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Interactions between fine and coarse hematite particles in aqueous suspension and their implications for flotation

粗-細(xì)赤鐵礦顆粒間的相互作用及其對浮選的影響

本文通過單礦物浮選試驗、光學(xué)顯微鏡觀察、EDLVO理論計算、和FBRM分析（聚焦光束反射測量技術(shù)）研究了油酸鈉體系下粗-細(xì)赤鐵礦顆粒間的相互作用及其對浮選的影響。浮選試驗結(jié)果表明，粗-細(xì)赤鐵礦的總浮選回收率并不隨著細(xì)粒赤鐵礦含量的增加而單調(diào)減少。當(dāng)粗粒和細(xì)粒赤鐵礦的質(zhì)量近似相等時浮選回收率最高，說明粗-細(xì)赤鐵礦顆粒間的相互作用有助于浮選回收率的提高。

光學(xué)顯微鏡觀察、EDLVO理論計算、和FBRM分析表明粗-細(xì)赤鐵礦顆粒間的團(tuán)聚趨勢和相互作用能要高于細(xì)-細(xì)赤鐵礦，其中當(dāng)粗-細(xì)赤鐵礦中粗粒或細(xì)粒的含量過高時，粗-細(xì)赤鐵礦顆粒間的團(tuán)聚行為會減弱，這也是出現(xiàn)上述浮選現(xiàn)象的主要原因。

本試驗中粗粒赤鐵礦（-106+45μm）和細(xì)粒赤鐵礦（<18μm）的粒度分布如圖1所示，單礦物浮選試驗在Siwek-top浮選管中進(jìn)行，主要的浮選設(shè)備和浮選步驟如圖2所示。

圖1粗粒和細(xì)粒赤鐵礦的粒度分布

圖2浮選設(shè)備示意圖

圖3粗-細(xì)赤鐵礦中細(xì)粒赤鐵礦的含量對浮選的影響 (pH 9.0; 油酸鈉用量, 15 mg/L).

細(xì)粒赤鐵礦的含量對粗-細(xì)赤鐵礦浮選的影響如圖3所示，從圖中可以看出，當(dāng)粗-細(xì)赤鐵礦中微細(xì)粒赤鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到0.1時，實(shí)際浮選回收率（εF）明顯降低，從95%下降至70%以下；礦漿調(diào)漿過程中的攪拌速度對降低程度也有影響，在高攪拌速度下（600 rpm/min），浮選回收率下降的更加明顯。進(jìn)一步增加粗-細(xì)赤鐵礦中細(xì)粒赤鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1-0.5），εF反而升高，當(dāng)細(xì)粒赤鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5時，εF達(dá)到80%以上，之后隨著細(xì)粒含量的增加而逐漸降低。由于Siwek-top浮選管的機(jī)械夾帶率很低，因此，本試驗中細(xì)粒赤鐵礦通過機(jī)械夾帶作用提高總浮選回收率可基本忽略，推測粗-細(xì)赤鐵礦顆粒間的團(tuán)聚是總浮選回收率提高的主要原因，而當(dāng)粗-細(xì)赤鐵礦中粗?；蚣?xì)粒含量過高時，粗-細(xì)顆粒間的團(tuán)聚較弱，粗粒的“載體”效果消失。

圖 4 赤鐵礦顆粒懸浮液的光學(xué)顯微鏡圖片. (a) 細(xì)粒赤鐵礦（pH 9.0; 油酸鈉濃度: 15 mg/L）; (b) 粗-細(xì)赤鐵礦（粗粒與細(xì)粒的質(zhì)量比為1:1, pH 9.0; 油酸鈉濃度: 15 mg/L）; (c) 細(xì)粒赤鐵礦（pH 9.0; 油酸鈉濃度: 30 mg/L）

光學(xué)顯微鏡的觀察結(jié)果如圖4所示，圖4 (a)為15 mg/L油酸鈉條件下的細(xì)粒赤鐵礦，可以看出只有少量的絮團(tuán)，大多數(shù)的細(xì)粒赤鐵礦呈分散狀態(tài)；將油酸鈉的濃度提高至30 mg/L（圖4 (c)），絮團(tuán)的數(shù)量明顯增加。圖4 (b)為15 mg/L油酸鈉條件下的粗-細(xì)赤鐵礦，大部分的細(xì)粒赤鐵礦形成了絮團(tuán)，因此可以認(rèn)為粗-細(xì)赤鐵礦顆粒能在較低的油酸鈉濃度（15 mg/L）下發(fā)生明顯的團(tuán)聚，而細(xì)粒赤鐵礦則需要更高的濃度（30 mg/L）。

不同粒度赤鐵礦顆粒間的相互作用能VTED如圖5所示，從圖中可以看出相互作用能為負(fù)值，當(dāng)顆粒間的距離小于5nm時，作用能的數(shù)值急劇增加，證明赤鐵礦顆粒間存在明顯的引力勢能；同時，計算結(jié)果表明粗-細(xì)粒赤鐵礦間的引力勢能VTED(C-F)大于細(xì)粒赤鐵礦間的引力勢能VTED(F-F)，說明在相同的條件下粗-細(xì)粒赤鐵礦顆粒間的團(tuán)聚更容易發(fā)生，這也與光學(xué)顯微鏡的觀察結(jié)果基本一致。

圖5不同粒度赤鐵礦顆粒間的相互作用能（粗粒和細(xì)粒赤鐵礦的直徑分別取10μm和70μm）

圖 6 礦漿中赤鐵礦顆粒（絮團(tuán)）的中值弦長（Median chord length）和細(xì)粒赤鐵礦的數(shù)量（Counts）隨時間變化的關(guān)系曲線（粗細(xì)赤鐵礦的質(zhì)量比為1:1; pH 9.0; 攪拌速度, 600 rpm） 

FBRM（Focused beam reflectance measurement）是一種實(shí)時在線的顆粒分析技術(shù)，采用該技術(shù)的Particle Track探頭可在全工藝濃度條件下實(shí)現(xiàn)顆粒分析，試驗過程中油酸鈉在180 s處加入礦漿中，試驗結(jié)果如圖6-7所示。

從圖6中可以看出，在油酸鈉加入之前，礦漿中細(xì)粒赤鐵礦的數(shù)量（Counts）和赤鐵礦顆粒（絮團(tuán)）的中值弦長（Median chord length）基本保持穩(wěn)定；在180 s處加入15 mg/L油酸鈉后細(xì)粒赤鐵礦的數(shù)量迅速減少，同時礦漿中赤鐵礦顆粒（絮團(tuán)）的中值弦長迅速增加，當(dāng)攪拌時間超過240s后兩者基本趨于穩(wěn)定。這表明油酸鈉體系下赤鐵礦顆粒可發(fā)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，且油酸鈉在赤鐵礦表面吸附后產(chǎn)生的疏水力是團(tuán)聚發(fā)生的主要作用力。

油酸鈉加入前（180s）和油酸鈉加入后（360s）的顆粒粒徑弦長分布（CLD）如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，粗粒赤鐵礦的CLD在油酸鈉加入前后沒有變化，說明在該條件下粗粒赤鐵礦不能發(fā)生團(tuán)聚。圖7(c)中粗-細(xì)赤鐵礦（C:F=1:1）的CLD在油酸鈉加入后發(fā)生了明顯變化，CLD的峰位置由20μm上升至30μm，說明礦漿中發(fā)生了明顯的團(tuán)聚；而圖7(b)（C:F=9:1）和圖7(d)（C:F=1:9）中CLD的變化則不明顯，說明礦漿中礦粒的粒徑并未明顯增大，團(tuán)聚較弱。

圖 7 礦漿中赤鐵礦顆粒（絮團(tuán)）的弦長分布圖(pH 9.0; 攪拌速度, 600 rpm). (a) 粗粒赤鐵礦; (b) 粗粒赤鐵礦:細(xì)粒赤鐵礦= 9:1; (c) 粗粒赤鐵礦:細(xì)粒赤鐵礦=1:1; (d) 粗粒赤鐵礦:細(xì)粒赤鐵礦=1:9.

浮選試驗結(jié)果表明，粗-細(xì)赤鐵礦的總浮選回收率并不隨著細(xì)粒赤鐵礦含量的增加而單調(diào)減少，其中當(dāng)粗粒和細(xì)粒赤鐵礦的質(zhì)量近似相等時浮選回收率最高。

EDLVO理論計算表明粗-細(xì)赤鐵礦顆粒間的相互作用能要高于細(xì)粒赤鐵礦間的；光學(xué)顯微鏡的觀察結(jié)果表明，與細(xì)粒赤鐵礦相比，粗-細(xì)赤鐵礦顆粒間的團(tuán)聚可在較低的油酸鈉濃度下實(shí)現(xiàn)，這與EDLVO計算結(jié)果基本一致。FBRM分析結(jié)果表明，當(dāng)粗-細(xì)赤鐵礦中粗粒和細(xì)粒的質(zhì)量近似相等時團(tuán)聚現(xiàn)象最強(qiáng)，而當(dāng)粗粒或細(xì)粒的含量過高時團(tuán)聚現(xiàn)象會減弱，這可能是過量的粗顆粒對粗-細(xì)赤鐵礦絮團(tuán)的“磨削、剪切”作用和不足量的粗顆粒導(dǎo)致“載體”作用減弱而引起的（見圖8）。

圖8 粗-細(xì)赤鐵礦中粗-細(xì)顆粒的質(zhì)量比對團(tuán)聚行為的影響