn)所用的藥劑均用蒸餾水配制成濃度為1%的溶液。試驗(yàn)中強(qiáng)磁選采用RK/CSQ-50×70型濕式強(qiáng)磁選機(jī)，浮選試驗(yàn)采用XFD系列單槽浮選機(jī)，選擇性疏水絮凝中攪拌過(guò)程采用XFGC系列掛槽浮選機(jī)，過(guò)濾采用XTLZ-φ260/φ200多用真空過(guò)濾機(jī)，樣品烘干采用101-4型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱。

2試驗(yàn)方案

采用4種預(yù)富集方法對(duì)廣西赤泥進(jìn)行了預(yù)富集試驗(yàn)研究，其工藝流程見(jiàn)圖2。

表3　試驗(yàn)所用藥劑

圖2預(yù)富集試驗(yàn)流程

1)流程1——陰離子正浮選。由于廣西赤泥具有強(qiáng)堿性的特點(diǎn)，因此在進(jìn)行陰離子正浮選時(shí)，未添加pH調(diào)整劑，直接進(jìn)行浮選。首先加入抑制劑水玻璃，抑制硅酸鹽礦物，同時(shí)分散微細(xì)粒赤鐵礦[11]，再加入陰離子捕收劑油酸鈉捕收赤鐵礦。

2)流程2——陰離子反浮選。由于廣西赤泥具有強(qiáng)堿性的特點(diǎn)，因此在進(jìn)行陰離子反浮選時(shí)，未添加pH調(diào)整劑，直接進(jìn)行浮選。首先加入抑制劑淀粉，抑制赤鐵礦，然后加入活化劑CaO，活化硅酸鹽礦物，再加入陰離子捕收劑油酸鈉捕收硅酸鹽礦物。

3)流程3——單一強(qiáng)磁選。廣西赤泥中含鐵礦物主要為赤鐵礦，因此可通過(guò)強(qiáng)磁選進(jìn)行預(yù)集。

4)流程4——選擇性疏水絮凝-磁選法。首先在赤泥中加入六偏磷酸鈉，使其充分分散。然后在赤泥中添加油酸和煤油乳化液并攪拌，使其中的微細(xì)粒赤鐵礦選擇性疏水絮凝，形成大的絮團(tuán)，達(dá)到用強(qiáng)磁選將赤鐵礦有效分離的目的[12]。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1浮選試驗(yàn)

如前所述，廣西赤泥具有強(qiáng)堿性，將其溶于水形成的礦漿中各種成分的反應(yīng)較為復(fù)雜，難以通過(guò)加入酸性溶液準(zhǔn)確調(diào)整礦漿pH值，因此在浮選試驗(yàn)中沒(méi)有進(jìn)行pH值的優(yōu)化試驗(yàn)。

3.1.1陰離子正浮選試驗(yàn)

按照?qǐng)D2流程1進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，陰離子正浮選所得精礦品位為21.93%，僅比原礦品位提高了0.41%，而且尾礦品位為21.22%，與原礦品位相近，說(shuō)明選別效果不明顯。

3.1.2陰離子反浮選試驗(yàn)

按照?qǐng)D2流程2進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4　陰離子正浮選試驗(yàn)結(jié)果

表5　陰離子反浮選試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，陰離子反浮選所得精礦品位為25.29%，但回收率較低，僅為41.01%。

3.2強(qiáng)磁選試驗(yàn)

由上述試驗(yàn)可知，陰離子正浮選和陰離子反浮選難以取得較好的分選效果。為進(jìn)一步提高指標(biāo)，進(jìn)行了強(qiáng)磁選試驗(yàn)。

在磁選的體系中，作用在顆粒上的磁場(chǎng)力(F)可表示為下式[13]。

式中：V是顆粒的體積；Sp和So分別是顆粒和周圍介質(zhì)的磁化率；H是磁場(chǎng)強(qiáng)度；dH/dl是磁場(chǎng)梯度。

由上式可以看出，當(dāng)顆粒粒度減小時(shí)，磁性顆粒和非磁性顆粒所受的磁場(chǎng)力之間的差異變小。因此在選別細(xì)粒物料時(shí)，使用高梯度磁選機(jī)進(jìn)行分選才能取得較好的效果。

根據(jù)上式，改善弱磁性細(xì)粒礦物的磁選效果可以有兩種途徑，首先是提高背景場(chǎng)強(qiáng)和磁場(chǎng)梯度，其次是改變顆粒粒度。在水懸浮液中使細(xì)粒礦物聚集的方法較多，比如電解質(zhì)聚沉、高分子聚合物絮凝、疏水絮凝和磁絮凝等，其中疏水絮凝可以得到更緊密而穩(wěn)定的絮體[14]。因此分別進(jìn)行了單一強(qiáng)磁選試驗(yàn)和選擇性疏水絮凝-磁選試驗(yàn)。

3.2.1單一強(qiáng)磁選試驗(yàn)

由于赤泥粒度較細(xì)，所以無(wú)需磨礦。每次試驗(yàn)取50g赤泥，加水調(diào)整礦漿濃度為5%左右，給入RK/CSQ-50×70濕式強(qiáng)磁選機(jī)，改變背景場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行磁選。按圖2流程3進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　強(qiáng)磁選別背景場(chǎng)強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，當(dāng)背景場(chǎng)強(qiáng)為1273.24kA/m時(shí)，尾礦鐵品位最低且精礦品位較高，預(yù)富集精礦鐵品位可達(dá)30.74%，回收率可達(dá)62.90%。當(dāng)背景場(chǎng)強(qiáng)為954.93kA/m，雖然精礦品位最高，但回收率和產(chǎn)率較低，因此選擇1273.24kA/m為強(qiáng)磁選最佳背景場(chǎng)強(qiáng)。

3.2.2選擇性疏水絮凝-磁選法

由于本次試驗(yàn)是以文獻(xiàn)[12]的試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的進(jìn)一步研究，因此沒(méi)有進(jìn)行各個(gè)因素的調(diào)優(yōu)試驗(yàn)，整個(gè)選擇性疏水絮凝-磁選過(guò)程的所有條件均為取得最佳選別指標(biāo)時(shí)的條件。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，鐵回收率逐漸升高，但是所得精礦的鐵品位迅速下降。因此按照文獻(xiàn)[12]，將磁場(chǎng)強(qiáng)度固定為636.62kA/m。

按照?qǐng)D2流程4進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，選擇性疏水絮凝-磁選法所得的精礦品位為33.37%，回收率為54.21%。

表7　選擇性疏水絮凝-磁選法試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3強(qiáng)磁選精礦產(chǎn)品分析

將單一強(qiáng)磁選和選擇性疏水絮凝-磁選所得的精礦產(chǎn)品分別在掃描電鏡下進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示，其中A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)的能譜分別見(jiàn)圖4、圖5、圖6、圖7。

圖4和圖5中的能譜數(shù)據(jù)顯示，A點(diǎn)和B點(diǎn)的主要元素均為鐵和氧，C點(diǎn)和D點(diǎn)成分較為復(fù)雜，結(jié)合圖3，可以判斷A點(diǎn)和B點(diǎn)均為赤鐵礦，C點(diǎn)和D點(diǎn)應(yīng)為赤泥中的脈石礦物。比較圖3(a)和圖3(b)，經(jīng)過(guò)選擇性疏水絮凝處理過(guò)的磁選精礦顆粒之間結(jié)合更為緊密，有絮團(tuán)結(jié)構(gòu)存在。正是這些絮團(tuán)結(jié)構(gòu)增大了顆粒粒度，改善了強(qiáng)磁選過(guò)程，使得選擇性疏水絮凝-磁選法取得了較好的分選效果。

圖3強(qiáng)磁選精礦掃描電鏡照片

圖4圖3(a)中A點(diǎn)能譜

圖5圖3(b)中B點(diǎn)能譜

圖6圖3(a)中C點(diǎn)能譜

圖7圖3(b)中D點(diǎn)能譜

另外，有研究表明，在進(jìn)行選擇性疏水絮凝-磁選試驗(yàn)的過(guò)程中，加入的煤油可以促進(jìn)油酸溶解，油酸煤油乳化液滴將原本朝向水相的油酸極性基朝向礦物，通過(guò)靜電力和范德華力以及油酸對(duì)鐵礦物的特性吸附作用[15]，起選擇性捕收?qǐng)F(tuán)聚作用，從而提高分選效率，獲得較好的分選結(jié)果。

3.2.4方案比較與分析

1)使用陰離子正浮選和陰離子反浮選效果均較差，不能實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)富集。

2)使用單一強(qiáng)磁選方法對(duì)廣西赤泥進(jìn)行選別，所得精礦品位可達(dá)30.74%，回收率可達(dá)62.90%。工序簡(jiǎn)單，預(yù)富集效果較好。

3)利用選擇性疏水絮凝-磁選雖然可以取得較好的預(yù)富集效果，但作為一種新的選別技術(shù)，理論和工藝上有待進(jìn)一步深入研究，比如所獲得的精礦中藥劑的脫除，以及使用該流程與現(xiàn)有流程的銜接等等。

4結(jié)論

1)本文所用陰離子正浮選和陰離子反浮選手段不能實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)富集。

2)使用單一強(qiáng)磁選方法對(duì)廣西赤泥進(jìn)行預(yù)富集，工序簡(jiǎn)單，所得精礦品位可達(dá)30.74%，回收率可達(dá)62.90%。因此選擇單一強(qiáng)磁選作為廣西赤泥選鐵預(yù)富集的方法，為后續(xù)深度還原試驗(yàn)提供合適的原料。

3)選擇性疏水絮凝磁選理論和工藝上有待進(jìn)一步深入研究。

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The research of recovering iron from Guangxi Bayer process red mud with pre-concentration method

WANG Jian-yue1，2，CUI Wei-hua3，ZHANG Yi-he3，NI Wen1，2，LIU Xuan1，2

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Beijing Key Laboratory on Resource-Oriented Treatment of Industrial Pollutants，Beijing 100083，China；3.China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:With the increasing need for alumina and the decrease of the grade of bauxite，the discharge of red mud becomes an increasingly important problem.Recovering and reusing the Bayer process red mud of which the main content is iron is beneficial for improving the current state of the utilization of red mud and achieving sustainable development.This paper proposed a technical route to recover iron by pre-concentration-deep reduction-magnetic separation.Compared with flotation，selective hydrophobic flocculation-magnetic separation，high-intensity magnetic separation was finally chosen as the pre-concentration method to provide high iron red mud with iron grade of 30.74% which can be a kind of proper feedstock for deep reduction.

Key words：Bayer process red mud；pre-concentration；high-intensity magnetic separation

收稿日期：2015- 08-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2012AA06A109)

作者簡(jiǎn)介：王健月(1991-)，男，碩士研究生。 通訊作者：倪文(1961-)，男，教授，博士，博導(dǎo)，從事深度還原、礦物材料、保溫耐火材料及固體廢棄物資源化研究。

中圖分類號(hào)：TD951

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)05-0124-05