不同浮選條件對石英最大可浮粒度的影響

趙作光 張志軍

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 100083)

顆粒粒度是影響浮選效果的關鍵因素之一[1]。顆粒過細,雖然解離效果好,但會導致浮選選擇性差,大量的礦物損失在細泥中,造成了巨大的經濟損失和環境污染[2]。顆粒過粗,由于顆粒自身重力作用以及復雜流場引起的離心作用,會導致黏附在氣泡上顆粒的脫附,顆粒越粗,脫附現象越嚴重。

近年來,粗顆粒浮選逐漸受到選礦行業的重視。對于現代礦山來說,粗顆粒浮選的重要性愈發顯著,尤其是碎-磨和尾礦處理過程[3]。當前常規浮選要求入浮粒度大多為-74μm占70%,但這種粒度要求并非適合所有的礦物。如硫化礦性質較脆,在較粗粒級時已有部分達到單體解離,但為了滿足浮選粒度要求,仍需要進行進一步磨礦,此過程中很容易發生過磨且會增加能耗。過磨還會產生較多的質量和動量都很小的微細顆粒,其與氣泡的碰撞概率會降低,且因為有較高的表面自由能會造成浮選藥耗高、礦泥罩蓋、機械夾雜等問題[4],此外還會造成磨礦成本高、產品脫水難等問題。若能提升浮選的粒度上限,實現粗顆粒浮選,優化階段磨礦—階段分選的工藝,不但可以預先拋除大量尾礦,還可以避免微細粒浮選時存在的一系列問題,并且有利于尾礦的資源化利用[5-6]。

早在20世紀開始,國內外的學者就針對粗顆粒浮選回收率低的難題開展了一系列研究,并在機械攪拌式浮選體系下分析了影響粗顆粒浮選的各種因素[7]。

JAMESON[8]和 WELSBY[9]研究發現,粗顆粒回收率低與解離度無關,因為相同粒度下未完全解離的顆粒也具有與完全解離顆粒相同的浮選速率常數。浮選槽內的水動力環境是影響粗顆粒回收率的重要因素,過高或過低的礦漿湍流強度都不利于粗顆粒浮選[10]。史帥星[11]通過研究粗顆粒的懸浮特征,設計開發了一種新型大型充氣機械攪拌式浮選機,大幅提高了粗顆粒回收率。而王燕玲[12]和胡海祥[13]通過改變不同的浮選條件發現調節轉速、充氣量、刮泡速度等可以提升粗顆粒浮選回收率。

粗顆粒浮選需要負載力和穩定性更強的氣泡,泡沫穩定性受顆粒尺寸的顯著影響。FARROKHPAY[14]和BOURNIVAL[15]認為顆粒在對泡沫相的穩定性方面比起泡劑的作用更大,微細顆粒的存在可以減少氣泡兼并,并提供一個結構更穩定的泡沫層。而LI[16]和NAZARI[17-18]則發現通過改變充氣方式而產生微細氣泡的條件下,粗粒石英(10～425μm)的回收率最高可提升20%。這可能是因為微細氣泡會提升顆粒與氣泡的碰撞概率,且多個氣泡可以黏附在一個顆粒上形成哄抬效應,提高粗顆粒的回收率。

本文以石英為研究對象,探究葉輪轉速、充氣量、礦漿濃度、粒度組成等因素對最大可浮粒度的影響。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用石英礦取自安徽鳳陽某石英廠,按試驗需求將其分成細粒級(0.8～0.1 mm)和粗粒級(1.6～0.8 mm)浮選入料由粗細兩種粒級組成,主要化學成分分析結果見表1。

表1 石英單礦物化學成分分析結果Table 1 Chemical composition analysis results of quartz single mineral %

從表1可知,石英試樣的純度較高,SiO2含量達99.34%,主要雜質為Al2O3和Fe2O3,其含量均較低,滿足石英純礦物試驗的要求。試驗所用試劑十二胺(十二胺用醋酸等摩爾比促溶后加水配置成醋酸鹽溶液使用)、鹽酸、氫氧化鈉、仲辛醇、煤油均為分析純。

1.2 試驗方法

浮選試驗在XFD型掛槽式浮選機中進行,預先攪拌1min,然后按照試驗要求依次加入調整劑、捕收劑,每次加入藥劑后攪拌2 min,充氣30 s,浮選時間4 min。

作用在顆粒氣泡上的力按作用效果可以分為脫附力和黏附力,SCHULZE[19]將顆粒與氣泡受到的脫附力和黏附力的比值定義為邦德數Bo。經過后來學者的不斷改進,GOEL[20]提出了修正后邦德數Bom,當Bom=1時,顆粒受到的脫附力剛好等于黏附力,顆粒處于臨界脫附狀態,上浮概率為50%,此時的顆粒粒度稱為最大可浮粒度。本研究將得到的浮選精礦和尾礦產品分別進行過濾、烘干、測粒、稱重,計算各個粒級的產率,以浮選精礦產率為50%的粒度作為該條件下石英的最大可浮粒度。

2 試驗結果與分析

2.1 捕收劑用量及pH值對最大可浮粒度的影響

捕收劑對浮選過程的影響非常顯著,選擇合適的捕收劑并確定其作用的最佳條件可以有效提升浮選效果。試驗采用十二胺作為捕收劑,十二胺與石英的作用以物理吸附為主,吸附方式包括單層吸附和多層吸附。浮選入料粒度組成為:0.8～0.1 mm占50%,1.6～0.8 mm占50%。十二胺用量對石英最大可浮粒度的影響如圖1所示。

圖1 最大可浮粒度與十二胺用量的關系曲線Fig.1 Relationship curve between maximum floatable particle size and dodecylamine dosage

從圖1可以看出,隨著十二胺用量從500 g/t增加到2 500 g/t,最大可浮粒度從0.42 mm提升到1.04mm,此后隨著用量的繼續增加,最大可浮粒度基本不變。

浮選時礦漿pH值可以通過改變礦物表面的電性影響捕收劑與礦物的作用,合適的pH區間可以提升十二胺與石英作用強度,進而提升可浮粒度。在十二胺用量為2 500 g/t時,以HCl和NaOH作為pH調整劑,探究pH值對石英最大可浮粒度的影響,結果見圖2。

圖2 最大可浮粒度與pH值的關系曲線Fig.2 Relationship curve between maximum floatable particle size and pH value

從圖2可以看出,最大可浮粒度在pH值為7時達到最大,為1.17 mm。在pH值為7及十二胺用量為2 500 g/t的條件下進行后續試驗。

2.2 礦漿濃度對最大可浮粒度的影響

礦漿濃度是影響浮選效果的重要參數之一。礦漿濃度的變化可以改變礦漿內的含氣量,還可以影響顆粒-氣泡間的相互作用。因此,選擇合適的礦漿濃度,對于可浮粒度的提升也有一定的幫助。改變不同的礦漿濃度,探究礦漿濃度變化對最大可浮粒度的影響,結果見圖3。

圖3 最大可浮粒度與礦漿濃度的關系曲線Fig.3 Relationship curve between maximum floatable particle size and pulp concentration

從圖3可以看出,隨著礦漿濃度從5%增加到10%,最大可浮粒度也從1.17 mm提升到1.24 mm。礦漿濃度增加,顆粒與氣泡的碰撞幾率提升,一些顆粒在高濃度條件下產生哄抬效應,降低了粗顆粒從氣泡上脫落的幾率。而隨著礦漿濃度從10%增加到25%,最大可浮粒度也隨之降低到0.87 mm。這可能是因為隨著礦漿濃度的進一步提升會阻礙顆粒與氣泡的自由碰撞,并加劇顆粒間的相互碰撞,增大顆粒與氣泡間的脫附力,使得顆粒從氣泡上的脫附概率增大從而惡化浮選效果。以10%礦漿濃度作為后續試驗條件。

2.3 轉速和充氣量對最大可浮粒度的影響

顆粒與氣泡的碰撞、黏附、脫附是浮選的重要過程,而浮選時礦漿的流體條件對這3個過程具有較大影響。礦漿的流體條件主要受到葉輪轉速和充氣量的影響。在上述浮選條件下,改變葉輪轉速和充氣量,探究轉速和充氣量對石英最大可浮粒度的影響,結果見圖4。

圖4 最大可浮粒度與葉輪轉速和充氣量的關系曲線Fig.4 Relationship curve between maximum floatable particle size and impeller speed and inflation

從圖4可以看出,在充氣量一定時,葉輪轉速對最大可浮粒度的影響可分為3個階段:

第一階段,當葉輪轉速從900 r/min增加到1 500 r/min時,礦漿的紊流程度增加,粗顆粒被湍流帶起,同時顆粒與氣泡的碰撞概率也增加,浮選效果變好,最大可浮粒度也隨之增加。

第二階段,當轉速在1 500～2 100 r/min間時,礦漿紊流程度雖然增加但能維持在一個比較合適的區間,顆粒與氣泡的相互作用較好,最大可浮粒度基本不變。

第三階段,當葉輪轉速超過2 100 r/min時,礦漿的紊流程度進一步增大,這雖然使得顆粒氣泡的碰撞概率增加,但由于顆粒自身重力作用以及復雜流場引起的離心力作用,會導致黏附在氣泡上顆粒的脫附,尤其對于粗顆粒,脫附現象更加嚴重,最大可浮粒度降低。

從圖4還可以看出,充氣量對最大可浮粒度的影響可以分為兩個階段:

第一階段,當充氣量從40 L/h增加到80 L/h時,隨著充氣量的增加,浮選槽內氣泡量增多,石英的最大可浮粒度也隨著上升。

第二階段,當充氣量從80 L/h增加到120 L/h時,在轉速低于1 200 r/min時,隨著充氣量的增加,最大可浮粒度基本不變。在轉速高于1 200 r/min時,隨著充氣量的增加,最大可浮粒度降低,這可能是高充氣量增加了浮選槽內的紊流程度,增加了顆粒與氣泡的脫附概率。

2.4 粒度組成對最大可浮粒度的影響

浮選過程中泡沫穩定性是浮選的關鍵條件,除了表面活性劑外,浮選入料的粒度組成對浮選泡沫的穩定性也有很大影響。為了探究粒度組成對最大可浮粒度的影響,改變浮選入料中細顆粒的粒度及占比,探究粒度組成對石英最大可浮粒度的影響,結果見圖5。

圖5 最大可浮粒度與粒度組成的關系Fig.5 Relationship between maximum floatable particlesize and particle size composition

從圖5可以看出,當細顆粒粒度一定時,其占比從20%增加到80%時,最大可浮粒度也隨著增加,顆粒粒度越細,這種提升就更加明顯。而當細顆粒占比一定時,隨著細顆粒粒度從0.2～0.1 mm提升到0.8～0.6mm時,最大可浮粒度也隨之降低。這可能是因為單獨浮選粗顆粒時難以形成穩定的泡沫,而細顆粒則可以黏附在氣泡上,提高氣泡的強度,并避免氣泡的兼并,提供更加緊密穩定的泡沫層,進而提升最大可浮粒度。

以上研究表明,細顆粒的粒度及占比對粗顆粒浮選有很大影響。為了進一步驗證細顆粒對粗顆粒浮選的影響,改變細顆粒粒度及占比,探究粒度組成對粗顆粒(0.8～1 mm)產率的影響,結果見圖6。

圖 6 1.0～0.8 mm粒度產率與粒度組成的關系Fig.6 Relationship between 1.0～0.8mm particle size yield and particle size composition

如圖6所示,當不添加細顆粒時,單獨浮選粗顆粒(1.0～0.8 mm),其產率為64.35%。當添加細顆粒時,在細顆粒占80%的條件下,隨著細顆粒粒度從0.2～0.1 mm增加到0.8～0.6 mm,其對粗顆粒的產率提升也從18.34個百分點降低到7.66個百分點;當細顆粒占60%時,其對粗顆粒產率提升從14.26個百分點降低到3.77個百分點。同一粒度條件下,當細顆粒占比從60%提升到80%時,粗顆粒產率也能提升3～4個百分點。以上都表明了細顆粒的粒度及占比對粗顆粒浮選有較大影響。

2.5 起泡劑及細顆粒對最大可浮粒度的影響

細顆粒的存在可以強化氣泡進而提升粗顆粒浮選產率。由于捕收劑十二胺本身就具有一定的起泡性,因此在常規浮選的過程中無需單獨加入起泡劑,但隨著入料粒度和粗顆粒占比的增加,十二胺自身產生的氣泡強度有所不足,因此考慮單獨加入起泡劑來增強氣泡強度,強化浮選過程。

在浮選入料中0.8～0.6 mm粒度級占60%條件下,考察不同種類起泡劑及用量對最大可浮粒度的影響,結果見圖7。

圖7 最大可浮粒度與起泡劑種類及用量的關系曲線Fig.7 Relationship curve between maximum floatable particle size and type and dosage of frother

從圖7可以看出,隨著兩種起泡劑用量從0增加到400 g/t時,最大可浮粒度從0.96 mm分別提升到1.14 mm(仲辛醇)、1.12 mm(松醇油)。隨著起泡劑用量的繼續增加,最大可浮粒度基本不變。

起泡劑和細顆粒(占浮選入料60%)對最大可浮粒度的影響如圖8所示。

圖8 最大可浮粒度與起泡劑用量及細顆粒粒度的關系g.8 Relationship between maximum floatable particle size and dosage of frother and fine particlesFi

從圖8可以看出,當細顆粒粒度小于0.4 mm時,仲辛醇對最大可浮粒度的提升很小,這是因為十二胺本身具有一定的起泡性,而細顆粒的存在可以起到類似起泡劑增強氣泡穩定性的作用,如圖9所示。但隨著細顆粒粒度的增加,其穩定氣泡的能力隨之下降,當細顆粒粒度超過0.6 mm時,其穩定氣泡的能力下降,此時仲辛醇的加入可以增強氣泡的穩定性,提升最大可浮粒度,與不加仲辛醇相比可提升0.18 mm。

圖9 細顆粒與起泡劑穩定泡沫示意Fig.9 Schematic diagram of fine particles and frother stabilizing foam

3 結 論

(1)捕收劑十二胺用量的增加會提升石英的最大可浮粒度,在用量達2 500 g/t后達到最大提升效果,在礦漿pH值為7時,十二胺對石英的捕收能力最強。礦漿濃度也會影響最大可浮粒度,在礦漿濃度為10%時,最大可浮粒度達到最大值。

(2)礦漿紊流程度是影響最大可浮粒度的關鍵因素,其主要受到葉輪轉速和充氣量的影響。在葉輪轉速1 500 r/min、充氣量80 L/h時最大可浮粒度達到最大值。過低的轉速和充氣量無法沖起粗顆粒,不能為顆粒與氣泡的碰撞提供合適的環境。過高的轉速和充氣量提供的流體環境會加劇顆粒間的碰撞,加大顆粒在氣泡上滑動時產生的離心力,從而導致顆粒脫落。

(3)穩定的氣泡也是提升粗顆粒回收率的關鍵因素,浮選時加入細顆粒或者提高細顆粒的占比可以起到和起泡劑一樣穩定氣泡的作用,穩定的氣泡可以提升粗顆粒浮選回收率,而隨著細顆粒粒度的增加,其穩定氣泡的能力也隨之減弱。