黄铁矿是地壳中分布最广的一种硫化矿物，它的主要成分是二硫化亚铁(FeS₂)，常呈立方体、五角十二面体等晶形或块状集合体。纯黄铁矿中含有46.67%的铁和53.33%的硫，因此在工业上黄铁矿又称之为硫铁矿^[1]。对“硫”而言，它是在工业化学生产过程中所需的一种重要原料物质，同时也是一种最基本的化工原料，主要被应用于制造硫酸和硫磺^[2]。硫的总消耗量的85%以上是供化学工业作为制硫酸的原料，少部分用以制硫磺及其他化合物^[3]。

黄铁矿常与黄铜矿、铅锌矿、煤等共伴生，是铜、铅、锌精矿中主要杂质矿物^[4]。其冶炼过程中硫转化为二氧化硫，大部分硫形成硫化氢和硫醇、硫醚等气态有机硫化合物。产生酸雨，污染环境，破坏生态平衡^[5]。随着我国对环保越来越重视，对精矿质量的要求越来越严。因此，需要对矿物中的黄铁矿进行脱除，用的方法是浮选法^[6]。目前，研究者主要关注浮选新药剂^{[7, 8]}、粒度^[9]、晶体结构^[10-12]、水化层^[13]、金属离子^[14]、颗粒间的交互作用^[15]等对黄铁矿浮选的影响及作用机理，忽视了矿浆温度对浮选的影响。国内外研究中，温度对浮选的影响主要集中在氧化矿的浮选中，如温度影响硫化反应、脂肪酸类捕收剂的溶解，而对硫化矿的浮选影响很少报道。在实际生产中，部分硫化矿选厂在冬季和夏季矿浆温度差别大，技术经济指标出现明显的季节性波动，药剂用量变化幅度较大，更为严重的甚至导致停产，如高寒地区西藏和云南地区很多硫化矿选矿厂冬季由于温度较低导致停产，造成了巨大的经济损失。由此可见矿浆温度的影响不可忽视，必须着重考虑。目前最常用的解决方式就是加温浮选，矿浆需加温到一定温度，否则浮选效果很差。但选矿厂矿浆量很大，如果单纯为了调整温度，而将大量矿浆加温，成本较高。因此，研究矿物的低温浮选，寻找出其低温难浮本质的原因，对于高硫矿物低温高效浮选提质意义重大。

试验所使用的黄铁矿取自彝良驰宏矿业有限公司高品位原矿，通过人工筛选、手工破碎、研磨、干筛后得到-0.15+0.075 mm的纯矿物，其化学元素分析见表 1，纯矿物的中Fe、S的含量分别为46.41%、53.24%，其他元素含量较少。其XRD元素分析见图 1，从图中可以看出，杂质峰较少，结合元素分析可以确定黄铁矿的纯度在95.00%以上。试验使用的丁黄药产自株洲浮选药剂有限公司，起泡剂2#油、pH值调整剂盐酸和氢氧化钠均产自天津第三化学试剂厂，试验所用的水为去离子水。

表 1(Table 1)

表 1 黄铁矿纯矿物化学多元素分析结果 Table 1 Chemical composition analysis of pyrite

表 1 黄铁矿纯矿物化学多元素分析结果 Table 1 Chemical composition analysis of pyrite 元素 Fe S Zn Pb SiO2 其他 含量/% 46.41 53.24 0.042 0.01 0.17 0.128

图 1(Fig.1)

图 1 黄铁矿的XRD分析结果 Fig.1 X-ray diffraction patterns of pyrite

单矿物浮选试验所用浮选机为40 mL的XFG-Ⅱ挂槽型浮选机，主轴搅拌转速固定为1 950 r/min。每次试验采用2.0 g的黄铁矿，先用超声波清洗5 min，然后用40 mL去离子水冲入到浮选槽中，并采用NaOH和HCl调节矿浆pH值，按要求添加指定药剂并调浆，其中调浆时间均为3 min，浮选时间为5 min，浮选结束后将泡沫产品和槽内产品分别过滤、烘干、称重并计算回收率，其计算公式如下所示^[16]：回收率=上浮产品质量/(上浮产品质量+未上浮产品质量)×100%。

Zeta电位测试在beckman coulter公司生产的A53878宽动态电位仪上进行。试验时先取1.0 g粒度为-0.013 mm的细粒纯矿物，采用超声波清洗多次。然后将细粒矿物加入到烧杯中，加入去离子水沉降较粗颗粒后再虹吸至容量瓶中，如此反复定容成1 000 mL备用。每次试验抽取出10 mL溶液，调浆至指定条件并采用注射器将含有细粒矿物的上层悬浮液注入到电泳槽中进行Zeta电位测试，每次试验重复5次，取5次试验的平均值为该条件下的Zeta电位数据。

丁黄药的吸附量测定使用上海凌光技术有限公司的7595型紫外可见分光光度计，最佳波长λ设置为290 nm。先制定浓度标准曲线，每次称取1 g矿样，经超声波清洗、调浆、加药后，使用离心机固液分离10 min后，取上部清澈溶液测定其吸光度，重复测量三次，然后取平均值，再根据浓度标准曲线计算残余药剂浓度。矿物表面丁黄药吸附量为反应前丁黄药的量减去澄清液中丁黄药的量^[17]。

表面张力使用型号为JK99D的全自动张力仪测定，采用白金板法，铂金片宽度为24 mm，触发张力值为5 mN/m。先将它挂在扭力秤上，然后转动扭力丝，使铂金片缓慢上升离开溶液，再操作控制器将白金板逐渐浸入液体，当白金板浸入到被测液体后, 白金板周围就会受到液体表面张力的作用, 将白金板尽量地往下拉, 当液体表面张力和重力与所受的浮力达到均衡时, 白金板就会停止向液体内部浸入, 此时仪器的平衡感应器就会测量浸入深度, 并将它转化为液体的表面张力值。每次试验重复三次，取三次的平均值作为该条件下的表面张力。

捕收剂主要作用是增强矿物表面的疏水性。矿浆温度是影响捕收剂作用的重要因素, 通常捕收剂如脂肪酸类捕收剂在低温条件下由于溶解度降低、活性变差, 导致捕收能力及选择性变差，进而影响到浮选技术指标^[18-20]。试验在中性条件下，单一添加捕收剂丁黄药，在不同温度条件下探讨其用量对黄铁矿回收率的影响。

由图 2可以看出：不同温度条件下黄铁矿的回收率规律一致，回收率随着捕收剂用量的增加而增大，到一定值时，回收率趋于平缓；在相同捕收剂的用量时，黄铁矿的回收率与温度成正比，温度越低，回收率越低，反之增高；不同温度条件下，最佳捕收剂用量不同，室温(23 ℃)，捕收剂用量10 mg/L即可达到最佳回收率，15 ℃时则需要20 mg/L，0 ℃时，捕收剂最佳用量高达40 mg/L；最佳捕收剂用量下的不用温度条件下的最大回收率不同，室温(23 ℃)条件下，最大回收率可达90%以上，随着温度的降低，最大回收率降低，0 ℃时，最大回收率最低，仅为69%左右。

图 2(Fig.2)

图 2 捕收剂用量对黄铁矿回收率影响 Fig.2 Effect of different dosage of collector on pyrite floatation recovery

温度的变化显著影响起泡剂在固液界面的定向吸附和排列、气液界面的表面张力、泡沫的分散度及稳定性等，进而对浮选产生重要影响^[21]。试验在丁黄药用量为10 mg/L，以2#油为起泡剂，研究起泡剂用量对黄铁矿回收率的影响。

由图 3可以看出：不同温度条件下黄铁矿的回收率规律一致，回收率随着起泡剂用量的增加而增大，到一定值时，回收率趋于平缓；起泡剂用量增加能增加气泡数量，气泡变得稳定，使表面有一定疏水程度的硫化矿与气泡碰撞和黏附的概率增加，进而回收率增大；在相同起泡剂的用量时，黄铁矿的回收率与温度成正比，温度越低，回收率越低，反之增高；不同温度条件下，最佳起泡剂用量不同，室温23 ℃，起泡剂用量5 mg/L即可达到最佳回收率，0 ℃时则需要10 mg/L；温度的变化显著影响气泡的性质，温度低时，气体扩散导致泡沫衰退；温度高时，泡沫由顶端开始破灭。同时，温度升高，液膜表面黏度降低，排液速度加快，泡沫稳定性下降，进而导致回收率降低^[22]。

图 3(Fig.3)

图 3 起泡剂用量对黄铁矿回收率影响 Fig.3 Effect of different dosage of frother on pyrite floatation recovery

最佳起泡剂用量下的不用温度条件下的最大回收率不同，室温(23 ℃)条件下，最大回收率可达95%以上，随着温度的降低，最大回收率降低，0 ℃时，最大回收率最低，为89%左右。

与单纯的添加捕收剂相比，同时添加起泡剂，黄铁矿的最大上浮显著提升，表明起泡剂与捕收剂有较强的交互作用，可以明显改善浮选环境，从而提高回收率。

在浮选行为过程中，pH值是影响矿物表面的电性、亲水性及药剂效能的重要影响因素之一。试验在丁黄药用量为10 mg/L，2#油用量为10 mg/L时，采用NaOH和HCl调节pH值，研究pH值对黄铁矿浮选的影响。

由图 4可以看出：酸性条件下，在较高温度(15 ℃、23 ℃)时，黄铁矿的回收率先增加后降低，在pH值3~6之间, 黄铁矿可很好浮选，其中pH=4左右回收率达到最大值，高达95%以上，与G·布鲁特^[23]等的研究结果相一致；随着温度的降低(0 ℃、5 ℃、10 ℃)，在整个pH值范围内，黄铁矿的回收率呈下降趋势，在pH=2的强酸性条件下回收率最高(93%左右)，主要是由于在酸性条件下，黄铁矿表面会形成疏水聚硫化物使其可浮性得到提高。碱性条件下，黄铁矿的回收率均呈下降趋势，在pH=12时几乎不上浮；在碱性条件下，矿物表面会形成氢氧化合物、亚硫酸盐或硫酸盐等化合物，阻碍矿物与药剂作用，降低可浮性；相同的pH值条件下，黄铁矿的回收率随温度降低呈下降的趋势，说明低温和pH值对黄铁矿的浮选有协调抑制作用。23 ℃时，黄铁矿回收率最高，0 ℃时，回收率最低。

图 4(Fig.4)

图 4 pH值对黄铁矿回收率的影响 Fig.4 Floatation recovery at different pH

Zeta电位是指带电的胶粒与介质作相对运动时滑移面与介质之间的电势差。根据pH值对Zeta电位的影响结果，可以确定水悬浮液中的离子与矿物表面相互作用机理。温度对黄铁矿表面Zeta电位的影响如图 5所示。

图 5(Fig.5)

图 5 不同温度与pH条件下的Zeta电位值 Fig.5 Zeta potential at different temperature and pH

由图 5可知：在酸性条件下，黄铁矿的Zeta电位为正值，更有利于阴离子捕收剂黄药的吸附；而在碱性条件下，Zeta电位均为负值，不利于黄药的吸附；随着温度的变化，黄铁矿的零电点发生了偏移；温度降低，使得水的黏度增加，导电性降低和结构的有序性发生改变，矿浆中的氢离子与矿物表面硫原子作用变弱^[13]，黄铁矿表面的负电性增强，因此，零电点向右移动；相同的pH值条件下，温度降低，Zeta电位升高；0 ℃时，Zeta电位最高，23 ℃时，Zeta电位最低；随着温度的升高，Zeta电位负值增大。这是因为带电粒子随温度升高运动速度加快，而Zeta电位与粒子运动速度的快慢有关系，因此就表现为随着温度的升高，Zeta电位的绝对值增大^[24]。

在浮选行为过程中，捕收剂的吸附量直接影响矿物表面的疏水性差异，是黄铁矿浮选的重要影响因素之一。试验在丁黄药用量为10 mg/L、pH=7的条件下，研究不同作用时间低温对黄铁矿表面丁黄药吸附量的影响。

由图 6可以看出：丁黄药的吸附量随着作用时间的延长而增大，并且随着作用时间的延长丁黄药的吸附量到达一定值后增加变缓，说明时间越长越有利于黄药的吸附，作用时间过长，矿浆溶液中黄药浓度的逐渐降低以及矿物表面的活性点减少降低黄药的吸附效率；同一时间，温度降低，黄药的吸附量降低，说明低温不利于黄药的吸附，与浮选试验结果一致。

图 6(Fig.6)

图 6 不同温度条件下的丁黄药在黄铁矿表面的吸附量 Fig.6 Effect of times on butyl xanthate adsorption on sphalerite surface at different temperature

表面张力是增加单位面积所消耗的功。在实际情况下，表面张力随温度的升高而降低，其原理是温度升高时物质膨胀，分子间距离增大，故而吸引力减弱，表面张力降低。图 7为低温条件下，无添加药剂，pH值对纯矿物表面张力的影响。

图 7(Fig.7)

图 7 不同温度与pH值条件下的表面张力 Fig.7 Surface tension at different temperature and pH

由图 7可以看出：从整体来看，随着pH值的增加，由于H⁺和OH⁺添加，氢键作用使得水分子间的吸引力增强，因此，溶液的表面张力先降再增；矿物表面张力与pH值的变化有关，表面张力在强酸或者强碱下都比较大；因此，黄铁矿不易在强酸和强碱条件下浮选，测试结果与浮选试验结果相一致；相同pH值条件，温度越低溶液的表面张力越大，越不利于矿物浮选，这也是黄铁矿低温条件回收率较低的原因之一。

(1) 降低温度使黄铁矿表面的动电位发生改变，并降低了表面黄药的吸附量，同时增大了溶液的表面张力，不利于黄铁矿低温浮选。

(2) 增加捕收剂、起泡剂的药剂用量或在强酸性条件下浮选，可以显著提高低温条件下黄铁矿的回收率；而在碱性条件下，降低温度对黄铁矿浮选有明显的协同抑制作用。

(3) 低温浮选不仅需要关注矿物表面的润湿性变化，还需要关注矿浆体系参数的变化；建议选择耐低温、捕收能力较强的捕收剂、增加搅拌强度或延长药剂作用时间等，强化药剂于矿物表面的作用；同时挑选耐低温的调整剂，控制矿浆的参数如pH值、表面张力等，优化浮选环境。