陳 淼，牛福生，白麗梅

(河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063009)

隨著近幾十年鋼鐵行業(yè)發(fā)展的消耗，我國(guó)易選鐵礦石資源逐漸顯現(xiàn)出短缺的局面，但我國(guó)鮞狀赤鐵礦石儲(chǔ)量豐富，其中已探明的難選鮞狀赤鐵礦37億t(含表外礦)左右[1]，如果能夠有效地選別和利用這一部分鐵礦資源，那么能夠在很大程度上解決我國(guó)鐵礦石的需求問(wèn)題。但是由于這部分礦石嵌布粒度極細(xì)，單體解離度達(dá)到80%～90%時(shí)，粒度往往是在10～20μm左右，現(xiàn)有的選礦設(shè)備很難對(duì)其進(jìn)行選別，無(wú)法有效地回收微細(xì)粒的鐵礦物，有用礦物大量流失。選擇性絮凝分選則是解決這一問(wèn)題的有效方法之一。

選擇性絮凝工藝是向充分分散的礦漿中加入一定量的絮凝劑，絮凝劑選擇性地吸附在目的礦物表面，并通過(guò)絮凝劑分子之間的作用使之團(tuán)聚，懸浮液中的其他礦物仍以分散狀態(tài)存在，進(jìn)一步分離絮團(tuán)產(chǎn)品和懸浮液，便可實(shí)現(xiàn)分離目的和脈石礦物的目的。選擇性絮凝的一個(gè)主要前提礦漿的充分分散。因此本文研究了幾種分散劑對(duì)赤鐵礦單礦物和石英單礦物沉降率的影響。

1 試樣及藥劑

赤鐵礦單礦物是由實(shí)際礦石經(jīng)階段磨礦-弱磁選-強(qiáng)磁選 -搖床重選后制得，經(jīng)化驗(yàn)品位為66.87%，純度為95.54%，并磨細(xì)至-18μm。石英單礦物是經(jīng)手撿純度較高的小礦塊后，使用磁襯球磨機(jī)磨細(xì)至-20μm，純度為98%待用。并對(duì)兩種單礦物樣品進(jìn)行了X射線衍射(XRD)分析，結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

試驗(yàn)所用的藥劑為六偏磷酸鈉分析純、多聚磷酸鈉分析純、水玻璃(模數(shù)為2.4)，使用氫氧化鈉和鹽酸調(diào)節(jié)pH值。試驗(yàn)中所用的均為去離子水。

圖1 赤鐵礦單礦物XRD圖

圖2 石英單礦物XRD圖

2 試驗(yàn)方法

使用TZC-4顆粒儀進(jìn)行沉降試驗(yàn)。稱取3g單礦物置于玻璃杯中，加入所需的調(diào)整劑溶液并加蒸餾水至100mm處，使用攪拌器在一定轉(zhuǎn)速下攪拌10min。將攪拌后的溶液迅速移至顆粒儀上進(jìn)行測(cè)定，可獲得該條件下的沉降曲線，由沉降曲線可知某一時(shí)間的沉降率。沉降率越大，絮凝效果越好，分散效果越差。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同分散劑對(duì)分散結(jié)果的影響

在自然pH值條件下，分別向蒸餾水中加入不同劑量的多聚磷酸鈉、水玻璃、六偏磷酸鈉溶液，以形成不同濃度的分散介質(zhì)，按照2中所述的試驗(yàn)步驟，測(cè)定赤鐵礦的沉降率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同分散劑及用量對(duì)赤鐵礦沉降率的影響

從圖3中可以看出，多聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉在用量較低時(shí)對(duì)赤鐵礦的分散作用并不明顯，隨著藥劑用量的增加，赤鐵礦的沉降率逐漸降低，分散效果越來(lái)越好，但是用量大于100mg/L后沉降率略微上升，分散效果變差。水玻璃在較少的用量時(shí)，便能獲得較低的沉降率，但是水玻璃用量的增加對(duì)赤鐵礦沉降率的影響不大。三種分散劑中，六偏磷酸鈉對(duì)赤鐵礦的分散作用比較明顯。當(dāng)六偏磷酸鈉的用量為100mg/L時(shí)，赤鐵礦的沉降率達(dá)到最小值，為64.09%。

考察不同分散劑及其用量對(duì)石英沉降率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同分散劑及用量對(duì)石英沉降率的影響

從圖4中可以看出，多聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉和水玻璃對(duì)石英也有一定的分散作用，其中六偏磷酸鈉的分散效果較好，在其用量為50mg/L時(shí)，石英的沉降率便趨于穩(wěn)定，為39.76%。

3.2 pH值對(duì)分散效果的影響

由于六偏磷酸鈉的用量在50mg/L時(shí)對(duì)石英的分散效果較好，在100mg/L時(shí)對(duì)赤鐵礦的分散效果較好，所以只考察在這兩種藥劑用量的條件下，pH值對(duì)赤鐵礦和石英沉降率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同pH值條件下，赤鐵礦和石英的沉降率

從圖5中可以看出，在六偏磷酸鈉用量為50mg/L時(shí)，pH值的變化對(duì)赤鐵礦的沉降率影響較大，在pH值在2～10.5之間時(shí)，赤鐵礦的沉降率隨著pH值的增加而逐漸降低，當(dāng)pH值為10.5時(shí)，赤鐵礦的沉降率達(dá)到最低，而后赤鐵礦的沉降率增大。但是六偏磷酸鈉用量為100mg/L時(shí)，pH值的變化對(duì)赤鐵礦沉降率的影響不大。同樣的，在兩種藥劑用量條件下，pH值的變化對(duì)石英的沉降率影響都不大，在整個(gè)pH范圍內(nèi)，石英都呈穩(wěn)定的分散狀態(tài)。由于分散劑在較大用量時(shí)可能會(huì)影響到后續(xù)的絮凝結(jié)果，因此在分散結(jié)果相近的情況下，選定分散礦漿的pH值為10.5，六偏磷酸鈉的用量為40mg/L作為分散的最終條件。

4 六偏磷酸鈉分散機(jī)理探討

六偏磷酸鈉(NaP03)6是一種長(zhǎng)鏈狀聚磷酸鹽，在水中發(fā)生電離反應(yīng)

(NaPO3)6?6Na++(Na4P6O18)2-

在礦漿中赤鐵礦多帶正電，石英多呈電負(fù)性，因此電離出的陰離子能夠有效地吸附在帶正電的赤鐵礦顆粒的表面，并進(jìn)入到雙電層結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散層和緊密層，從而改變雙電層結(jié)構(gòu)，使得赤鐵礦的ζ電位負(fù)值增加。此外，由于六偏磷酸鈉是大分子的聚合物，能夠吸附在礦粒表面以形成一層吸附層，致使礦粒相互靠近時(shí)，兩個(gè)吸附層之間能夠產(chǎn)生排斥作用以阻止礦粒的相互凝聚。

范德華能計(jì)算公式

(1)

式中：A為Hamake常數(shù)，J；R為顆粒半徑，m；H為顆粒間的間距，nm。

靜電能計(jì)算公式

VE=2πεoεrRφ2ln(1+exp(-κH))

(2)

式中：κ-1為Debye長(zhǎng)度，代表雙電層厚度，m；ε0為真空中絕對(duì)介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12;εr為分散介質(zhì)的介電常數(shù)，εr=78.5C2·J-1·m-1;φ為顆粒表面電位，V；R為顆粒半徑，m；H為顆粒間的間距，m。

疏水-親水結(jié)構(gòu)化能計(jì)算公式

(3)

式中：R為顆粒半徑，m；δ為吸附層厚度nm；H為顆粒問(wèn)的間距，m；K為Boltzmann常數(shù)1．381×10-23J/K：AR為一個(gè)大分子在顆粒表面所占面積，m2。

DLVO理論相互作用能的計(jì)算公式[7]為

V=VW+VE

(4)

EDLVO理論相互作用能的計(jì)算公式[7]為

V=VW+VE+VH

(5)

測(cè)得在自然去離子水的pH值條件下，六偏磷酸鈉用量為100mg/L時(shí)赤鐵礦的zeta電位值為-15.36mV，代入到式(1)～(5)進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的作用勢(shì)能，繪制成圖6。

圖6 赤鐵礦顆粒的總作用勢(shì)能

從圖6中可以看出，按照傳統(tǒng)的DLVO理論計(jì)算出的顆粒間的總作用勢(shì)能恒為負(fù)值，則顆粒間恒為吸引力，應(yīng)該呈凝聚狀態(tài)，這與試驗(yàn)現(xiàn)象不符，因此，傳統(tǒng)的DLVO理論并不能解釋六偏磷酸鈉對(duì)于赤鐵礦的作用機(jī)理。而擴(kuò)展DLVO能夠很好的解釋六偏磷酸鈉對(duì)赤鐵礦的分散機(jī)理。從圖5中的EDLVO理論曲線上可以看出在顆粒間的距離小于5nm時(shí)，總作用勢(shì)能為正值，顆粒間為排斥力，顆粒間呈分散狀態(tài)，這一試驗(yàn)現(xiàn)象相一致。

因此，六偏磷酸鈉對(duì)赤鐵礦的分散機(jī)理為：六偏磷酸鈉的存在可以增加赤鐵礦顆粒間的靜電排斥力，也能夠使顆粒間產(chǎn)生強(qiáng)烈的空間位阻排斥力。

5 結(jié)論

1) 分散劑的添加有利于赤鐵礦的分散，且分散效果為：六偏磷酸鈉>水玻璃>多聚磷酸鈉；且六偏磷酸鈉對(duì)石英也有一定的分散作用。

2) 使用NaOH調(diào)節(jié)礦漿pH值到10.5時(shí)，較少用量的六偏磷酸鈉就可以是赤鐵礦達(dá)到穩(wěn)定的分散狀態(tài)。

3) 六偏磷酸鈉的分散機(jī)理為：六偏磷酸鈉在水中電離出的陰離子可以增加顆粒間的靜電排斥力，也能夠使顆粒間產(chǎn)生強(qiáng)烈的空間位阻排斥力，從而使赤鐵礦能夠呈分散狀態(tài)。

[1] 劉若華.不同淀粉對(duì)赤鐵礦的抑制機(jī)理及工藝研究[D].長(zhǎng)

沙：中南大學(xué),2012.

[2] 左倩,張芹,鄧冰,等.3種調(diào)整劑對(duì)微細(xì)粒赤鐵礦分散行為的影響[J].金屬礦山，2011(2)：54-56.

[3] 陳雯.貧細(xì)雜難選鐵礦石選礦技術(shù)進(jìn)展[J]．金屬礦山，2010(5)：55-59．

[4] 段正義,強(qiáng)敏,董怡斌.鄂西高磷赤鐵礦分散劑性能及機(jī)理研究[J].金屬礦山，2011(3)：63-65.

[5] 劉三軍,覃文慶,胡岳華.西昌難選鮞狀赤鐵礦絮凝沉淀試驗(yàn)研究[J].金屬礦山，2011(9)：79-85.