超聲分離-內(nèi)磁選法測定赤褐鐵中磁性鐵的含量

余 蕾

(新疆礦產(chǎn)實驗研究所,烏魯木齊 830000)

鐵是世界上發(fā)現(xiàn)最早、利用最廣、用量最多的一種金屬。鐵礦石是鋼鐵生產(chǎn)最主要的原料[1-2]。近年來,隨著中國鋼鐵產(chǎn)量的大幅度增長,鐵礦石的需求量迅猛增加,這使得原來不具有經(jīng)濟意義的鐵礦床被重新開發(fā)利用[3-6]。而鐵礦石中磁性鐵的占有率是評價鐵礦床工業(yè)價值和劃分礦石工業(yè)類型的標(biāo)準(zhǔn),也是查明礦石中主要有用組分鐵的含量,以及圈定礦體、估算資源/儲量的主要依據(jù)[5]。

目前我國尚無磁性鐵分析的標(biāo)準(zhǔn)方法,實驗室對磁性鐵含量的測定主要采用手工內(nèi)磁選法和手工外磁選法選出鐵礦石中磁性鐵后用重鉻酸鉀容量法測定[6-8]。對于一般強磁性、易分離的鐵礦來說,手工內(nèi)磁選法和手工外磁選法均能得到較好的檢測結(jié)果。但赤褐鐵礦中的磁性鐵往往磁性較弱,并且與赤褐鐵難于分離,采用手工外磁選法容易造成磁性鐵損失;采用手工內(nèi)磁選法時則要用力研磨,才能將磁性物與非磁性物分離,并且要反復(fù)研磨進行內(nèi)磁選,直至樣品中的紅色消失。此過程不僅耗時耗力,得到的結(jié)果再現(xiàn)性和重現(xiàn)性也不好。

超聲波是一種頻率高于20 000 Hz的聲波,具有方向性好、穿透能力強、易于獲得較集中的聲能的特性,現(xiàn)已被用于測距、清洗、碎石、殺菌消毒等領(lǐng)域。超聲波的空化機制是超聲化學(xué)的主動力,可加快粒子運動速率,形成破壞粒子的力,從而使許多物理化學(xué)過程急劇加速,對乳化、分散、萃取以及其他各種工藝過程有很大的促進作用[9-10]。因此,本工作將超聲波應(yīng)用于赤褐鐵中磁性鐵的分離,建立了超聲分離-內(nèi)磁選法測定赤褐鐵中磁性鐵的含量的方法,該方法較手工研磨分離更省力、更快速,結(jié)果也更穩(wěn)定。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

KQ-800KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器;萬分之一分析天平。

重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液:稱取于150 ℃烘干2 h的重鉻酸鉀基準(zhǔn)物質(zhì)3.511 9 g,加水溶解后全部移至2 L容量瓶中,用水定容。1 mL此溶液相當(dāng)于鐵的質(zhì)量為2 mg,即滴定度為2 g·L-1。

氯化亞錫溶液:100 g·L-1,稱取氯化亞錫10 g溶于熱鹽酸10 mL 中,溶解完全后用水稀釋至100 mL。

鎢酸鈉溶液:250 g·L-1,稱取鎢酸鈉250 g溶于50 mL磷酸中,用水稀釋至1 L。

三氯化鈦溶液:15 g·L-1,將三氯化鈦溶液50 mL與50%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸溶液(即鹽酸與水的體積比為1∶1)300 mL混合,現(xiàn)配現(xiàn)用。

二苯胺磺酸鈉溶液:10 g·L-1,將二苯胺磺酸鈉1.00 g溶于50%(體積分?jǐn)?shù))硫酸溶液(即硫酸與水的體積比為1∶1)0.5 mL 中,用水稀釋至100 mL。

硫-磷混酸溶液:將磷酸150 mL 加至700 mL水中,再緩慢加入150 mL硫酸,冷卻備用。

內(nèi)磁選磁鐵:圓柱或條形均可,長10～12 cm,直徑均2 cm,外面罩以封閉的銅管套,磁場強度約90×103/4π·A·m-1。

外磁選磁鐵:圓形或方形磁鐵,磁場強度約90×103/4π·A·m-1。

鐵礦石物相分析國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 07271、GBW 07272、GBW 07273、GBW 07274、GBW 07275、GBW 07276);新疆某赤褐鐵礦區(qū)樣品1～10號,粉碎后過0.1 mm篩;重鉻酸鉀為基準(zhǔn)試劑;三氯化鈦溶液為市售,質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%～20%;氯化亞錫、鎢酸鈉、二苯胺磺酸鈉、硫酸、鹽酸和磷酸均為分析純;試驗用水為去離子水。

1.2 試驗方法

1.2.1 磁 選

稱取過0.1 mm 篩的試樣0.200 0～0.500 0 g置于250 mL燒杯中,加入水50～100 mL。將燒杯放入超聲波清洗器中超聲10 min左右,用帶有銅套的永久磁鐵伸入水中,將永久磁鐵吸住的磁性物用水沖洗移入另一燒杯中,重復(fù)吸取-沖洗操作2～3次,直至所有的磁性物全部轉(zhuǎn)移至另一燒杯中,完成一次超聲內(nèi)磁選。將盛有磁性鐵的燒杯放入超聲波清洗器超聲,重復(fù)超聲內(nèi)磁選操作,直至樣品中赤褐鐵的紅色消失(磁性物在水中呈無色)。

1.2.2 溶樣及測定

將上述得到的磁性物轉(zhuǎn)至干凈的250 mL 燒杯中(如有磁性物漂浮在水面,可加入數(shù)粒洗衣粉攪拌以消除表面張力,待無磁性物漂浮后可用外選磁鐵放入燒杯底部并將水傾倒完全),加入鹽酸10 mL,在電熱板上于140～160 ℃溶解4 min,趁熱用100 g·L-1氯化亞錫溶液將溶液還原至淡黃色,用水沖洗燒杯內(nèi)壁,加水至100 mL。加入250 g·L-1鎢酸鈉溶液1 mL,用15 g·L-1三氯化鈦溶液將試樣還原至淡藍色,放置在空氣中至藍色消失后,立即加入硫-磷混酸溶液15 mL 和二苯胺磺酸鈉指示劑3～5滴,用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至穩(wěn)定的紫色即為終點,并按公式(1)計算磁性鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù):

式中:w為磁性鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;T為重鉻酸鉀對鐵的滴定度,2 g·L-1;V為滴定體積,m L;m為稱樣質(zhì)量,g。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲分離和手工研磨分離磁性鐵的試驗對比

將新疆某赤褐鐵礦區(qū)樣品1～10 號粉碎后過0.1 mm 篩,稱取0.200 0 g置于250 mL燒杯中,平行稱取4 份,其中2 份超聲10 min 后內(nèi)磁選,另2份手工研磨后內(nèi)磁選,均反復(fù)操作直至磁性物在水中呈無色,再按照試驗方法進行溶樣及測定。3位檢測人員同時進行試驗,結(jié)果見表1。

表1 超聲分離和手工研磨分離磁性鐵的試驗結(jié)果Tab.1 Results of magnetic iron separation by ultrasonic wave and manual grinding %

由表1可知:3位檢測人員的超聲分離結(jié)果較平行,手工研磨分離的結(jié)果比超聲分離的結(jié)果普遍要高,并且重現(xiàn)性和再現(xiàn)性較超聲的差。這是由于超聲波強大的聲能轉(zhuǎn)化為機械能后能有效將磁性鐵與非磁性物質(zhì)分離,手工研磨結(jié)果因人而異,研磨時間、研磨次數(shù)和研磨程度均會影響試驗結(jié)果。另外,10個樣品采用超聲分離需要1 d左右,而手工研磨分離則需要3～4 d。綜上可知,超聲分離的效率要比手工研磨分離的高。

2.2 磁場強弱的影響

內(nèi)選磁鐵和外選磁鐵的磁場強弱是磁選的關(guān)鍵因素之一。磁性太弱就不能將磁性鐵完全選出;磁場太強會將一些能夠磁化的非磁性物帶入磁選部分,導(dǎo)致結(jié)果偏高。試驗使用的內(nèi)選磁鐵和外選磁鐵的磁場強度均約為90×103/4π·A·m-1。

2.3 內(nèi)磁選和外磁選的試驗對比

將新疆某赤褐鐵礦區(qū)樣品1～10 號粉碎后過0.1 mm 篩,稱取0.200 0 g置于250 mL燒杯中,平行試驗4份,其中2份加水50～60 mL超聲后使用外磁選法,即用外選磁鐵置于燒杯底部吸住磁性部分,將其他部分傾倒出去;而另2 份加入水50～60 mL超聲后使用內(nèi)磁選法,即使用帶有銅套的永久磁鐵伸入水中,將永久磁鐵吸住的磁性物用水沖洗移入另一燒杯中。各自重復(fù)操作直至磁性物在水中呈無色,再按照試驗方法進行溶樣及測定。3位檢測人員同時進行試驗,結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)磁選和外磁選的分離結(jié)果Tab.2 Results of internal and external magnetic separation %

由表2可知:外磁選結(jié)果比內(nèi)磁選結(jié)果普遍要低,外磁選的再現(xiàn)性也較差。原因可能是超聲將顆粒物分散擊碎,一些小顆粒磁性鐵因水表面張力而漂浮在水面上,若此時選擇外磁選法,就會將漂浮在水面上的磁性鐵傾倒出去,造成結(jié)果偏低。因此,對于磁性弱的赤褐鐵礦來說,內(nèi)磁選法是更穩(wěn)定有效的方法。故試驗選擇內(nèi)磁選法。

2.4 溶樣溫度和溶樣時間的選擇

溶解磁性鐵時,適當(dāng)加熱有利于反應(yīng)的進行,但溫度不宜過高,溫度過高會使溶液沸騰,導(dǎo)致三氯化鐵揮發(fā)損失。根據(jù)實際情況,溶樣溫度應(yīng)控制在140～160 ℃。

試驗選用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07271、GBW 07272、GBW 07273、GBW 07274、GBW 07275和GBW 07276,在其他試驗條件不變的情況下溶樣3～6 min,考察了溶樣時間對磁性鐵測定結(jié)果的影響,結(jié)果見表3。

由表3可知:溶樣時間太短,磁性鐵不能完全溶解,測定結(jié)果偏低;溶樣時間太長會將其他非磁性物溶解,造成結(jié)果偏高。因此,試驗選擇溶樣時間為4 min。

表3 溶樣時間對測定結(jié)果的影響Tab.3 Effect of sample dissolving time on determination result %

2.5 方法的準(zhǔn)確度和精密度

按試驗方法測定國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07271、GBW 07272、GBW 07273、GBW 07274、GBW 07275和GBW 07276中的磁性鐵的含量,平行測定6 次,并計算測定值的相對誤差的絕對值(|RE|)和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果見表4。其中,RSD 由6組數(shù)據(jù)的平均值(X)除以標(biāo)準(zhǔn)偏差計算得出,允許RSD%＝14.37×X-0.126-7.659;RE由6組數(shù)據(jù)的X減去參考值后除以參考值計算得出,允許|RE|%＝2-0.5×14.37×X-0.126-7.659[11]。

表4 精密度和準(zhǔn)確度試驗結(jié)果(n＝6)Tab.4 Results of tests for precision and accuracy(n＝6)

由表4可知:測定值和參考值基本一致,RE 和RSD 均在規(guī)定允許限。說明超聲對磁性并無影響,不會改變樣品的磁性結(jié)構(gòu)。

本工作采用超聲分離-內(nèi)磁選法測定赤褐鐵礦中的磁性鐵,考察了溶樣時間和溶樣溫度對測定結(jié)果的影響。該方法快速、便捷,精密度和準(zhǔn)確度均比較理想,解決了赤褐鐵中磁性鐵測定穩(wěn)定性差的問題。