礦物浮選礦漿相流變學研究進展

鄒玉超 王 磊 李國勝3

（1.中國礦業(yè)大學國家煤加工與潔凈化工程技術研究中心，江蘇徐州221116；2.中國礦業(yè)大學化工學院，江蘇徐州221116；3.鄭州大學材料科學與工程學院，河南鄭州450001）

流變學是研究物體在外力作用下變形和流動的學科，研究對象包括流體、軟固體或在某些條件下可流動的固體［1］。在選礦作業(yè)中，礦漿流變行為的改變往往會對礦物加工過程產(chǎn)生較大的影響，所以礦漿流變學研究備受科研工作者的重視。以往礦漿流變學的研究相對集中在礦漿輸送、磨礦、脫水等方面［2-4］。近年來，全球面臨富礦儲量嚴重減少，大量貧雜難選礦被加以分選利用，因其復雜的礦物流變特性，浮選系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生指標惡化。因此，厘清浮選系統(tǒng)中礦物流變行為及影響已成為當前研究熱點［5-7］。浮選系統(tǒng)的礦物流變行為一般涉及礦漿相和泡沫相，由于氣-液-固三相泡沫流變學測量技術尚未成熟，所以針對泡沫相流變行為的研究受到制約，當前研究主要集中在礦漿相。

流體的流變行為一般可用流變圖表示，圖1為5種典型流體的流變圖［4，8-9］。在礦物浮選過程中，以高品位礦為主體的礦漿一般屬于牛頓流體，以貧雜難選礦為主體的礦漿則為非牛頓流體，表現(xiàn)為假塑性或賓漢塑性。在研究浮選礦漿流變性質(zhì)時一般涉及到兩個重要的流變參數(shù)，即屈服應力和表觀黏度，前者表示物體在外力作用下開始發(fā)生形變時所受力的大小，后者為阻止物體變形的能力［9］。

針對貧雜難選礦的浮選特性，本文對現(xiàn)有文獻中影響礦漿相流變性質(zhì)的主要因素、礦漿相流變學測量技術、礦漿相流變性對浮選指標的影響、礦漿相黏度控制方法等研究進行了總結和討論，旨在揭示國內(nèi)外貧雜難選礦的浮選礦漿流變學研究進展及發(fā)展方向，為解決因礦漿流變行為而導致的貧雜難選礦浮選惡化問題提供參考。

1 礦漿相流變性影響因素

1.1 礦漿濃度

礦漿濃度是影響礦漿流變性質(zhì)的重要因素［10-12］，該影響通常源于礦粒之間摩擦導致的體系能量耗散。一般而言，礦漿濃度與礦漿相表觀黏度呈正相關關系［13］，礦漿濃度增加，礦漿表觀黏度增大。圖2顯示了Becker等在研究UG2（南非布什維爾德的一個礦脈）和Great Dyke（津巴布韋的一個礦脈）鉑金礦石浮選時觀察到的礦漿濃度對礦漿表觀黏度的影響［14］?？梢钥闯?，當UG2和Great Dyke（GD）兩種礦石礦漿體積濃度超過25%后，礦漿表觀黏度隨礦漿濃度的提高而顯著增大。

實際上，礦物進行浮選分離時入浮濃度一般會控制在低水平，質(zhì)量濃度約5%～40%（體積濃度11%～20%），只有極少礦物浮選時質(zhì)量濃度會超過50%（體積濃度約27%）［15］。研究表明，在常見的浮選濃度范圍內(nèi)，由高品位礦組成的礦漿一般呈牛頓流體或近似牛頓流體形態(tài)，黏度較低，其流變性質(zhì)不會影響浮選；但以貧雜難選礦為主體的礦漿流變性質(zhì)較為復雜，呈非牛頓流體形態(tài)，礦漿黏度較高，通常會惡化浮選指標［7，16-18］。

1.2 礦粒特性

1.2.1 粒度與形狀

礦粒粒度對礦漿流變性質(zhì)有顯著的影響，礦漿的表觀黏度一般隨礦粒粒度的減小而增大。圖3顯示了FARROKHPAY等在研究富含黏土礦物的金礦時發(fā)現(xiàn)的礦漿表觀黏度與礦粒粒度之間的關系［19］。當?shù)V漿質(zhì)量濃度超過25%時，礦漿表觀黏度變化顯著，且其表觀黏度隨礦粒粒度的減小而增大。由此可見，礦物顆粒粒度對礦漿表觀黏度的影響還受到礦漿濃度的制約。大量文獻表明，減小礦粒粒度尺寸會導致更為復雜的礦漿流變性質(zhì)，如剪切增稠或形成網(wǎng)絡結構，不可避免地造成礦物分離困難［20-21］。

礦漿流變性質(zhì)還受到礦粒形狀的影響。Mueller等發(fā)現(xiàn)，在相同的礦漿濃度下，不規(guī)則形狀顆粒之間的摩擦能量耗散要大于球形礦物顆粒［11］。例如，在礦物重介質(zhì)分離中發(fā)現(xiàn)，當漿料密度和粒度條件相同時，硅鐵球形顆粒懸浮液的黏度要低于不規(guī)則形狀的磁鐵礦顆粒懸浮液［22］。

1.2.2 礦物類型

不同類型的礦物，如礦物表面帶電性或表面形態(tài)差異等，決定了其浮選礦漿的流變行為有所不同［23-25］。NDLOVU等在研究由不同黏土礦物組成的懸浮液的黏度時發(fā)現(xiàn)，不同黏土礦物配制的礦漿賓漢黏度呈現(xiàn)出較大差異，相比非層狀硅酸鹽礦礦漿（如石英），在相同條件下膨脹性黏土和蛇紋石等層狀硅酸鹽礦礦漿通常更黏稠［6］（圖4）。

1.3 礦粒間相互作用

貧雜難選礦為主體的礦漿中通常含有大量脈石礦物，這些顆粒不僅粒度分布寬，表面性質(zhì)差異性也大。文獻表明，礦物顆粒間的相互作用，如靜電作用、范德華引力作用等是支配浮選礦漿流變行為的重要因素［26］。

礦粒間的相互作用易受礦漿相剪切速率和化學環(huán)境的影響［9］。對于非牛頓流體礦漿，剪切速率對其流變性質(zhì)影響較大。實驗研究中通常把剪切速率100 s-1或160 s-1設為浮選礦漿相的平均剪切速率，并在此基礎上獲取相應的表觀黏度數(shù)據(jù)［25，27］。但在實際浮選中，浮選槽中礦漿距離轉(zhuǎn)動葉輪的位置不同，受到的剪切力也不同，因此礦粒間的相互作用會不同，礦漿黏度也會呈現(xiàn)出顯著的差異性［28］。

礦漿化學環(huán)境對礦漿流變性質(zhì)的影響較為復雜，因為基于不同入浮礦物，需選用不同的浮選藥劑和介質(zhì)因素（如離子、pH等）進行分選。FARROKHPAY和ZANIN在考察鋅礦浮選泡沫穩(wěn)定性時發(fā)現(xiàn)，礦漿黏度隨 Al3+、Ca2+和 Na+離子濃度增加而增大［29］，如圖5所示。該變化歸因于離子改變了礦粒間的相互作用，從而影響了礦漿黏度。Cruz等研究了浮選藥劑對高嶺石和膨潤土礦漿流變行為的影響，結果表明pH調(diào)整劑（NaOH、石灰、Na2CO3）、捕收劑（戊基黃原酸鈉）、起泡劑（Interfroth 6500）均可通過改變礦粒間的相互作用使得高嶺石和膨潤土礦漿的流變行為發(fā)生變化［27］。

2 礦漿流變學測量

浮選礦漿相是由氣體、水和礦物顆粒組成的三相體系。有研究表明，當氣-液-固三相體系中氣含率低于73%（關鍵值）時，氣泡會呈分散狀態(tài)，三相體系流動過程中的能量耗散則與氣泡的變形或氣泡間的摩擦無關［9，13，30］。研究發(fā)現(xiàn)，實驗室和工業(yè)浮選系統(tǒng)礦漿相氣含率遠低于關鍵值，分別約為2.5%～15%和6%～21%［13］。所以在進行浮選礦漿相流變學測量時，通常使用由水和礦粒組成的兩相體系。目前，已有多種儀器應用于礦漿流變性質(zhì)測定，如毛細管黏度計、振動球黏度計和旋轉(zhuǎn)流變儀等［31-32］。旋轉(zhuǎn)流變儀由于可以在特定的剪切速率下完成流變性質(zhì)測量和數(shù)據(jù)分析，因此較其它儀器更具優(yōu)勢［17，33］。

以高品位礦為主體的礦漿黏度通常較低，進行黏度測量時，因礦物顆粒沉降等因素的干擾，一般難以獲得可靠、準確的數(shù)據(jù)。值得指出的是，此類礦漿在常規(guī)浮選條件下通常不會因流變問題而影響浮選。相比而言，以貧雜難選礦為主體的礦漿中含有較多細粒黏土礦物，具有黏度高等特點，且會嚴重惡化浮選指標，所以對此類礦漿進行流變性質(zhì)測定與分析顯得尤為重要。文獻表明，對于貧、細、雜難選的高黏度礦漿，使用同軸圓筒型（bob-cup）流變儀可以有效測量其流變行為。CRUZ等給出了此類礦漿流變學測量的具體步驟，即以1 000 s-1的速率高速剪切圓筒內(nèi)礦漿15 s使礦粒均勻分散，然后靜置礦漿3 s后開始進行測量，時間持續(xù)35 s［33］。對于在低剪切速率下存在屈服應力的礦漿，TADROS、BOGER等建議使用含高敏氣驅(qū)葉片測頭的流變儀進行相關測量［20，26］。此外，CRUZ和PENG還建議采用動態(tài)振蕩流變學測量方法補充分析礦漿內(nèi)顆粒間的相互作用，深入了解貧雜難選礦的礦漿流變特性［9］。

3 礦漿黏度與浮選指標

3.1 目的礦物回收率

礦漿黏度主要是通過影響氣泡-顆粒間的碰撞、黏附以及兩者形成的氣泡-顆粒團聚體的上浮來影響目的礦物的回收。一般來說，高礦漿黏度對應低目的礦物回收率。Patra等在進行銅礦浮選試驗中發(fā)現(xiàn)，加入纖維蛇紋石后礦漿黏度明顯升高，在此條件下礦漿內(nèi)氣體分散和氣泡運動受到限制，目的礦物顆粒無法與氣泡有效碰撞、附著形成團聚體上浮，從而導致銅回收率顯著下降［34］。

ZHANG和PENG在銅-金礦浮選中分別加入膨潤土（膨脹性黏土）和高嶺石（Q38品牌和Snobrite品牌，屬非膨脹性黏土）后也觀察到礦漿表觀黏度與目的礦物回收率之間存在強關聯(lián)性（圖6）［24］。不同類型黏土礦物組成的礦漿具有不同的流變性質(zhì)，當增加黏土礦物濃度時，添加膨潤土的銅-金礦表觀黏度的變化比添加高嶺石的銅-金礦更顯著，對銅、金回收率的影響更大。ZHANG和PENG對此現(xiàn)象給出了與Patra相似的解釋：礦漿中存在的黏土礦物可使礦漿黏度增大，礦漿流動性變差，從而導致氣泡-顆粒碰撞概率降低，目的礦物回收率降低。

ZHANG和PENG在研究中還觀察到，并非所有目的礦物浮選回收率都隨著礦漿黏度的增加而降低。從圖6（b）可以看出，當膨潤土質(zhì)量濃度增至5%和Q38高嶺石質(zhì)量濃度增至15%時，礦漿黏度微量增加，金回收率也有所提高［24］。實際上，礦粒與氣泡黏附后，高脫附概率有時是導致某些大比重、粗粒礦物浮選回收率低的原因。礦漿相湍流場有利于氣泡與礦粒的碰撞和附著，但同時也會導致慣性較大的顆粒與氣泡分離，從而降低浮選產(chǎn)率。由此可見，只有適當?shù)牡V漿黏度才有利于氣泡-顆粒團聚體穩(wěn)定，達到提高目的礦物回收率的目的。

3.2 精礦品位

浮選過程中影響精礦品位的主要因素包括泡沫夾帶、礦泥罩蓋等［35-36］。泡沫夾帶是浮選系統(tǒng)普遍存在的一種脈石進入精礦的方式，這一過程通常是非選擇性的。當脈石礦物顆粒粒度小于50 μm時，由于礦粒質(zhì)量很小，可均勻地分散在浮選礦漿中，更易隨水進入泡沫相從而最終進入到精礦中［37］。WANG等認為礦漿黏度會直接影響礦漿相中脈石顆粒的懸浮狀態(tài)和在泡沫相脈石顆粒相對于水的沉降狀態(tài)，所以礦漿黏度對泡沫夾帶有顯著影響［38］。CHEN等使用純黃銅礦、石英和非晶態(tài)二氧化硅研究礦漿黏度對銅礦浮選的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著礦漿中非晶態(tài)二氧化硅含量增加，礦漿黏度會先小幅增加而后顯著增加。當?shù)V漿黏度小幅增加時，銅回收率略有降低，但精礦總質(zhì)量回收率明顯增加，這表明增大礦漿黏度顯著提高了脈石夾帶回收率，降低了精礦品位（見圖7）［25］。隨著礦漿黏度進一步增大，銅回收率和總質(zhì)量回收率都受到了抑制。

礦泥罩蓋是指脈石礦物顆粒因相互作用力黏附到目的礦物表面，一方面降低了目的礦物疏水性導致目的礦物回收率下降，另一方面脈石礦物隨目的礦物進入到浮選精礦中造成精礦品位降低。貧雜難選礦組成的礦漿通常含有大量細粒黏土礦物，礦漿體系黏度偏高，盡管關于礦漿黏度如何影響礦泥罩蓋的研究較少，但現(xiàn)有文獻表明礦漿黏度與礦泥罩蓋存在關聯(lián)性。圖8為CHEN等使用不同粒度石榴石改善白鎢礦浮選時的精礦品位與回收率［21］。當加入的石榴石粒度大于38 μm時，石榴石會在調(diào)漿過程中與黏土礦物團聚體發(fā)生劇烈碰撞，導致黏土礦物團聚體形成的網(wǎng)狀結構得到破壞，降低了礦漿黏度及黏土礦物在目的礦物顆粒表面的罩蓋，從而提高了精礦品位和回收率。

綜上所述，雖然在不同的浮選體系中，礦漿流變性質(zhì)對浮選指標的影響有所差別，尚未得出廣泛認可的規(guī)律性結論，但上文表明浮選指標與礦漿的流變性質(zhì)密切相關。因此，還需展開進一步工作，研究探明礦漿流變性質(zhì)對浮選指標的影響規(guī)律，揭示礦漿流變性質(zhì)影響精礦回收率、品位的作用機制，明晰浮選指標與礦漿流變性質(zhì)的關聯(lián)性。

4 礦漿黏度調(diào)控方法

4.1 稀漿浮選

礦漿濃度是影響礦漿流變性質(zhì)的重要因素，礦漿濃度增加，礦漿表觀黏度越高，礦物分選效果越差。研究發(fā)現(xiàn)，降低浮選礦漿濃度能降低浮選礦漿黏度、提高浮選指標，因此對含泥較多的低品位礦石一般可選擇降低入浮礦漿濃度。例如，夏亮在分選安徽某含泥難選銅鉬礦時發(fā)現(xiàn)，該礦石含有大量易泥化的蛇紋石和少量滑石，導致礦漿黏度過高，嚴重影響銅鉬礦的回收。隨著礦漿濃度的降低，礦漿黏度降低，銅、鉬的粗精礦品位和回收率均有較大幅度的提高［39］。

4.2 分級浮選

采用分級浮選工藝也有助于降低礦漿黏度、改善貧雜難選礦的浮選指標。例如，趙鳳婷對云南某硅質(zhì)及硅酸鹽型膠磷礦進行了分級浮選工藝研究［40］，礦物學分析表明該磷礦+38 μm粒級僅含有少量細粒級脈石，采用分級浮選工藝避免了該粒級礦物受到大量細粒黏土類礦物的污染，降低了由礦漿黏度過高造成的負面影響。程飛飛對高黏土石墨礦進行了分選研究，石墨原礦經(jīng)礦物學分析后進行預先分級，+20 μm粒級中黏土礦物含量減少，礦物粒度較粗，浮選礦漿的黏度較低，浮選指標得到有效改善［41］。

4.3 脫泥浮選

針對含泥量較高的貧雜難選礦也可采用脫泥浮選的處理工藝。在脫泥浮選中，盡管存在部分有用礦物損失，但由于大量的細粒黏土類脈石礦物被預先脫除，所以后續(xù)浮選作業(yè)中礦漿黏度相應改變，同時減弱了細泥罩蓋、夾帶等不利影響，使得浮選得到明顯改善。例如，王琛研究了高泥氧化鋅脫泥/不脫泥浮選對礦漿流變性能的影響［42］。結果表明，在脫泥處理條件下，礦漿流變性質(zhì)得以改變，有效提高了礦漿分散度，最佳浮選濃度、精礦品位與回收率等浮選指標均大幅提升。

4.4 其它方式

從減弱礦漿黏度方面來改善礦物浮選的方式還可以通過使用調(diào)整劑（分散劑）或鹽離子。目前，國內(nèi)外學者對多種化學物質(zhì)作為調(diào)整劑進行了探究。SEAMAN和WEI發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素磺酸基聚合物等生物聚合物可有效分散黏土礦物，降低浮選黏度，提高浮選指標［43］。在某一工業(yè)分散劑性能研究中發(fā)現(xiàn)，Cyquest 40E（改性聚合物）可有效降低礦漿黏度，提高金回收率約10個百分點，然而使用BorreFlo D-919（木質(zhì)素磺酸基聚合物）時，雖然礦漿黏度可以降低，但金回收率與精礦品位發(fā)生惡化［19］。文獻表明，使用調(diào)整劑可降低浮選礦漿黏度改善浮選指標，但不同調(diào)整劑作用效果不同，依然存在一些規(guī)律性問題亟待發(fā)現(xiàn)。

研究表明鹽離子也可調(diào)節(jié)礦漿黏度來提高浮選性能。例如，ZHANG等發(fā)現(xiàn)含有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl?、SO42?的海水可以降低膨潤土在浮選礦漿中的溶脹能力，使得膨潤土在礦漿中的網(wǎng)絡結構發(fā)生變化，從而導致礦漿黏度降低，銅和金的回收率相應提高［44］。WANG等在研究不同陽離子存在條件下銅浮選行為時發(fā)現(xiàn)，Na+、K+、Mg2+和Ca2+可以有效降低礦漿黏度從而提高了銅浮選回收率［45］。

5 結論

浮選礦漿流變學性質(zhì)對貧雜難選礦產(chǎn)資源的高效分選影響重大。近年來，研究學者在浮選礦漿相流變性的影響因素、礦漿相流變學測量技術、礦漿相流變性對浮選的影響規(guī)律與作用機理、礦漿相黏度調(diào)控方法等方面進行了諸多研究，研究成果對工業(yè)分選貧雜難選礦有重要借鑒意義。目前，針對礦物浮選礦漿相流變學的研究仍存在局限性，建議深入開展以下方面的研究：

（1）發(fā)展與流體類型和剪切作用相適配的礦漿相流變學精確測量技術；

（2）劃分貧雜難選礦脈石礦物組別，按類別進行礦漿流變行為及其浮選研究；

（3）建立浮選礦漿相和泡沫相流變行為之間的聯(lián)系，構建礦漿黏度與浮選指標的定量關系；

（4）探求浮選礦漿黏度調(diào)控的新工藝、新技術。