張晉霞，譚晴晴，張曉亮，趙靖雯，牛福生

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009；3.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000)

浮選動力學(xué)主要是研究浮選過程在不同條件影響下隨時(shí)間的變化規(guī)律，認(rèn)為浮選過程動力學(xué)與一級化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的原理相似，即把礦粒與氣泡的相互作用等同于化學(xué)反應(yīng)過程中分子、原子或離子等粒子之間的相互作用。

但是在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，浮選過程與化學(xué)反應(yīng)過程相似但還是有一定的偏差的，即浮選物料及其浮選性質(zhì)在浮選槽內(nèi)的空間分布是不均勻的。因此，同一物料的浮選速度常數(shù)在浮選過程中不是恒定不變的，于是對浮選動力學(xué)研究有了進(jìn)一步的發(fā)展。目前具有典型代表的浮選動力學(xué)模型有經(jīng)典一級浮選方程，n級浮選速度方程，矩形分布模型等。應(yīng)用浮選動力學(xué)模型分析礦物的浮游性，對于優(yōu)化浮選工藝流程、提高礦物分選指標(biāo)等具有重要的意義。

本文以邢臺地區(qū)藍(lán)晶石礦為例，以十二胺為捕收劑，以淀粉作為抑制劑，對其主要的三種礦物(藍(lán)晶石、石英及黑云母)，采用單礦物分批浮選的實(shí)驗(yàn)方法，從可浮性方面系統(tǒng)分析了礦物的浮游特性及其動力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上建立了礦物浮選的動力學(xué)模型，為改善浮選的選擇性及推動浮選新工藝的發(fā)展提供一定的參考。

1 礦樣、試劑與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 礦樣

試驗(yàn)用的藍(lán)晶石、石英及黑云母礦樣均取自河北邢臺魏魯?shù)貐^(qū)。礦物純度分別為98.15%、99.80%和99.20%，粒度為—0.105+0.043mm，滿足試驗(yàn)要求。對制備好的純礦物進(jìn)行了熒光光譜分析，見表1。

表1 試驗(yàn)用純礦物熒光光譜分析/%

1.2 主要試劑

本研究采用十二胺鹽酸鹽(DAH)作為浮選捕收劑，淀粉作為抑制劑。

1.3 單礦物分批浮選試驗(yàn)

每次試驗(yàn)用單礦物2.0g，在掛槽式浮選機(jī)(浮選槽容積為40mL)中進(jìn)行浮選試驗(yàn)，按抑制劑、捕收劑的順序加藥后，開始分段、連續(xù)刮泡0.1min、0.2min、0.3min、0.4min 、1.0min、1.5min、1.5min，累計(jì)5min，分別得到精礦1、精礦2、精礦3、精礦4、精礦5、精礦6、精礦7。試驗(yàn)過程中浮選機(jī)轉(zhuǎn)速為1920r/min，試驗(yàn)結(jié)束后烘干精礦和尾礦并稱重，計(jì)算浮選回收率。

2 礦物浮選試驗(yàn)結(jié)果

2.1 無苛性淀粉條件下十二胺用量對礦物浮選的影響

圖1表示在pH為6.5、不加苛性淀粉、不同十二胺用量條件下，礦物浮選累計(jì)回收率與浮選時(shí)間的關(guān)系。

由圖1可以看出，三種礦物的浮游速度變化都比較大。對藍(lán)晶石而言，隨著浮選時(shí)間的增加，回收率也隨著捕收劑用量的增加而增加，在浮選時(shí)間為2.5min左右浮選基本結(jié)束，再隨著浮選時(shí)間的增加，回收率變化很小。十二胺的不同濃度對藍(lán)晶石的影響較大，在浮選時(shí)間2min時(shí)，藍(lán)晶石的回收率由6mg/L的25.87%左右增加到24mg/L的59.50%。十二胺的濃度對石英的影響較小，當(dāng)十二胺的濃度為12mg/L，2.5min的回收率就可達(dá)到94.01%，后繼續(xù)增加十二胺的濃度，石英的回收率增加幅度較小。十二胺對黑云母的影響也較大，隨著浮選時(shí)間的增加浮游速度變化較大，后隨著時(shí)間的繼續(xù)增加浮游速度降低。十二胺對黑云母的影響與石英相似，在十二胺濃度為12mg/L時(shí)，回收率峰值為71.01%。

2.2 加入苛性淀粉條件下十二胺用量對礦物浮選的影響

圖2為加入苛性淀粉條件下十二胺用量對不同礦物浮選的影響。

由圖2可以看出，石英及黑云母的浮游速度變化較大，隨浮選時(shí)間的延長浮游速度降低。對石英而言，十二胺濃度達(dá)到12mg/L之前，5min累計(jì)回收率隨捕收劑用量的增加而略有增加，并最終穩(wěn)定在91%左右，回收率大于90%對用的浮選時(shí)間可以由5min左右減少到2.5min左右。十二胺對黑云母的影響與石英相似，回收率峰值為70.20%，回收率大于70%相對應(yīng)的浮選時(shí)間由5min減少到2.5min左右。對藍(lán)晶石而言，十二胺用量對其浮游性影響與其他兩種礦物不同，5min累計(jì)回收率由12mg/L的15.54%提高到36mg/L的24.52%?？偟膩砜?，十二胺對石英、黑云母可浮性影響不大，對藍(lán)晶石影響較大，礦物可浮性的順序?yàn)槭?黑云母>藍(lán)晶石。

圖1 不加苛性淀粉條件下礦物累計(jì)回收率與浮選時(shí)間的關(guān)系

圖2 不同十二胺濃度條件下礦物累計(jì)回收率與浮選時(shí)間的關(guān)系

2.3 苛性淀粉用量對礦物可浮性的影響

圖3表示pH6.5，十二胺用量為12mg/L時(shí)，不同苛性淀粉用量條件下，礦物浮選累計(jì)回收率與浮選時(shí)間的關(guān)系。

圖3 不同苛性淀粉濃度條件下礦物累計(jì)回收率與浮選時(shí)間的關(guān)系

由圖3可以看出，5min累計(jì)浮選回收率，藍(lán)晶石由不加苛性淀粉的43.27%下降到添加苛性淀粉20mg/L時(shí)的5.23%，石英由94.01%下降到88.00%，黑云母由71.01%下降到68.61%。經(jīng)分析可知，苛性淀粉對石英及黑云母的可浮性影響較小，而藍(lán)晶石可浮性有較大程度的降低，其浮選回收率下降了38.04%，浮選前期石英與黑云母的浮游速度都比較快，2min后浮選速度變得較為緩慢。整體而言，捕收劑用量一定時(shí)，苛性淀粉對藍(lán)晶石與石英的可浮性影響較大，對黑云母的影響較小。

3 礦物浮選速度常數(shù)及其分布

(1)

(2)

式中，S表示礦物浮選過程K值的標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 礦物浮選速度常數(shù)

由表2可以看出，不加抑制劑苛性淀粉時(shí)三種礦物的K值較大且趨勢是隨浮選的進(jìn)行K值先增大后降低，S標(biāo)準(zhǔn)差表明K值在浮選過程中波動較大。加入苛性淀粉后，藍(lán)晶石的K值變化較為明顯，而石英及黑云母的變化較小，尤其是黑云母，說明苛性淀粉的加入對黑云母的可浮性影響較小，這與前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。不加抑制劑時(shí)，石英、黑云母與藍(lán)晶石之間的平均K值相比分別為1.63、1.24，加入苛性淀粉后，平均值之比變?yōu)?0.26、8.15，可見以十二胺為捕收劑，添加適量的苛性淀粉可顯著擴(kuò)大礦物浮游速度之間的差異。

藍(lán)晶石、石英與黑云母的浮選過程 K 值的分布采用陳子鳴提出的積分復(fù)原法進(jìn)行分析，三種礦物的浮選速率常數(shù)分布計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 礦物浮選速度常數(shù)分布

從圖4中可以看出，無苛性淀粉作用時(shí)礦物浮選速率常數(shù)分布范圍較寬，藍(lán)晶石礦K值分布在0～3.5min-1，2.45～2.92min-1占37.35%，0～1.29 min-1占19.96%，1.93～2.45 min-1占18.23%，2.92～3.50min-1占15.62%，1.29～1.93min-1占8.84%；石英的K值分布在0～6.35 min-1，2.62～4.76 min-1占79.66%，0～2.62 min-1占15.60%，4.76～6.35 min-1占4.74%；黑云母的K值分布在0～5.58 min-1，0～1.02 min-1占60.64%，1.02～2.59 min-1占28.50%，2.59～5.58 min-1占10.86。

加入苛性淀粉后礦物的浮選速率常數(shù)分布范圍變窄，藍(lán)晶石K值分布在0～0.45 min-1，0～0.16 min-1占8.94%，0.16～0.45 min-1占91.06%；石英的K值分布在0～3.95min-1，0～2.62 min-1占15.96%，2.62～3.95 min-1占84.04%，黑云母的K值分布在0～3.45 min-1，0～1.02 min-1占79.93%，1.02～1.45 min-1占5.27%，1.45～3.45% min-1占14.80%。

4 浮選動力學(xué)模型建立

本論文對加入苛性淀粉后三種礦物的浮選回收率與浮選時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，研究采用了經(jīng)典的一級動力學(xué)模型。

MATLAB是目前工科領(lǐng)域較常用的科學(xué)計(jì)算軟件，在解決非線性最小化、曲線擬合、方程求解等方面顯示出較強(qiáng)的優(yōu)勢，應(yīng)用MATLAB非線性最小二乘擬合函數(shù)lsqcurvefit對原始數(shù)據(jù)(表2中加入淀粉數(shù)據(jù))進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖5。

圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)虛線部分是用試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的曲線，而實(shí)線部分是擬合的曲線，從圖中可以看出石英與黑云母的決定系數(shù)較高，而藍(lán)晶石相對稍低一些。石英、黑云母、藍(lán)晶石的累計(jì)回收率擬合值域試驗(yàn)值相關(guān)性R2分別為0.97、0.98和0.96，表明模型擬合精度較高可模擬礦物的浮選過程。

圖5 礦物浮選累計(jì)回收率擬合曲線

5 結(jié)論

1)以十二胺為捕收劑，pH值6.5時(shí)，石英、黑云母和藍(lán)晶石存在一定的浮游性差異。十二胺對礦物可浮性的大小順序?yàn)槭?黑云母>藍(lán)晶石。加入抑制劑苛性淀粉后，石英及黑云母仍保持較好的浮游性，而藍(lán)晶石的浮游性較差，可較好的實(shí)現(xiàn)藍(lán)晶石與其他礦物之間的浮選分離。

2)K值在浮選過程中不是恒定不變的，加入抑制劑后K值分布范圍明顯變窄。無抑制劑時(shí)，石英、黑云母與藍(lán)晶石之間的平均K值相比分別為1.63、1.24，加入淀粉后，平均值之比變?yōu)?0.26、8.15?？梢?，以十二胺為捕收劑，添加適量的淀粉可顯著擴(kuò)大礦物浮游速度之間的差異。

3)采用經(jīng)典的浮選一級動力學(xué)進(jìn)行模擬，擬合后的石英、黑云母及藍(lán)晶石模型回收率擬合值與試驗(yàn)值相關(guān)性R2分別為0.97、0.98和0.96，表明模型擬合精度較高可模擬礦物的浮選過程。

[1] 陳子鳴，吳多才.浮選動力學(xué)研究之二：浮選速度常數(shù)分布密度函數(shù)的復(fù)原[J].有色金屬：選冶部分，1978(11):27-33.

[2] 盧壽慈，翁達(dá).界面分選原理與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[3] 王淀佐，盧壽慈，陳清如，等.礦物加工學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4] 于洋，李俊旺，孫傳堯，等.黑鎢礦、白鎢礦及螢石異步浮選動力學(xué)研究[J].有色金屬(選冶部分)，2012(4):16-22.

[5] 徐瑞，黃兆東，閻鳳玉.MATLAB 2007科學(xué)計(jì)算與工程分析[M].北京：科學(xué)出版社，2008.