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细粒黑钨矿捕收剂的选择及作用机理研究 ① 魏鹏刚1, 任浏祎1,2, 曾维能1, 张喆怡1 (1.武汉理工大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070; 2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070) 摘 要 以 WO3含量 97%的黑钨矿为研究对象,通过单矿物实验考查了辛基异羟肟酸、苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸等捕收剂对细粒黑 钨矿的捕收性能;通过 Zeta 电位、红外光谱及吸附量测试等方法研究了捕收剂与黑钨矿的作用机理。 结果表明,辛基异羟肟酸、苯 甲羟肟酸、水杨羟肟酸的浮选最佳 pH 值分别为 10、9 和 9,捕收剂主要以阴离子形式在矿物表面发生化学吸附;3 种捕收剂中辛基 异羟肟酸在细粒黑钨矿表面的吸附量最大,浮选效果最好。 关键词 捕收剂; 钨; 黑钨矿; 微细粒; 羟肟酸; 浮选 中图分类号 TD923文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.06.012 文章编号 0253-6099(2020)06-0047-04 Mechanism for Selectivity and Reaction of Hydroxamic Acid Type Collector in Fine-grained Wolframite Flotation WEI Peng-gang1, REN Liu-yi1,2, ZENG Wei-neng1, ZHANG Zhe-yi1 (1.School of Resources and Environment Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China; 2.Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment, Wuhan 430070, Hubei, China) Abstract A wolframite ore with WO3grade of 97% was used to investigate the performance of octanohydroxamic acid, benzohydroxamic acid and salicylhydroxamic acid in collecting fine wolframite ore through single mineral experiments. The reaction mechanism for collector and wolframite was studied by Zeta potential, infrared spectroscopy and reagent adsorption analyses. The results show that the optimal pH values of octanohydroxamic acid, benzohydroxamic acid and salicylhydroxamic acid for flotation were 10, 9 and 9 respectively, and the collector is chemically adsorbed on the mineral surface mainly in the form of anions. Octanohydroxamic acid processes the largest adsorption capacity on fine wolframite surface, and can bring in the best flotation effect. Key words collector; tungsten; wolframite; microfine grain; hydroxamic acid; flotation 我国钨资源种类繁多,但以氧化钨居多,其中黑钨 矿占我国钨矿资源总储量的 29%[1-3],是重要的钨矿 来源。 目前,浮选是回收钨矿较常用的方法之一[4], 钨矿浮选中遇到的主要问题是“黑钨难浮,白钨难选, 细粒难收”。 细、超细颗粒矿物的泡沫浮选一直被认 为是矿物加工领域的主要技术挑战之一。 本文探究了 不同粒级黑钨矿在辛基异羟肟酸、苯甲羟肟酸、水杨羟 肟酸等捕收剂作用下的浮选性能差异,研究了其捕收 机理,并尝试挑选出适宜的黑钨矿捕收剂。 1 试验原料及方法 1.1 试验试样 试验样品为 WO3含量超过 97%的黑钨矿纯矿物。 对黑钨矿样品预先处理,将矿样放入玛瑙三头研磨机 中,多次研磨至 74 μm 粒级以下,再用孔径为 38 μm 的不锈钢筛,筛分得到-74+38 μm 粒级目的矿样。 再 使用大号量筒,对-38 μm 粒级样品进行水力沉降,分 成-20 μm 和-38+20 μm 两种粒级备用。 试验中,矿 浆浓度为 2%。 1.2 试验药剂 试验药剂辛基异羟肟酸、苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸 纯度均超过 98%;盐酸、氢氧化钠为分析纯,配置成质量 浓度 1.0%的稀盐酸溶液和 4%的氢氧化钠溶液待用。 1.3 试验方法 1.3.1 单矿物浮选 以黑钨纯矿物为浮选原矿,在主轴转速 1 992 r/ min ①收稿日期 2020-06-10 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金(51504175) 作者简介 魏鹏刚(1997-),男,陕西汉中人,硕士研究生,主要研究方向为细粒浮选。 通讯作者 任浏祎(1983-),女,河南周口人,副教授,博士,硕士研究生导师,主要从事细粒浮选、界面作用、微泡浮选等领域的研究。 第 40 卷第 6 期 2020 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №6 December 2020 的 20 mL XFGC 挂槽浮选机中进行浮选。 每次试验取 1 g 黑钨矿,先加适量去离子水到浮选槽,用稀盐酸溶 液或氢氧化钠溶液调节矿浆 pH 值,调浆 2 min,依次 加入相应的捕收剂,搅拌 2 min,浮选 5 min。 整个浮选 过程均为手工刮泡,将泡沫产品过滤、烘干、称重并计 算回收率。 1.3.2 测试方法 采用马尔文 ZEN3690 型 Zeta 电位分析仪测量矿 物表面动电位,每个样品测 3 次,取平均值。 采用 Nicolet 公司生产的 IS-10 型傅立叶变换红外光谱仪进 行红外光谱检测。 采用 Thermo 公司 AquaMate8000 型 紫外可见分光光度计进行紫外光谱测定,根据辛基异 羟肟酸溶液的标准曲线计算上清液的药剂浓度。 2 试验结果与讨论 2.1 pH 值对不同药剂体系下黑钨矿浮选的影响 固定辛基异羟肟酸、水杨羟肟酸、苯甲羟肟酸的质 量浓度分别为 7%、40%和 40%,在不同 pH 值条件下 考查了-38+20 μm 粒级黑钨矿的浮选行为,结果如图 1 所示。 由图 1 可以看出,3 种捕收剂在对应浓度下的 捕收能力有一定差异,但整体趋势较为接近。 达到较 好捕收效果的 pH 值范围也趋于相同,为 9~10 之间; pH=3~9 的范围内,随着 pH 值升高,3 种捕收剂的捕 收能力均在上升,pH>10 后,各捕收剂捕收能力均在 下降。 辛基异羟肟酸、水杨羟肟酸和苯甲羟肟酸的最 佳 pH 值分别为 10,9 和 9,对应的回收率分别为 65%, 57%和 52%。 pH值 70 60 50 40 30 20 10 357911 回收率/ 辛基异羟肟酸 苯甲羟肟酸 水杨羟肟酸 图 1 pH 值与黑钨矿回收率的关系 2.2 捕收剂质量浓度对黑钨矿浮选的影响 2.2.1 辛基异羟肟酸 pH=10 时,辛基异羟肟酸质量浓度对不同粒级黑 钨矿回收率的影响如图 2 所示。 由图 2 可知,3 种粒 级黑钨矿的回收率均随着辛基异羟肟酸质量浓度增加 而增大,其中-20 μm 粒级与-38+20 μm 粒级黑钨矿 的回收率明显大于-74+38 μm 粒级黑钨矿,可分析得 出细粒黑钨的回收效果优于粗粒黑钨。 其中-74+38 μm 粒级矿物可能由于其质量大于细粒矿物而导致难 以上浮,因此回收效果弱于细粒矿物。 辛基异羟肟酸质量浓度/ 80 70 60 50 40 30 3571191315 回收率/ -20 m -3820 m -7438 m 图 2 辛基异羟肟酸质量浓度对黑钨矿回收率的影响 2.2.2 苯甲羟肟酸 pH=9 时,苯甲羟肟酸质量浓度对不同粒级黑钨 矿回收率的影响如图 3 所示。 由图 3 可知,随着苯甲 羟肟酸质量浓度增大,黑钨矿回收率增大。 -20 μm 和-38+20 μm 粒级黑钨矿回收率明显高于-74+38 μm 粒级黑钨矿。 造成这种现象的原因可能是细粒级黑钨 矿比表面积大,与捕收剂接触效率提高,而随着捕收剂 浓度上升,这种差距被逐渐拉大,从而导致了细粒级黑 钨矿的浮选效率明显优于粗粒级。 苯甲羟肟酸质量浓度/ 60 50 40 30 20 10 10203050406070 回收率/ -20 m -3820 m -7438 m 图 3 苯甲羟肟酸质量浓度对黑钨矿回收率的影响 2.2.3 水杨羟肟酸 pH=9 时,水杨羟肟酸质量浓度对不同粒级黑钨 矿回收率的影响如图 4 所示。 由图 4 可以看出,不同 粒级条件下,回收率均随药剂质量浓度增加而增大。 同样地,细粒级黑钨矿回收率优于粗粒级黑钨矿。 同 时也可以发现水杨羟肟酸对黑钨矿的捕收性能明显不 如辛基异羟肟酸但优于苯甲羟肟酸。 这可能是因为辛 基异羟肟酸属单链结构,水杨羟肟酸与苯甲羟肟酸都 属苯环结构,疏水性上具有差异。 而水杨羟肟酸苯环 上的羟基又造成了其与苯甲羟肟酸的疏水性差异,最 84矿 冶 工 程第 40 卷 终使得两者捕收性能出现不同[5]。 水杨羟肟酸质量浓度/ 80 70 60 50 40 30 10203050406070 回收率/ -20 m -3820 m -7438 m 图 4 水杨羟肟酸质量浓度对黑钨矿回收率的影响 2.3 捕收剂在黑钨矿表面的吸附量测定 针对浮选试验结果,拟在最佳 pH 值条件下对 3 种捕收剂在不同粒级黑钨矿表面的吸附量进行研究。 2.3.1 辛基异羟肟酸 图 5 为 pH=10 时,辛基异羟肟酸在不同粒级黑钨 矿表面的吸附量。 由图 5 可以看出,在 pH = 10 条件 下,不同粒级黑钨矿表面的吸附量均随捕收剂质量浓 度增加而增大。 -20 μm 和-38+20 μm 粒级黑钨矿表 面药剂吸附量均明显大于-74+38 μm 粒级黑钨矿。 文献[6]认为,羟肟酸在钨矿表面发生吸附,是由于其 与钨矿表面的 Fe 2+ 、Ca 2+ 等离子形成螯合物,发生了化 学吸附。 辛基异羟肟酸质量浓度/ 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 3691215 吸附量/mg g-1 -20 m -3820 m -7438 m 图 5 辛基异羟肟酸质量浓度对黑钨矿表面吸附量的影响 2.3.2 苯甲羟肟酸 pH=9 时,苯甲羟肟酸在不同粒级黑钨矿表面的 吸附量如图 6 所示。 结果表明,吸附量曲线与浮选试 验结果相吻合,吸附量随着苯甲羟肟酸质量浓度增加 而增大,总体趋势与浮选趋势相同,-20 μm 细粒黑钨 矿在较低药剂浓度下吸附量明显大于较粗粒级黑钨 矿。 而且,粗粒黑钨吸附量随着药剂量增加较为缓慢。 文献[7]通过研究证实了苯甲羟肟酸在钨矿矿粒表面 生成“OO”五元环络合物,这种螯合反应是羟肟酸 与黑钨矿作用的主要原因。 苯甲羟肟酸质量浓度/ 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 10203040605070 吸附量/mg g-1 -20 m -3820 m -7438 m 图 6 苯甲羟肟酸质量浓度对黑钨矿表面吸附量的影响 2.3.3 水杨羟肟酸 pH=9 条件下,水杨羟肟酸在不同粒级黑钨矿表 面的吸附量如图 7 所示。 由图 7 可以看出,吸附量随 捕收剂质量浓度增大而增大,且细粒级黑钨矿表面吸 附量均大于粗粒级黑钨矿。 -20 μm 和-38+20 μm 粒 级黑钨矿的表面吸附量在捕收剂质量浓度大于 30% 时基本相同。 可以看出,-20 μm 和-38+20 μm 粒级 黑钨矿试样表面吸附量明显大于-74+38 μm 粒级黑 钨矿,因此在浮选结果中反应出细粒黑钨矿回收率会 明显高于粗粒黑钨矿。 粒度变小导致比表面积和表面 能增加,同时暴露出更多矿物表面空隙、活性键等,最 终使矿物表面吸附量增加。 水杨羟肟酸质量浓度/ 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 10203040605070 吸附量/mg g-1 -20 m -3820 m -7438 m 图 7 水杨羟肟酸在不同粒级黑钨矿表面的吸附量 2.4 黑钨矿表面 Zeta 电位 辛基异羟肟酸、苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸质量浓度 分别为 7%、40%和 40%时考查了 3 种捕收剂与黑钨矿 作用前后 Zeta 电位随 pH 值的变化规律,结果如图 8 所示。 由图 8 可以看出,3 种药剂作用下,黑钨矿表面 Zeta 电位均发生了负移,其原因是羟肟酸根在矿物表 面的吸附。 文献[6]认为在黑钨表面的羟肟酸离子主 要起着捕收作用。 pH 值过大时,OH-会与羟肟酸离子 产生竞争吸附,因而,最佳浮选 pH 值可能会在捕收剂 94第 6 期魏鹏刚等 细粒黑钨矿捕收剂的选择及作用机理研究 解离平衡点附近。 可以发现辛基异羟肟酸作捕收剂 时,黑钨矿表面 Zeta 电位负移最多,可认为其在黑钨 矿表面的吸附强度最大,而水杨羟肟酸次之,苯甲羟肟 酸最弱,符合浮选试验结果。 pH值 -10 -20 -30 -40 -50 357911 Zeta电位/ mV 黑钨矿 黑钨矿苯甲羟肟酸 黑钨矿水杨羟肟酸 黑钨矿辛基异羟肟酸 图 8 黑钨矿表面 Zeta 电位与 pH 值的关系 2.5 捕收剂与黑钨矿作用前后的红外光谱测试 黑钨矿与 3 种捕收剂作用前后的红外光谱如图 9 所示。 2000300040001000500 波数/cm-1 黑钨矿 黑钨矿辛基异羟肟酸 黑钨矿水杨羟肟酸 黑钨矿苯甲羟肟酸 3463 1648 1641 1332 16381560 1425 1027 867 522518 611 811 867 518 611 809 869 518 615 813 869 808 619 1568 1384 图 9 黑钨矿与捕收剂作用前后的红外光谱 黑钨矿与辛基异羟肟酸作用后,3 463 cm -1 处的吸 收峰是 NH 伸缩振动峰,CO伸缩振动吸收峰出现 在 1 648 cm -1 处,1 568 cm -1 出现的吸收峰是 NH 弯 曲振动峰和 CN 伸缩振动峰叠加的结果,1 384 cm -1 处的吸收峰为苯环上 CO 键伸缩振动,869 cm -1 处的 吸收峰是 CH 弯曲振动形成的特征吸收峰,813 cm -1 处的吸收峰是 CH 弯曲振动形成的两个特征吸收 峰,696 cm -1 处的吸收峰可能是苯甲羟肟酸芳环衍生 物的 CH 弯曲振动特征吸收峰,基团 CN 伸缩振 动吸收峰出现在 615(cm -1 )处,518(cm -1 )处的吸收峰 属于甲基CH3的变形振动[7]。 黑钨矿与苯甲羟肟酸作用后,1 641 m -1 处羟肟酸 的特征吸收峰是 NH 振动吸收峰和羟基伸缩振动吸 收峰叠加的结果,NH 键的伸缩振动峰还出现在 1 332 cm -1 ,869 cm -1 处的吸收峰是 CO的伸缩振动 峰,苯甲羟肟酸苯环骨架伸缩振动产生的特征吸收峰 出现在 809 cm -1 处,611 cm -1 处的吸收峰是 CN 的拉 伸振动吸收峰,NO 的振动分裂出来形成的两个吸 收峰是 518 cm -1 和 460 cm -1 处的吸收峰。 黑钨矿与水杨羟肟酸作用后,1 638 cm -1 处的吸收 峰是羟基键的伸缩振动峰,这与水杨羟肟酸的特征峰 相吻合[8-9],苯环上的 CO 键伸缩振动峰出现在 611 cm -1 处,518 cm -1 、459 cm -1 处的吸收峰为苯环上的 CH 键伸缩振动峰,422 cm -1 处的吸收峰是 NO 键 分裂的吸收峰。 黑钨矿与辛基异羟肟酸、苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸作 用后的首个吸收峰分别出现在 1 648 cm -1 处、1 654 cm -1 处和 1 638 cm -1 处,辛基异羟肟酸和水杨羟肟酸在此处 为 CO伸缩振动吸收峰,其中的 O 原子和NHOH 中的 O 原子通过化学键与黑钨矿表面生成螯合物[10], 而苯甲羟肟酸在此处的吸收峰是由 NH 振动吸收峰 和 OH 伸缩振动吸收峰叠加产生的,3 种捕收剂都 在黑钨矿表面发生了化学吸附。 3 结 论 1) 3 种羟肟酸对不同粒级黑钨矿的浮选试验结 果表明,-20 μm 和-38+20 μm 细粒级黑钨矿回收效 果明显优于-74+38 μm 粗粒级黑钨矿。 3 种药剂对黑 钨矿的捕收效果由强到弱的顺序依次为辛基异羟肟 酸>水杨羟肟酸>苯甲羟肟酸。 2) 吸附量测试结果表明,pH 值对黑钨表面药剂 吸附量影响很大,当 pH 值为 9 ~ 10 时浮选回收率最 高,吸附量最大。 同一捕收剂作用时,细粒级黑钨矿表 面药剂吸附量大于粗粒级黑钨矿。 3) Zeta 电位和红外光谱测试结果表明,捕收剂在 黑钨矿表面发生了化学吸附。 最佳浮选 pH 值在捕收 剂解离平衡点附近,此时溶液中成分占优势的为羟肟 酸离子,而当 pH 值增大,OH-会与羟肟酸根离子产生 竞争吸附,致使回收率降低。 其中辛基异羟肟酸作用 后黑钨矿表面 Zeta 电位负移最多,吸附效果最好,可 认为其捕收效果最好。 参考文献 [1] 王明燕,贾木欣,肖仪武. 中国钨矿资源现状及可持续发展对策[J]. 有色金属工程, 2014(2)83-87. 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