表面活性劑對赤鐵礦精礦助濾試驗研究

鄒昀， 張芹， 郭貞強(qiáng)

1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；

2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081

我國鐵礦資源儲量豐富，2017年查明其總量達(dá)848億t，名列世界鐵礦資源儲量第四。其中富礦占比僅1.2%左右，約98%的鐵礦資源為貧礦，平均品位僅有31%。共伴生、低品位、復(fù)雜的嵌布關(guān)系是造成鐵礦資源利用困難的因素[1-2]。隨著工業(yè)開采程度的不斷加深，傳統(tǒng)的重磁選礦工藝難以達(dá)到生產(chǎn)要求，浮選成為當(dāng)前鐵礦資源選礦重要工藝。為了實現(xiàn)有用礦物的回收，提升精礦品位，往往會大量使用選礦藥劑，從而給后續(xù)過濾脫水工藝帶來了一定困擾。主要表現(xiàn)在藥劑用量增大導(dǎo)致的礦漿發(fā)黏，并伴隨有泡沫生成。這使得精礦濾餅比阻增大，過濾速度減慢，濾餅含水率增加[3]。而添加助濾藥劑的方法則可以避免對已有濃密生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整或改動，是一種便捷且有效的解決方法[4]。目前針對助濾藥劑直接作用于礦漿，并以此來改善過濾效果的試驗研究已經(jīng)比較成熟，而對礦漿中存在殘余選礦藥劑時，助濾藥劑能否改善過濾效果等問題的研究較為少見。油酸鈉作為赤鐵礦的有效捕收劑，已廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。此次試驗主要研究了在捕收劑油酸鈉存在的體系中，五種表面活性劑型助濾劑對赤鐵礦精礦的助濾效果。

1 試樣與藥劑

1.1 試樣

此次試驗的赤鐵礦試樣為武鋼工業(yè)港巴西某赤鐵礦精礦，密度為4.15 g/cm3，其中各元素成分及含量占比見表1，原礦經(jīng)行星磨磨碎，試驗試樣粒度分析結(jié)果見表2。

表2 原礦的粒度分布

1.2 試驗藥劑

試驗用油酸鈉(C18H33O2Na)為分析純試劑，由天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)，配置質(zhì)量濃度為0.8%。助濾劑藥劑有：十二烷基磺酸鈉(SDS)為化學(xué)純試劑，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)為分析純試劑，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；辛基酚聚氧乙烯醚-10(OP-10)為化學(xué)純試劑，由上海山浦化工有限公司生產(chǎn)；丁二酸二異辛酯磺酸鈉(OT)，由薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為分析純試劑，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；pH調(diào)整劑H2SO4、NaOH為分析純試劑，由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

2 試驗方法

稱取25 g試樣于100 mL燒杯中，加入體系藥劑及去離子水定容至50 mL，調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速為350 r/min，攪拌5 min，隨后加入不同助濾劑，并在轉(zhuǎn)速350 r/min下攪拌3 min。將已潤濕的濾紙置于φ60 mm的布氏漏斗中，并調(diào)節(jié)過濾試驗裝置閥門，控制真空壓穩(wěn)定在0.06 MPa。后將攪拌好的礦漿倒入漏斗內(nèi)，記錄每5 mL濾液體積V的累積時間t，并對試驗結(jié)果進(jìn)行計算。對過濾效果的考察分別為濾餅比阻和含水率，其中濾餅比阻越大，表明過濾阻力越大，則過濾速度就越小。待漏斗下方10 s內(nèi)無濾液滴落，停止抽濾并測量濾餅含水率[5]。考慮到實驗室溫度、濕度以及試驗過程中存在的人工操作差異，試驗階段控制含水率誤差在±0.5%以內(nèi)較為穩(wěn)定。

濾餅比阻計算公式[6-7]：

(1)

式中：α表示t/V值與V值呈直線關(guān)系的斜率；A表示布氏漏斗過濾面積；ΔP表示過濾壓力；μ表示濾液黏度；C表示干物質(zhì)量與抽濾液質(zhì)量之比。

濾餅含水率計算公式[8-9]：

η=(W1-W2)/W1×100%

(2)

式中：W1表示濕濾餅質(zhì)量；W2表示干濾餅質(zhì)量。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 油酸鈉用量對赤鐵礦精礦過濾效果的影響

脂肪酸類捕收劑常用來進(jìn)行氧化礦物浮選，常用的捕收劑主要為油酸及其衍生物。油酸鈉作為赤鐵礦正浮選捕收劑，其藥方簡單，成本較低。然而實際生產(chǎn)中往往需要進(jìn)行多次精選以達(dá)到合格精礦，導(dǎo)致藥劑用量增大，泡沫發(fā)黏，對過濾脫水造成影響，使得濾餅水分升高[10]。該試驗是在室溫20 ℃、礦漿pH=6.8條件下進(jìn)行的油酸鈉用量試驗，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 油酸鈉用量對赤鐵礦精礦濾餅比阻和含水率的影響

分析圖2可知，隨著油酸鈉用量的增加，濾餅比阻由未添加油酸鈉開始，先降低隨后趨于穩(wěn)定，當(dāng)用量達(dá)到3 200 g/t時濾餅比阻突增，當(dāng)用量達(dá)到3 400 g/t時，抽濾過程已經(jīng)難以繼續(xù)進(jìn)行。而隨著油酸鈉用量的增加，濾餅含水率先降低，然后持續(xù)增加。在油酸鈉用量達(dá)3 400 g/t時，由于抽濾過程難以正常進(jìn)行，含水率達(dá)到最大。因此在后續(xù)試驗中，設(shè)定油酸鈉體系藥劑用量為3 200 g/t，并考察各助濾劑藥劑在此條件下對赤鐵礦精礦的助濾效果。相較于常規(guī)赤鐵礦浮選試驗，此次助濾試驗由于礦樣粒度較細(xì)，比表面積較大，且考察對象為濾餅比阻和含水率，因此所添加的油酸鈉用量也較常規(guī)浮選試驗更大。

濾餅比阻和含水率在添加藥劑后降低，可能是因為油酸鈉屬于表面活性劑型藥劑，添加至礦漿中降低了氣—液界面張力，且吸附于礦物顆粒表面，使得顆粒接觸角增加。從而使顆粒間的毛細(xì)水更易于排出，過濾速度加快，降低濾餅比阻，同時也降低了含水率。隨后濾餅比阻和含水率的增加則可能是因為隨著油酸鈉用量的增大，自身形成膠團(tuán)，使顆粒表面親水性增強(qiáng)，濾餅含水率增加。

3.2 不同助濾劑用量對赤鐵礦精礦過濾效果的影響

表面活性劑型藥劑的使用，具有一定的最佳用量范圍。用量過低導(dǎo)致助濾效果不明顯，用量過高可能會導(dǎo)致濾餅含水率的增加。試驗所使用的助濾劑藥劑(見1.2試驗藥劑)SDS、SDBS、OT、CTAB和OP-10均配置為質(zhì)量濃度0.1%溶液使用，試驗是在室溫20 ℃，礦漿pH=6.8，油酸鈉體系藥劑用量3 200 g/t條件下進(jìn)行的不同助濾劑用量試驗，試驗結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 不同助濾劑用量對赤鐵礦精礦濾餅比阻的影響

圖4 不同助濾劑用量對赤鐵礦精礦含水率的影響

分析圖3、圖4可知，使用助濾劑后，濾餅比阻以及含水率相較于未使用助濾劑時有了不同程度的降低。且隨著助濾劑用量的增加，濾餅比阻均有所下降，隨后呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定趨勢?？赡苁怯捎诘V漿中加入助濾劑后，溶液表面張力降低，毛細(xì)管壓力降低，過濾速度加快，濾液易于脫除。濾餅含水率則是先降低后增加或呈小幅度增長趨勢?？赡艿脑蚴请S著助濾劑用量繼續(xù)加大，表面活性劑型自身形成膠團(tuán)，將原本疏水的顆粒表面又變?yōu)橛H水，導(dǎo)致含水量增加[11]。五種助濾劑降低濾餅比阻效果強(qiáng)弱排序依次為：CTAB、OP-10、SDBS、SDS、OT。五種助濾劑降低含水率排序依次為SDS、CTAB、OP-10、OT、SDBS，比未添加助濾劑時分別降低了3.93%、3.17%、3.10%、2.54%、2.11%。綜合濾餅比阻以及含水率考慮，分別選擇各助濾劑較適宜用量分別為：SDS為40 g/t、SDBS為40 g/t、OP-10為40 g/t、CTAB為80 g/t、OT為20 g/t。后續(xù)試驗均使用此用量進(jìn)行。

3.3 不同助濾劑濃度對赤鐵礦精礦過濾效果的影響

濃度對助濾劑使用效果的影響主要體現(xiàn)在表面活性劑溶液的某些性質(zhì)會隨藥劑濃度的改變而發(fā)生突變[12]?？紤]到實際生產(chǎn)中藥劑的配送與添加，確定了較適宜的藥劑用量后，所配制的藥劑濃度越高則越能節(jié)省儲存空間，有利于實際生產(chǎn)。該試驗是在室溫20 ℃，礦漿pH=6.8，油酸鈉體系藥劑用量3 200 g/t，助濾劑最佳用量分別為：SDS為40 g/t、SDBS為40 g/t、OP-10為40 g/t、CTAB為80 g/t、OT為20 g/t條件下進(jìn)行的不同助濾劑質(zhì)量濃度試驗，試驗結(jié)果見圖5，圖6。

圖5 不同助濾劑濃度對赤鐵礦精礦濾餅比阻的影響

圖6 不同助濾劑濃度對赤鐵礦精礦含水率的影響

分析圖5、圖6可知，隨著助濾劑濃度的增加，各助濾劑對濾餅比阻的影響為先降低隨后上升并隨濃度的增加分別呈現(xiàn)小幅度上漲或下降趨勢。含水率則隨著濃度的增加先降低然后升高并趨于穩(wěn)定。此時溶液表面張力降低，顆粒接觸角增大，疏水性增強(qiáng)。而當(dāng)助濾劑濃度在溶液中超過其臨界膠束濃度后，顆粒表面形成雙層或多層分子吸附，導(dǎo)致表面親水性增強(qiáng)，從而影響濾餅比阻和含水率。

3.4 不同pH下各助濾劑對赤鐵礦精礦過濾效果的影響

礦漿pH對表面活性劑型助濾劑助濾效果的影響主要體現(xiàn)在其對礦物顆粒表面電位的改變。該試驗是在室溫20 ℃、油酸鈉體系藥劑用量3 200 g/t條件下進(jìn)行的不同礦漿pH試驗，助濾劑最佳用量分別為：SDS為40 g/t、SDBS為40 g/t、OP-10為40 g/t、CTAB為80 g/t、OT為20 g/t，助濾劑濃度均為0.1%。試驗結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 不同pH對赤鐵礦精礦濾餅比阻的影響

圖8 不同pH對赤鐵礦精礦含水率的影響

分析圖7、圖8可知，相較于體系空白組添加助濾劑后，濾餅比阻以及含水率皆有不同程度的降低。整體上看，隨著pH由低至高增加，濾餅比阻呈現(xiàn)先增加，pH在4～10時較為穩(wěn)定，后繼續(xù)上升趨勢?？瞻捉M含水率在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿性條件下分別達(dá)到最小和最大值?？赡艿脑蚴?，在強(qiáng)酸性條件下，油酸鈉使得赤鐵礦表面電位絕對值接近零，顆粒分散性減弱，增大了過濾速度，同時也降低了濾餅比阻。在強(qiáng)堿性條件下，油酸鈉增加了赤鐵礦表面電位的絕對值，增強(qiáng)了礦粒的分散性，導(dǎo)致過濾速度減慢，濾餅比阻增加[13]。赤鐵礦浮選通常為堿性環(huán)境，pH在8～10時，五種助濾劑均能降低濾餅比阻以及含水率。表面活性劑型助濾劑主要起到降低溶液表面張力，增大接觸角的作用，而對濾餅結(jié)構(gòu)和孔隙度的影響較小，因而在不同pH礦漿條件下，其對濾餅比阻的影響能力有限。而對于濾餅含水率的影響隨pH的變化不大，可能的原因是助濾劑在顆粒表面已達(dá)吸附飽和，對含水率的影響主要由降低溶液表面張力得以體現(xiàn)。

3.5 不同溫度下各助濾劑對赤鐵礦精礦過濾效果的影響

溫度對過濾過程的影響主要體現(xiàn)在對礦漿黏度的影響，礦漿黏度的改變影響了固液分離效率，同時對濾餅比阻也會造成一定影響。此外，表面活性劑型藥劑溶液受溫度的影響，其在界面上的吸附作用也會受到影響，從而對過濾效果產(chǎn)生影響。該試驗是在礦漿pH=6.8，油酸鈉體系藥劑用量3 200 g/t條件下進(jìn)行的不同礦漿溫度試驗，助濾劑最佳用量分別為：SDS為40 g/t、SDBS為40 g/t、OP-10為40 g/t、CTAB為80 g/t、OT為20 g/t，助濾劑濃度均為0.1%。試驗結(jié)果見圖9、圖10。

圖1 真空過濾試驗裝置示意圖

分析圖9、圖10可知，隨溫度的升高，濾餅比阻均呈現(xiàn)下降趨勢。相較空白組試驗，添加助濾劑后，濾餅比阻有了不同程度的降低。而隨著溫度的上升，空白組、SDBS、SDS和CTAB組的含水率均呈現(xiàn)上升趨勢，OT組的含水率上下波動幅度在0.3%左右，低于可控誤差0.5%，較為穩(wěn)定。OP-10組的含水率則呈現(xiàn)下降趨勢。原因可能是隨溫度的升高，濾液黏度降低，加快了過濾速度且降低了濾餅比阻。然而溫度升高，油酸鈉在界面的吸附量增加，礦粒表面形成雙分子層或多分子層吸附，使得極性基伸向溶液。而-COO-對水偶極子具有誘導(dǎo)作用和定向作用，導(dǎo)致濾餅含水率增高。OP-10分子[14]由于含有10個活性基團(tuán)C2H4O-，與礦粒接觸概率增大，吸附量增多，可能減少了油酸鈉在礦粒表面的吸附，從而降低含水率。OT分子[15]由于含有兩個非極性基，且每個非極性基都含有支鏈，其破壞水化膜能力較強(qiáng)，但由于其吸附量有限，對顆粒表面吸附的油酸鈉層的干擾較小，因此對含水率的影響并不顯著。

圖9 不同溫度對赤鐵礦精礦濾餅比阻的影響

圖10 不同溫度對赤鐵礦精礦含水率的影響

4 結(jié)論

(1)油酸鈉隨著其用量的增加，赤鐵礦精礦濾餅比阻和濾餅含水率也隨之增加。

(2)五種助濾劑在一定用量范圍內(nèi)均可降低濾餅比阻和含水率，而隨著用量的增加，對赤鐵礦精礦比阻的影響效果較小。而隨著用量的增大，濾餅含水率呈先降低后升高趨勢。其中CTAB對濾餅比阻降低效果最好；SDS對降低含水率效果最好，可降低3.93%。

(3)五種助濾劑在一定濃度范圍內(nèi)均可降低濾餅比阻和含水率，而隨著其濃度的增加，濾餅比阻先降低后升高，隨后呈現(xiàn)緩慢升高或降低趨勢。濾餅含水率隨藥劑濃度的增加，呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。隨藥劑濃度繼續(xù)增大，部分藥劑使得含水率趨于穩(wěn)定。

(4)五種助濾劑在不同pH范圍內(nèi)均可降低濾餅比阻和含水率，對濾餅比阻的影響隨pH增大呈現(xiàn)先上升隨后變化較小，并在強(qiáng)堿性條件下繼續(xù)上升趨勢。對濾餅含水率的影響僅在強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性條件下出現(xiàn)不同程度增長或下降，整體表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

(5)五種助濾劑在不同溫度范圍內(nèi)均可降低濾餅比阻和含水率，對濾餅比阻的影響均隨溫度的升高而降低。SDS、SDBS、CTAB隨溫度的升高導(dǎo)致濾餅含水率升高。OT在不同溫度下，對含水率的影響不大。OP-10隨溫度的升高濾餅含水率降低。