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复合捕收剂在铁矿石反浮选中的协同作用
2019-03-11
为提升齐大山铁矿浮选指标,研制出一种高效既含 N-H 又含 O-H 基团的新型捕收剂 DJW-II,用于齐 大山铁矿磁选混合精矿反浮选脱硅研究,并考察了JW系列辅助捕收剂对浮选效果的影响。结果显示:在浮选温度 21 ℃,pH 值为 9.0,捕收剂 DJW-II 粗选用量 125 g/t、精选用量 50 g/t,辅助捕收剂 JW-4 用量 0.6 g/t,抑制剂羧甲基淀 粉钠用量 250 g/t 的条件下,采用 1 粗 1 精的浮选流程得到产率 50.98%、精矿铁品位 68.08%、铁回收率 69.85%的精 矿。添加辅助捕收剂可以改善浮选过程所产生泡沫的体积、半衰期及泡沫黏度,进而提高浮选指...
Series No. 512 February 2019 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 512 期 2019 年第 2 期 复合捕收剂在铁矿石反浮选中的协同作用 1 2,3 2,3 1 1 2,3 2,3 韩跃新 徐小革 乘舟越洋 朱一民 陆占国 孙长胜 李艳军 ( 1. 鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿,辽宁 鞍山114043;2. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳110819; 3 . 难采选铁矿资源高效开发利用技术国家地方联合工程研究中心,辽宁 沈阳 110819) 摘 要 为提升齐大山铁矿浮选指标,研制出一种高效既含 N-H 又含 O-H 基团的新型捕收剂 DJW-II,用于齐 大山铁矿磁选混合精矿反浮选脱硅研究,并考察了 JW 系列辅助捕收剂对浮选效果的影响。结果显示:在浮选温度 21 ℃,pH 值为 9.0,捕收剂 DJW-II 粗选用量 125 g/t、精选用量 50 g/t,辅助捕收剂 JW-4 用量 0.6 g/t,抑制剂羧甲基淀 粉钠用量 250 g/t 的条件下,采用 1 粗 1 精的浮选流程得到产率 50.98%、精矿铁品位 68.08%、铁回收率 69.85%的精 矿。添加辅助捕收剂可以改善浮选过程所产生泡沫的体积、半衰期及泡沫黏度,进而提高浮选指标。构建了所采 2 + - 用辅助捕收剂 JW-4 的主要成分、水分子及 Ca 离子、Cl 离子的结构,通过 Materials Studio 软件构建泡沫膜结构的分 子模型,并采用 Forcite 模块,对构建的分子模型进行结构优化及动力学计算。结果表明,加入辅助捕收剂后,捕收 剂分子的活性基团与中间的水分子的吸附更为紧密,与气泡性能测试中加入辅助捕收剂后泡沫黏度变大的结果相 吻合。 关键词 铁矿石 反浮选 辅助捕收剂 半衰期 黏度 中图分类号 TD923 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-02-092-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201902017 Synergistic Effect of Compound Collector on the Flotation of Iron Ore 1 2,3 2,3 1 1 Xu Xiaoge Cheng Zhouyueyang Zhu Yimin Lu Zhanguo Sun Changsheng 2,3 2,32 Han Yuexin Li Yanjun (1. Qidashan Iron Mine,Ansteel Mining Group Co. Ltd.,Anshan 114043,China;2. School of Resource and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;3. National-Local Joint Engineering Research Center of Refractory Iron Ore Resources Efficient Utilization Technology,Shenyang 110819,China) Abstract In order to improve the flotation indexes of Qidashan iron ore,flotation collector DJW-II which is a new self- made reagent containing both N-H and O-H groups was made to use for research of flotation separation of mixed magnetic sepa⁃ ration concentrate,JW series surfactants are used as auxiliary collectors. The results show that under the conditions of the flo⁃ tation temperature 21 ℃,and pH 9.0,the dosage of collector DJW-II 125 g/t in roughing and 50 g/t in concentration,surfac⁃ tant JW-4 0.6 g/t,inhibitor carboxymethyl starch sodium 250 g/t,the flotation process of one roughing and one concentration is adopted to obtain flotation concentrate of 50.98% yield,68.08% grade and 69.85% recovery. The results showed that the flo⁃ tation concentrate was improved by improving the foam volume,half-life period and foam viscosity,in turn the flotation index 2 + - was improved. Finally,the structure of compound collectors,water molecules and relative ions Ca ,Cl ,through Materials Studio software builds a molecular model for the bubble membrane structure,and Forcite module was used to do geometry opti⁃ mization and dynamics. After adding auxiliary collector,collector molecular reactive group adsorption closer with the middle of the water molecules,and bubble performance test after adding auxiliary collector bubble viscosity change was consistent. Keywords Iron ore,Reverse flotation,Auxiliary collectors,Half-life period,Viscosity 我国铁矿石资源丰富,但随着开采的深入,易选铁 矿石资源越来越少,铁矿石浮选难度增大,难以获得较 好的浮选指标。因此,为提升浮选指标,相关科研工作 [ 1-5] 者针对铁矿石的浮选进行了大量研究工作 。由于 收稿日期 2018-11-15 基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51474055,51774069)。 作者简介 徐小革(1971—),男,工程师。通讯作者 朱一民(1964—),女,教授,博士研究生导师。 · 92 · 徐小革等:复合捕收剂在铁矿石反浮选中的协同作用 2019年第2期 齐大山铁矿浮选所采用的阴离子型捕收剂LKY存在 需要给矿浆加温等问题,选厂生产成本高。为此,东 北大学研制出一种高效含支链且含氮含氧的新型捕 收剂 DJW-II,用于齐大山铁矿磁选混合精矿反浮选 [ 6] 脱硅研究,并探究了各因素对浮选指标的影响 。为 进一步提升浮选指标,本文还在浮选过程加入不同 种类的辅助捕收剂,并考察了不同辅助捕收剂对捕 收剂DJW-II的协同捕收作用。 g/t,羧甲基淀粉钠用量为 250 g/t,浮选温度为室温 ( 21 ℃),pH值为9.0的条件下,考察在捕收剂DJW-II 中加入不同种类辅助捕收剂(用量均为 6 g/t)对粗精 矿指标的影响,试验结果如表4所示。 1 试验材料与试验方法 1 . 1 试验材料 浮选试验对象为齐大山选矿厂磁选混合精矿, 其主要化学成分分析及铁物相分析结果分别如表 1、 表2所示。 由表4可知,以JW-4为辅助捕收剂,在精矿产率 达 到 53.98% 的 情 况 下 ,仍 然 能 够 获 得 铁 品 位 为 64.69%、回收率为69.89%的指标,选别指标远高于其 余几种情况,说明相比其余 3 种辅助捕收剂,使用 JW-4能够与DJW-II获得最佳的协同捕收作用。而相 比不加入辅助捕收剂,加入 JW-1、JW-2 及 JW-3 虽然 在选别指标上并没有太大的提升,但据试验观察,气 泡的消泡时间大大缩短,气泡黏、消泡时间慢的问题 得到了较好改善。因此,加入 JW-1、JW-2 及 JW-3 能 够改善浮选的泡沫性能,而加入 JW-4 既能改善浮选 的泡沫性能又能获得最佳的协同作用效果,因此选 用JW-4作为辅助捕收剂。 通过表1可以看出,试样主要组成矿物为含铁矿 物及二氧化硅,铝、镁、钙等杂质含量较少,因此尽可 能脱除矿样中的硅为选矿主要目的,说明采用反浮 选是合理的。 通过表2可以看出,试样铁元素主要存在于磁性 铁及赤(褐)铁矿中,因此可以通过添加抑制剂有效 抑制铁矿物。 2 . 2 辅助捕收剂用量条件试验 在粗选捕收剂 DJW-II 用量为 125 g/t,精选捕收 本研究所采用捕收剂为实验室自制既含 N—H 又含 O—H 基团的新型药剂 DJW-II,辅助捕收剂 JW- 剂DJW-II用量为50 g/t,羧甲基淀粉钠用量为250 g/t, 浮选温度为室温(21 ℃),pH 值为 9.0 的条件下,采 用图 1 所示 1 粗 1 精流程考察了辅助捕收剂 JW-4 粗 选不同用量对协同作用效果的影响,JW-4 精选用量 固定为粗选用量的 40%,试验结果如表 5 所示。 根据表 5 可知,随着辅助捕收剂用量的增加,精 矿铁回收率先提高后降低,铁品位逐渐升高,但JW-4 粗选用量大于 0.6 g/t 后,铁品位随 JW-4 粗选用量增 加提高幅度很小。综合考虑,选择辅助捕收剂 JW-4 粗选用量为0.6 g/t,此时,能得到产率为50.98%,铁品 位为68.08%,铁回收率为69.85%的精矿。 1、JW-2、JW-3、JW-4所属药剂种类见表3。 1 . 2 试验方法 在浮选温度为室温(21 ℃)下,将300 g矿样倒入 750 mL的浮选槽(搅拌速度为1 989 r/min),依次加入 抑制剂(羧甲基淀粉钠)、捕收剂进行试验。浮选结 束后,对获得的产品进行烘干、称重、制样、化验,计 算浮选精矿和尾矿的铁品位及铁回收率。 2 试验结果及讨论 . 1 辅助捕收剂种类对比试验 2 采用1次粗选流程,在捕收剂DJW-II用量为125 · 93 · 总第512期 金 属 矿 山 2019年第2期 改善,体系中的泡沫能得到更好的控制,可以使随气 泡上浮的颗粒进入尾矿,从而保证有效分选。同时, 随着辅助捕收剂用量的增加,捕收剂溶液的黏度变 大导致泡沫变脆,因此泡沫半衰期也逐渐变小,同样 可以改善跑槽现象。 3 . 2 分子动力学模拟分析 对泡沫性能的测试只解释了有辅助捕收剂和无 辅助捕收剂在浮选指标上的差别,加入不同用量辅 助捕收剂对捕收剂协同作用效果的具体差异,还需 要通过分子动力学模拟进一步分析。 3 . 2. 1 模拟参数设置 构建本文中所使用辅助捕收剂 JW-4 的主要成 2 + - 分、水分子及Ca 离子、Cl 离子的结构,通过Materials Studio 软件构建泡沫膜结构的分子模型,并采用 Forcite模块,对构建的分子模型进行结构优化及动力 学计算。本文通过调节加入辅助捕收剂的分子个数 构建了 3 种模拟体系,分别代表不加入辅助捕收剂、 加入少量辅助捕收剂及加入大量辅助捕收剂。参照 文献[10]中的模拟方法,对泡沫薄膜搭建三明治模 型(外部 2 层为辅助捕收剂分子,内层为水分子),使 用 COMPASS II 力场引入所有水分子中原子的电荷, 首先将 25 个辅助捕收剂分子构建在一个板块模型 3 协同作用机理分析 据观测得知,浮选时加入JW-4后,可以改善气泡 的泡沫性能,因此本文从加入 JW-4 前后产生气泡泡 沫性能的变化入手,对JW-4与DJW-II的协同作用进 行分析。 2 3 . 1 复合捕收剂对泡沫性能的影响 中,再为每个分子分配 0.75 nm 的吸附面积,辅助捕 3 收剂分子及水分子使用 DMol 优化后的电荷作为采 衡量泡沫性能的指标主要有泡沫体积、半衰期 及泡沫黏度等,形成丰富且稳定性适宜的泡沫是浮 用 Forcite 模块优化时的初始电荷,水分子层的厚度 为 2.5 nm,采用 Amorphous Cell 模块构造水分子的板 块模型,最后将 3 种板块模型采用合理的方式重叠, 获得模拟构型。 [6-9] 选的基本要素 。本文拟选择不加入辅助捕收剂、 加入0.6 g/t及加入6.0 g/t的JW-4这3种体系,分别针 对3种体系进行起泡管泡沫体积、半衰期及泡沫黏度 的测量。泡沫体积及半衰期的测量在圆柱形带有刻 度尺的起泡管中进行,采用1台连接着气体流量计的 泵以 300 mL/min 的流量对起泡管进行充气,秒表计 时30 s后对起泡管中泡沫体积进行读数,并记录泡沫 体积衰减为初始体积的50%时所需消耗的时间,即为 泡沫半衰期。采用型号为 SNB-1 的旋转黏度计测量 泡沫黏度。结果如表6所示。 由于气泡薄膜的厚度呈现出随着体系中离子浓 [ 11] 度增加而变薄的变化规律 。在实际情形下,气泡 [12] 薄膜的结合水厚度达到 100 nm 以上 ,因此无法对 真实情形的厚度进行优化,所以采用等效的思路,在 2+ 模拟体系当中加入一定量的 Ca 离子以降低膜的厚 - 度,这样的体系在实际情况当中仍然是稳定的,而Cl 离子的作用是为了使体系电荷平衡。其他模拟参数 如表7所示。 模拟过程中,采用NVT系综,步长为0.001 ps,控 [ 13,14] 温函数采用 Hoover-Nose thermostat ,弛豫时间为 0.2 ps,模拟温度设定为 323 K,同时采用 Ewald sum- mation method,在弛豫之后,先针对弛豫后的构型进 行第一阶段的动力学模拟(时长为 2 ns)获得平衡构 型,再针对第一阶段之后的平衡构型进行第二阶段 的动力学模拟(时长为1 ns),使构型进一步稳定并用 于相关性质的分析。 由表 6 可知,随着辅助捕收剂用量的增加,泡沫 体积逐渐减小,减小趋势逐渐降低。随着泡沫体积 的减小,实际矿石浮选过程中的跑槽现象可以得到 · 94 · 徐小革等:复合捕收剂在铁矿石反浮选中的协同作用 2019年第2期 3 . 2. 2 模拟结果 优化后获得的 3 种模拟体系的最终构型如图 2 所示。 通过对图 2 中 3 种最终构型分别进行分析,最 4 结 论 (1)通过辅助捕收剂种类对比试验及辅助捕收 终获得 3 种模拟体系最终构型中药剂分子中的 N 原 子及水分子中的 O 原子在 z 轴下的相对浓度(图 剂用量试验,确定以JW-4为辅助捕收剂,在粗选捕收 剂 DJW-II 用量为 125 g/t,精选捕收剂 DJW-II 用量为 50 g/t,羧甲基淀粉钠粗选用量为 250 g/t,浮选温度为 室温(21 ℃),pH值为9.0,粗选JW-4用量为0.6 g/t,精 选用量为粗选用量的40%条件下,采用1粗1精流程, 得到产率 50.98%、铁品位 68.08%、铁回收率 69.85% 的精矿。 3 )。N 原子和 O 原子的分布代表了捕收剂活性基团 及水分子在 z 轴不同高度下的分布。比较图中 O 原 子的分布曲线,发现均分布在 1.5~5 nm 的范围之 内,说明 3 种情形下水分子在 z 轴上的浓度分布差 异不大,而图 3(b)和图 3(c)中,N 原子的分布更加 贴近横坐标的中间范围,说明捕收剂分子的活性基 团与中间的水分子的吸附更为紧密,这与气泡性能 测试中黏度变大的结果相吻合。然而,图 3(c)与图 (2)通过对泡沫体积、半衰期及泡沫黏度的检 测表明,随着辅助捕收剂用量的不断增加,捕收剂溶 液的黏度变大,导致泡沫变脆,因此泡沫半衰期也变 小,改善了跑槽现象。同时,通过分子动力学模拟说 明,在加入辅助捕收剂的体系,捕收剂分子的活性基 团与中间的水分子的吸附更为紧密,这与气泡性能 测试中泡沫黏度变大的结果相吻合。 3 (b)相比,由于体系内掺杂了大量的辅助捕收剂分 子,辅助捕收剂含量的增加导致捕收剂含量的减 少,因此相同分子数的体系下捕收剂分子的数目减 少,而辅助捕收剂分子并没有氨基,所以捕收剂分 子的数目直接决定了体系内氨基的数目,这导致体 系内氨基的总量减少,因此虽然单个氨基与水分子 间吸附增强,但总的作用力逐渐减小。因此,解释 了随着辅助捕收剂用量的不断增加,体系的浮选指 标呈现出先变好后变差的现象。 参 考 文 献 [1] 乘舟越洋,朱一民,骆斌斌,等. 捕收剂 DCZ-2 在石英表面的吸 附行为及作用机理[J]. 金属矿山,2016(12):113-117. · 95 · 总第512期 金 属 矿 山 2019年第2期 Cheng Zhouyueyang,Zhu Yimin,Luo Binbin,et al. 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