JZQ-F7捕收劑在赤鐵礦反浮選中的浮選特性及機(jī)理研究*

于慧梅

(貴州大學(xué) 學(xué)報(bào)編輯部，貴州 貴陽(yáng) 550025)

隨著中國(guó)餐飲業(yè)的迅速發(fā)展，餐飲廢棄物中的廢棄油脂日益增多[1]，餐飲廢油問(wèn)題也越來(lái)越得到社會(huì)各界的關(guān)注[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)，餐飲廢油的危害主要表現(xiàn)在重返餐桌、生產(chǎn)化工產(chǎn)品等方面[4]。餐飲廢油的不合理利用威脅到人類食品安全和身體健康。目前，關(guān)于餐飲廢油的科學(xué)利用途徑主要有：以餐飲廢油為原料制備無(wú)磷洗衣粉、皂液[5]、生物柴油[6-8]、硬脂酸和油酸[9]、潤(rùn)滑脂[10]、混凝土制品脫模劑[11]、選煤捕收劑[12]等。

關(guān)于赤鐵礦浮選的研究報(bào)道很多，圍繞赤鐵礦浮選主要集中在浮選工藝的選擇、浮選影響因素的條件試驗(yàn)、以及藥劑與礦物表面作用機(jī)理等幾方面。研究表明，以氫氧化鈉或氫氧化鈉與碳酸鈉混用作為介質(zhì)調(diào)整劑，淀粉作為抑制劑，氧化鈣作為活化劑，脂肪酸或脂肪酸皂可以將赤鐵礦中的脈石礦物浮出[13-16]。

餐飲廢油的成分與傳統(tǒng)制備脂肪酸捕收劑原料的成分相近[17]，利用餐飲廢油制備JZQ-F7脂肪類捕收劑用于赤鐵礦反浮選中以期得到良好的浮選試驗(yàn)結(jié)果。論文以赤鐵礦反浮選為基礎(chǔ)，以礦漿濃度、礦漿溫度、藥劑用量、浮選時(shí)間為浮選因素，通過(guò)對(duì)比JZQ-F7脂肪類捕收劑與傳統(tǒng)捕收劑油酸鈉浮選指標(biāo)，證實(shí)了JZQ-F7脂肪類捕收劑的捕收性能和選擇性能，并揭示了JZQ-F7脂肪類捕收劑在礦物表面的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容與方法

1.1 礦樣及藥劑

試驗(yàn)所用的礦樣來(lái)源于遼寧省，礦樣粒度為-200目≥90%。通過(guò)Oxford ISI300能譜儀對(duì)礦樣進(jìn)行能譜分析，礦樣X(jué)射線能譜圖表明，礦樣主要由Fe、Si、O等元素組成，X射線能譜圖如圖1所示。在日立S-3500掃描電鏡(分辨率：30 Kv時(shí)0.4 nm,1 Kv時(shí)1.6 nm；加速電壓：0.5～30 Kv；放大倍率: 低倍模式60X～10 000X，高倍模式800X～2 000 000X)下對(duì)該礦樣的光片進(jìn)行了觀察，有用礦物主要有赤鐵礦，脈石礦物主要有石英。圖2為掃描電鏡背散射電子圖像，圖中白色為赤鐵礦，灰色是以石英為主的脈石礦物。通過(guò)化學(xué)分析礦樣鐵含量為43.93%，硅含量為32.99%。

圖1 X射線能譜圖

圖2 掃描電鏡背散射電子圖像

試驗(yàn)所用捕收劑分別為自制脂肪酸類捕收劑JZQ-F7和傳統(tǒng)脂肪酸類捕收劑油酸鈉兩種。其中JZQ-F7以餐飲廢油為原料經(jīng)過(guò)預(yù)處理-水解-萃取-酸化-改性工藝得到；油酸鈉為市場(chǎng)銷售油酸鈉分析純。

1.2 浮選試驗(yàn)

浮選試驗(yàn)采用XFD-0.5(轉(zhuǎn)速1 800 r/min)浮選機(jī)，稱取一定量的礦樣放入浮選槽中，加入一定量的自來(lái)水，攪拌調(diào)漿，加入氫氧化鈉調(diào)節(jié)礦漿的pH值，順序加入抑制劑、捕收劑、起泡劑，各種藥劑作用3～5 min后，收集泡沫產(chǎn)品。泡沫產(chǎn)品和槽底產(chǎn)品分別烘干、稱量、制樣、化驗(yàn)品位、計(jì)算回收率。

1.3 電動(dòng)電位的測(cè)定

電動(dòng)電位的測(cè)定是在室溫下通過(guò)Zeta Plus DB-525電位電動(dòng)儀(電泳測(cè)量粒度范圍0.005～30 μm；樣品體積1～1.5 ml；pH范圍2～12；電導(dǎo)率范圍0～700 Ms/m)測(cè)定完成的。每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次。測(cè)試樣品的制備詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18]。

1.4 紅外光譜分析

為了說(shuō)明JZQ-F7的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，對(duì)JZQ-F7進(jìn)行紅外光譜分析。測(cè)試樣品的制備詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[19]。

1.5 礦物沉降試驗(yàn)

捕收劑在礦物表面作用前后團(tuán)聚程度的變化可由礦物細(xì)粒的沉降行為表征。稱取3.0 g礦物置于放入200 mL的燒杯中，加入80 mL的蒸餾水，用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?0 min(轉(zhuǎn)速500 r/min)；向燒杯中加入一定量的捕收劑攪拌5 min；將礦漿移至100 mL沉降管中，將其定容、搖勻、沉降2 min，抽取上層液體50 mL，過(guò)濾烘干下層礦粉、稱重并計(jì)算沉降產(chǎn)率。

1.6 捕收劑對(duì)礦石粒度分布影響試驗(yàn)

稱取2.0 g礦粉于200 mL燒杯中，加入150 mL蒸餾水，使用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?0 min(轉(zhuǎn)速500 r/min)；向燒杯中加入一定濃度的捕收劑攪拌5 min，采用LS-C(1)激光粒度檢測(cè)儀(測(cè)試范圍0.5～300 μm；測(cè)試時(shí)間1～2 min; 波長(zhǎng)0.632 8 μm)檢測(cè)礦樣的粒度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

在鐵礦石反浮選試驗(yàn)中，主要考察了JZQ-F7用量、礦漿溫度、礦漿濃度、浮選時(shí)間對(duì)浮選效果的影響，并與傳統(tǒng)脂肪酸類捕收劑油酸鈉進(jìn)行比較。

2.1 捕收劑用量試驗(yàn)

在鐵礦石反浮選中，在一定捕收劑用量范圍內(nèi)，捕收劑用量越大，精礦中鐵品位越高。為了考察捕收劑用量對(duì)浮選效果的影響，分別考察了JZQ-F7捕收劑和傳統(tǒng)捕收劑油酸鈉不同用量與鐵精礦中鐵品位和回收率關(guān)系試驗(yàn)研究。浮選時(shí)，礦漿的濃度為43%，浮選礦漿pH值為11.5，礦漿的溫度為30 ℃，采用一粗一精浮選流程，精礦中鐵品位和回收率如圖3所示。

圖3 捕收劑用量對(duì)精礦中鐵品位和回收率的影響

由圖3可知：JZQ-F7用量由200 g/t原礦增加到500 g/t原礦時(shí)，精礦鐵品位由59.51%上升到67.30%，精礦鐵回收率由57.25%降低到35.16%；油酸鈉用量500 g/t時(shí)，精礦鐵品位66.28%，比JZQ-F7用量500 g/t時(shí)精礦鐵品位67.30%低1.02個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)捕收劑用量達(dá)到剛好浮選脈石礦物石英，再增加捕收劑的用量，就會(huì)將少量與石英以連生體共存的赤鐵礦浮選上來(lái)，導(dǎo)致精礦中鐵礦物的損失，降低了精礦的鐵回收率。在保證精礦鐵品位的情況下，為了保證精礦鐵回收率和從節(jié)約藥劑成本的角度考慮，JZQ-F7在鐵礦石反浮選中用量不宜超過(guò)500 g/t原礦。

2.2 礦漿溫度試驗(yàn)

脂肪酸捕收劑在不同溫度下溶解度不同導(dǎo)致溫度對(duì)脂肪酸類捕收劑的影響很大。試驗(yàn)考察不同浮選溫度下JZQ-F7對(duì)礦物鐵礦石反浮選的影響，同時(shí)與油酸鈉進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，浮選試驗(yàn)條件為：礦漿的濃度43%，浮選礦漿pH值11.5，采用一粗一精浮選流程，精礦中鐵品位和回收率如圖4所示。

圖4 礦漿溫度對(duì)精礦中鐵品位和回收率的影響

浮選試驗(yàn)考察不同礦漿溫度對(duì)浮選試驗(yàn)的影響，礦漿溫度的變量分別為20，30，40，50 ℃。由圖4中JZQ-F7品位曲線和回收率曲線可知：當(dāng)浮選溫度為20 ℃時(shí)，精礦中鐵品位為65.21%，鐵回收率為60.88%，當(dāng)浮選溫度升高到30 ℃時(shí)，精礦中鐵品位增加到67.13%，增加了1.92百分點(diǎn)，繼續(xù)升高浮選溫度，鐵精礦中鐵品位上升的趨勢(shì)緩慢，當(dāng)溫度增加到50 ℃時(shí)，鐵精礦中鐵品位增加到67.82%，比浮選溫度為30 ℃時(shí)僅提高了0.69%，而鐵回收率卻大幅度的降低，由37.04%降低到15.07%。從各自品位和回收率曲線的交點(diǎn)可以得出結(jié)論，JZQ-F7的最佳浮選溫度范圍為30 ℃左右，而油酸鈉的最佳浮選溫度范圍為40 ℃左右，由此可見(jiàn)，在相同溫度下，JZQ-F7的溶解性要優(yōu)于油酸的溶解性。

2.3 礦漿濃度試驗(yàn)

試驗(yàn)考察了不同礦漿濃度下JZQ-F7對(duì)礦物鐵礦石反浮選的影響，并在相同條件下與油酸鈉進(jìn)行對(duì)比研究，浮選試驗(yàn)條件為：礦漿溫度30 ℃，浮選礦漿pH值11.5，采用一粗一精浮選流程，精礦中鐵品位和回收率如圖5所示。

圖5 礦漿濃度對(duì)精礦中鐵品位和回收率的影響

由圖5中JZQ-F7精礦鐵品位和回收率曲線可知：礦漿濃度由33%上升到43%，精礦中鐵品位的上升幅度較小，由63.43%上升到64.50%，鐵品位提高了1.07個(gè)百分點(diǎn)；鐵回收率由63.10%降低到58.55%，降低了4.55個(gè)百分點(diǎn)；礦漿濃度由43%上升到50%，精礦中鐵品位上升幅度較大，由64.50%上升到68.32%，鐵品位提高了3.82個(gè)百分點(diǎn)，而回收率下降的幅度小，從58.55%降低到57.66%，僅降低了0.89個(gè)百分點(diǎn)。由上述可知，JZQ-F7在鐵礦石反浮選時(shí)，浮選礦漿濃度的變化對(duì)鐵精礦中鐵品位有較大影響，在高濃度的浮選礦漿濃度下能獲得理想的浮選指標(biāo)。由油酸鈉作為捕收劑時(shí)精礦中鐵品位和回收率曲線可知，隨著礦漿濃度的提高，精礦鐵品位逐漸提高，在33%～38%范圍內(nèi)，精礦中鐵品位提高幅度較大，而在38%～50%范圍內(nèi)，精礦中鐵品位提高幅度較小，鐵回收率則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。

2.4 浮選時(shí)間試驗(yàn)

為了說(shuō)明捕收劑對(duì)浮選速率的影響，分別進(jìn)行了JZQ-F7和油酸鈉兩種捕收劑不同的浮選時(shí)間對(duì)精礦中鐵品位和回收率的影響的試驗(yàn)。浮選試驗(yàn)時(shí)，礦漿溫度30 ℃，浮選礦漿濃度50%，浮選礦漿pH值11.5，采用一次粗選浮選流程，精礦中鐵品位和回收率如圖6所示。

圖6 浮選時(shí)間對(duì)精礦中鐵品位和回收率的影響

由圖6中JZQ-F7精礦中鐵品位和回收率曲線可知：浮選時(shí)間由3 min增加到4 min時(shí)，精礦中鐵品位由53.56%提高到55.24%，增加的幅度較?。欢∵x時(shí)間由4 min增加到5 min時(shí)，精礦中鐵品位由55.24%提高到63.28%，提高了8.04個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)浮選時(shí)間增加到6 min時(shí)，精礦鐵品位由63.28%提高到63.98%。由此可見(jiàn)，JZQ-F7在鐵礦石反浮選時(shí)適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)粗選時(shí)間，可以有效地提高精礦中鐵品位。由油酸鈉作為捕收劑時(shí)精礦中鐵品位和回收率曲線可知，隨著浮選時(shí)間的增加，精礦鐵品位逐漸提高，鐵回收率逐漸降低。

2.5 藥劑與礦物吸附性能研究

2.5.1電動(dòng)電位測(cè)量

電動(dòng)電位與浮選之間有著密切的關(guān)系，可用電動(dòng)電位來(lái)評(píng)價(jià)礦物與藥劑作用后礦物表面荷電情況的變化。在不同的pH條件下，分別研究了純石英、純赤鐵礦表面荷電情況及兩種礦石在不同捕收劑作用前后表面的荷電情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 石英與不同捕收劑作用前后電動(dòng)電位曲線

圖8 赤鐵礦與不同捕收劑作用前后電動(dòng)電位曲線

由圖7可知：在測(cè)量的pH范圍內(nèi)，石英的Zeta電位均為負(fù)值，且隨著pH的增大，Zeta的變化趨勢(shì)為其負(fù)電位值先以較大的速率增大然后增加速率變緩，石英的零電點(diǎn)出現(xiàn)在pH=3.95。按照靜電吸引原理，此時(shí)石英礦物表面與脂肪酸陰離子捕收劑的作用不可能是靠靜電力為主的物理吸附，而應(yīng)當(dāng)發(fā)生化學(xué)吸附。其反應(yīng)為：在適宜的pH條件下，石英由于磨礦、攪拌、解離過(guò)程中導(dǎo)致金屬離子水解形成羥基絡(luò)合物，金屬離子的羥基絡(luò)合物通過(guò)脫水吸附在石英礦物表面，呈現(xiàn)出活性金屬陽(yáng)離子，脂肪酸陰離子捕收劑在此活性金屬陽(yáng)離子上發(fā)生化學(xué)吸附，使石英疏水上浮。加入JZQ-F7之后，石英的電動(dòng)電位明顯下降，對(duì)于JZQ-F7來(lái)說(shuō)，在pH=11～12之間，石英的電動(dòng)電位下降的幅度最大，由此可以說(shuō)明，在pH=11～12范圍內(nèi)，石英與JZQ-F7作用最好，JZQ-F7在石英表面吸附量增多，石英表面水化作用減弱，水化層變薄，提高了石英表面的疏水性。圖中另一曲線為加入油酸鈉石英表面電動(dòng)電位的變化。

由圖8可知：赤鐵礦的零電點(diǎn)出現(xiàn)在pH=4.90。當(dāng)?shù)V漿的pH大于4.90時(shí)，赤鐵礦表面荷負(fù)電，當(dāng)?shù)V漿的pH小于4.90時(shí)，赤鐵礦表面荷正電。捕收劑作用之后，赤鐵礦的零電點(diǎn)有所降低，這是由于陰離子捕收劑在赤鐵礦表面發(fā)生了特性吸附。對(duì)于JZQ-F7來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)V漿的pH值在3～7范圍時(shí)，赤鐵礦的電動(dòng)電位有所降低，此時(shí)，JZQ-F7與赤鐵礦的作用效果較好；當(dāng)?shù)V漿的pH值大于7時(shí)，赤鐵礦的電動(dòng)電位有所提高，且在pH=10 時(shí)達(dá)到最高值，此時(shí)JZQ-F7與赤鐵礦作用效果變差。圖中另一曲線為加入油酸鈉赤鐵礦表面電動(dòng)電位的變化。綜合圖7和圖8可知：礦漿pH值為10～12范圍內(nèi)，由于JZQ-F7在石英表面發(fā)生了化學(xué)吸附，提高了石英表面的疏水性，而捕收劑與赤鐵礦之間不發(fā)生吸附，使石英從赤鐵礦中分離出來(lái)，達(dá)到浮選效果。

2.5.2紅外光譜分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明JZQ-F7與石英吸附特性，分別對(duì)石英礦物、石英與捕收劑作用、石英與捕收劑作用之后水洗進(jìn)行紅外光譜分析。樣品的制備按照浮選流程的藥劑制度進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 石英，石英+CaO，石英++CaO+JZQ-F7紅外光譜分析

圖10 JZQ-F在石英表面作用后水洗前后紅外光譜分析

圖10中所示的兩條曲線中，一個(gè)代表的是石英+CaO+JZQ-F7作用一段時(shí)間后未進(jìn)行水洗的紅外光譜分析曲線，另一條代表的是石英+CaO+JZQ-F7作用一段時(shí)間后進(jìn)行了反復(fù)水洗后的紅外光譜分析曲線。兩譜圖曲線基本一致，無(wú)新的特征峰出現(xiàn)，無(wú)明顯變化，因此，證明了Ca2+活化后捕收劑與石英發(fā)生了化學(xué)吸附。

2.6 藥劑對(duì)礦物團(tuán)聚性能研究

2.6.1礦物沉降行為研究

通過(guò)JZQ-F7與石英礦物作用前后的沉降試驗(yàn)，推斷石英在捕收劑作用下石英團(tuán)聚的變化，并與傳統(tǒng)脂肪酸捕收劑油酸鈉進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 石英沉降產(chǎn)率與捕收劑濃度關(guān)系

圖11是JZQ-F7和油酸鈉與石英作用前后沉降試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，石英的沉降產(chǎn)率隨著捕收劑濃度的增加而迅速增大，當(dāng)捕收劑達(dá)到一定的濃度之后，與JZQ-F7作用的石英沉降產(chǎn)率呈階梯狀下降，而與油酸鈉作用的石英沉降產(chǎn)率直線下降。由石英沉降產(chǎn)率迅速增加的階段可見(jiàn)，JZQ-F7對(duì)石英的團(tuán)聚影響明顯優(yōu)于傳統(tǒng)脂肪酸油酸鈉。當(dāng)捕收劑濃度為0.04%時(shí)，JZQ-F7對(duì)石英的沉降產(chǎn)率達(dá)到98.92%，而傳統(tǒng)捕收劑油酸鈉對(duì)石英的沉降產(chǎn)率為96.52%。捕收劑作用之前，石英的沉降產(chǎn)率為84.47%，JZQ-F7作用之后，石英的沉降產(chǎn)率為98.92%。由此可見(jiàn)，JZQ-F7的加入使得石英顆粒之間團(tuán)聚作用變好。

2.6.2激光粒度分析

采用激光粒度分析儀，分析石英在JZQ-F7作用前后，粒度分布的變化，得到JZQ-F7對(duì)石英疏水團(tuán)聚的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 石英顆粒在JZQ-F7作用前后激光粒度分析結(jié)果

由圖12可知：在礦漿中加入不同濃度JZQ-F7后，石英的粒度分布曲線在不同程度上向右偏移，這是由于，JZQ-F7的加入使得石英礦物顆粒增加，礦粒間出現(xiàn)疏水團(tuán)聚；隨著JZQ-F7濃度的增加，石英的粒度分布曲線依次向右偏移。由此說(shuō)明，增加JZQ-F7的濃度，可以促進(jìn)石英顆粒的疏水團(tuán)聚。

3 結(jié)論

論文以餐飲廢油為原料，制備了脂肪酸捕收劑JZQ-F7并用于赤鐵礦反浮選脫除石英的研究，主要得到以下結(jié)論：

1)JZQ-F7用量試驗(yàn)表明，隨著JZQ-F7用量的增加，鐵精礦中鐵品位逐漸提高，鐵回收率逐漸降低。為了保證較好的浮選指標(biāo)，JZQ-F7用量不宜超過(guò)500 g/t；通過(guò)對(duì)礦漿溫度、礦漿濃度的變量試驗(yàn)研究表明，當(dāng)?shù)V漿的濃度為50%、礦漿的溫度為20～30 ℃時(shí)，可以獲得良好的浮選指標(biāo)，精礦中鐵品位達(dá)到67%左右，鐵回收率為56%左右。

2)電動(dòng)電位研究表明，在pH=11～12范圍內(nèi)，石英與JZQ-F7作用最好，JZQ-F7在石英表面吸附量增多，與赤鐵礦之間不發(fā)生吸附。

3)紅外光譜研究表明，石英在活化劑CaO的條件下，與JZQ-F7發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了新的物質(zhì)，使得捕收劑在石英表面吸附。

4)JZQ-F7的加入使得石英顆粒間發(fā)生了疏水團(tuán)聚作用，且隨著JZQ-F7濃度的增加，石英顆粒間的疏水團(tuán)聚作用越明顯。