不同磁化處理方式在浮選中的應(yīng)用現(xiàn)狀及作用機(jī)理

李鳳久 王仁賀 賈清梅 孔亞然

（華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院）

磁化處理是指利用磁場對非鐵磁性流體作用，使物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，通常稱之為磁處理技術(shù)，使處在磁場中的物質(zhì)產(chǎn)生特征變化，從而改善生產(chǎn)指標(biāo)，也有人稱為磁化技術(shù)或強(qiáng)磁技術(shù)［1］。磁化處理在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對礦物加工中的重選、浮選、浸出均有影響，磁化處理在浮選過程中有著簡化工藝流程，提高分選效率等優(yōu)點(diǎn)。本文重點(diǎn)從磁化水、磁化礦漿、磁化藥劑3個方面，介紹了磁化處理在浮選中的應(yīng)用，并闡釋了磁化處理對浮選過程的影響規(guī)律。

1 磁化處理的發(fā)展歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀

磁化處理最初應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，在我國南北朝時期人們飲用磁化水治病，20世紀(jì)初G.Durville通過對磁化水的處理治愈傷口。1945年T-Vermeriven發(fā)現(xiàn)用水磁化處理可以有效減少鍋垢，20世紀(jì)60年代初，前蘇聯(lián)科學(xué)家通過對磁化水可以減少鍋垢這一現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與水系統(tǒng)的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)［2］。20世紀(jì)60—70年代前蘇聯(lián)、日本、美國相關(guān)人員對水磁化處理進(jìn)行系統(tǒng)研究。20世紀(jì)80年代以來，磁化技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面、石油工業(yè)有了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效益［3］。近年來，磁化處理在各領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用。工業(yè)上王鐵軍等［4］通過對水泥漿進(jìn)行磁化，有效提高了水泥石的抗壓強(qiáng)度。農(nóng)業(yè)上王曉帆等［5］通過用磁化水與自來水灌溉生菜進(jìn)行比較，磁化水可以更好的促進(jìn)植物的凈光合作用。楊桂娟等［6］通過自來水和磁化水的對比發(fā)現(xiàn)，磁化水有更好的折射率，磁化處理通過破壞水分子的氫鍵來增強(qiáng)水的活性，從而促進(jìn)動植物的生長發(fā)育。醫(yī)療方面鄭少波等［7］通過礦泉水和磁化水的比較發(fā)現(xiàn)，在磁場強(qiáng)度4 kA/m以下可以有效消滅大腸桿菌。環(huán)境方面張春菊等［8］對廢水絮凝處理時發(fā)現(xiàn)，磁化絮凝相比常規(guī)絮凝具有更好的絮凝效果。王懷增等［9］用磁化后的溶液處理-50μm煤樣，可有效降低礦井下的粉塵。

我國礦產(chǎn)資源總量豐富，但絕大部分具有“貧、細(xì)、雜”的特點(diǎn)，磁化處理在提高礦產(chǎn)資源高效利用方面顯得尤為重要。在礦物加工領(lǐng)域的研究人員發(fā)現(xiàn)，磁化處理在浮選中不止用于處理水藥劑、礦漿，還可對浸出劑及礦物本身磁化。

2 磁化處理在浮選中的應(yīng)用

磁化處理在浮選上的應(yīng)用不同于傳統(tǒng)意義上的磁浮選機(jī)［10］，磁化處理在浮選中是通過對水、藥劑、礦漿不同的磁化方式，改變磁化場強(qiáng)、磁化時間來提高選別指標(biāo)。

2.1 水磁化處理

（1）磁化水可以改善礦物的潤濕性和溶液中的含氧量。陳向等［11］在對鉭鈮礦的浮選過程中發(fā)現(xiàn)，磁化水浮選相較于常規(guī)水浮選有更好的選別指標(biāo)，用磁化水進(jìn)行浮選的礦漿含氧量比常規(guī)水有一定的提高，改善了礦物的潤濕效果，有利于目的礦物的分選，并且在磁場強(qiáng)度為145 kA/m時，Ta2O5的回收率和品位提升最明顯。向軍等［12］為提高微細(xì)粒赤鐵礦的分選效果，在磁場強(qiáng)度為318.47 kA/m時對去離子水磁化處理，通過紅外光譜發(fā)現(xiàn)磁化水浮選油酸根在赤鐵礦表面的吸附性增強(qiáng)，促進(jìn)Fe3+與OI-的正向進(jìn)行，提高了赤鐵礦的可浮性，并且在赤鐵礦浮選過程中磁化水的效果要優(yōu)于磁化藥劑。Klassen［13］對磁化水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)溶液中的含氧量增加，pH值發(fā)生改變，并且磁化后的水分子結(jié)構(gòu)和潤濕性發(fā)生改變。

（2）磁化水可以使礦物的表面電位發(fā)生改變。邱廷省等［14］對螢石礦進(jìn)行磁化處理浮選試驗(yàn)時，通過Zeta電位測定未磁化時的石英帶負(fù)電，磁化水處理后石英局部帶正電，從而抑制了Ca2+、Mg2+在石英上的吸附，強(qiáng)化石英的抑制，在減少藥劑的情況下可提高螢石與石英的分離。向軍等［12］通過磁化處理對微細(xì)粒赤鐵礦浮選產(chǎn)生的影響進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過磁化處理后的赤鐵礦Zeta電位絕對值增大。

（3）磁化水對浮選泡沫特性有影響。付麗珠等［10］對Ni3S2礦物進(jìn)行浮選試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，高堿度條件下泡沫發(fā)黏，將雜質(zhì)帶入上浮，影響精礦回收率。在藥劑一定的條件下，通過磁化處理觀察浮選泡沫的變化，發(fā)現(xiàn)磁化處理后泡沫層高度下降，泡沫變小，泡沫消泡時間變短，提高了精礦回收率。

（4）磁化水的時間對浮選效率有影響。陳向［15］對難選黑鎢礦進(jìn)行浮選研究時，在藥劑相同的條件下，通過用130 kA/m的磁場強(qiáng)度對浮選用水進(jìn)行處理，在16 min時回收率和品位最高，而隨著磁化時間的繼續(xù)延長，回收率和品位也呈線化下降。浮選用水磁化時間過長會對浮選效果起抑制作用。

2.2 礦漿磁化處理

浮選礦漿作為浮選過程的主要場所和重要介質(zhì)，采用物理、化學(xué)方法擴(kuò)大界面間的性質(zhì)差異，可實(shí)現(xiàn)浮選的高效分選。磁化處理可改變礦漿的pH值、電導(dǎo)率、潤濕性差異、礦物的表觀粒度等特性。

（1）礦漿的磁化處理使礦漿的電位和電導(dǎo)率發(fā)生改變。劉佳［16］通過永磁體對寺河煤礦浮選礦漿進(jìn)行磁化處理，在洛倫茲力的作用下有利于礦漿內(nèi)的H+在礦物表面吸附，降低雙電層電動電位的絕對值，精煤產(chǎn)率也有提高。李建軍等［17］采用淮南新莊孜選煤廠一段溢流的煤泥，通過改變磁場強(qiáng)度和磁場時間對煤泥水進(jìn)行處理，煤泥水表面Zeta電位由未磁化時的30.5 mV減少到20.3 mV，由于在磁場的作用下，水分子鏈狀結(jié)構(gòu)被破壞，減弱了固體表面的水合作用，Zeta電位的降低促進(jìn)了煤泥沉降。李艾強(qiáng)等［18］在不同磁場強(qiáng)度下對赤鐵礦顆粒礦漿進(jìn)行磁化處理時發(fā)現(xiàn)，磁化礦漿可使赤鐵礦顆粒的Zeta電位從-50.765 mV減少到-43.538 mV，增強(qiáng)微細(xì)粒赤鐵礦的絮凝效果，從而提高浮選指標(biāo)。

（2）磁化礦漿可以擴(kuò)大礦物之間的潤濕性差異。熊彥權(quán)等［19］通過對煤、黃鐵礦、煤矸石選別發(fā)現(xiàn)，磁化浮選增強(qiáng)了煤的可浮性，使礦物之間的潤濕性差異擴(kuò)大，提高了選別效果。鄭光軍［20］在煤的選別過程中對浮選礦漿進(jìn)行磁化處理，提高了礦物的表面潤濕性，對煤的上浮率有較好的提升效果。

（3）磁化礦漿使得微細(xì)粒礦物表觀粒度增大。盧毅屏等［21］對原礦為軟錳礦的礦漿進(jìn)行磁化處理浮選，礦漿的磁化處理可使軟錳礦表觀粒度變大，通過外加557.32 kA/m的磁場強(qiáng)度對礦漿進(jìn)行處理，在疏水力和磁吸引力的作用下促進(jìn)了細(xì)粒軟錳礦顆粒之間的團(tuán)聚，使細(xì)粒軟錳礦表觀粒度變大，在較少的油酸鈉用量下，有較好的浮選效果。王東輝等［22］在對微細(xì)粒赤鐵礦反浮選過程中發(fā)現(xiàn)，加入磁鐵礦后，隨著磁鐵礦粒度變大，浮選效果的提升逐漸明顯，由于磁鐵礦對礦漿的磁化使赤鐵礦發(fā)生磁團(tuán)聚，磁團(tuán)聚增加了赤鐵礦的表觀粒度，并且隨著磁鐵礦粒度增大，加強(qiáng)了磁化效果，使浮選效果提高。

2.3 藥劑磁化處理

浮選藥劑在礦物浮選過程中能夠?qū)ΦV物表面性質(zhì)有選擇性的調(diào)整，為浮選創(chuàng)造更為有利的條件。浮選藥劑通常分為捕收劑、起泡劑和調(diào)整劑三大類。當(dāng)前，針對浮選藥劑的處理重點(diǎn)在捕收劑和起泡劑方面。

磁化藥劑使藥劑對礦物有更好的吸附性。李青青等［23］取5 g CaF2含量99.30%、礦物粒度為0.037～0.178 mm的螢石純礦物，通過對藥劑磁化，發(fā)現(xiàn)螢石表面Zeta電位負(fù)移，表明螢石表面吸附了更多的油酸根離子，螢石礦物磁化藥劑對礦物有更好的吸附性，從而提高目的產(chǎn)物的回收率。

磁化藥劑改變?nèi)芤旱谋砻鎻埩?，增大溶液的溶解度及含氧量。朱巨建等?4］在對赤鐵礦可浮性研究時發(fā)現(xiàn)，通過對水和藥劑分別磁化，磁化藥劑對溶液表面張力的影響最為明顯，且磁化水和藥劑均隨著溶液的pH值改變，均在pH值等于8時到達(dá)最低點(diǎn)，表面張力變小，赤鐵礦上浮率變大。溶液經(jīng)磁化后削弱了溶劑分子之間的作用力，使油酸在水中的溶解度增大。邱廷省等［25］對黃藥的磁化處理增加了黃藥的吸光度，增加了溶液中的含氧量，促進(jìn)了黃藥的氧化分解，使自由移動的離子數(shù)目增多，溶液的pH值和電導(dǎo)率升高。磁化丁基黃藥時，使黃銅礦的回收率提升了3.54個百分點(diǎn)。梁鵬志等［26］測量磁化后的煤油表面張力，發(fā)現(xiàn)表面張力降低。

磁化藥劑可以提高目的產(chǎn)物的產(chǎn)率和回收率。邱廷省等［27］對銅品位為0.7%的銅冶煉渣，在磨礦細(xì)度為-0.074 mm75%、捕收劑為丁基黃藥+Z-200、抑制劑為石灰+Na2S的條件下，經(jīng)1粗2精2掃閉路試驗(yàn)，最終得到的銅回收率為59.82%，磁化浮選銅回收率為62.26%，銅回收率提高了2.44個百分點(diǎn)，銅產(chǎn)率提高了0.17個百分點(diǎn)。何廷樹等［28］在低溫條件下進(jìn)行磁化改性煤油浮選試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磁化后的煤油較未磁化的煤油鉬回收率提高了2.53個百分點(diǎn)，煤油的磁化改性對浮選效率有一定的促進(jìn)作用。在煤油磁化后放置1.5 h后，其回收率和品位比放置前只有小幅度降低。

磁化處理不僅可以廣泛的應(yīng)用在浮選中，而且在磁化浸出時也有著較好的表現(xiàn)。陳向等［29］對比瀝青鈾礦石常規(guī)浸出和硫酸磁化浸出發(fā)現(xiàn)，磁化浸出鈾浸出率提高了8.99個百分點(diǎn)，且不產(chǎn)生污染。陳向等［30］磁化稀硫酸來酸浸鉭鈮，相對比常規(guī)條件下，磁化條件下鉭鈮酸浸試驗(yàn)（TaNb）2O5品位提高1.69個百分點(diǎn)，回收率提高了2.14個百分點(diǎn)，酸浸時間有效減少，并且減少了稀硫酸的用量。

磁化處理無論是在浮選上，還是在浸出上，都具有能減少藥劑、浸出劑用量，且在不產(chǎn)生污染的基礎(chǔ)上提高產(chǎn)品品位及回收率等優(yōu)點(diǎn)。在浮選過程中，有試驗(yàn)表明，磁化藥劑的效果要優(yōu)于磁化水或礦漿；而有的試驗(yàn)恰恰相反，對于不同礦物、不同工藝流程需要的磁化方式也不同。

3 磁化處理在浮選中的機(jī)理研究

磁化處理分為磁化水、磁化礦漿和磁化藥劑3種磁化處理方式，這3種方式都能在一定程度上改變水溶液的物理性質(zhì)，如pH值、含氧量、表面張力、礦物顆粒表面的電位、礦物接觸角大小等，進(jìn)而影響藥劑在礦物表面的吸附。磁化處理可在一定程度上促進(jìn)某些礦物的上浮。

3.1 磁化水的機(jī)理分析

電磁學(xué)中提到，所有的物質(zhì)都屬于磁介質(zhì)，根據(jù)電子是否相互完全抵消磁矩，可把弱磁介質(zhì)分為順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)［31］。純水屬于抗磁介質(zhì)，但磁化水具有順磁介質(zhì)的特性，水中有順磁雜質(zhì)和氣體會改變水的磁性。目前，對磁化處理水后的變化有以下幾種推論［32-33］。

（1）洛倫茲力作用。水是由原子和分子組成，水分子是帶負(fù)電的，電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)水置于磁場中時必然受到洛倫茲力的影響，由洛倫茲力公式［34］可得磁感應(yīng)強(qiáng)度與洛倫茲力成正比，在洛倫茲力的作用下正負(fù)粒子發(fā)生移動，移動過程中發(fā)生碰撞產(chǎn)生“離子締合體”，“離子締合體”具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以穩(wěn)定地懸浮在水中。

（2）氫鍵變形。水受到磁場作用時，分子間的氫鍵發(fā)生彎曲、局部斷裂，單個水分子數(shù)量變多，單個水分子填補(bǔ)水溶液中的縫隙，晶體生成受到抑制，從而水溶液的性質(zhì)發(fā)生了改變。

（3）極化作用。水進(jìn)行磁化處理加快了溶液內(nèi)部的結(jié)晶作用，磁場的極化作用影響了鹽的結(jié)晶組成，使得晶粒體積變小、數(shù)量增加。

（4）磁滯效應(yīng)。水中鹽分子、離子由于磁滯效應(yīng)使其磁耦合能繼續(xù)保持，進(jìn)而改變了鹽在水中的溶解度、結(jié)晶度，阻礙了大晶體的生成。

（5）磁力矩重新取向。藥劑的水溶液在磁場中存在時，藥劑的部分有機(jī)物基團(tuán)受到磁場作用的影響，會使該部分基團(tuán)的磁力矩重新取向，改變水的某些性質(zhì)。

上述幾種假設(shè)和推斷解釋了磁化機(jī)理，但國內(nèi)外對于磁化處理的理論還不夠完善，仍在假設(shè)、論證相互交替階段。聶百勝等［35］在對煤層注水的研究中發(fā)現(xiàn)，對水磁化處理后可以降低水的表面張力，水中的B、Si、Fe、Ca、K等元素的減少可以減少礦井中水對管道的腐蝕。通過分析得出，磁化處理后的水，氫鍵發(fā)生斷裂或彎曲，使水分子分解，分子間的吸引力變小，水分子有了較高的活性，更容易吸附在煤體上。林家齊等［36］認(rèn)為磁場使水分子結(jié)構(gòu)改變的原因是經(jīng)過磁場處理過的水會使其中的水分子之間的氫鍵斷裂。柯斯莫爾斯基［37］磁場會使水分子的氫鍵數(shù)量減少，影響水分子的結(jié)構(gòu)和在溶液中的反應(yīng)能力。CHANG等［38］認(rèn)為磁場會使水分子的氫鍵數(shù)量增多，其原因是在模擬時發(fā)現(xiàn)，在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度下磁感應(yīng)強(qiáng)度其值越大，水分子結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

3.2 磁化礦漿的機(jī)理分析

邊炳鑫等［39］通過對黃鐵礦礦漿磁化處理發(fā)現(xiàn)，礦漿的含氧量、Zeta電位和潤濕度均有一定程度的改變。礦物潤濕過程是表面自由能以熱能的形式釋放出來的過程，固體和液體間的親和力越強(qiáng)，過程越容易進(jìn)行。Zeta電位的變化是因?yàn)榇呕幚砗蟮牡V漿中含有大量的自由離子，礦物表面電動電位降低時可以促進(jìn)礦物與捕收劑作用。李建軍等［17］通過對煤泥水磁化處理，水分子鏈狀結(jié)構(gòu)被破壞，減弱了固體表面的水合作用，從而促進(jìn)煤泥沉降。李艾強(qiáng)等［18］通過對赤鐵礦進(jìn)行磁化處理后發(fā)現(xiàn)，處理后的礦漿降低了赤鐵礦顆粒間的雙電層排斥力，降低了顆粒間的勢能壘，增強(qiáng)了微細(xì)粒赤鐵礦的絮凝效果，從而強(qiáng)化浮選效果。LIPUS［40］認(rèn)為，在磁場中的礦粒受洛倫茲力的影響，雙電層中的離子發(fā)生了改變，導(dǎo)致Zeta電位發(fā)生了改變，從而提高了礦物的選別效率。

3.3 磁化藥劑機(jī)理分析

王秋風(fēng)等［41］在研究磁化黃藥對PbS、ZnS、FeS2浮選的影響時發(fā)現(xiàn)，磁化后的藥劑比未磁化的藥劑有著更高的回收率，藥劑磁化可以有效地使目的礦物上浮。磁場處理后的藥劑增加了黏度，提高了捕收劑和礦物本身接觸的程度。

藥劑經(jīng)過磁化處理后，吸光度、表面張力、pH值、電導(dǎo)率等性質(zhì)發(fā)生變化。周文波、李賽［25］對油酸鈉進(jìn)行磁化處理，在25.6 kA/m的磁感應(yīng)強(qiáng)度下對油酸鈉磁化處理10 min，結(jié)果表明，磁化處理后的油酸鈉溶液吸光度最多增加0.113，表面張力降低了14.44 mN/m，pH值提高到最大值為8.53，電導(dǎo)率為29.4 us/cm。在一定范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大會對溶液中的電離水解造成影響。磁化作用使得液態(tài)油酸含量增加，從而吸光度降低。磁化電導(dǎo)率的變化是由于磁化使溶液中產(chǎn)生了新的電離平衡，表明磁化使溶液中離子濃度增加，磁化使pH值增大，H+濃度減少，電離平衡向右移，油酸陰離子濃度也隨之增加。

前人已對磁化水、礦漿及藥劑的影響機(jī)理進(jìn)行了大量研究，但對磁化浮選過程中磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化時間、磁場梯度、水中雜質(zhì)等影響因素的研究還不夠系統(tǒng)，磁化帶來的影響規(guī)律還未完全明確，因此仍需在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證、探索和總結(jié)。

4 結(jié)語

磁化處理技術(shù)具有無污染、低成本、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、等多個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。磁處理技術(shù)與礦物加工技術(shù)相結(jié)合，可有效強(qiáng)化礦物的回收效果，提高礦產(chǎn)資源的綜合利用。通過對不同磁化方式在浮選中的應(yīng)用和機(jī)理分析，說明磁化處理在浮選中有著較高的應(yīng)用前景，但磁化處理技術(shù)影響浮選的機(jī)理仍存在爭議，磁化設(shè)備和工藝還需進(jìn)一步完善。