趙作光 張志軍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

顆粒粒度是影響浮選效果的關(guān)鍵因素之一[1]。顆粒過(guò)細(xì),雖然解離效果好,但會(huì)導(dǎo)致浮選選擇性差,大量的礦物損失在細(xì)泥中,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[2]。顆粒過(guò)粗,由于顆粒自身重力作用以及復(fù)雜流場(chǎng)引起的離心作用,會(huì)導(dǎo)致黏附在氣泡上顆粒的脫附,顆粒越粗,脫附現(xiàn)象越嚴(yán)重。

近年來(lái),粗顆粒浮選逐漸受到選礦行業(yè)的重視。對(duì)于現(xiàn)代礦山來(lái)說(shuō),粗顆粒浮選的重要性愈發(fā)顯著,尤其是碎-磨和尾礦處理過(guò)程[3]。當(dāng)前常規(guī)浮選要求入浮粒度大多為-74μm占70%,但這種粒度要求并非適合所有的礦物。如硫化礦性質(zhì)較脆,在較粗粒級(jí)時(shí)已有部分達(dá)到單體解離,但為了滿足浮選粒度要求,仍需要進(jìn)行進(jìn)一步磨礦,此過(guò)程中很容易發(fā)生過(guò)磨且會(huì)增加能耗。過(guò)磨還會(huì)產(chǎn)生較多的質(zhì)量和動(dòng)量都很小的微細(xì)顆粒,其與氣泡的碰撞概率會(huì)降低,且因?yàn)橛休^高的表面自由能會(huì)造成浮選藥耗高、礦泥罩蓋、機(jī)械夾雜等問(wèn)題[4],此外還會(huì)造成磨礦成本高、產(chǎn)品脫水難等問(wèn)題。若能提升浮選的粒度上限,實(shí)現(xiàn)粗顆粒浮選,優(yōu)化階段磨礦—階段分選的工藝,不但可以預(yù)先拋除大量尾礦,還可以避免微細(xì)粒浮選時(shí)存在的一系列問(wèn)題,并且有利于尾礦的資源化利用[5-6]。

早在20世紀(jì)開(kāi)始,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者就針對(duì)粗顆粒浮選回收率低的難題開(kāi)展了一系列研究,并在機(jī)械攪拌式浮選體系下分析了影響粗顆粒浮選的各種因素[7]。

JAMESON[8]和 WELSBY[9]研究發(fā)現(xiàn),粗顆?；厥章实团c解離度無(wú)關(guān),因?yàn)橄嗤６认挛赐耆怆x的顆粒也具有與完全解離顆粒相同的浮選速率常數(shù)。浮選槽內(nèi)的水動(dòng)力環(huán)境是影響粗顆?；厥章实闹匾蛩?過(guò)高或過(guò)低的礦漿湍流強(qiáng)度都不利于粗顆粒浮選[10]。史帥星[11]通過(guò)研究粗顆粒的懸浮特征,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型大型充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī),大幅提高了粗顆?；厥章?。而王燕玲[12]和胡海祥[13]通過(guò)改變不同的浮選條件發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、充氣量、刮泡速度等可以提升粗顆粒浮選回收率。

粗顆粒浮選需要負(fù)載力和穩(wěn)定性更強(qiáng)的氣泡,泡沫穩(wěn)定性受顆粒尺寸的顯著影響。FARROKHPAY[14]和BOURNIVAL[15]認(rèn)為顆粒在對(duì)泡沫相的穩(wěn)定性方面比起泡劑的作用更大,微細(xì)顆粒的存在可以減少氣泡兼并,并提供一個(gè)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的泡沫層。而LI[16]和NAZARI[17-18]則發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變充氣方式而產(chǎn)生微細(xì)氣泡的條件下,粗粒石英(10～425μm)的回收率最高可提升20%。這可能是因?yàn)槲⒓?xì)氣泡會(huì)提升顆粒與氣泡的碰撞概率,且多個(gè)氣泡可以黏附在一個(gè)顆粒上形成哄抬效應(yīng),提高粗顆粒的回收率。

本文以石英為研究對(duì)象,探究葉輪轉(zhuǎn)速、充氣量、礦漿濃度、粒度組成等因素對(duì)最大可浮粒度的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用石英礦取自安徽鳳陽(yáng)某石英廠,按試驗(yàn)需求將其分成細(xì)粒級(jí)(0.8～0.1 mm)和粗粒級(jí)(1.6～0.8 mm)浮選入料由粗細(xì)兩種粒級(jí)組成,主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 石英單礦物化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis results of quartz single mineral %

從表1可知,石英試樣的純度較高,SiO2含量達(dá)99.34%,主要雜質(zhì)為Al2O3和Fe2O3,其含量均較低,滿足石英純礦物試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)所用試劑十二胺(十二胺用醋酸等摩爾比促溶后加水配置成醋酸鹽溶液使用)、鹽酸、氫氧化鈉、仲辛醇、煤油均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

浮選試驗(yàn)在XFD型掛槽式浮選機(jī)中進(jìn)行,預(yù)先攪拌1min,然后按照試驗(yàn)要求依次加入調(diào)整劑、捕收劑,每次加入藥劑后攪拌2 min,充氣30 s,浮選時(shí)間4 min。

作用在顆粒氣泡上的力按作用效果可以分為脫附力和黏附力,SCHULZE[19]將顆粒與氣泡受到的脫附力和黏附力的比值定義為邦德數(shù)Bo。經(jīng)過(guò)后來(lái)學(xué)者的不斷改進(jìn),GOEL[20]提出了修正后邦德數(shù)Bom,當(dāng)Bom=1時(shí),顆粒受到的脫附力剛好等于黏附力,顆粒處于臨界脫附狀態(tài),上浮概率為50%,此時(shí)的顆粒粒度稱(chēng)為最大可浮粒度。本研究將得到的浮選精礦和尾礦產(chǎn)品分別進(jìn)行過(guò)濾、烘干、測(cè)粒、稱(chēng)重,計(jì)算各個(gè)粒級(jí)的產(chǎn)率,以浮選精礦產(chǎn)率為50%的粒度作為該條件下石英的最大可浮粒度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 捕收劑用量及pH值對(duì)最大可浮粒度的影響

捕收劑對(duì)浮選過(guò)程的影響非常顯著,選擇合適的捕收劑并確定其作用的最佳條件可以有效提升浮選效果。試驗(yàn)采用十二胺作為捕收劑,十二胺與石英的作用以物理吸附為主,吸附方式包括單層吸附和多層吸附。浮選入料粒度組成為:0.8～0.1 mm占50%,1.6～0.8 mm占50%。十二胺用量對(duì)石英最大可浮粒度的影響如圖1所示。

圖1 最大可浮粒度與十二胺用量的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between maximum floatable particle size and dodecylamine dosage

從圖1可以看出,隨著十二胺用量從500 g/t增加到2 500 g/t,最大可浮粒度從0.42 mm提升到1.04mm,此后隨著用量的繼續(xù)增加,最大可浮粒度基本不變。

浮選時(shí)礦漿pH值可以通過(guò)改變礦物表面的電性影響捕收劑與礦物的作用,合適的pH區(qū)間可以提升十二胺與石英作用強(qiáng)度,進(jìn)而提升可浮粒度。在十二胺用量為2 500 g/t時(shí),以HCl和NaOH作為pH調(diào)整劑,探究pH值對(duì)石英最大可浮粒度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 最大可浮粒度與pH值的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between maximum floatable particle size and pH value

從圖2可以看出,最大可浮粒度在pH值為7時(shí)達(dá)到最大,為1.17 mm。在pH值為7及十二胺用量為2 500 g/t的條件下進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 礦漿濃度對(duì)最大可浮粒度的影響

礦漿濃度是影響浮選效果的重要參數(shù)之一。礦漿濃度的變化可以改變礦漿內(nèi)的含氣量,還可以影響顆粒-氣泡間的相互作用。因此,選擇合適的礦漿濃度,對(duì)于可浮粒度的提升也有一定的幫助。改變不同的礦漿濃度,探究礦漿濃度變化對(duì)最大可浮粒度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 最大可浮粒度與礦漿濃度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between maximum floatable particle size and pulp concentration

從圖3可以看出,隨著礦漿濃度從5%增加到10%,最大可浮粒度也從1.17 mm提升到1.24 mm。礦漿濃度增加,顆粒與氣泡的碰撞幾率提升,一些顆粒在高濃度條件下產(chǎn)生哄抬效應(yīng),降低了粗顆粒從氣泡上脫落的幾率。而隨著礦漿濃度從10%增加到25%,最大可浮粒度也隨之降低到0.87 mm。這可能是因?yàn)殡S著礦漿濃度的進(jìn)一步提升會(huì)阻礙顆粒與氣泡的自由碰撞,并加劇顆粒間的相互碰撞,增大顆粒與氣泡間的脫附力,使得顆粒從氣泡上的脫附概率增大從而惡化浮選效果。以10%礦漿濃度作為后續(xù)試驗(yàn)條件。

2.3 轉(zhuǎn)速和充氣量對(duì)最大可浮粒度的影響

顆粒與氣泡的碰撞、黏附、脫附是浮選的重要過(guò)程,而浮選時(shí)礦漿的流體條件對(duì)這3個(gè)過(guò)程具有較大影響。礦漿的流體條件主要受到葉輪轉(zhuǎn)速和充氣量的影響。在上述浮選條件下,改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速和充氣量,探究轉(zhuǎn)速和充氣量對(duì)石英最大可浮粒度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 最大可浮粒度與葉輪轉(zhuǎn)速和充氣量的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between maximum floatable particle size and impeller speed and inflation

從圖4可以看出,在充氣量一定時(shí),葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)最大可浮粒度的影響可分為3個(gè)階段:

第一階段,當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加到1 500 r/min時(shí),礦漿的紊流程度增加,粗顆粒被湍流帶起,同時(shí)顆粒與氣泡的碰撞概率也增加,浮選效果變好,最大可浮粒度也隨之增加。

第二階段,當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 500～2 100 r/min間時(shí),礦漿紊流程度雖然增加但能維持在一個(gè)比較合適的區(qū)間,顆粒與氣泡的相互作用較好,最大可浮粒度基本不變。

第三階段,當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速超過(guò)2 100 r/min時(shí),礦漿的紊流程度進(jìn)一步增大,這雖然使得顆粒氣泡的碰撞概率增加,但由于顆粒自身重力作用以及復(fù)雜流場(chǎng)引起的離心力作用,會(huì)導(dǎo)致黏附在氣泡上顆粒的脫附,尤其對(duì)于粗顆粒,脫附現(xiàn)象更加嚴(yán)重,最大可浮粒度降低。

從圖4還可以看出,充氣量對(duì)最大可浮粒度的影響可以分為兩個(gè)階段:

第一階段,當(dāng)充氣量從40 L/h增加到80 L/h時(shí),隨著充氣量的增加,浮選槽內(nèi)氣泡量增多,石英的最大可浮粒度也隨著上升。

第二階段,當(dāng)充氣量從80 L/h增加到120 L/h時(shí),在轉(zhuǎn)速低于1 200 r/min時(shí),隨著充氣量的增加,最大可浮粒度基本不變。在轉(zhuǎn)速高于1 200 r/min時(shí),隨著充氣量的增加,最大可浮粒度降低,這可能是高充氣量增加了浮選槽內(nèi)的紊流程度,增加了顆粒與氣泡的脫附概率。

2.4 粒度組成對(duì)最大可浮粒度的影響

浮選過(guò)程中泡沫穩(wěn)定性是浮選的關(guān)鍵條件,除了表面活性劑外,浮選入料的粒度組成對(duì)浮選泡沫的穩(wěn)定性也有很大影響。為了探究粒度組成對(duì)最大可浮粒度的影響,改變浮選入料中細(xì)顆粒的粒度及占比,探究粒度組成對(duì)石英最大可浮粒度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 最大可浮粒度與粒度組成的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum floatable particlesize and particle size composition

從圖5可以看出,當(dāng)細(xì)顆粒粒度一定時(shí),其占比從20%增加到80%時(shí),最大可浮粒度也隨著增加,顆粒粒度越細(xì),這種提升就更加明顯。而當(dāng)細(xì)顆粒占比一定時(shí),隨著細(xì)顆粒粒度從0.2～0.1 mm提升到0.8～0.6mm時(shí),最大可浮粒度也隨之降低。這可能是因?yàn)閱为?dú)浮選粗顆粒時(shí)難以形成穩(wěn)定的泡沫,而細(xì)顆粒則可以黏附在氣泡上,提高氣泡的強(qiáng)度,并避免氣泡的兼并,提供更加緊密穩(wěn)定的泡沫層,進(jìn)而提升最大可浮粒度。

以上研究表明,細(xì)顆粒的粒度及占比對(duì)粗顆粒浮選有很大影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證細(xì)顆粒對(duì)粗顆粒浮選的影響,改變細(xì)顆粒粒度及占比,探究粒度組成對(duì)粗顆粒(0.8～1 mm)產(chǎn)率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖 6 1.0～0.8 mm粒度產(chǎn)率與粒度組成的關(guān)系Fig.6 Relationship between 1.0～0.8mm particle size yield and particle size composition

如圖6所示,當(dāng)不添加細(xì)顆粒時(shí),單獨(dú)浮選粗顆粒(1.0～0.8 mm),其產(chǎn)率為64.35%。當(dāng)添加細(xì)顆粒時(shí),在細(xì)顆粒占80%的條件下,隨著細(xì)顆粒粒度從0.2～0.1 mm增加到0.8～0.6 mm,其對(duì)粗顆粒的產(chǎn)率提升也從18.34個(gè)百分點(diǎn)降低到7.66個(gè)百分點(diǎn);當(dāng)細(xì)顆粒占60%時(shí),其對(duì)粗顆粒產(chǎn)率提升從14.26個(gè)百分點(diǎn)降低到3.77個(gè)百分點(diǎn)。同一粒度條件下,當(dāng)細(xì)顆粒占比從60%提升到80%時(shí),粗顆粒產(chǎn)率也能提升3～4個(gè)百分點(diǎn)。以上都表明了細(xì)顆粒的粒度及占比對(duì)粗顆粒浮選有較大影響。

2.5 起泡劑及細(xì)顆粒對(duì)最大可浮粒度的影響

細(xì)顆粒的存在可以強(qiáng)化氣泡進(jìn)而提升粗顆粒浮選產(chǎn)率。由于捕收劑十二胺本身就具有一定的起泡性,因此在常規(guī)浮選的過(guò)程中無(wú)需單獨(dú)加入起泡劑,但隨著入料粒度和粗顆粒占比的增加,十二胺自身產(chǎn)生的氣泡強(qiáng)度有所不足,因此考慮單獨(dú)加入起泡劑來(lái)增強(qiáng)氣泡強(qiáng)度,強(qiáng)化浮選過(guò)程。

在浮選入料中0.8～0.6 mm粒度級(jí)占60%條件下,考察不同種類(lèi)起泡劑及用量對(duì)最大可浮粒度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 最大可浮粒度與起泡劑種類(lèi)及用量的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between maximum floatable particle size and type and dosage of frother

從圖7可以看出,隨著兩種起泡劑用量從0增加到400 g/t時(shí),最大可浮粒度從0.96 mm分別提升到1.14 mm(仲辛醇)、1.12 mm(松醇油)。隨著起泡劑用量的繼續(xù)增加,最大可浮粒度基本不變。

起泡劑和細(xì)顆粒(占浮選入料60%)對(duì)最大可浮粒度的影響如圖8所示。

圖8 最大可浮粒度與起泡劑用量及細(xì)顆粒粒度的關(guān)系g.8 Relationship between maximum floatable particle size and dosage of frother and fine particlesFi

從圖8可以看出,當(dāng)細(xì)顆粒粒度小于0.4 mm時(shí),仲辛醇對(duì)最大可浮粒度的提升很小,這是因?yàn)槭繁旧砭哂幸欢ǖ钠鹋菪?而細(xì)顆粒的存在可以起到類(lèi)似起泡劑增強(qiáng)氣泡穩(wěn)定性的作用,如圖9所示。但隨著細(xì)顆粒粒度的增加,其穩(wěn)定氣泡的能力隨之下降,當(dāng)細(xì)顆粒粒度超過(guò)0.6 mm時(shí),其穩(wěn)定氣泡的能力下降,此時(shí)仲辛醇的加入可以增強(qiáng)氣泡的穩(wěn)定性,提升最大可浮粒度,與不加仲辛醇相比可提升0.18 mm。

圖9 細(xì)顆粒與起泡劑穩(wěn)定泡沫示意Fig.9 Schematic diagram of fine particles and frother stabilizing foam

3 結(jié) 論

(1)捕收劑十二胺用量的增加會(huì)提升石英的最大可浮粒度,在用量達(dá)2 500 g/t后達(dá)到最大提升效果,在礦漿pH值為7時(shí),十二胺對(duì)石英的捕收能力最強(qiáng)。礦漿濃度也會(huì)影響最大可浮粒度,在礦漿濃度為10%時(shí),最大可浮粒度達(dá)到最大值。

(2)礦漿紊流程度是影響最大可浮粒度的關(guān)鍵因素,其主要受到葉輪轉(zhuǎn)速和充氣量的影響。在葉輪轉(zhuǎn)速1 500 r/min、充氣量80 L/h時(shí)最大可浮粒度達(dá)到最大值。過(guò)低的轉(zhuǎn)速和充氣量無(wú)法沖起粗顆粒,不能為顆粒與氣泡的碰撞提供合適的環(huán)境。過(guò)高的轉(zhuǎn)速和充氣量提供的流體環(huán)境會(huì)加劇顆粒間的碰撞,加大顆粒在氣泡上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力,從而導(dǎo)致顆粒脫落。

(3)穩(wěn)定的氣泡也是提升粗顆?；厥章实年P(guān)鍵因素,浮選時(shí)加入細(xì)顆粒或者提高細(xì)顆粒的占比可以起到和起泡劑一樣穩(wěn)定氣泡的作用,穩(wěn)定的氣泡可以提升粗顆粒浮選回收率,而隨著細(xì)顆粒粒度的增加,其穩(wěn)定氣泡的能力也隨之減弱。