含碳黑色頁巖礦物學特征及碳回收探索試驗*

劉　佳　陳文輝

(六盤水師范學院化學與材料工程學院)

黑色巖系分布廣泛，在亞洲、歐洲、北美洲和大洋洲均有發現，在中國遍及黔、川、湘等十幾個省[1]。在我國南方地區，富有機質黑色頁巖分布較廣泛，同時伴生有多種貴金屬元素、稀有金屬元素、稀土元素等，具有多方面的開發利用價值[2-5]。在貴州開陽、織金等地廣泛分布黑色黏土巖系巖層，巖石類型有硅質巖、薄層狀黑色高碳質頁巖、黑色碳泥質巖、灰黑—深灰綠色碳質泥質細粉砂巖等[6]。一方面黑色頁巖中碳的存在對頁巖中某些有價元素的提取有害[7]；另一方面，富含有機碳的黑色頁巖，碳的回收可提高其利用價值，故對富含碳的黑色頁巖進行了碳回收探索試驗研究，以期為該類含碳黑色頁巖的合理開發利用提供參考依據。

1　原礦性質

1.1　原礦粒度組成

將原礦破碎至-2 mm后，采用標準套篩對原礦進行篩分分析，分析結果見表1。

由表1可知，該黑色頁巖可燃物含量為13.78%，主要集中分布在+0.15 mm粒級及-0.045+0.025 mm粒級中。隨著粒級的減小，可燃物含量逐漸升高，說明該黑色頁巖中可燃物的嵌布粒度較細。

表1　黑色頁巖原礦粒度組成

1.2　原礦礦物學特征

采用掃描電鏡(SEM)對原礦進行礦物學特征分析研究，結果見圖1、圖2。

圖1　黑色頁巖中伊利石掃描電鏡圖像

圖2　黑色頁巖中黃鐵礦掃描電鏡圖像

由圖1、圖2可見，該黑色頁巖以黏土礦物(以伊利石為主)和黃鐵礦為主，含一定量有機質和碳質。礦物嵌布特征主要是微細粒浸染狀，黃鐵礦以微細自形—他形晶體、草莓狀集合體形式星散分布在黏土礦物的晶體間隙中。有機質和碳質在黑色頁巖中未表現出明顯的富集狀態，呈分散分布，不定形。

從礦石性質分析，該礦石屬難選礦石，這主要由以下幾點決定：第一，碳顆粒結晶程度非常差，普通光學顯微鏡無法看出晶形，這就決定了礦石的易泥化性，由于碳顆粒沒有較好的晶體，導致藥劑作用效果較差；第二，黃鐵礦呈顯微浸染狀分布在礦石中，粒度微細，難以解離，且黃鐵礦與碳的可浮性差異不大，導致浮選分離困難；第三，由于礦物的嵌布粒度細，因此需要將礦石進行細磨，以達到礦物的單體解離；第四，原礦石中黏土礦物含量較多，由于其硬度低，容易在磨礦和浮選過程中加劇泥化現象，影響浮選分離。

2　碳回收探索試驗

2.1　碳粗選回收正交試驗

由前期探索試驗可知，在堿性礦漿條件下，浮選效果相差不明顯。因此，以不同的磨礦細度(-0.075 mm含量)、調整劑水玻璃用量、捕收劑煤油用量、起泡劑MIBC用量為考察因素(依次為因素A、B、C、D)進行正交試驗，試驗流程見圖3，試驗因素水平見表2，正交試驗結果見表3。

圖3　粗選正交試驗流程

水平各因素取值A/%B/(g/t)C/(g/t)D/(g/t)1655001005027510002001003851500300150

對表3試驗結果進行極差分析，分析結果見表4。

由表4可知，起泡劑MIBC、捕收劑煤油、調整劑水玻璃、磨礦細度對碳粗精礦中可燃物含量和回收率影響依次降低。以可燃物含量分析，最佳因素水平為D3C3B1A2，即磨礦細度為-0.075 mm 75%、水玻璃用量為500 g/t，煤油用量為300 g/t，MIBC用量為150 g/t的條件下，選別效果較好；以可燃物回收率分析，最佳因素水平為D3C3B2A3，磨礦細度為-0.075 mm 85%、水玻璃用量為1 000 g/t、煤油用量為300 g/t，MIBC用量為150 g/t的條件下，選別效果較好。

表3　粗選正交試驗結果

表4粗選正交試驗極差分析結果%

從正交試驗可知，產品可燃物回收率變化較大，而可燃物含量較穩定，且從粗選主要保證可燃物回收率的角度出發，因此主要以粗精礦中可燃物回收率為標準選擇各因素的最佳水平。

2.2　開路試驗

根據正交試驗所確定的各因素較優值進行驗證試驗，并嘗試進行開路試驗。由于礦物嵌布粒度較細，且礦石容易泥化，影響浮選分離效果，因此采用階磨階選工藝，試驗流程及藥劑用量見圖4，試驗結果見表5。

由表5可知，得到的碳精礦可燃物含量不到40%，且由于產率低，導致可燃物回收率也較低，回收價值不大。分析原因可能是黑色頁巖中的碳顆粒大部分是以微晶形式存在于伊利石晶體間隙中，且碳顆粒沒有較好的晶體，導致浮選藥劑作用效果非常差，使得可燃物含量及回收率都較低。

開路試驗獲得的碳精礦中可燃物含量和回收率都較低，不能直接加以利用，但可將其作為輔助燃料。同時，黑色頁巖中碳的脫除可以降低碳對黑色頁巖中鉬、鎳、釩、鈾等有價元素的浸出提取及回收利用所造成的不利影響，提高黑色頁巖的利用價值。因此，下一步將對黑色頁巖中碳的脫除工藝進行優化研究，提高資源的綜合利用率。

圖4　正交驗證及開路探索試驗流程

3　結　論

(1)某含碳黑色頁巖以伊利石和黃鐵礦為主，含有一定量有機質和碳質。礦物嵌布特征主要是微細粒浸染狀，嵌布粒度極細。

(2)利用浮選方法對碳進行回收，考查了不同工藝參數對碳回收的影響顯著性，結果表明起泡劑MIBC、捕收劑煤油、調整劑水玻璃、磨礦細度對碳粗精礦中可燃物含量和回收率影響依次降低。

(3)通過1次粗選、2次精選得到的碳精礦可燃物含量及回收率都較低，回收價值不大，還需做進一步研究。

(4)后續將針對黑色頁巖中碳的脫除進行優化工藝研究，降低碳對其中有價元素提取造成的不利影響，提高資源利用率。

[1]宋春玉，張杰，李帥.貴州某黑色頁巖硫的遷出實驗研究[J].無機鹽工業，2013，45(10):14-16.

[2]曾慶輝，錢玲，劉德漢，等.富有機質的黑色頁巖和油頁巖的有機巖石學特征與生、排烴意義[J].沉積學報，2006(1):113-122.

[3]王沙，張杰.貴州織金下寒武統黑色頁巖礦物巖石成分及資源利用特征[J].巖石礦物學雜志，2016，35(3):543-552.

[4]邢樹文，孫景貴，劉洪文.高碳黑色頁巖型鉑族元素礦床的成礦性探討[J].地質與勘探，2002(6):17-21.

[5]陳蘭，鐘宏，胡瑞忠，等.湘黔地區早寒武世黑色頁巖有機碳同位素組成變化及其意義[J].礦物巖石，2006(1):81-85.

[6]張杰，孫傳敏，楊國峰，等.貴州下寒武統黑色頁巖稀土元素地球化學特征[J].稀土，2008(2):72-75.

[7]黃彥龍，文書明，柏少軍，等.黑色頁巖系鉬鎳礦脫碳試驗研究[J].礦冶，2013，22(3):39-42.