李鳳久 孔亞然 趙留成 賈清梅

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063000)

磁化處理最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,在13世紀(jì),物理學(xué)家格爾休發(fā)現(xiàn)了磁化處理水的醫(yī)療作用,北宋《圣濟(jì)總錄》記載磁石煉水可治療小兒驚癇。1945年,比利時韋梅朗發(fā)現(xiàn)磁化處理水可減少鍋垢的產(chǎn)生,然而直到蘇聯(lián)提出該技術(shù)可能改變水系的物理化學(xué)性質(zhì)的假設(shè)后,磁化處理才引起廣泛關(guān)注[1]。21世紀(jì)以來,磁化處理技術(shù)逐漸在礦物加工領(lǐng)域受到重視[2-3]。研究表明[4-7],磁化處理能夠強(qiáng)化捕收劑與目的礦物的作用,降低浮選過程中的藥劑用量,同時提高浮選回收率。水是選礦過程中重要的介質(zhì),而磁化處理能夠改變水溶液的電導(dǎo)率、蒸發(fā)速度、滲透壓等物理化學(xué)性質(zhì),提高水溶解氧量及一些鹽類的溶解度,降低表面張力和黏度,對選礦過程具有重要意義[8-9]。

眾多研究表明,將磁化技術(shù)應(yīng)用于鐵礦浮選具有積極作用[10-12],磁化處理浮選藥劑可以加強(qiáng)赤鐵礦顆粒間的絮凝作用,磁化油酸鈉對鈦鐵礦的選擇性增大。目前對磁化處理的研究多集中于磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁化時間等對浮選的影響,鮮有磁場位型對磁化效果影響的研究。為進(jìn)一步了解油酸鈉體系下磁化處理對赤鐵礦和石英浮選分離效果的影響,通過純礦物和人工混合礦試驗,研究了磁化處理中磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化時間、磁場位型對油酸鈉的捕收效果,并從表面張力、電導(dǎo)率和Zeta電位等方面分析作用機(jī)理。

1 試驗原料、裝置及方法

1.1 試驗原料

赤鐵礦原礦樣取自淡水河谷國際公司,TFe品位為64.38%,SiO2含量為2.25%。經(jīng)洗礦、破碎、磨礦、重選、弱磁選、脫磁,制得赤鐵礦純礦物樣品,TFe品位為66.11%,純度為94.52%。石英純礦物為美國尤尼明高純石英砂,純度 99.99%,含鐵小于3×10-5%。對赤鐵礦和石英純礦物進(jìn)行XRD分析,結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知,赤鐵礦純礦物中含赤鐵礦和微量針鐵礦,石英純礦物中未發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)。

通過NKT6100-D激光粒度儀進(jìn)行粒度分析,結(jié)果表明:赤鐵礦純礦物的D50為50.64μm,石英純礦物的D50為62.24μm。

本試驗所用藥劑均為分析純,NaOH和HCl作為pH值調(diào)整劑,油酸鈉作為赤鐵礦的捕收劑;浮選用水為超純水,試驗前浮選用水和藥劑均水浴加熱至25℃。

1.2 試驗裝置

浮選試驗所用設(shè)備為XFGⅡ5掛槽浮選機(jī);磁化處理由實驗室自制磁化裝置實現(xiàn),磁化裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,浮選藥劑在圖3所示區(qū)域磁化,通過調(diào)節(jié)激磁電流和2個磁極的間距來改變磁場中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度,更換磁場位型(圖4)來改變磁化區(qū)域的磁場分布。

圖2 磁化裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of magnetizing device

圖3 磁化區(qū)域示意Fig.3 Schematic diagram of magnetization area

圖4 磁場位型示意Fig.4 Schematic diagram of magnetic field configuration

1.3 試驗方法

(1)磁化處理。將0.01 mol/L的油酸鈉溶液(40.0 mL)置于磁化裝置中磁化,攪拌轉(zhuǎn)速600 r/min,在一定磁化條件下對浮選藥劑進(jìn)行磁化處理。

(2)浮選試驗。在XFGⅡ5掛槽浮選機(jī)浮選槽內(nèi)加入5.0 g赤鐵礦或石英純礦物,并加入45.0 mL一定pH值的超純水,攪拌3 min,加入油酸鈉,攪拌3 min,手動刮泡5 min。所得產(chǎn)品過濾、烘干、稱重,計算回收率。

(3)表面張力測定。按(1)中所述方法對油酸鈉溶液進(jìn)行磁化處理,磁化完成后立即用BZY系列全自動表面張力儀測其表面張力。

(4)電導(dǎo)率測定。按(1)中所述方法對油酸鈉溶液進(jìn)行磁化處理,磁化完成后立即用STARTER 3C電導(dǎo)率儀測其電導(dǎo)率。

(5)Zeta電位測定[12-13]。稱取-5μm礦樣50 mg,置于40.0 mL、pH=9的氫氧化鈉溶液中,加入藥劑作用5 min,取均質(zhì)溶液進(jìn)行Zeta電位測定。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同磁場位型下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布模擬

利用Ansys Electronics電磁模擬軟件建立Maxwell 3D模型,對該磁化裝置進(jìn)行模擬,磁場中心點磁感應(yīng)強(qiáng)度150 mT時不同磁場位型條件下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖5、圖6所示。

圖5 磁極中心連線所在垂直面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.5 Distribution ofmagnetic induction intensity on the vertical plane where the center line of magnetic pole is located

圖6 磁極間隙中心面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.6 Distribution of magnetic induction intensity on the central surface of magnetic pole gap

通過分析圖5、圖6可知,從1號磁場位型到5號磁場位型,磁化區(qū)域(磁化處理浮選藥劑時藥劑所在區(qū)域)內(nèi)磁場的不均勻程度逐漸降低,磁場梯度減小。

2.2 未磁化處理條件下油酸鈉用量試驗

前期試驗確定浮選機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min,礦漿pH=9。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行油酸鈉用量試驗,結(jié)果如圖7所示。

圖7 未磁化處理條件下油酸鈉用量試驗Fig.7 Sodium oleate dosage test without magnetizing treatment

由圖7可知,隨著油酸鈉用量的增加,赤鐵礦和石英回收率均增大。油酸鈉用量為2×10-4mol/L時,赤鐵礦回收率為54.65%,油酸鈉用量為4×10-4mol/L時,赤鐵礦回收率為94.72%;繼續(xù)增加藥劑用量,赤鐵礦回收率變化不明顯。為了更直觀地研究磁化處理對浮選的影響,后續(xù)試驗油酸鈉用量定為2×10-4mol/L。

2.3 磁化處理浮選藥劑對純礦物浮選的影響

2.3.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度試驗

在浮選機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 r/min,礦漿 pH=9、油酸鈉用量2×10-4mol/L、磁化時間8 min、1號磁場位型的條件下考察磁感應(yīng)強(qiáng)度對赤鐵礦和石英浮選效果的影響,結(jié)果如圖8所示。

圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度對浮選效果的影響Fig.8 Influence of magnetic induction on flotation effectintensity

由圖8可知,隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大,赤鐵礦回收率先增大后降低;隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大,石英回收率基本不變,認(rèn)為磁化處理浮選藥劑不影響石英浮選。磁感應(yīng)強(qiáng)度為150 mT時,赤鐵礦回收率達(dá)到最大值,因此后續(xù)試驗磁感應(yīng)強(qiáng)度定為150 mT。

2.3.2 磁化時間試驗

在浮選機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 r/min,礦漿 pH=9、油酸鈉用量2×10-4mol/L、磁感應(yīng)強(qiáng)度150 mT、1 號磁場位型的條件下研究磁化時間對赤鐵礦和石英浮選效果的影響,結(jié)果如圖9所示。

圖9 磁化時間對浮選效果的影響Fig.9 Influence of magnetization time on flotation effect

由圖9可知,隨著磁化時間的延長,赤鐵礦回收率先增大后降低;隨著磁化時間的延長,石英回收率基本不變。磁化時間為6 min時,赤鐵礦回收率達(dá)到最大值,因此后續(xù)試驗磁化時間定為6 min。

2.3.3 磁場位型試驗

在浮選機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 r/min,礦漿 pH=9、油酸鈉用量2×10-4mol/L、磁感應(yīng)強(qiáng)度150 mT,磁化時間6 min的條件下研究磁場位型對赤鐵礦和石英浮選效果的影響,結(jié)果如圖10所示。

圖10 磁場位型對浮選效果的影響Fig.10 Influence of magnetic field configuration on flotation effect

由圖10可知,1號磁場位型條件下,赤鐵礦回收率最高。而5種磁場位型下石英回收率基本一致。因此,后續(xù)試驗磁場位型定為1號。結(jié)合圖5和圖6可知,從1號磁場位型到5號磁場位型,磁化區(qū)域內(nèi)磁場的不均勻程度降低,1號磁場位型條件下磁場的不均勻程度最高,表明磁場梯度的提高有利于磁化處理強(qiáng)化赤鐵礦的浮選。

2.4 機(jī)理分析

為了研究磁化處理浮選藥劑強(qiáng)化赤鐵礦回收的作用機(jī)理,測定了不同磁化條件下溶液表面張力、電導(dǎo)率及Zeta電位,結(jié)果見圖11～圖13。

圖11 磁感應(yīng)強(qiáng)度對水系性質(zhì)的影響Fig.11 Influence of magnetic induction intensity on water system properties

圖13 磁場位型對水系性質(zhì)的影響Fig.13 Influence of magnetic field configuration on water system properties

由圖11可知,磁感應(yīng)強(qiáng)度從0增長到150 mT,油酸鈉的表面張力從24.6 mN/m增長到25.4 mN/m,電導(dǎo)率從35.9μs/cm降低至41.6μs/cm,赤鐵礦的Zeta電位從-35.24mV增長到-51.47mV,石英的Zeta電位幾乎不變;繼續(xù)增大磁感應(yīng)強(qiáng)度,油酸鈉的表面張力趨于平穩(wěn),電導(dǎo)率緩慢減小,赤鐵礦的Zeta電位減小,石英的Zeta電位幾乎不變。

由圖12可知,磁化時間從0增加到6 min,藥劑的表面張力從24.6 mN/m增長到25.4 mN/m,電導(dǎo)率從35.9μs/cm降低至44.9μs/cm,Zeta電位從-35.24 mV增長到-54.77 mV,繼續(xù)增加磁化時間,油酸鈉的表面張力趨于平穩(wěn),電導(dǎo)率緩慢減小,赤鐵礦的Zeta電位減小,石英的Zeta電位幾乎不變。

圖12 磁化時間對水系性質(zhì)的影響Fig.12 Influence of magnetization time on water system properties

由圖13可知,1號磁場位型條件下,油酸鈉的表面張力、電導(dǎo)率和赤鐵礦的Zeta電位絕對值均最大。

少量油酸鈉就能顯著降低水的表面張力,再增加溶液濃度,溶液表面張力幾無變化,油酸鈉的臨界膠束濃度(CMC)為1.025×10-3mol/L[14-15]。磁化處理后油酸鈉溶液的表面張力增大,說明油酸鈉溶液中的表面活性組分發(fā)生變化。油酸鈉溶液中分子離子絡(luò)合物濃度最大時,表面張力最低[12,16-17]。因此,磁化處理后油酸鈉溶液中分子離子絡(luò)合物占比減少,絡(luò)合物分解,油酸根離子和油酸根離子二聚物增加,油酸鈉對赤鐵礦的捕收能力增強(qiáng)。溶液的電導(dǎo)率與溶液中的離子種類和離子濃度有關(guān)[4],磁化處理后油酸鈉溶液的電導(dǎo)率增大,說明磁化處理促進(jìn)了油酸的電離,溶液中油酸根離子增多,有利于藥劑在赤鐵礦表面的吸附。Zeta電位的變化說明磁化處理后油酸根離子在赤鐵礦表面的吸附增強(qiáng)[12],提高了赤鐵礦的可浮性,與電導(dǎo)率、表面張力結(jié)果一致。

2.5 人工混合礦浮選

在純礦物試驗確定的最佳條件下對人工混合礦(赤鐵礦和石英質(zhì)量比為7∶3)進(jìn)行分選試驗,結(jié)果如表1所示。

表1 人工混合礦浮選試驗結(jié)果Table 1 Flotation test results of artificial mixed ore %

由表1可知,磁化處理浮選藥劑和未磁化相比,混合礦精礦TFe品位和回收率均有不同程度的提高。磁化處理浮選藥劑時精礦TFe品位提高了0.77個百分點,TFe回收率提高了6.75個百分點,磁化處理對赤鐵礦和石英的浮選分離有積極作用。

3 結(jié) 論

(1)在浮選機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 r/min、pH=9、油酸鈉用量2×10-4mol/L的條件下研究磁化處理浮選藥劑對赤鐵礦和石英浮選的影響,純礦物試驗結(jié)果表明,適宜的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁化時間磁化處理浮選藥劑有利于赤鐵礦和石英的浮選分離,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為150 mT、磁化時間為6 min、1號磁場位型時,赤鐵礦回收率達(dá)78.27%,相較未磁化條件下提高了23.62個百分點。

(2)表面張力、電導(dǎo)率和Zeta電位測試結(jié)果表明,磁化處理后溶液中油酸鈉離子濃度增加,油酸根離子在赤鐵礦表面的吸附增強(qiáng),有利于赤鐵礦和石英的浮選分離。

(3)人工混合礦浮選試驗結(jié)果表明,和未磁化時相比,磁化處理浮選藥劑時精礦TFe品位提高了0.77個百分點,TFe回收率提高了6.75個百分點,磁化處理對赤鐵礦和石英的浮選分離有積極作用。