2018 引用本文 |
| 新型常温捕收剂DX-1对石英的浮选性能研究及机理分析 |  [PDF全文] |
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朱一民2 2. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
2. School of Resource and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
浮选的应用被认为是上世纪矿冶技术的重要成就[1]。而在浮选工艺中浮选药剂起着关键作用[2]。传统的赤铁矿反浮选脱硅过程中, 脂肪酸类捕收剂需要较高的反应温度, 造成能耗高等问题[3]。因此研制开发新型高效阴离子常温捕收剂, 降低浮选温度, 节约能耗, 具有重要的经济意义[4-6]。
本文将Br原子引入脂肪酸合成一种新型的常温捕收剂DX-1并研究其捕收性能。通过单矿物和人工混合矿试验, 在碱性条件下系统研究其对石英浮选性能, 并借助红外光谱分析和Zeta点位测定, 研究DX-1反浮选脱硅的吸附机理。
1 样品性质和试验方法 1.1 样品性质试验所用石英和赤铁矿单矿物均取自司家营铁矿采场, 经破碎, 手选富矿块。石英富矿块在陶瓷球磨机中磨细至-74 μm, 经酸浸、烘干后作为浮选所用石英矿样; 赤铁矿富矿块经球磨、摇床、强磁选后, 烘干、筛分得到-74 μm矿样作为浮选所用赤铁矿矿样。单矿物化学成分分析结果见表 1和表 2。由表中数据分析可知, 石英纯度在99%以上, 赤铁矿纯度在97%以上, 均属高纯度单矿物, 满足试验要求。
| 表 1 赤铁矿单矿物化学成分分析 /% Table 1 Analysis of the chemical composition of single mineral in hematite |
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| 表 2 石英单矿物化学成分分析 /% Table 2 Chemical composition analysis of quartz single mineral |
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1.2 试验药剂
在实验室条件下, 以月桂酸和液溴为原料, 催化加成研制出新型常温捕收剂DX-1[7]。DX-1经皂化反应后配制成溶液, 浓度1%。试验中应用的CaCl2、NaOH和HCl都是分析纯试剂, 月桂酸和液溴为化学纯试剂, 购于国药集团化学试剂有限公司, 玉米淀粉为工业品取自现场。试验过程中所用水为去离子水。
1.3 试验方法 1.3.1 单矿物和人工混合矿试验方法室温条件下, 在XFG型挂槽式浮选机上进行单矿物浮选试验, 浮选机转速为1 250 r/min。每次称取2.00 g矿样加入到浮选槽中, 加30 mL去离子水, 调浆2 min后用NaOH或HCl调节矿浆的pH值, 搅拌2 min, 加入一定量的DX-1, 刮泡3 min, 将得到的产品烘干、称重, 计算回收率。通过条件试验, 分别考察pH值、CaCl2和DX-1的用量对浮选石英的影响, 确定合适的单矿物浮选药剂制度, 并为人工混合矿浮选试验药剂制度提供参考。
赤铁矿和石英按3:2质量比例混合制备人工混合矿(TFe品位约为41.3%), 每次称取矿样2.00 g, 加30 mL去离子水, 调浆1 min后, 用NaOH或HCl调节pH值, 搅拌2 min, 依次加入一定量的淀粉和DX-1, 刮泡3 min, 反浮选试验流程如图 1所示。
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| 图 1 反浮选试验流程 Fig.1 The flow of reverse flotation experiment |
1.3.2 红外光谱检测
红外光谱检测在380FT-IR Spectrometer型红外光谱分析仪进行。称取1 g单矿物用玛瑙研钵研磨至-15 μm, 将其加入到浮选槽内, 同时加入一定量DX-1, 调节pH值, 搅拌5 min, 待沉淀完全, 真空抽滤, 水洗后在室温下真空烘干。样品送检测中心进行红外检测[10]。
1.3.3 Zeta电位测定Zeta电位测量在Nano-ZS90型Zeta电位测定仪内进行, 测量时每次称取20 mg矿样(-5 μm)置于烧杯中, 加入50 mL蒸馏水, 调节pH值, 搅拌15 min后, 取上清液在测定仪上测量, 平行测定5次, 最后取其平均值[11]。
2 试验研究 2.1 石英单矿物浮选试验研究 2.1.1 pH值对石英回收率的影响固定CaCl2用量为67 mg·L-1, DX-1用量为167 mg·L-1时, 考察了pH值对石英回收率的影响, 结果见图 2。
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| 图 2 不同pH值下对石英浮选回收率的影响 Fig.2 The effect of pH on flotation recovery of quartz |
由图 2可知, 随着pH值的增加, 石英的回收率总体呈现先增加后趋于稳定的趋势。在pH=9.0时, 石英基本不浮, 回收率为0%;当pH值继续增加时, 石英的回收率迅速增加, pH为11.0时, 石英的回收率达到98.97%;继续增加矿浆的pH值, 石英的回收率趋于稳定, 在99%左右波动。由此可知, 在碱性条件下, DX-1可实现石英的回收, 综合考虑, 选择pH值为11.5作为后续试验中矿浆的最佳pH值。
2.1.2 CaCl2用量对石英回收率的影响固定矿浆pH值为11.5, DX-1用量为167 mg·L-1, 考察了CaCl2的用量对石英回收率的影响, 结果如图 3所示。
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| 图 3 CaCl2用量对石英浮选回收率的影响 Fig.3 The effect of CaCl2 concentration on flotation recovery of quartz |
由图 3可知, 随着CaCl2的用量从0 mg·L-1加到67 mg·L-1, 石英的回收率均在95%以上波动。当CaCl2的用量为0 mg·L-1时, 石英的回收率为98.49%;当CaCl2的用量为67 mg·L-1时, 石英的回收率为99.49%。由以上可知, CaCl2的用量对石英的回收率影响不大, 因此后续试验中不需要添加活化剂。
2.1.3 DX-1用量对回收率的影响在矿浆pH值为11.5的条件下, 研究了捕收剂的用量对石英回收率的影响, 结果如图 4所示。
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| 图 4 捕收剂DX-1用量对石英浮选回收率的影响 Fig.4 The effect of DX-1 concentration on flotation recovery of quartz |
由图 4可知, 随着捕收剂用量的增加, 石英的回收率逐渐增加。当捕收剂用量为113 mg·L-1时, 石英的回收率达到97.69%;随着捕收剂用量的继续增加, 石英的回收率缓慢增加, 捕收剂用量为167 mg·L-1时, 石英的回收率达到98.49%。由以上结果可知, 捕收剂DX-1对石英具有很好的浮选效果。
由以上单矿物试验结果可以看出, 在室温20 ℃、pH=11.5、DX-1用量为167 mg·L-1时, 不添加活化剂, 即可获得石英回收率为98.49%的指标。
2.2 人工混合矿试验研究 2.2.1 DX-1用量对人工混合矿反浮选试验的影响固定矿浆pH值为11.5, 淀粉用量67 mg·L-1, 考察了DX-1用量对人工混合矿分选效果的影响, 结果如图 5所示。
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| 图 5 捕收剂DX-1用量对人工混合矿分选效果的影响 Fig.5 The effect of DX-1 concentration on flotation separation of mixed minerals |
由图 5可知, 随着捕收剂用量的增加, 精矿品位总体呈现逐渐增加的趋势, 回收率基本不变, 均在98%左右。当捕收剂用量为167 mg·L-1时, 精矿TFe品位为50.80%, 随着捕收剂用量增加到400 mg·L-1时, 精矿TFe品位为65.91%, 由以上结果可知, 当捕收剂用量为400 mg·L-1时, DX-1对赤铁矿反浮选脱硅的效果好。
2.2.2 淀粉用量对人工混合矿反浮选试验的影响固定矿浆pH值为11.5, DX-1用量为400 mg·L-1, 研究了淀粉用量对人工混合矿分选效果的影响, 结果如图 6所示。
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| 图 6 淀粉用量对该人工混合矿分选效果的影响 Fig.6 The effect of starch concentration on flotation separation of mixed mineral |
由图 6可知, 随着淀粉用量的增加, 精矿中Fe的回收率变化不大, 在98%左右, TFe的品位呈现先增加后减少的趋势; 当淀粉用量为67 mg·L-1时, 精矿TFe品位为63.61%, 随着淀粉用量的继续增加, 当淀粉用量增加到333 mg·L-1时, 精矿TFe品位为61.82%, 尾矿TFe品位为2.06%;淀粉用量增加到67 mg·L-1以后, 不仅赤铁矿被抑制, 部分石英也被抑制, 所以精矿品位降低。
2.3 DX-1对石英的捕收机理研究 2.3.1 Zeta电位测试在捕收剂浓度为1.86×10-3 mol/L条件下, 考察了不同pH值条件下石英与DX-1作用前后的动电位变化, 结果如图 7所示。
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| 图 7 pH对石英动电位的影响 Fig.7 Zeta potential of quartz as a function of pH |
由图 7可知, 石英的等电点为2.95, 当在pH < 2.9时, 石英表面荷正电, 此时石英的动电位值为正, 当时pH>2.9石英表面荷负电, 此时石英的动电位值为负; 与DX-1吸附后的石英等电点为pH=1.8左右; 当pH=3.5时石英电位与石英+DX-1电位相等。由石英的电位与吸附了DX-1的石英的电位比较可看出, 在pH < 3.5时, 与DX-1作用后的石英的动电位低于石英的动电位, 说明有DX-1阴离子吸附到石英表面, 此时主要通过静电引力吸附在荷正电的石英表面; pH>3.5时, 吸附了捕收剂DX-1的石英电位高于石英的动电位, 说明此时捕收剂DX-1与石英发生了化学吸附。此时, 捕收剂DX-1吸附到石英表面, 取代与“带正电荷的Si”结合的“OH-”, 这正是由于Si为非金属元素, 在水溶液中与OH-不能形成配位键, 所以形成的键不如赤铁矿在水溶液中与OH-形成的键牢固, 所以OH-才能被取代。吸附药剂后石英的电位比石英在水溶液中的电位提高了, 这与赤铁矿吸附药剂后电位大幅下降相反[8]。捕收剂吸附到赤铁矿表面时同时形成了半胶束吸附, 由于Fe与OH-形成配位键, 药剂挤不掉OH-, 所以吸附在赤铁矿表面的药剂中带有的负电荷使赤铁矿电位下降。药剂吸附到石英表面在形成半胶束的时候, 原有的为石英表面的电位提供负电荷的OH-被药剂取代, 所以吸附药剂后的石英电位提高。
2.3.2 红外光谱分析分别测量了石英、经水洗的与DX-1作用后的石英和经醇洗的与DX-1作用后的石英的红外光谱, 结果见图 8所示。
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| 图 8 石英和添加DX-1后石英的红外光谱 Fig.8 Infrared spectra of quartz and quartz with DX-1 |
由图 8可知, 3 444.24 cm-1为H2O中-OH的伸缩振动吸收峰[9]; 1 092.63 cm-1为Si-O非对称伸缩振动吸收峰[10], 798.16 cm-1和781.57 cm-1为Si-O的对称伸缩振动吸收峰, 698.62 cm-1为Si-O的对称弯曲振动吸收峰, 在800 cm-1左右处的中等强度的吸收带为石英族的特征峰; 524.42 cm-1、466.36 cm-1为Si-O-Si弯曲振动吸收峰。
石英与捕收剂DX-1作用后的红外光谱中经水洗后, 1 092.63 cm-1的Si-O非对称伸缩振动吸收峰, 偏移至1076.04 cm-1, 红移了16.59 cm-1, 变化较大, 可能存在氢键作用发生了化学吸附; 798.16 cm-1处Si-O的对称伸缩振动吸收峰, 偏移至802.30 cm-1, 可能发生了静电吸附作用; 524.42 cm-1处Si-O弯曲振动吸收峰吸收减弱, 466.36 cm-1的弯曲振动峰红移至462.21 cm-1说明石英与捕收剂DX-1发生了弱的吸附作用, 可能发生了静电吸附或者氢键作用[11]。
石英与捕收剂DX-1作用后的红外光谱中经醇洗后, 1 092.63 cm-1的Si-O非对称伸缩振动吸收峰, 移至1 080.18 cm-1, 红移了12.45 cm-1; 798.16 cm-1和781.57 cm-1处对应Si-O的对称伸缩振动吸收峰, 798.16 cm-1处吸收峰移至794.01 cm-1, 781.57 cm-1处吸收峰移至777.42 cm-1, 698.62 cm-1处为Si-O的对称弯曲振动吸收峰移至694.47 cm-1; 524.42 cm-1处Si-O弯曲振动吸收峰吸收减弱, 466.36 cm-1的弯曲振动峰红移至462.21cm-1[12], 以上结果同样说明了石英与捕收剂DX-1发生了吸附作用, 存在静电吸附和化学吸附, 这跟动电位分析结果基本相一致。
3 结论(1) 单矿物浮选试验结果表明, 在20 ℃条件下, 当pH值在9.0以下时, 石英不浮, CaCl2的用量对石英的回收率影响不大, 石英的回收率和捕收剂DX-1的用量成正比; 在矿浆pH值为11.5, 捕收剂用量为167 mg·L-1时, 不添加抑制剂的条件下, 石英的回收率能达到98.49%。
(2) 人工混合矿的反浮选试验结果表明, 当pH值11.5时, 淀粉用量为67 mg·L-1, 捕收剂用量为400 mg·L-1时, 即可实现人工混合矿的分选, 此时精矿中TFe品位为65.91%、回收率为98%, 尾矿品位为2.29%。
(3) Zeta电位检测和红外光谱分析可知, 在pH=11.5时, 捕收剂DX-1与石英主要发生了化学吸附, 除此以外可能还存在静电吸附和氢键作用。
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