褐铁矿浮选的有效捕收剂及其机理研究.pdf
第3 1 卷第2 期 2 0 1 1 年0 4 月 矿冶 工 程 M I N I N GA N DM 町A L L U R G I C A LE N G 眦E R I N G V 0 1 .3 l №2 A p r i l2 0 1 1 褐铁矿浮选的有效捕收剂及其机理研究① 谢兴中,王毓华 中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要研究了油酸钠、7 3 1 、苯甲羟肟酸、C ,.。羟肟酸等几种代表性捕收剂对褐铁矿、萤石、高岭土、石英等纯矿物的浮选。结果表 明油酸钠是褐铁矿的良好捕收剂,当油酸钠用量为3 l O m o V L ,p H 值为6 .5 1 0 .5 时,褐铁矿可浮性最好。机理研究表明在 试验p H 值范围内,油酸钠在褐铁矿表面产生了显著的吸附,表面零电点由p H 8 .0 左右漂移至p H 3 .0 左右。在p H 2 .0 4 .0 的范围内,油酸根在褐铁矿表面发生静电吸附,油酸分子在褐铁矿表面以氢键作用为主;当p H 4 .0 ~l O .5 时,油酸根与褐铁矿表 面铁质点间以化学作用为主,红外光谱分析显示其作用产物为油酸铁。 关键词褐铁矿;油酸钠;浮选;作用机理 中图分类号T D 9 5 1文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 2 0 0 4 9 0 4 E f f e c t i v eC o l l e c t o r sf o rL i m o n i t eF l o t a t i o na n dM e c h a n i s mt h e r e i n X I EX i n g z h o n g ,W A N GY u h u a S c h o o lo fM i n e r a l sP r o c e s s i n ga n dB i o e n g i n e e r i n g .,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ,H u n a n ,C h i n a A b s t r a c t U s i n gr e p r e s e n t a t i v ec o l l e c t o r ss u c ha ss o d i u mo l e a t e ,o x i d i z e dp a r a f f i ns o a p 7 31 ,b e n z y lh y d r o x a m i ca c i d a n dC 7 9h y d r o x a m i ca c i d ,f l o t a t i o nt e s t so np u r em i n e r M so fl i m o n a t e ,c a l c i t e ,k a o l i n i t ea n dq u a r t zw e r ec a r r i e do u t . T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es o d i u mo l e a t ei sag o o dc o l l e c t o rf o rl i m o n i t ef l o t a t i o n ,a s ,w i t has o d i u mo l e a t ed o s a g eo f3 1 0 一m o L /L 。l i m o n i t eS H O W St h eb e s tf l o a t a b i l i t yw i t ht h ep u l pp Ho f6 .5 1 0 .5 .M e c h a n i s ms t u d ys h o w st h a ts o d i u m o l e a t eC a nb ea d s o r b e ds i g n i f i c a n t l yo n t ol i m o n i t ew i t h i nt h et e s tp Hr a n g e ,a n dt h eP Z Co fl i m o n i t es h i f t sf r o mp H 8 .0 t op H 3 .0 .E l e c t r o s t a t i ca d s o r p t i o nb e t w e e no l e a t ea n dl i m o n i t ea n dh y d r o g e nb o n d i n gb e t w e e no l e i cm o l e c u l a ra n d l i m o n i t ea r et h em a j o rm e c h a n i s m si nap Hr a n g eo f2 .0 4 .0 ;w h i l ei np Hr a n g eo f4 .0 1 0 .5 ,c h e m i c a lr e a c t i o n b e t w e e no l e a t ea n di r o np l a yt h ed o m i n a n tr o l e ,a n dt h ei n f r a r e ds p e c t r o s c o p i ca n a l y s i ss h o w st h a tt h er e a c t i o np r o d u c to f s o d i u mo l e a t ea n dl i m o n i t es h o u l db ef e r r o u so l e a t e . K e yw o r d s l i m o n i t e ;s o d i u mo l e a t e ;f l o t a t i o n ;a c t i o nm e c h a n i s m 我国褐铁矿储量非常大,已探明储量约为1 2 .3 亿 吨,由于褐铁矿具有化学成分不固定、含铁量很不稳 定、水分含量变化大、碎磨过程中容易过粉碎等特殊性 质,属于极难选铁矿石。 褐铁矿为无定形的铁的氧化物和氢氧化物,以针 铁矿 仅一F e O O H 、水针铁矿 a F e O O H n H 2 0 为主 要组成成分,多呈土状、胶状 肾状、钟乳状等 、非晶 质或隐品质,常发育于赤铁矿一针铁矿裂隙和晶洞中, 充填交代和胶结,弱至中磁性吒o 。 近年来针对褐铁矿的研究主要以实际矿石为主, 研究开发的褐铁矿选矿技术主要包括重选、磁选、浮 选 正、反浮选 等单一流程和选择性絮凝浮选、絮凝一 强磁选、强磁一正 反 浮选等联合流程J 。主要侧重 于褐铁矿选矿工艺方面的研究,而对褐铁矿选矿机理 的研究较少,且目前尚未形成成熟有效的褐铁矿选矿 技术。本文以褐铁矿及其主要的造岩脉石矿物方 解石、石英及高岭石等单矿物为研究对象,考察了几种 比较典型的捕收剂对褐铁矿及其伴生脉石矿物浮选分 离的行为,找出了最佳的捕收剂并分析了其作用机理。 l 试样、药剂及研究方法 1 .1 试样、设备及药剂 褐铁矿取自江西新余铁坑铁矿厂现场生产的强磁 精矿,经过强磁、摇床重选及弱磁精选后,用一次蒸馏 水湿式筛分出一0 .0 7 4 0 .0 3 8m m 粒级,并用蒸馏水 清洗两次,得到试验矿样,经化学分析,全铁含量 ①收稿日期2 0 1 0 - l l - 1 8 作者简介谢兴中 1 9 8 5 一 。男。江西萍乡人。硕士研究生,主要研究方向为褐铁矿选矿。 万方数据 矿冶工程第3 1 卷 5 6 .9 3 %,S i O 含量7 .5 %,褐铁矿X 衍射分析如图l 所示。方解石、石英及高岭石矿样均从现场选取,经破 碎、手选除杂后,经瓷球磨磨矿、湿式筛分,取一0 .0 7 4 0 .0 3 8m i l l 粒级矿样备用,经化学分析,纯度均达 9 5 %以上。 2 8 1 。 图1 褐铁矿试样X 衍射分析 根据有关资料阳。73 和研究成果[ 8 。1 1 l ,本次试验中 选择具有代表性的脂肪酸类、羟肟酸类药剂为褐铁矿 的捕收剂。它们分别是油酸钠、7 3 1 、苯甲羟肟酸、C ,.。 羟肟酸,其中油酸钠为分析纯,7 3 1 、苯甲羟肟酸和 C ,一。羟肟酸均为工业品。矿浆p H 调整剂为盐酸和氢 氧化钠,均为分析纯,起泡剂为工业级松醇油。试验用 水均为一次蒸馏水。 1 .2 浮选试验 浮选试验在容积为4 0m L 的X F G 型挂槽式浮选 机 转速为16 0 0r /r a i n 中进行,浮选温度为1 8 ~2 2 ℃。每次试验称取矿样3 .0g ,与蒸馏水混合后置于浮 选槽内搅拌lm i n ,加入p H 调整剂后搅拌2m i n 并测 定p H 值,加入捕收剂后搅拌4m i n ,浮选3r a i n ,浮选 过程采取手工刮泡。由于苯甲羟肟酸起泡性差,在试 验中需加入用量为1 5m g /L 的松醇油。 1 .3 矿物表面电位与红外光谱测定 将矿物磨至一5 斗m ,每次称样3 0m g 置于5 0m L 烧杯中,加入5 0m L 蒸馏水并调节溶液p H 值,按照与 浮选试验相同的调浆条件加入药剂,采用磁力搅拌器 搅拌1 0r a i n 后在C o u l t e rE D L S A4 4 0 S X 分析仪上测量 矿物表面动电位,每个点均测3 次并取平均值。 红外光谱测试在N i e o l e tN E X U S6 7 0 傅里叶变换 红外光谱仪上进行2 1 。采用K B r 压片,测量范围为 4 0 0 。4 0 0 0c m ~。 2 结果与讨论 2 .1 试验结果 捕收剂用量为9 1 .3m g /L 时,不同捕收剂对褐铁 矿及主要伴生脉石矿物的浮选试验结果如图2 所示。 l ∞ 9 0 舯 ’加 逞砷 瓣鲫 盏4 0 加 加 1 0 0 l ∞ 9 0 帅 7 0 芝砷 静∞ 蔷4 0 3 0 2 0 1 0 0 l ∞ 9 0 舳 7 0 逞印 静蜘 蔷4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 0 如 棚 7 0 芝砷 静邬 蔷4 0 3 0 2 0 1 0 0 图2 不同捕收剂对不同矿物回收率的影响 a 油酸钠; b 7 3 1 ; c C 7 .9 羟肟酸; d 苯甲羟肟酸 由图可见,苯甲羟肟酸具有较好的选择性,但对褐铁矿 的捕收能力较弱。7 3 1 和C ,.,羟肟酸对褐铁矿的捕收 能力均很差,褐铁矿的回收率在2 0 %以下。以油酸钠 为捕收剂时,在p H 2 。0 一1 2 .0 的范围内,石英和高 岭石基本不浮;当p H 6 .5 ~1 0 .5 时,褐铁矿具有较 好的可浮性,且当p H 8 .6 时达到最大,此时,方解石 万方数据 第2 期谢兴中等褐铁矿浮选的有效捕收剂及其机理研究 5 l 的浮选回收率也较高,因此,要实现褐铁矿与方解石的 良好分离还有一定困难,必须考虑使用有效的调整剂 来抑制方解石的浮选。 由此可见,几种捕收剂对褐铁矿的捕收能力大小 顺序为油酸钠 苯甲羟肟酸 7 3 1 C 7 .。羟肟酸。 图3 为在各自最佳p H 条件下,各捕收剂用量对 褐铁矿回收率的影响。由图3 可以直观地看出,4 种 捕收剂对褐铁矿的捕收能力按以下顺序排列油酸钠 苯甲羟肟酸 7 3 1 C ,一,羟肟酸,与不同p H 条件下 浮选实验结果一致。由此可见,油酸钠是浮选褐铁矿 较为有效的捕收剂。 l ∞ 9 0 8 0 7 0 逞6 0 静5 0 蓄∞ ∞ 2 0 l O 0 捕收剂用量/ m g L I 图3 捕收剂用量对褐铁矿回收率的影响 2 .2 机理研究 2 .2 .1 油酸钠的溶液化学油酸的溶解度S 为l 1 0 7 一,在通常浮选用量下,矿浆中油酸的浓度均大于 其溶解度,此时,水溶液中溶解的油酸H O I 。 与不溶 液态H O I ㈩间存在动态解离与缔合平衡3 | ,其平衡反 应及平衡常数为 H O I ”爿H O I 州 ,S 1 1 0 7 6 吼,一H 。l _ ’瓦 哿 l 1 1 0 4 够 2 2 。I 一- - - - 0 1 2 2 - 蚝 群- 1 1 0 _ 4 ‘9 3 H O I 明 O l 。芦壬H O J 2 一, K 。未熙l 1 0 - 4 一“[ H O I 。 ] [ O l ‘] ⋯ ⋯7 质量等衡式 M a E 为 C r [ H O I 叫 ] [ O l 一] 2 [ 0 1 2 2 一] 2E n 0 1 2 一] 5 将式 1 一 4 代入式 5 ,并令翰 南,得 2 1 匕.K u 畅%2 [ a O l q ] 2 1 K n [ H O I q ] - C r o 6 H O I 1 与H 0 1 明 成平衡的临界p H 值为 [ H ] 一三二- 墨三二皆一三二≥譬;; o 7 由此可算得不同浓度下,H O I 1 与H O I 。 成平衡 的临界p H 值,式中G 为油酸钠初始浓度。由式 1 ~ 7 可绘出不同油酸钠初始浓度时各组分浓度与 p H 值的关系。图4 为C r 3X1 0 “m o L /L 9 1 .3 m g /L 时溶液各组分浓度与p H 值的关系。 p H 值 图4 油酸钠溶液各组分的l o g 和p H 值的关系 根据有关研究资料4 。15 | ,表面张力最低的p H 值 与形成离子- 分子缔合物浓度最大的p H 值相对应,这 表明在各种解离.缔合组分中,此组分的表面活性最 大。在长链捕收剂浮选体系中,在极性基相同的条件 下,离子.分子缔合物具有更大的表面活性,是浮选的 主要活性组分,对矿物的浮选过程有重要影响。 由图4 可以看出,当油酸钠总浓度为3 1 0 。4 m o l /L 时,形成离子.分子缔合物浓度的最大值在p H 8 .5 5 附近,这与单矿物浮选试验中褐铁矿回收率最高 点相吻合。 在p H 1 0 .5 1 3 .0 范围内,矿浆中氢氧根离子 浓度急速增大,高浓度的O H 一与矿物表面作用,排挤 脂肪酸阴离子,在褐铁矿表面形成亲水的氢氧化铁,降 低了褐铁矿的疏水性而起抑制作用。 2 .2 .2 褐铁矿表面电性及晶体结构分析图5 为矿 物的电位与p H 值的关系。从图5 可以看出,褐铁矿 p H 值 图5 矿物的电位与p H 值的关系 万方数据 5 2 矿冶工程第3 1 卷 表面的零电点为p H 8 .0 附近。加入油酸钠后,褐铁 矿零电点漂移至p H 3 .0 左右。在整个p H 值范围 内,电位均有不同程度的负移,特别是在褐铁矿可浮性 较好的p H 区间内,电位降低幅度更大,说明油酸根在 褐铁矿表面发生强烈吸附。 图6 为褐铁矿主要组成成分针铁矿的部分晶体结 构示意。 - 一O 图6 针铁矿部分晶体结构 在p H 2 .0 4 .0 范围内,褐铁矿还可能与油酸 分子发生氢键作用。化学表达式为 o o I I\/0 N / 一C O 一Ⅱ O F e 一C O 一Ⅱ⋯一。一F t /\氢键 /\ 由文献[ 1 6 ] 查得相关元素的电负性,C 2 .5 ;0 3 .4 4 ;H 2 .1 ;F e 1 .8 ,由于O 原子吸引电子能力很强, H 0 键的极性很强,共用电子对强烈的偏向0 原子, 使H 原子几乎成为裸露质子。这个半径很小、带部分 正电荷的H 核,与针铁矿表面带部分负电荷的O 原子 相互吸引,发生氢键作用。 2 .2 .3 红外光谱分析图7 为油酸钠与褐铁矿作用 前后的红外光谱测定结果。在褐铁矿的红外光谱图 中,3 4 0 9 .3 和31 3 2 .4e n l 叫处出现的两个宽的吸收带 代表物理吸附和化学吸附水分子的O H 一基伸缩振动, 16 3 6 .2e m 叫处的一个小吸收带代表水分子在褐铁矿 表面的物理吸附,4 6 5 .8 和4 0 3 .1c m 一处的吸收带,代 波数/c m 。1 圈7 油酸钠与褐铁矿作用前后的红外光谱 表加入的载体K B r ,其中在10 8 4 .0 ,8 9 2 .5 及7 9 9 .3 c l n 。1 出现3 个特征峰。 在油酸钠的红外光谱图中,29 2 2 .9 和28 5 1 .8 c m 。1 吸收峰分别代表油酸钠中弋H 一和一c H ,中 C H 键的对称振动吸收峰,l5 6 1 .0 ,l4 4 8 .9 及 14 2 5 .4e m - 1 处的峰为R 弋O O H 中- - C O O - - 基团的 特征吸收峰,7 2 2 .8 ,8 2 3 .7 ,9 2 3 .6 及9 6 5 .4c l n “等处 的峰为C H 面内弯曲振动吸收峰一川。 在p H 8 .3 8 .7 的环境下,经油酸钠作用后,褐铁 矿的红外光谱发生了明显变化,除褐铁矿的谱带外,还 在29 2 0 .2 和28 5 0 .1c m 。1 出现了新的吸收峰,与油酸 钠光谱中29 2 2 .9 和28 5 1 .8e m 。1 处的亚甲基吸收峰 对应,说明药剂吸附于褐铁矿表面。另外,在15 1 8 .3 和l4 0 7 .6c n l 叫也出现了新的吸收峰,与油酸钠光谱 中l5 6 1 .0 和l4 4 8 .9c m 。处羧基的特征峰相对应,且 其波数分别移动了一4 2 .7 和一4 1 .3c m ~,说明褐铁 矿与油酸钠之间存在化学作用”’博J 。 根据文献[ 3 ] 及[ 1 9 ] 的研究结果表明,油酸铁在 l5 9 0c m 一附近出现吸收带。图7 中药剂与矿物作用 后谱带中l5 1 8 .3c m 。1 处的峰与油酸铁较为接近,且 与油酸钠中l5 6 1 .0c m 叫有较好的对应性,但与二者 均有较大的偏移。可能的原因是当p H 8 .3 8 .7 时,油酸根一油酸分子缔合量较大,在褐铁矿表面存在 油酸根- 油酸分子缔合物的吸附。 3 结语 1 作为褐铁矿的捕收剂,油酸钠显示了良好的捕 收能力。不同捕收剂捕收能力排序为油酸钠 苯甲 羟肟酸 7 3 1 C ,一。羟肟酸。 2 整个浮选p H 值范围内,油酸钠在褐铁矿表面 产生了显著的吸附,使矿物表面电位发生较大负移,褐 铁矿表面零电点由p H 8 .0 左右漂移至p H 3 .o 左 右。结合溶液化学分析,在p H 2 .0 ~4 .0 范围内,除 有少量油酸根与褐铁矿发生吸附外,油酸分子也在褐 铁矿表面产生吸附。在p H 4 .0 范围内,主要是 R C 0 0 一和 R C 0 0 2 2 一在褐铁矿表面产生吸附。 3 褐铁矿与油酸钠作用后的红外光谱显示,油酸 钠在15 6 1 .0 和14 4 8 .9e m 。1 处的一C O O 一特征吸收 峰,以及在2 9 2 2 .9 和28 5 1 .8c m 。1 处的烷基吸收峰均 发生了明显的位移,说明褐铁矿与油酸钠发生了化学 作用。 ● 参考文献 [ 1 ]谢兴中.王毓华.褐铁矿选矿研究现状与思考[ J ] .金属矿山. 2 0 I O 1 6 1 0 . 下转第5 6 页 万方数据 矿冶工程第3 l 卷 4 .2 生产能力对比 程潮铁矿2 0 0 1 年7 月至2 0 0 2 年3 月引进了3 台 H P S 0 0 圆锥破碎机,取代了P Y B 、P Y D 2 1 0 0 圆锥破碎 机。使用后破碎机台时处理量达到5 6 9 .7 6t ,是 P Y D 2 1 0 0 破碎机能力的1 .3 3 倍。 梅山选矿厂使用H 6 8 0 0 破碎机后台时处理能力 为4 7 3 .8 1t 。是P Y D 2 2 0 0 破碎机的2 .1 8 倍。 通过对H P 5 0 0 和H 6 8 0 0 两种破碎机的破碎粒度 对比分析。H P 5 0 0 破碎机在单位处理能力提高的情况 下,破碎产品中一1 6m i l l 新增含量是改造前的3 .6 3 倍,一5 0m m 新增含量是改造前的1 .8 7 倍;H 6 8 0 0 破 碎机使用后破碎产品中一1 2m r l l 新增含量是改造前的 1 .6 9 倍,一2 0m i l l 新增含量是改造前的0 .8 5 倍。同 时说明使用H P 5 0 0 破碎机后新增合格粒级产品含量 增幅大于H 6 8 0 0 破碎机。 通过这两种破碎机生产能力的比较,H P 5 0 0 型破 碎机生产能力提高了3 3 %,H 6 8 0 0 破碎机生产能力提 高了1 倍以上,可见I - t 6 8 0 0 破碎机的处理量更有 优势。 5 梅山选矿厂细碎工艺优化设想 目前梅山选矿厂共有细碎机4 台,E l 常生产运行 3 台,细碎设备运转率7 5 %,生产能力l2 9 0t /h 。细碎 给矿量为1 8 lt / h 台 ,给矿中一1 2m m 粒级含量为 5 .4 %,排料中一1 2m m 粒级含量为3 6 .7 %。假定筛 下物料中一1 2 啪粒级占9 5 %,1 2 胁筛网的筛分效 率为8 5 %,处理同样的矿量,采用H P 5 0 0 型装机功率 为4 0 0k W 破碎机,改造后的给矿量为5 4 3t /h ,细碎生 产通过量为4 8 0t / h 台 ,细碎设备运转率7 5 %,排 料中一1 2m m 粒级含量为5 2 %,E l 常生产运行台数只 需2 台,那细碎机设备配置3 台就能满足目前生产需 要了。 6 结语 1 若梅山细碎工艺中用H P 5 0 0 型破碎机替代现 有的H 6 8 0 0 型破碎机,能减少设备台数,便于生产运 行管理。同时可较好解决目前细碎检修场地不足问 题,节省厂房扩建费用。 2 H P 5 0 0 型破碎机产品性能好,排矿产品中合格 粒级含量多,可真正实现“多碎少磨”的目的。 参考文献 [ 1 ] 伏雪峰,张长久.液压圆锥破碎机的结构和工艺性能研究[ J ] . 矿业T 程,2 0 0 7 3 5 0 5 2 . 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[ 8 ] S h i b a t aJ ,F u e r s t e n a uDw .F l o e c u l a t i o na n df l o t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ff i n eh e m a t i t ew i t hs o d i u mo l e a t e [ J ] .I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM i n - e r a lP r o c e s s ,1 9 8 6 ,7 2 2 5 3 2 . [ 9 ]车丽萍,余永富,庞金兴,等.羟肟酸类捕收剂在稀土矿物浮选中 的应用及发展[ J ] .稀土.2 0 0 4 ,2 5 3 4 9 5 4 . [ 1 0 ] I V I o n t e sS ,l V l o n t e sA r e n a sG .H e m a t i t ef l o a t a b i l i t ym e c h a n i s mu t i l i . z i n gt e t r a d e e y l a m m o n i u mc h l o r i d ec o l l e c t o r [ J ] ./●l i n e r a l sE n g i .e e r - i n g 。2 0 0 5 ,1 8 1 0 3 2 1 0 3 6 . 1 w a s a k iI ,C o o k eS1 1B 。C h o iHS .f l o t a t l o nc h a r a c t e r i s t i c so fh e m a - t i t e ,g o e t h i t ea n da e d v a t e dq u a r t zw i t h1 8 - c a r b o na l i p h a t i ca c i d sa n d r e l a t e dc o m p o u n d s [ .w J .T r a m .A I I V l E ,1 9 6 0 ,2 1 7 ,2 3 7 2 4 4 . 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