藥劑的磁化處理對赤鐵礦浮選的影響及機理研究

李鳳久 孔亞然 趙留成 賈清梅

(華北理工大學礦業工程學院,河北 唐山 063000)

磁化處理最早應用于醫學領域,在13世紀,物理學家格爾休發現了磁化處理水的醫療作用,北宋《圣濟總錄》記載磁石煉水可治療小兒驚癇。1945年,比利時韋梅朗發現磁化處理水可減少鍋垢的產生,然而直到蘇聯提出該技術可能改變水系的物理化學性質的假設后,磁化處理才引起廣泛關注[1]。21世紀以來,磁化處理技術逐漸在礦物加工領域受到重視[2-3]。研究表明[4-7],磁化處理能夠強化捕收劑與目的礦物的作用,降低浮選過程中的藥劑用量,同時提高浮選回收率。水是選礦過程中重要的介質,而磁化處理能夠改變水溶液的電導率、蒸發速度、滲透壓等物理化學性質,提高水溶解氧量及一些鹽類的溶解度,降低表面張力和黏度,對選礦過程具有重要意義[8-9]。

眾多研究表明,將磁化技術應用于鐵礦浮選具有積極作用[10-12],磁化處理浮選藥劑可以加強赤鐵礦顆粒間的絮凝作用,磁化油酸鈉對鈦鐵礦的選擇性增大。目前對磁化處理的研究多集中于磁感應強度和磁化時間等對浮選的影響,鮮有磁場位型對磁化效果影響的研究。為進一步了解油酸鈉體系下磁化處理對赤鐵礦和石英浮選分離效果的影響,通過純礦物和人工混合礦試驗,研究了磁化處理中磁感應強度、磁化時間、磁場位型對油酸鈉的捕收效果,并從表面張力、電導率和Zeta電位等方面分析作用機理。

1 試驗原料、裝置及方法

1.1 試驗原料

赤鐵礦原礦樣取自淡水河谷國際公司,TFe品位為64.38%,SiO2含量為2.25%。經洗礦、破碎、磨礦、重選、弱磁選、脫磁,制得赤鐵礦純礦物樣品,TFe品位為66.11%,純度為94.52%。石英純礦物為美國尤尼明高純石英砂,純度 99.99%,含鐵小于3×10-5%。對赤鐵礦和石英純礦物進行XRD分析,結果如圖1所示。

由圖1可知,赤鐵礦純礦物中含赤鐵礦和微量針鐵礦,石英純礦物中未發現其他雜質。

通過NKT6100-D激光粒度儀進行粒度分析,結果表明:赤鐵礦純礦物的D50為50.64μm,石英純礦物的D50為62.24μm。

本試驗所用藥劑均為分析純,NaOH和HCl作為pH值調整劑,油酸鈉作為赤鐵礦的捕收劑;浮選用水為超純水,試驗前浮選用水和藥劑均水浴加熱至25℃。

1.2 試驗裝置

浮選試驗所用設備為XFGⅡ5掛槽浮選機;磁化處理由實驗室自制磁化裝置實現,磁化裝置結構示意如圖2所示,浮選藥劑在圖3所示區域磁化,通過調節激磁電流和2個磁極的間距來改變磁場中心位置的磁感應強度,更換磁場位型(圖4)來改變磁化區域的磁場分布。

圖2 磁化裝置結構示意Fig.2 Structural diagram of magnetizing device

圖3 磁化區域示意Fig.3 Schematic diagram of magnetization area

圖4 磁場位型示意Fig.4 Schematic diagram of magnetic field configuration

1.3 試驗方法

(1)磁化處理。將0.01 mol/L的油酸鈉溶液(40.0 mL)置于磁化裝置中磁化,攪拌轉速600 r/min,在一定磁化條件下對浮選藥劑進行磁化處理。

(2)浮選試驗。在XFGⅡ5掛槽浮選機浮選槽內加入5.0 g赤鐵礦或石英純礦物,并加入45.0 mL一定pH值的超純水,攪拌3 min,加入油酸鈉,攪拌3 min,手動刮泡5 min。所得產品過濾、烘干、稱重,計算回收率。

(3)表面張力測定。按(1)中所述方法對油酸鈉溶液進行磁化處理,磁化完成后立即用BZY系列全自動表面張力儀測其表面張力。

(4)電導率測定。按(1)中所述方法對油酸鈉溶液進行磁化處理,磁化完成后立即用STARTER 3C電導率儀測其電導率。

(5)Zeta電位測定[12-13]。稱取-5μm礦樣50 mg,置于40.0 mL、pH=9的氫氧化鈉溶液中,加入藥劑作用5 min,取均質溶液進行Zeta電位測定。

2 試驗結果及分析

2.1 不同磁場位型下磁感應強度分布模擬

利用Ansys Electronics電磁模擬軟件建立Maxwell 3D模型,對該磁化裝置進行模擬,磁場中心點磁感應強度150 mT時不同磁場位型條件下的磁感應強度分布如圖5、圖6所示。

圖5 磁極中心連線所在垂直面磁感應強度分布Fig.5 Distribution ofmagnetic induction intensity on the vertical plane where the center line of magnetic pole is located

圖6 磁極間隙中心面磁感應強度分布Fig.6 Distribution of magnetic induction intensity on the central surface of magnetic pole gap

通過分析圖5、圖6可知,從1號磁場位型到5號磁場位型,磁化區域(磁化處理浮選藥劑時藥劑所在區域)內磁場的不均勻程度逐漸降低,磁場梯度減小。

2.2 未磁化處理條件下油酸鈉用量試驗

前期試驗確定浮選機轉速為2 100 r/min,礦漿pH=9。在此基礎上進行油酸鈉用量試驗,結果如圖7所示。

圖7 未磁化處理條件下油酸鈉用量試驗Fig.7 Sodium oleate dosage test without magnetizing treatment

由圖7可知,隨著油酸鈉用量的增加,赤鐵礦和石英回收率均增大。油酸鈉用量為2×10-4mol/L時,赤鐵礦回收率為54.65%,油酸鈉用量為4×10-4mol/L時,赤鐵礦回收率為94.72%;繼續增加藥劑用量,赤鐵礦回收率變化不明顯。為了更直觀地研究磁化處理對浮選的影響,后續試驗油酸鈉用量定為2×10-4mol/L。

2.3 磁化處理浮選藥劑對純礦物浮選的影響

2.3.1 磁感應強度試驗

在浮選機轉速2 100 r/min,礦漿 pH=9、油酸鈉用量2×10-4mol/L、磁化時間8 min、1號磁場位型的條件下考察磁感應強度對赤鐵礦和石英浮選效果的影響,結果如圖8所示。

圖8 磁感應強度對浮選效果的影響Fig.8 Influence of magnetic induction on flotation effectintensity

由圖8可知,隨著磁感應強度的增大,赤鐵礦回收率先增大后降低;隨著磁感應強度的增大,石英回收率基本不變,認為磁化處理浮選藥劑不影響石英浮選。磁感應強度為150 mT時,赤鐵礦回收率達到最大值,因此后續試驗磁感應強度定為150 mT。

2.3.2 磁化時間試驗

在浮選機轉速2 100 r/min,礦漿 pH=9、油酸鈉用量2×10-4mol/L、磁感應強度150 mT、1 號磁場位型的條件下研究磁化時間對赤鐵礦和石英浮選效果的影響,結果如圖9所示。

圖9 磁化時間對浮選效果的影響Fig.9 Influence of magnetization time on flotation effect

由圖9可知,隨著磁化時間的延長,赤鐵礦回收率先增大后降低;隨著磁化時間的延長,石英回收率基本不變。磁化時間為6 min時,赤鐵礦回收率達到最大值,因此后續試驗磁化時間定為6 min。

2.3.3 磁場位型試驗

在浮選機轉速2 100 r/min,礦漿 pH=9、油酸鈉用量2×10-4mol/L、磁感應強度150 mT,磁化時間6 min的條件下研究磁場位型對赤鐵礦和石英浮選效果的影響,結果如圖10所示。

圖10 磁場位型對浮選效果的影響Fig.10 Influence of magnetic field configuration on flotation effect

由圖10可知,1號磁場位型條件下,赤鐵礦回收率最高。而5種磁場位型下石英回收率基本一致。因此,后續試驗磁場位型定為1號。結合圖5和圖6可知,從1號磁場位型到5號磁場位型,磁化區域內磁場的不均勻程度降低,1號磁場位型條件下磁場的不均勻程度最高,表明磁場梯度的提高有利于磁化處理強化赤鐵礦的浮選。

2.4 機理分析

為了研究磁化處理浮選藥劑強化赤鐵礦回收的作用機理,測定了不同磁化條件下溶液表面張力、電導率及Zeta電位,結果見圖11～圖13。

圖11 磁感應強度對水系性質的影響Fig.11 Influence of magnetic induction intensity on water system properties

圖13 磁場位型對水系性質的影響Fig.13 Influence of magnetic field configuration on water system properties

由圖11可知,磁感應強度從0增長到150 mT,油酸鈉的表面張力從24.6 mN/m增長到25.4 mN/m,電導率從35.9μs/cm降低至41.6μs/cm,赤鐵礦的Zeta電位從-35.24mV增長到-51.47mV,石英的Zeta電位幾乎不變;繼續增大磁感應強度,油酸鈉的表面張力趨于平穩,電導率緩慢減小,赤鐵礦的Zeta電位減小,石英的Zeta電位幾乎不變。

由圖12可知,磁化時間從0增加到6 min,藥劑的表面張力從24.6 mN/m增長到25.4 mN/m,電導率從35.9μs/cm降低至44.9μs/cm,Zeta電位從-35.24 mV增長到-54.77 mV,繼續增加磁化時間,油酸鈉的表面張力趨于平穩,電導率緩慢減小,赤鐵礦的Zeta電位減小,石英的Zeta電位幾乎不變。

圖12 磁化時間對水系性質的影響Fig.12 Influence of magnetization time on water system properties

由圖13可知,1號磁場位型條件下,油酸鈉的表面張力、電導率和赤鐵礦的Zeta電位絕對值均最大。

少量油酸鈉就能顯著降低水的表面張力,再增加溶液濃度,溶液表面張力幾無變化,油酸鈉的臨界膠束濃度(CMC)為1.025×10-3mol/L[14-15]。磁化處理后油酸鈉溶液的表面張力增大,說明油酸鈉溶液中的表面活性組分發生變化。油酸鈉溶液中分子離子絡合物濃度最大時,表面張力最低[12,16-17]。因此,磁化處理后油酸鈉溶液中分子離子絡合物占比減少,絡合物分解,油酸根離子和油酸根離子二聚物增加,油酸鈉對赤鐵礦的捕收能力增強。溶液的電導率與溶液中的離子種類和離子濃度有關[4],磁化處理后油酸鈉溶液的電導率增大,說明磁化處理促進了油酸的電離,溶液中油酸根離子增多,有利于藥劑在赤鐵礦表面的吸附。Zeta電位的變化說明磁化處理后油酸根離子在赤鐵礦表面的吸附增強[12],提高了赤鐵礦的可浮性,與電導率、表面張力結果一致。

2.5 人工混合礦浮選

在純礦物試驗確定的最佳條件下對人工混合礦(赤鐵礦和石英質量比為7∶3)進行分選試驗,結果如表1所示。

表1 人工混合礦浮選試驗結果Table 1 Flotation test results of artificial mixed ore %

由表1可知,磁化處理浮選藥劑和未磁化相比,混合礦精礦TFe品位和回收率均有不同程度的提高。磁化處理浮選藥劑時精礦TFe品位提高了0.77個百分點,TFe回收率提高了6.75個百分點,磁化處理對赤鐵礦和石英的浮選分離有積極作用。

3 結 論

(1)在浮選機轉速2 100 r/min、pH=9、油酸鈉用量2×10-4mol/L的條件下研究磁化處理浮選藥劑對赤鐵礦和石英浮選的影響,純礦物試驗結果表明,適宜的磁感應強度和磁化時間磁化處理浮選藥劑有利于赤鐵礦和石英的浮選分離,當磁感應強度為150 mT、磁化時間為6 min、1號磁場位型時,赤鐵礦回收率達78.27%,相較未磁化條件下提高了23.62個百分點。

(2)表面張力、電導率和Zeta電位測試結果表明,磁化處理后溶液中油酸鈉離子濃度增加,油酸根離子在赤鐵礦表面的吸附增強,有利于赤鐵礦和石英的浮選分離。

(3)人工混合礦浮選試驗結果表明,和未磁化時相比,磁化處理浮選藥劑時精礦TFe品位提高了0.77個百分點,TFe回收率提高了6.75個百分點,磁化處理對赤鐵礦和石英的浮選分離有積極作用。