微細粒輝鉬礦疏水聚團及聚團浮選研究

楊丙橋 黃鵬亮 張漢泉 賈菲菲

（1.武漢工程大學興發礦業學院，湖北武漢430073；2.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北武漢430070）

輝鉬礦是一種層狀礦物，具有各向異性的特點，即面上強疏水、棱上強親水［1］。輝鉬礦的疏水性取決于其面棱比，面棱比越大，疏水性越強，反之，則親水性越強［2］。研究表明，10～100 μm粒級輝鉬礦由于具有較高的面棱比，疏水性強，可浮性較好，-10μm粒級輝鉬礦面棱比急劇減少，導致其浮選行為變差，難以回收［3］。隨著輝鉬礦資源不斷被開發和消耗，大量高品位易選礦石逐漸被開采殆盡，富礦和易處理礦石資源日益減少，導致現階段可用輝鉬礦資源呈現貧、細、雜的特點［4-6］。為了充分回收這類礦石中的鉬資源，常常需要通過細磨才能實現輝鉬礦的充分單體解離，然而微細粒難以通過浮選方法有效回收，主要是因為微細粒礦物與氣泡的碰撞和黏附機率小，而且微細粒浮選會造成藥劑消耗量大、捕收劑非選擇性吸附、泡沫層過于穩定和機械夾雜等問題［7-8］。

浮選速率常數與顆粒粒度密切相關，通過絮凝作用將微細粒礦物形成聚團可以增大顆粒表觀粒度，從而有效增加顆粒與氣泡的碰撞與黏附概率，改善其浮選行為。疏水聚團是增加顆粒粒度的一種有效方式，疏水聚團是指在外界動能輸入條件下，顆粒之間由于疏水作用力而形成的聚團［9-10］。其形成的聚團具有表面疏水、強度高、結構致密等特點，而且具有與相同粒級常規顆粒相似的浮選行為，在微細粒礦物浮選領域應用前景廣闊［11］。本文以聚團粒度與規則度為表征手段，詳細探討微細粒輝鉬礦疏水聚團過程攪拌速度、攪拌時間、煤油用量等因素對聚團形成、破壞與重組的影響。并在此基礎上研究了微細粒輝鉬礦聚團浮選行為。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

試驗用輝鉬礦為上海一基生物試劑有限公司銷售的天然輝鉬礦。為避免輝鉬礦表面殘留的浮選藥劑對試驗結果的影響，先將輝鉬礦置于CS2溶液中浸泡48 h，然后在真空干燥箱中干燥48 h，制得試驗用輝鉬礦樣品。圖1為制得的輝鉬礦樣品的X射線衍射圖，由圖1可知，輝鉬礦的特征峰明顯，且樣品中未檢測到雜質，說明試驗輝鉬礦純度較高。對該樣品進行的化學組成分析結果表明，輝鉬礦純度為96.41%，與X射線衍射結果一致。

圖2為輝鉬礦樣品的累計粒度分布，圖3為輝鉬礦樣品的掃描電子顯微鏡圖。

由圖2、圖3可知，97%以上輝鉬礦顆粒小于10μm，其中70%以上小于5μm。

試驗用水為超純水。煤油為乳化煤油，配制過程為：將1 g煤油和100 mL超純水的混合物通過高速攪拌器在12 000轉/min的條件下攪拌5 min，然后通過超聲波清洗儀分散5 min。

1.2 試驗方法

微細粒輝鉬礦疏水聚團試驗在圓柱形攪拌槽中進行。將1.5 g輝鉬礦置于620 mL去離子水中，懸浮液首先用磁力攪拌器攪拌5 min，然后用超聲波超聲處理5 min以充分分散微細粒礦物（pH=3.80）。分散完成后將懸浮液轉移至攪拌槽中，按設定試驗條件，加入煤油，調節攪拌速度攪拌一定時間后停止攪拌。取50 mL懸浮液樣品，加入適當的水稀釋后，用馬爾文Mastersizer Hydro 2000MU測量聚團粒度，聚團粒度用d50進行表征。選取稀釋后的懸浮液樣品滴至載玻片上，在相同曝光度和放大倍數下，使用萊卡DMLP光學顯微鏡拍攝載玻片不同視野區域聚團照片約20張，然后將照片導入NI Vision assistant 2014圖像處理軟件，測量每個聚團的周長和投影面積。聚團平均規則度Df由式（1）定義，為了獲得聚團平均規則度，首先繪制logP-logA散點圖，然后進行線性回歸分析，斜率的2倍即為聚團平均規則度。

其中，Df為聚團平均規則度，P為聚團周長，A為聚團投影面積。Df值在1～2之間變化，1代表聚團趨于球形，2代表聚團趨于鏈狀。

輝鉬礦浮選在哈利蒙德浮選管中進行。在上述攪拌槽中實現煤油對微細粒輝鉬礦的疏水聚團，然后將其轉入到浮選管中，在充氣量為50 mL/min條件下浮選2 min，將泡沫產品和槽內產品分別過濾、烘干、稱重，計算回收率。

2 試驗結果與討論

2.1 聚團形成和破碎

圖4為在煤油用量為20 mg/L條件下，輝鉬礦聚團粒度d50在不同攪拌速度下隨攪拌時間的變化規律。

由圖4可知：前10 min內，聚團粒度隨著攪拌時間的延長而增大，10 min后，聚團粒度趨于穩定；聚團粒度隨著攪拌速度的增加先提高后降低，攪拌速度越高，聚團粒度越大，攪拌速度過高時，聚團粒度反而下降。這是因為微細粒輝鉬礦需要較高的外界動能輸入以實現團聚，但是過高的動能輸入使得聚團的破壞速度大于聚團的形成速度，上述結果與前人的研究結果相一致。

圖5為攪拌速度為1 300轉/min時，不同煤油用量條件下輝鉬礦聚團粒度d50隨攪拌時間的變化規律。

從圖5可以看出：在不同煤油用量條件下，聚團粒度隨著攪拌時間增加而增加，聚團粒度隨著煤油用量的增加而顯著增大，當煤油用量從10 mg/L增加至60 mg/L時，輝鉬礦聚團粒度從12.9μm增大至24.73μm（攪拌時間為5 min），煤油不僅可以增加聚團粒度，而且增加了聚團形成速率，添加煤油可以促進微細粒輝鉬礦聚團。

圖6為攪拌時間為10 min時，不同煤油用量條件下，攪拌速度對輝鉬礦聚團粒度d50的影響。

由圖6可知：在相同煤油用量條件下，隨著攪拌速度的增加，輝鉬礦聚團粒度先增大后減小；煤油用量越高，破壞聚團所需要的攪拌速度越大，當煤油用量由10 mg/L增加到60 mg/L時，破壞聚團需要的最小攪拌速度由1 600轉/min提高到2 000轉/min，這表明煤油的添加不僅可以增大輝鉬礦聚團粒度，還可顯著地提高聚團的強度。

通常認為，疏水聚團過程需要通過強剪切力為顆粒提供足夠動能從而形成聚團，因此在較低攪拌速度下，聚團粒度隨著攪拌時間增加而增加。另一方面，在湍流慣性負區，聚團破碎取決于聚團的強度和剪切速率，聚團強度隨著攪拌強度和聚團粒度的增加而降低，而聚團破壞作用力隨著攪拌強度增加而急劇增加，因此當攪拌強度達到某個值以后，作用在聚團上破碎力超過聚團強度，從而導致聚團破碎。但是，煤油的添加可以極大增加聚團強度，使得聚團具有抵抗高剪切力破碎的能力［12］。

圖7為攪拌轉速為2 000轉/min時，不同煤油用量條件下，攪拌時間對輝鉬礦聚團粒度d50的影響。

從圖7可以看出：當溶液體系中未添加煤油時，輝鉬礦基本不形成聚團；隨著煤油用量的增加，輝鉬礦聚團的粒度逐漸增大；煤油用量為10 mg/L時，前3 min，聚團形成占主導地位，聚團粒度隨攪拌時間延長而增大，3 min后，聚團破碎變得明顯，聚團粒度隨攪拌時間延長而減小，5 min后，聚團破壞和聚團重組基本達到平衡，此時聚團粒度保持不變；當煤油用量增加至20 mg/L時，攪拌時間超過3 min后，聚團開始被破壞，但破壞程度較煤油用量為10 mg/L時減弱，這主要是由于煤油用量增加，聚團強度增大，其抵抗外力的能力增強；當煤油用量增加至60 mg/L時，聚團粒度僅在攪拌時間超過10 min時受到較弱破壞；此外，還可以注意到，當煤油用量越高時，引起聚團破碎所需的攪拌時間越長。這再次證明添加煤油可以增強聚團強度以抵抗剪切作用。

2.2 聚團規則度

圖8為攪拌時間為8 min時，在不同試驗條件下的輝鉬礦聚團光學顯微照片。

從圖8可以看出，圖（a）和（b）中聚團較規則，趨于球形，聚團內部無明顯的孔隙，而圖（c）和（d）中聚團不規則，呈支鏈裝，聚團內部有明顯空隙。因此，增加煤油用量，提高攪拌速度可以提高聚團強度。

圖9為攪拌時間為10 min時，不同煤油用量下攪拌速度對輝鉬礦聚團規則度的影響。

由圖9可知，在相同攪拌速度下，煤油用量越高，Df越小，表明聚團越趨于球形，這主要是因為煤油吸附于輝鉬礦表面后增強了其疏水性，并且使得疏水顆粒之間形成橋連作用，從而形成致密聚團［9］；在相同煤油用量下，聚團Df隨著攪拌速度增加而減小；在煤油用量為60 mg/L條件下，當攪拌速度由800轉/min增加到2 000轉/min，聚團Df由1.28降低到1.15。這主要是因為疏水聚團形成和破壞是一個動態過程，聚團邊形成邊破壞，進行重組，攪拌速度越大，破壞作用力越大，聚團中強度較弱的支鏈就越容易被打碎，打碎小塊再和其他聚團進行重組時會變得更規則，因而Df逐漸變小。

2.3 聚團浮選

圖10為常規微細粒輝鉬礦與聚團后輝鉬礦可浮性比較。

由圖10可知：聚團的形成能夠顯著改善微細粒輝鉬礦上浮率；對攪拌速度為1 600轉/min，煤油用量為40 mg/L條件下形成的聚團進行浮選，輝鉬礦在2 min左右上浮率達到86%，而采用常規浮選時，在相同煤油用量條件下，輝鉬礦上浮率在4 min時才達到70%。因此，浮選速率常數與顆粒粒徑密切相關，即聚團浮選過程中浮選速率的提高是由于顆粒形成聚團而增加了顆粒粒徑所致。

圖11為煤油用量為40 mg/L時，攪拌速度和攪拌時間對輝鉬礦上浮率的影響（攪拌時間為0時所對應的輝鉬礦上浮率是通過常規浮選方法獲得的）。

由圖11可知：輝鉬礦聚團的上浮率隨著攪拌時間增加先增加，在達到最大值后趨于穩定；不同攪拌速度下的最大上浮率隨著攪拌速度的增加而增加，當攪拌速度由800轉/min增加到1 600轉/min時，輝鉬礦聚團最大上浮率由72.4%增加到86.8%，即聚團浮選能獲得比常規浮選更高的回收率。另外，獲得最大上浮率的臨界攪拌時間與攪拌速度緊密相關，攪拌速度越高，臨界攪拌時間越短，與微細粒方鉛礦和閃鋅礦聚團浮選行為一致［11］。即動能的輸入是為了幫助疏水顆粒克服能壘，讓顆粒靠近從而形成聚團，因此，攪拌速度提高，顆粒獲得的動能增加，達到最佳浮選粒度和獲得較好浮選效果所需時間縮短。

圖12為在攪拌速度為1 800轉/min、攪拌時間為8 min條件下，煤油用量對聚團后輝鉬礦上浮率的影響。

由圖12可知：輝鉬礦的上浮率隨著煤油用量的增加而增加，增加幅度逐漸變小；當煤油用量由20 mg/L增加到60 mg/L時，上浮率由61.9%增加到93.0%。因此，煤油添加量是影響微細粒輝鉬礦聚團浮選過程非常重要的參數。煤油能夠改善聚團浮選效果是因為煤油能夠增加聚團粒度和密度，進而增加聚團和氣泡之間黏附力，增大顆粒表面疏水性［9］。

3 結論

（1）聚團的形成速度取決于攪拌速度，攪拌速度越高，聚團形成越快。煤油在聚團的形成過程中起著非常重要的作用，煤油用量越高，聚團形成速度越快。增加煤油用量可以顯著提高團聚強度，以承受高應力剪切，煤油用量越高，聚團破碎和重組所需要的攪拌速度越大，時間越長。攪拌速度越高，煤油用量越大，聚團越規則。

（2）聚團使得微細粒輝鉬礦的可浮性提高，聚團浮選效果與疏水聚團形成過程中攪拌強度緊密相關，攪拌速度越高，達到最大上浮率所需時間越短，添加煤油能夠顯著提高聚團上浮率。試驗結果為提高微細粒輝鉬礦選別回收效果提供了技術依據。