湖北某中低品位膠磷礦反浮選脫鎂試驗研究*

何翔昊,李智力,唐 遠,何東升,池汝安,2,秦 芳,涂冉東,李 志

(1.武漢工程大學 資源與安全工程學院,磷資源開發利用教育部工程研究中心,湖北 武漢 430074;2.湖北省三峽實驗室,湖北 宜昌 443007)

0 引言

磷礦是一種重要的農業和工業原料,廣泛應用于軍工、醫藥、食品等領域[1]。我國磷礦資源豐富,主要分布在云南、貴州、四川、湖北、湖南等地[2]。湖北省的磷礦資源集中分布于宜昌、荊門、襄陽、神農架等地區,以中低品位膠磷礦為主,品位低、嵌布粒度細、開發利用難度大,須經選礦后才可利用[3-4]。浮選是目前選別磷礦最常用的方法[5],常見的浮選工藝有單一正浮選、單一反浮選、正-反浮選、反-正浮選、雙反浮選、同步反浮選等[6]。由于我國磷礦中碳酸鹽含量較高,而碳酸鹽的可浮性與磷灰石相近,故正浮選工藝在工業上應用較少[7]。目前主要通過反浮選來分離磷礦物與碳酸鹽等脈石礦物,其中單一反浮選工藝更適合高鎂磷礦脫鎂,此法的關鍵在于選擇性能優異的脫鎂捕收劑或磷礦抑制劑[8-10]。脂肪酸類捕收劑常被用于磷礦反浮選脫鎂,但是存在選擇性差、耐低溫性能弱、藥劑消耗大、對礦漿中的雜質離子敏感等缺陷[11]。將脂肪酸復配使用,可以更好地發揮藥劑的協同作用,從而提高其選擇性、水溶性和分散性[12]。

本文以湖北某中低品位膠磷礦為研究對象,采用自制的脂肪酸類捕收劑HLF進行單一反浮選脫鎂試驗,探討該捕收劑對膠磷礦的浮選效果,以期為我國中低品位磷礦的高效利用提供參考。

1 原料性質及試驗方法

1.1 礦石性質

本次試驗樣品取自湖北某地膠磷礦,外觀呈乳白色,對原礦進行定量X射線熒光光譜(XRF)和X射線衍射(XRD)分析,結果見表1、表2。

表1 原礦多元素分析結果 單位:%

表2 原礦主要礦物組成 單位:%

由表1可知,原礦P2O5品位為19.37%,MgO質量分數為9.90%,SiO2質量分數為10.43%,其他成分含量較低,屬于典型的低品位高鎂膠磷礦。由表2可知,原礦主要由白云石和氟磷灰石組成,含有少量的石英和方解石。其中主要的脈石礦物為白云石,宜采用單一反浮選脫鎂浮選流程。

1.2 試驗藥劑及儀器設備

試驗藥劑:自制脂肪酸類藥劑(HLF,脂肪酸、脂肪醇類氧化物,陰離子表面活性劑按照一定比例混合得到);油酸鈉:分析純,購自上海麥克林生化科技股份有限公司;磷酸:分析純,購自國藥集團化學試劑有限公司;硫酸:分析純,購自西隴化工股份有限公司;試驗用水均為實驗室級蒸餾水。

主要儀器設備:XFD型單槽浮選機,RK/ZL-φ260/φ200多功能真空過濾機,101-4A電熱鼓風干燥箱,電子天平(FA224),XSHF2-3型濕式分樣機,φ240×300棒磨機和萬用爐。

1.3 試驗方法

稱取礦樣1 000 g,在固液比1∶1條件下磨礦,分樣后得到6份樣品,將礦漿倒入單槽浮選機預先攪拌2 min后加入pH調整劑,攪拌30 s后加入捕收劑,調漿30 s后充氣刮泡3 min。泡沫產品為尾礦,槽內產品為精礦,將精礦和尾礦分別抽濾、烘干、稱質量、化驗,最后計算產率、P2O5品位、回收率和選礦效率。精礦P2O5回收率計算公式為ε=β×γ/α,選礦效率計算公式為E=(ε-γ)×100%,其中β為精礦P2O5品位,γ為精礦產率,α為原礦P2O5品位[13]。浮選流程見圖1。

圖1 單一反浮選試驗流程

2 試驗結果與討論

2.1 磨礦細度試驗

礦物的單體解離是實現目的礦物和脈石礦物有效浮選分離的基本條件,為研究磨礦細度對該磷礦浮選的影響,在捕收劑HLF用量為0.8 kg/t、pH調整劑磷酸用量為16 kg/t的條件下,通過改變磨礦時間、調節磨礦細度進行單一反浮選試驗,結果見圖2。

圖2 不同磨礦細度對浮選指標的影響

由圖2可知:精礦品位隨著磨礦細度的增加呈上升趨勢,在磨礦細度-0.074 mm占70%后上升趨勢減緩,基本保持不變;精礦回收率隨著磨礦細度的增加呈下降趨勢,從90.47%降至85.21%;精礦品位和回收率在磨礦細度-0.074mm占70%時較好,選礦效率在磨礦細度-0.074 mm占70%時達到極大值29.95%。磨礦細度小時,由于有用礦物和脈石礦物未單體解離,導致浮選效率不高。而當磨礦細度大時,過多的細粒級礦物可能會惡化浮選效果,同時增加磨礦成本。綜合考慮各項浮選指標,確定最佳磨礦細度為-0.074 mm占70%。

2.2 磷酸用量試驗

磷礦單一反浮選脫鎂是在礦漿pH為5.0～6.5的弱酸性中進行的,磷酸常作為礦漿pH調整劑和磷礦抑制劑。磷酸能夠抑制磷礦物主要是由于磷酸氫根離子對磷灰石表面鈣離子的特性吸附,同時碳酸鹽在酸性介質中其表面會形成微泡,可以提高浮選時氣泡的附著概率[14],有利于磷礦反浮選。為了探究磷酸用量對該礦石反浮選指標的影響,在磨礦細度-0.074 mm占70%、捕收劑HLF用量為0.8 kg/t的條件下進行磷酸用量試驗,結果見圖3。

圖3 磷酸用量對浮選指標的影響

由圖3可知:隨著磷酸用量的增加,精礦品位呈先升高后下降的趨勢,在磷酸用量為12 kg/t時達到最大值28.24%,精礦品位整體超過25%,分選效果較好;精礦回收率呈逐漸升高趨勢,選礦效率先升高后趨于平緩。在磷酸用量為18 kg/t時,精礦品位為27.7%,回收率為92.21%,選礦效率為30.78%。磷酸用量小于18 kg/t時,各浮選指標均呈上升趨勢,磷酸用量大于18 kg/t時,由于抑制劑用量過大,不僅磷礦物的浮選受到抑制,而且白云石的浮選也會受到抑制,因此精礦品位和選礦效率均有所降低。綜合考慮各項浮選指標,確定最佳磷酸用量為18 kg/t。

2.3 捕收劑HLF用量試驗

捕收劑的用量對磷礦浮選有著重要影響,用量少時達不到分選效果,用量多時會降低浮選選擇性,同時還會造成藥劑的浪費。在磨礦細度-0.074 mm占70%、磷酸用量為18 kg/t的條件下考查捕收劑HLF用量對浮選效果的影響,結果見圖4。

圖4 捕收劑用量對浮選指標的影響

由圖4可知:隨著捕收劑用量的增加,精礦品位呈先上升后下降的趨勢,在捕收劑用量為1.6 kg/t時達到最大值;選礦效率也呈先上升后下降的趨勢,回收率整體呈下降趨勢。當捕收劑用量為1.6 kg/t時,由于精礦品位和選礦效率均較高(精礦品位為30.64%,選礦效率為33.17%),此時由于捕收劑用量較大,在浮出脈石礦物的同時,部分含磷礦物也被一同浮出而導致回收率相對較低,精礦回收率為81.89%,效果較好。當捕收劑用量小于1.6 kg/t時,精礦品位和選礦效率均呈上升趨勢,這是由于隨著捕收劑用量的增加,白云石上浮量增加,且增加的趨勢大于磷礦物上浮的趨勢。當捕收劑用量大于1.6 kg/t時,精礦品位和選礦效率均顯著下降,浮選選擇性下降。綜合考慮各項浮選指標,確定最佳捕收劑HLF用量為1.6 kg/t。

2.4 浮選產品分析

對磨礦細度-0.074 mm占70%、磷酸用量為18 kg/t、捕收劑HLF用量為1.6 kg/t時所得浮選磷精礦進行XRF多元素分析,對所得浮選精礦和尾礦進行掃描電鏡能譜分析(SEM-EDS),結果分別見表3、圖5。

圖5 單一反浮選脫鎂浮選產品SEM-EDS分析結果

表3 精礦樣品多元素分析結果 單位:%

由表3可知,P2O5品位由原礦的19.37%富集到了30.95%,MgO質量分數由原礦的9.90%降到了1.34%,脫鎂率為86.5%,指標較好,說明HLF對氟磷灰石和白云石具有很好的分選效果。

由圖5(a)可知:顆粒1的磷含量高,為磷礦物顆粒;顆粒2主要元素為硅,因此為硅質礦物;顆粒3的鎂含量高,極有可能是少量未脫除的白云石礦物。由圖5(b)可知,顆粒1和顆粒3的鎂含量高,為反浮選出來的白云石;顆粒2的磷含量高,是少量被夾帶的磷礦物顆粒。從外觀上看,膠磷礦和白云石的表面形態不一樣,同時,從圖5(a)和圖5(b)可以看出,膠磷礦表面多孔、不光滑、呈球粒狀,而白云石等脈石礦物表面較平坦,多棱角,呈菱面體。因此,結合元素組成和形貌分析可知,單一反浮選精礦中大部分為磷礦物顆粒,脈石礦物含量低,反浮選尾礦中含磷礦物較少,脈石礦物含量高。在最佳的分選條件下,磷灰石和白云石實現了較好的分離。

2.5 抑制劑優化試驗

硫酸和磷酸常用作磷礦反浮選pH調整劑和抑制劑,磷酸對于磷礦的抑制效果較硫酸好,硫酸有價格低廉的優勢[15]。硫酸和磷礦物表面發生反應,生成磷酸氫根離子,吸附于磷礦表面,阻止捕收劑在磷礦表面的吸附?？紤]浮選成本,將浮選所用磷酸替換為硫酸,考查硫酸用量對單一反浮選的影響,結果見圖6。

圖6 硫酸用量對浮選指標的影響

由圖6可知,隨著硫酸用量的增加,精礦品位、回收率、選礦效率呈上升趨勢,均在20 kg/t時達到最大值,此時精礦品位為30.49%、回收率為84.47%、選礦效率為34.09%。與磷酸用量試驗相比,硫酸作pH調整劑時,精礦品位和選礦效率與磷酸作pH調整劑時相差不大,回收率比磷酸作抑制劑時高2.57%。綜合考慮浮選指標和經濟效益,選擇硫酸作為pH調整劑。

2.6 捕收劑對比試驗

為了比較自制脂肪酸類捕收劑HLF與傳統脂肪酸類捕收劑油酸鈉的浮選效果,用油酸鈉代替HLF進行捕收劑用量試驗,結果見圖7。

圖7 油酸鈉用量對浮選指標的影響

由圖7可知:隨著油酸鈉用量的增加,精礦品位變化趨勢不明顯,選礦效率變化趨勢也不明顯,回收率略有下降;當油酸鈉用量為2.0 kg/t時,精礦品位為25.87%,回收率為94.27%,選礦效率為25.9%。以HLF為捕收劑時,在最佳條件下精礦品位為30.49%,回收率為84.47%,選礦效率為34.09%。由此可見,以HLF為捕收劑時精礦品位比油酸鈉高4.62%,選礦效率高8.19%。捕收劑HLF對氟磷灰石和脈石礦物的分選效果比油酸鈉更好,這是由于捕收劑HLF為脂肪酸、脂肪醇類氧化物,陰離子表面活性劑按照一定比例混合得到,脂肪醇類氧化物和陰離子表面活性劑主要起到兩個作用:①脂肪醇類氧化物和陰離子表面活性劑與脂肪酸共吸附于白云石表面,增強了白云石表面的疏水性,提高了白云石的可浮性;②脂肪醇類氧化物和陰離子表面活性劑的加入可以調節浮選過程產生的泡沫,使得泡沫性能更適應于白云石礦物的浮選。

3 結論

a.湖北某磷礦原礦P2O5品位為19.37%,MgO質量分數為9.90%。在磨礦細度-0.074 mm占70%、磷酸用量18 kg/t、捕收劑HLF用量1.6 kg/t的條件下,以自制脂肪酸類藥劑HLF作為捕收劑,通過一次反浮選脫鎂可以得到精礦P2O5品位為30.95%、回收率為81.89%、選礦效率為33.17%、精礦MgO質量分數為1.34%、鎂脫除率為86.5%的良好指標。

b.通過對反浮選精礦進行XRF多元素分析、對精尾礦進行掃描電鏡能譜分析,發現氟磷灰石與白云石得到了較好的浮選分離,表明HLF是一種良好的膠磷礦脫鎂捕收劑。

c.浮選優化試驗結果表明,用硫酸替換磷酸作為抑制劑可達到同樣的浮選效果,且能降低選礦成本。通過對比HLF和油酸鈉單一反浮選脫鎂指標,發現HLF相比油酸鈉有更為優異的反浮選脫鎂性能。