蘇歡歡,程 敢,馬俊偉,張建強(qiáng)

(1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041;2.國(guó)家鋁冶煉工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450041;3.河南理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,河南 焦作 454003)

中國(guó)鋁土礦儲(chǔ)量豐富,但是硅高、鋁硅比低的特點(diǎn)使得氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品質(zhì)量差[1],為了氧化鋁工業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展,對(duì)鋁土礦進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理的脫硅成為當(dāng)務(wù)之急[2-4]。目前廣泛采用浮選脫硅的方法脫除其中的硅酸鹽脈石礦物,其中,根據(jù)浮少抑多的原則,反浮選脫硅更具有發(fā)展前景[5-6]。

鋁土礦反浮選脫硅捕收劑可分為陰離子和陽(yáng)離子捕收劑兩類。陰離子捕收劑如脂肪酸鹽進(jìn)行反浮選脫硅時(shí),一般還需要加入金屬離子活化劑,藥劑制度復(fù)雜,并且脫硅結(jié)果并不理想[7-8]。陽(yáng)離子捕收劑較陰離子而言藥劑制度簡(jiǎn)單,藥劑種類少,無(wú)需再添加活化劑,藥劑消耗低,脫硅效果好。陽(yáng)離子捕收劑一般為胺類捕收劑,胺類捕收劑是浮選氧化礦和硅酸鹽礦物的較好捕收劑。在鐵礦反浮選中烷基胺作捕收劑早已得到工業(yè)應(yīng)用[9],用烷基胺浮選石英等硅酸鹽礦物[10]和螢石鹽類礦物[11]的研究也已有較為詳細(xì)的報(bào)導(dǎo),而胺類捕收劑浮選層狀鋁硅酸鹽礦物如高嶺石、葉蠟石等的研究報(bào)導(dǎo)卻很少。我國(guó)鋁土礦中的主要含硅脈石礦物為高嶺石、葉蠟石等鋁硅酸鹽礦物[12],因此研究鋁硅礦物的浮選行為對(duì)用浮選一拜耳法生產(chǎn)氧化鋁具有重要的意義。本文主要研究了胺類反浮選脫硅捕收劑對(duì)鋁土礦、高嶺石和葉臘石的浮選行為規(guī)律及作用機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣及性質(zhì)

試驗(yàn)中采用的實(shí)際礦物為河南鋁土礦,用到的單礦物為葉臘石,來(lái)自河南郟縣,礦物樣品純度較高,基本上達(dá)到了純礦物研究的要求,礦樣的化學(xué)成份分析結(jié)果示于表1中,鋁土礦礦樣的物相組成如表2所示。

表1 鋁土礦礦物化學(xué)成分分析結(jié)果 %

由表1可知,河南礦的Al2O3含量為57.22%,鋁硅比為3.5。從表2中可以看出,河南鋁土礦的主體礦物是一水硬鋁石,含有葉臘石等鋁硅酸鹽礦物。研究鋁土礦浮選脫硅,主要是研究一水硬鋁石與葉蠟石、高嶺石等的浮選分離。

表2 鋁土礦礦物的物相組成分析結(jié)果 %

1.2 試劑與儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用捕收劑有十二胺、十二烷基三甲基氯化銨(1231)、N-[3-(二甲氨基)丙基]月桂酰胺(NSC86167)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)、及實(shí)驗(yàn)室合成藥劑C401,利用鋁土礦和單礦物作為試驗(yàn)原料,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室浮選脫硅試驗(yàn)。試驗(yàn)用主要儀器見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)用主要儀器

1.3 研究方法

(1)實(shí)際礦石浮選試驗(yàn)

實(shí)際礦石的小型浮選試驗(yàn)在1.5 L的浮選槽內(nèi)進(jìn)行,經(jīng)過(guò)浮選后,泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品分別過(guò)濾烘干稱重,送去化驗(yàn)分析鋁硅,計(jì)算產(chǎn)率。

(2)單礦物浮選試驗(yàn)

浮選試驗(yàn)在XFG型掛槽式浮選機(jī)上進(jìn)行,主軸轉(zhuǎn)速為 1650 r/min。試驗(yàn)時(shí),稱取3 g礦物放入40 mL浮選槽中,加入一定量(25～30 mL)蒸餾水,攪拌調(diào)漿1 min;再加入調(diào)整劑作用3 min,然后加入捕收劑,攪拌3 min,浮選5 min。浮選過(guò)程中收集泡沫產(chǎn)品,將泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品分別烘干稱重并計(jì)算回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁土礦浮選脫硅試驗(yàn)

2.1.1 磨礦細(xì)度條件試驗(yàn)

選擇500 g鋁土礦礦樣進(jìn)行磨礦,固定一定的pH值,控制試驗(yàn)礦漿溫度在30 ℃,以1231作為捕收劑,用量固定為250 g/t(對(duì)原礦),研究磨礦細(xì)度對(duì)鋁土礦浮選脫硅的影響,試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 浮選試驗(yàn)流程圖

浮選脫硅需要選擇合適的入選粒度,由表4可以看出,在所考察的磨礦細(xì)度條件下,磨礦細(xì)度-0.074 mm占比75%時(shí),鋁精礦的鋁硅比較高,硅品位較低,另外考慮到鋁土礦的磨礦性質(zhì),磨礦細(xì)度越小,磨礦能耗越大,因此針對(duì)浮選脫硅認(rèn)為最佳磨礦細(xì)度為-0.074 mm占比75%。

表4 不同磨礦細(xì)度條件下的鋁土礦試樣浮選試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 捕收劑的篩選

固定磨礦細(xì)度為-0.074 mm占比75%,控制試驗(yàn)礦漿溫度在30度,試驗(yàn)pH值為5.5,進(jìn)行分段浮選脫硅試驗(yàn),試驗(yàn)流程如圖2所示,最終確定了各陽(yáng)離子捕收劑的最佳用量(對(duì)原礦),并篩選出浮選指標(biāo)優(yōu)良的捕收劑,進(jìn)行后續(xù)的條件試驗(yàn),各藥劑最佳用量下浮選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖2 分段浮選脫硅試驗(yàn)流程圖

分析表5可知,針對(duì)A/S較低的河南鋁土礦反浮選脫硅,十二胺與NSC86167的捕收能力較強(qiáng),選擇性較差。其中季銨鹽捕收劑1227與1231浮選脫硅的精礦產(chǎn)率較高,并且精礦鋁回收率達(dá)到75%以上,同時(shí)考慮精礦A/S增幅大小,浮選效果較好的是1227,1227含有一個(gè)苯環(huán),一個(gè)苯環(huán)相當(dāng)于2～3個(gè)碳原子,則1227相當(dāng)于烴鏈碳原子數(shù)十四～十五烷基的季銨鹽。選擇烴鏈碳原子數(shù)較少的1231作捕收劑,進(jìn)行后續(xù)的條件試驗(yàn)。

表5 不同捕收劑對(duì)河南鋁土礦浮選脫硅的試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 浮選礦漿pH條件試驗(yàn)

礦漿的pH值影響礦粒表面的電性,其次,礦漿的pH值影響捕收劑捕收性的強(qiáng)弱[13]。所以,對(duì)于某種礦物而言,在其它條件一定時(shí),都存在著一個(gè)比較適宜的pH值,只有在該pH值下進(jìn)行浮選,才能取得較好的選別指標(biāo)。

由表6可知,隨著試驗(yàn)pH值的增加,藥劑用量也在逐漸增大。當(dāng)pH值較低時(shí),藥劑用量最少,而pH越低,酸性越強(qiáng),腐蝕設(shè)備,所以pH值也不能選擇過(guò)低,也不能過(guò)高,否則會(huì)減弱捕收劑的捕收性,增大藥劑用量,另一方面影響礦粒表面的電性。綜合考慮精礦的鋁硅比與產(chǎn)率,選擇pH值為5.5時(shí)較為適宜;同時(shí)考慮理論上一水硬鋁石與鋁硅酸鹽礦物的零電點(diǎn)差異,一水硬鋁石和鋁硅酸鹽礦物表面所帶電荷電性相反時(shí),即鋁硅酸鹽礦物表面帶負(fù)電,易于同陽(yáng)離子捕收劑作用而上浮,因此選擇合適的試驗(yàn)pH值為5.5。

表6 不同pH條件下的浮選脫硅試驗(yàn)結(jié)果

以C401作為捕收劑,河南鋁土礦作為試驗(yàn)原料,磨礦細(xì)度為-0.074 mm占比75%條件下在進(jìn)行分段浮選試驗(yàn),試驗(yàn)流程見(jiàn)圖2,試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7可知,與1227、1231相比,C401的藥劑所需用量最少,同時(shí)觀察各精礦的產(chǎn)率與鋁硅比增加可知,C401的浮選效果較好。

表7 C401的浮選脫硅試驗(yàn)結(jié)果

2.2 單礦物試驗(yàn)

首先選擇十二胺、十二烷基三甲基氯化銨(1231)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)作為捕收劑,單礦物葉臘石作為試驗(yàn)原料,固定捕收劑濃度為3.5x10-4mol/L,研究pH值與捕收劑濃度對(duì)葉臘石浮選回收率的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH和捕收劑濃度對(duì)葉臘石單礦物浮選回收率的影響

由圖3(a)浮選結(jié)果可知,葉臘石的浮選回收率隨pH值的升高而下降,以十二胺與季銨鹽作捕收劑時(shí),均能獲得較好的浮選結(jié)果。

胺類藥劑與硅質(zhì)礦物表面的相互作用,大多數(shù)情況下主要是由于陽(yáng)離子與礦物表面的雙電層通過(guò)靜電作用而吸附在一起。層狀硅酸鹽礦物在酸性溶液中,由于端面與層面荷電相反,靜電作用相互吸引,兩面發(fā)生凝聚而可浮性好;而在堿性溶液中,層面和端面同時(shí)荷負(fù)電,因靜電作用而相互排斥,礦物充分分散,可浮性變差[14]。

然后利用合成的新型季銨鹽藥劑C401,通過(guò)葉臘石與高嶺石的單礦物浮選試驗(yàn),對(duì)新型季銨鹽陽(yáng)離子捕收劑的浮選性能進(jìn)行研究,并與現(xiàn)有藥劑進(jìn)行對(duì)比,目的是為了考察合成的新型季銨鹽藥劑用于礦物浮選領(lǐng)域的可行性。在不調(diào)節(jié)pH值(pH=6),25 ℃條件下,進(jìn)行單礦物浮選試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示。

從圖3(b)可以看出,C401藥劑對(duì)于葉臘石的捕收能力比現(xiàn)有的一些捕收劑的浮選效果要強(qiáng)。各藥劑對(duì)葉臘石的捕收能力強(qiáng)弱順序?yàn)?C401>1227>1231>十二胺。

葉蠟石是三層型層狀硅酸鹽礦物,由硅氧四面體/氫氧化鋁八面體/硅氧四面體三層組成,單元層與層之間由較弱的范德華力連結(jié)在一起,礦物破碎磨細(xì)時(shí),沿層間斷裂,表面殘余鍵以范德華力為主,表面疏水性好,可浮性好[15]。

3 紅外光譜分析

葉臘石分別與1231、1227和C401作用前后的紅外光譜如圖4所示。

由圖4可以看出,鋁硅酸鹽礦物的明顯特征吸收峰主要是O-H鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰,3673.757cm-1為葉臘石結(jié)構(gòu)單元層四面體片與八面體片結(jié)合面上O-H伸縮振動(dòng)吸收峰;在1114.98 cm-1、1006 cm-1為Si-O的伸縮振動(dòng)吸收峰,937.23 cm-1為Al-OH伸縮振動(dòng)吸收峰,789.60 cm-1、753.88 cm-1、796.85 cm-1為Si-O、Si-Si、Si-Al振動(dòng)吸收峰,536.05 cm-1、467.24 cm-1、430.05 cm-1為Si-O彎曲振動(dòng)吸收峰。各捕收劑與葉蠟石作用后的紅外譜圖中,礦物的特征吸收峰都基本上無(wú)變化,圖譜只在3000～2800 cm-1處出現(xiàn)了甲基和亞甲基的伸縮振動(dòng)吸收峰,而其它峰沒(méi)有發(fā)生變化,說(shuō)明季銨鹽在葉蠟石表面的吸附作用為物理吸附。

圖4 葉蠟石與季銨鹽作用前后的紅外光譜

4 結(jié)論與建議

(1)試驗(yàn)以河南鋁土礦為試驗(yàn)原料,利用現(xiàn)有的4種反浮選脫硅捕收劑及實(shí)驗(yàn)室合成藥劑C401對(duì)其進(jìn)行反浮選脫硅試驗(yàn),研究了不同的反浮選脫硅捕收劑對(duì)鋁土礦的浮選脫硅特點(diǎn)。季銨鹽類捕收劑1227與C401的浮選效果較好。而酰胺類捕收劑,N-[3-(二甲氨基)丙基]月桂酰胺的用量較少,捕收能力較強(qiáng)。因此,對(duì)下一步合成具有強(qiáng)捕收性與選擇性的捕收劑有一定的指導(dǎo)意義,例如可以在季銨鹽中引入酰胺基等。

(2)季銨鹽捕收劑對(duì)河南鋁土礦反浮選脫硅的適宜條件為:磨礦細(xì)度為-0.074 mm占比75%,試驗(yàn)pH值為5.5,在此條件下,當(dāng)C401藥劑用量為150 g/t時(shí),可以獲得產(chǎn)率為77.82%,鋁硅比為3.97,氧化鋁回收率為80.28%的精礦。

(3)各捕收劑對(duì)葉臘石的捕收能力強(qiáng)弱順序?yàn)?C401>1227>1231>十二胺,同時(shí)也可以看出,隨試驗(yàn)pH值的增加,葉臘石浮選回收率逐漸下降。季銨鹽在鋁硅酸鹽礦物葉臘石表面的吸附為物理吸附。

(4)根據(jù)浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如果鋁土礦中的含硅礦物主要是葉臘石,選用C401有利于葉臘石的浮選,可用于含有葉臘石的鋁土礦的反浮選脫硅體系研究。季銨鹽在鋁硅酸鹽礦物葉臘石表面的吸附為物理吸附,即靜電吸附作用,而在有效浮選pH值區(qū)間內(nèi),鋁硅酸鹽礦物表面呈現(xiàn)負(fù)電,因此,應(yīng)用于鋁土礦反浮選,應(yīng)以陽(yáng)離子的靜電作用能力和供電子活性強(qiáng)的季銨鹽為捕收劑的浮選效果最好,同時(shí)建議實(shí)際礦石的反浮選脫硅宜采用弱酸性條件下進(jìn)行。