康文澤, 劉 洋, 丁淑芳

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

鱗片石墨與礦石多呈侵染狀共生,要獲得品位較高的石墨精礦,須經(jīng)多次破碎、磨礦,使石墨與礦物雜質(zhì)解離,再通過浮選的方法將石墨與礦物雜質(zhì)分離[1]。影響礦物浮選的因素很多,其中,浮選藥劑是重要的影響因素之一,尤其是捕收劑的性能直接影響礦物浮選回收率[2]。礦物浮選捕收劑最初多用煤油、柴油和各種石油分餾物[3],這些大多是石油化工業(yè)的副產(chǎn)品,捕收劑的穩(wěn)定性受到一定影響。為了進一步提高礦物浮選效果,人們進行了新型捕收劑的研究。黎軍等[4]用PF-100表面活性劑和液體石蠟復(fù)配,制備了新型捕收劑,實驗顯示復(fù)配藥劑提高了石墨精礦品位和回收率。方和平[5]、毛炬凡等[6]在中性油、煤油中添加表面活性劑制備復(fù)合藥劑,研究證明新藥劑提高了鱗片石墨的回收率。王啟寶等[7]報導(dǎo)了用GB型復(fù)合藥劑對山東平度石墨進行了浮選實驗,結(jié)果表明新型復(fù)合藥劑以物理吸附為主,兼有氫鍵吸附,具有用量少、分選效果好、浮選速率快等優(yōu)點。馬成才等[8]用環(huán)烷酸、裂解柴油、混合雜醇及少量柴油制備了MF新型復(fù)合捕收劑,復(fù)合藥劑對石墨浮選的捕收能力和選擇性都得到了提高。金蟬[9]等利用混合烴制備了一種含有芳香烴、飽和烴及不飽和烴的復(fù)合藥劑,該藥劑價格低廉,且捕收性和起泡性皆優(yōu)于煤油和2#油。

綜合以上分析,以往的研究大多用混合物藥劑,由于混合物藥劑成分不穩(wěn)定,而且摻配比例不容易調(diào)節(jié)。筆者選取單一的直鏈烷烴、芳香烴兩大類8種非極性烷烴,以碳含量為90.34%的石墨為樣本,進行了單一藥劑的石墨精選實驗,從單一的直鏈烷烴、芳香烴中篩選出精選效果較好的藥劑,進行不同藥劑之間的復(fù)配,研究復(fù)配藥劑的精選效果,為研制新型復(fù)合藥劑做一些探索工作。

1 實 驗

1.1 試樣及藥劑

本實驗選取黑龍江蘿北某石墨選礦廠第六精選段的精礦作為實驗樣本,其碳含量為90.34%。由于實驗樣本中殘存一定量的浮選藥劑,實驗前,對試樣進行清洗。先將石墨與一定量的水混合,分批次放入浮選機中,在關(guān)閉進氣閥門的條件下開動浮選機,攪拌5 min,停機后,將礦漿倒入搪瓷盆中靜置沉淀5 h,倒掉盆中漂浮物,將沉淀的石墨再重復(fù)上述步驟至少5次,然后,將清洗后的石墨放入烘干箱中烘干。石墨烘干后,在不加任何藥劑進行浮選實驗,石墨浮出的產(chǎn)率小于10%,即認為石墨清洗干凈。對實驗樣本進行了濕法篩分,篩分結(jié)果見表1。其中,w為固定碳含量,wa為累計固定碳含量。

表1 石墨樣本粒度組成

由表1可知,大于0.15 mm的粒度級別只占14.96%,而小于0.075 mm的粒級卻占了57.97%,說明實驗樣本的粒度較細。各粒級的固定碳含量隨著粒度的減小,固定碳含量逐漸降低。

為了研究實驗樣本中的雜質(zhì)組成,進行了X射線熒光光譜分析。由于樣本中石墨的含量較高,為了更好的表示樣本中的雜質(zhì)成分,在分析時去除了C的含量,X射線熒光光譜分析結(jié)果見表2。

表2 石墨樣本主要雜質(zhì)成分

表2顯示,樣本中的主要雜質(zhì)有Fe2O3、SiO2、SO3、Al2O3,還有少量的CaO、K2O、Cl、P2O5等。

實驗用的單一捕收劑見表3,藥劑均來自于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。常規(guī)捕收劑為煤油,作為單一藥劑、復(fù)配藥劑的參比藥劑。

表3 實驗用單一捕收劑

藥劑的復(fù)配,按照一定質(zhì)量比,將計量好的不同單一藥劑分別放入60 ℃恒溫攪拌器中,攪拌30 min,冷卻1 h,即獲得復(fù)配藥劑。

1.2 精選實驗

實驗使用XFD-1.5型浮選機,浮選槽體容積1.5 L。通過探索性實驗和正交實驗確定礦漿濃度為30 g/L,浮選機轉(zhuǎn)速為1 450 r/min,充氣量為0.13 m3/h。藥劑精選實驗中,捕收劑用量在100～300 g/t,多種藥劑復(fù)配精選實驗中,捕收劑用量為200 g/t。實驗起泡劑均為仲辛醇,用量均為50 g/t。除了進行20 ℃室溫實驗,還進行了溫度為10、30 ℃的實驗,在沒有特殊說明時,實驗均是在室溫20 ℃下進行的。

實驗步驟:首先,稱取45 g石墨礦樣,放入浮選槽,加水?dāng)嚢? min;然后,向礦漿液面下加捕收劑,攪拌1 min;最后,加起泡劑,攪拌15 s后開始刮泡,刮泡3 min,將收集的精礦和尾礦進行抽濾、烘干,干燥后的樣品稱取質(zhì)量,計算精礦產(chǎn)率。采用高溫灼燒測定石墨的灰分、揮發(fā)份,計算出石墨的碳含量,石墨灰分、揮發(fā)份測量執(zhí)行中國標準GBT3521—2008。精礦回收率為

ε=(wj×γj/w)×100%,

(1)

式中:ε——精礦回收率,%;

w——原樣碳含量,%;

γj——精礦產(chǎn)率,%;

wj——精礦碳含量,%。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一藥劑

2.1.1 直鏈烷烴

以4種正構(gòu)直鏈烷烴作為捕收劑,以煤油作為參比藥劑,精選實驗方法見1.2,直鏈烷烴、煤油的精選實驗結(jié)果見圖1。

圖1 直鏈烷烴、煤油精選實驗結(jié)果 Fig.1 Cleaning test results of straight chain alkanes and kerosene

從圖1a中可以看出,隨著捕收劑用量的增加,精礦產(chǎn)率也在增加,曲線基本呈現(xiàn)上升趨勢,在藥劑用量200 g/t情況下,正十四烷、正十五烷、正十二烷、煤油、正十一烷的精礦產(chǎn)率分別為54.15%、51.55%、34.89%、34.36%、23.02%。從圖1b中可以看出,不同藥劑、不同用量下,精礦固定碳含量差別不大,均在2%以內(nèi)。從圖1c中可以看出,精礦回收率曲線與精礦產(chǎn)率曲線變化規(guī)律基本一致,這可能與精礦固定碳含量變化較小有關(guān)。以上研究顯示直鏈烷烴精選效果最好的兩種藥劑是正十四烷和正十五烷,其精選效果均優(yōu)于煤油。

2.1.2 芳香烴

以4種芳香烴為捕收劑,以煤油作為參比藥劑,精選實驗方法見1.2,芳香烴、煤油的精選實驗結(jié)果見圖2。

圖2 芳香烴、煤油精選實驗結(jié)果Fig.2 Cleaning test results of aromatic hydrocarbon and kerosene

由圖2a可知,隨著捕收劑用量增加,曲線呈現(xiàn)上升趨勢。在低用藥量100～150 g/t時,正辛基苯的精選效果優(yōu)于正庚基苯,由于正辛基苯的碳鏈較長,疏水基團多,能更好地提高石墨的疏水性。在高用藥量200～300 g/t時, 正庚基苯的精選效果優(yōu)于正辛基苯,可能的原因是當(dāng)用藥量較大時,正庚基苯其分散性優(yōu)于正辛基苯[10]。在藥劑用量為200 g/t時,正庚基苯、正辛基苯、煤油、苯己烷、戊苯的精礦產(chǎn)率分別為43.99%、41.75%、34.36%、33.97%、18.06%。

由圖2b可知,不同藥劑、不同用量下,精礦固定碳含量差別不大,均在2%以內(nèi)。從圖2c可以看出,精礦回收率曲線與精礦產(chǎn)率曲線變化規(guī)律基本一致。以上研究顯示芳香烴精選效果最好的兩種藥劑是正庚基苯和正辛基苯,其精選效果均優(yōu)于煤油。

無論直鏈烷烴還是芳香烴精礦固定碳含量差異不大,使得精礦產(chǎn)率和精礦回收率的變化規(guī)律基本一致,因此以下的研究只對精礦產(chǎn)率進行比較。

2.1.3 溫度對精礦產(chǎn)率的影響

為了研究捕收劑在不同溫度下的精選效果,對4種直鏈烷烴和4種芳香烴進行了溫度為10、20(室溫)、30 ℃的精選實驗,捕收劑用藥量200 g/t,精選實驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同溫度下精礦產(chǎn)率曲線 Fig.3 Concentrate yield curve at different temperatures

由圖3可知,無論直鏈烷烴還是芳香烴均在溫度10 ℃時,精礦產(chǎn)率最低,隨著溫度的升高精礦產(chǎn)率逐漸升高,溫度20 ℃時,精礦產(chǎn)率略高于30 ℃,說明不是溫度越高精選效果越好。礦漿溫度在10 ℃時,除碳原子數(shù)11外,直鏈烷烴的精礦產(chǎn)率遠高于芳香烴的精礦產(chǎn)率,這說明正構(gòu)烷烴受低溫影響較小,芳香烴受低溫影響較大。主要原因是在較低溫度時,直鏈烷烴與芳香烴都會發(fā)生分子內(nèi)締合[11],芳香烴的支鏈與苯環(huán)的締合程度比直鏈烷烴分子間的締合程度大,故正構(gòu)烷烴受低溫影響較小,芳香烴受低溫影響較大。在溫度較高的20、30 ℃時,直鏈烷烴與芳香烴也都會發(fā)生分子內(nèi)締合,只是締合的程度較低,表現(xiàn)出20、30 ℃的精礦產(chǎn)率高于10 ℃時的產(chǎn)率。在相同溫度條件下,由于芳香烴含有苯環(huán),芳香烴的締合程度比直鏈烷烴大[12],導(dǎo)致直鏈烷烴的精礦產(chǎn)率高于芳香烴。對于直鏈烷烴來說,與室溫20 ℃不同,在30 ℃條件下,正十五烷的精礦產(chǎn)率高于正十四烷,這可能是由于在溫度略高的情況下,正十五烷的粘度降低了,更容易分散于礦漿中,提高了藥劑的作用效果。在本實驗中直鏈烷烴的總體精選效果優(yōu)于芳香烴,與文獻[13]的研究結(jié)論一致,且直鏈烷烴對溫度的適應(yīng)性也優(yōu)于芳香烴。

2.2 復(fù)配藥劑

2.2.1 兩種藥劑的復(fù)配

本實驗直鏈烷烴精選效果較好的是正十四烷、正十五烷,芳香烴中精選效果較好的是正庚基苯、正辛基苯,以這4種藥劑為基礎(chǔ),進行直鏈烷烴與芳香烴相互復(fù)配,復(fù)配方法見1.1。直鏈烷烴與芳香烴的復(fù)配比例k為9∶1、7∶3、5∶5、3∶7、1∶9,將復(fù)配捕收劑進行精選實驗,復(fù)配捕收劑的用藥量為200 g/t,精選實驗結(jié)果見圖4。

圖4 復(fù)配捕收劑精礦產(chǎn)率曲線Fig.4 Concentrate yield curve of composite collector

由圖1、2可知,當(dāng)用藥量為200 g/t時,單一的正十四烷、正十五烷、正庚基苯、正辛基苯其精礦產(chǎn)率分別為54.15%、51.55%、43.49%、41.75%,煤油的精礦產(chǎn)率為34.36%。由圖4可知,所有復(fù)配藥劑的精礦產(chǎn)率均比煤油高。正十四烷與正庚基苯復(fù)配,除比例1∶9外,所有復(fù)配比例藥劑的精礦產(chǎn)率均比單一的正十四烷、正庚基苯高。橫軸從左至右,隨著正庚基苯在復(fù)配藥劑中占比的增加,精礦產(chǎn)率先增加后降低,在正十四烷與正庚基苯比例為7∶3時達到最高。正十四烷與正辛基苯復(fù)配其精選規(guī)律與正十四烷與正庚基苯復(fù)配的規(guī)律基本一致,但正十四烷與正庚基苯復(fù)配的精選效果略高于正十四烷與正辛基苯復(fù)配。對正十五烷來說,當(dāng)其占比>50%時,它與正辛基苯的復(fù)合效果比與正庚基苯復(fù)合的效果好;當(dāng)其占比≤50%時,它與正庚基苯的復(fù)合效果比與正辛基苯復(fù)合的效果好。這與單一藥劑中低用藥量時正辛基苯的精選效果優(yōu)于正庚基苯,高用藥量時,正庚基苯的精選效果優(yōu)于正辛基苯的實驗結(jié)果一致。除正十五烷與正庚基苯復(fù)配比例9∶1、正十五烷與正辛基苯復(fù)配比例1∶9外,所有復(fù)配比例藥劑的精礦產(chǎn)率均比單一的正十五烷、正庚基苯、正辛基苯高。在正十五烷與正辛基苯比例為7∶3時精礦產(chǎn)率最高。

直鏈烷烴與芳香烴最佳的復(fù)配比例為7∶3?？傮w上正十四烷與芳香烴的復(fù)合效果比正十五烷與芳香烴的復(fù)合效果好。

2.2.2 三種藥劑的復(fù)配

在直鏈烷烴與芳香烴復(fù)配比例7∶3的基礎(chǔ)上,進行了一種直鏈烷烴和兩種芳香烴三種藥劑的復(fù)配實驗,復(fù)配捕收劑用藥量為200 g/t,三種藥劑具體復(fù)配類型、復(fù)配藥劑的精選實驗結(jié)果見表4。為了便于比較,把兩種藥劑復(fù)配比例為7∶3的精選實驗結(jié)果也列于表4。

表4 復(fù)配藥劑精選實驗結(jié)果

由表4可知,三藥劑復(fù)配的精礦產(chǎn)率均比兩藥劑的低,但比單一藥劑和煤油的高。正十四烷的三藥劑復(fù)配中,正庚基苯占比大時精礦產(chǎn)率略高。在兩藥劑復(fù)配中,正十四烷與正庚基苯復(fù)配的精選效果比正十四烷與正辛基苯復(fù)配的精選效果好,說明正庚基苯是復(fù)配效果較好的藥劑,因此在正十四烷的三種藥劑復(fù)配中,復(fù)配效果好的芳香烴(正庚基苯)占比越大精選效果越好。正十五烷的三藥劑復(fù)配中,正辛基苯占比大時精礦產(chǎn)率略高。在兩藥劑復(fù)配中,正十五烷與正辛基苯的復(fù)配效果優(yōu)于與正庚基苯的復(fù)配,說明正辛基苯是復(fù)配效果較好的藥劑。在十五烷三種藥劑的復(fù)配實驗中,浮選效果好的正辛基苯占比越大精礦產(chǎn)率越高。綜上分析,在本實驗的三種藥劑復(fù)配中,直鏈的正十四烷、正十五烷,分別與兩種芳香烴(正庚基苯、正辛基苯)復(fù)配時,復(fù)配效果好的芳香烴占比越大的精選效果越好。

3 結(jié) 論

(1)本實驗中直鏈烷烴正十四烷、正十五烷精選效果較好;芳香烴中正庚基苯、正辛基苯精選效果較好。在不同溫度的實驗中,直鏈烷烴對溫度的適應(yīng)性比芳香烴好。從總體上看直鏈烷烴的精選效果優(yōu)于芳香烴。

(2)分別以兩種精選效果較好的直鏈烷烴和芳香烴進行藥劑復(fù)配,研究顯示直鏈烷烴與芳香烴復(fù)配比例為7∶3時,復(fù)配藥劑的精選效果最好,復(fù)配藥劑的精選效果優(yōu)于單一藥劑和煤油。

(3)在直鏈烷烴與芳香烴復(fù)配最佳比例7∶3的基礎(chǔ)上,按照最佳復(fù)配比進行了一種直鏈烷烴和兩種芳香烴三種藥劑的復(fù)配實驗,三種藥劑復(fù)配的精選效果比兩藥劑差,但比單一藥劑和煤油好。在三藥劑復(fù)配實驗中,復(fù)配效果好的芳香烴占比越大精選效果越好。