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新型阳离子捕收剂对石英的捕收性能及作用机理
2015-05-18
用东北大学研制的新型高效阳离子捕收剂DBA-1 对石英纯矿物进行了药剂用量、浮选温 度、合适酸碱 度试验,并借助Zeta 电位测定、红外光谱分析和接触角测定对DBA-1 浮选石英的机理进行了分析, 以检验DBA-1 对 石英的捕收性能及效果。结果表明:①0. 074 ~0. 038 mm 粒级石英纯矿物在pH=8. 5、矿浆温 度为18 ℃、药剂用量为 75 mg/ L 的情况下可获得97. 3%的回收率。②在无DBA-1 的矿浆中,石英零电点的pH=2. 26,而 与DBA-1 作用后的 零电点偏移至10. 10,说明DBA-1 可以以阳离子形式在石英表面发生...
Series No. 467ꢀ Mayꢀ 2015 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 467期 METAL MINE 2015 年第 5 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 新型阳离子捕收剂对石英的捕收性能及作用机理 1 1 1 2 朱一民 ꢀ 陈佳丽 ꢀ 贾静文 ꢀ 刘双安 ( 1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819,2. 鞍钢集团矿业设计研究院,辽宁 鞍山 114021) 摘ꢀ 要ꢀ 用东北大学研制的新型高效阳离子捕收剂 DBAꢁ1 对石英纯矿物进行了药剂用量、浮选温度、合适酸碱 度试验,并借助 Zeta 电位测定、红外光谱分析和接触角测定对 DBAꢁ1 浮选石英的机理进行了分析,以检验 DBAꢁ1 对 石英的捕收性能及效果。 结果表明:①0. 074 ~ 0. 038 mm 粒级石英纯矿物在 pH = 8. 5、矿浆温度为 18 ℃ 、药剂用量为 7 5 mg/ L 的情况下可获得 97. 3% 的回收率。 ②在无 DBAꢁ1 的矿浆中,石英零电点的 pH=2. 26,而与 DBAꢁ1 作用后的 零电点偏移至 10. 10,说明 DBAꢁ1 可以以阳离子形式在石英表面发生静电吸附;DBAꢁ1 与石英作用前后的红外光谱 分析表明,二者间存在氢键吸附。 ③DBAꢁ1 的添加可大幅度提高石英表面的接触角,增强其表面的疏水性和可浮性, 接触角在 12. 6° ~ 27. 0°范围内的小幅增大都会引起回收率的大幅度提高。 关键词ꢀ 阳离子捕收剂 DBAꢁ1ꢀ 石英ꢀ 浮选ꢀ 作用机理 + ꢀ 中图分类号ꢀ TD923 . 13ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2015)-05-081-04 ꢀ Collecting Performance and Mechanism of a New Cation Collector to Quartz 1 1 1 2 Zhu Yimin ꢀ Chen Jiali ꢀ Jia Jingwen ꢀ Liu Shuang'an ( 1. College of Resource and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2. Angang Group Mining Engineering Corporation,Anshan 114021,China) Abstractꢀ The flotation behavior,including the dosage of collector,the temperature and pH of pulp,on quartz using DBA- 1 as a new collector developed by Northeastern University was investigated. Zeta potentials,infrared spectrum analysis and con- tact angle measurement were used to detect the interaction mechanism of the of the quartz surface with DBA-1,to check out the collecting performance of DBA-1 on quartz. The results show that:①Recovery of 97. 3% on quartz flotation is obtained at the optimum conditions of particle size from 0. 038 to 0. 074 mm,pulp pH 8. 5,slurry temperature 18 ℃ ,and the dosage of collec- tor 75 mg/ L. ②After adding DBA-1 to the slurry,point of zero charge on quartz surface increased from 2. 26 to 10. 10. It is in- dicated that adsorption of DBA-1 occurred on the quartz surface. The adsorption mainly includes electrostatic adsorption and hydrogen bonding adsorption. ③The quartz surface contact angle was increased obviously after adding DBA-1,which enhanced its hydrophobicity and floatability,and the recovery rate will be improved significantly when the contact angle slightly raise from 12. 6° ~ 27. 0°. Keywordsꢀ Cationic collector DBA-1,Quartz,Flotation,Mechanism ꢀ ꢀ 铁矿石反浮选常用捕收剂在选别时不耐低温,其 对象进行了浮选试验,并对浮选机理进行了研究。 中阴离子捕收剂大都还需要高价金属阳离子活化,且 尾矿铁品位较高,而阳离子反浮选有着药剂制度简 单、用量小、对水质变化不敏感等优势。 因此,开展石 1ꢀ 石英纯矿物 将采自鞍钢齐大山铁矿的石英矿石破碎后筛取 ꢁ1 mm 粒级,磁选脱铁后取 200 g 用 XPMꢁϕ120 ×3 [ 1-7] 英的阳离子反浮选捕收剂研究具有重要意义 。 型三头玛瑙制样机细磨 6 min,筛取 0. 074 ~ 0. 038 mm 和 0. 038 ~ 0 mm 粒级,分别用质量分数为 10% 的 盐酸进行清洗、除铁,再用自来水和蒸馏水反复清洗 至中性,在 80 ℃下烘干,将石英纯矿物保存在广口瓶 DBAꢁ1 是东北大学相关课题组为克服常规捕收 剂的上述弱点而自主合成的一种新型高效阳离子捕 收剂,为检验其对石英的捕收效果,以石英纯矿物为 收稿日期ꢀ 2015-03-20 基金项目ꢀ 国家自然科学基金项目(编号:51274056、51474055),“十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2012BAB14B05),国土资源部基金项目 编号:12120113086600)。 作者简介ꢀ 朱一民(1964—),女,教授,博士。 ( · 81· 总第 467 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 5 期 中备用。 该石英纯矿物(以下称试样)化学多元素分 析结果见表 1,XRD 图谱见图 1。 表 1ꢀ 试样化学多元素分析结果 Table 1ꢀ Multi-element analysis of the sample % 成ꢀ 分 SiO Al O Fe O CaO K O Na O MgO 2 2 3 2 3 2 2 含ꢀ 量 99. 387 0. 456 0. 024 0. 033 0. 039 0. 042 0. 018 图 3ꢀ DBAꢁ1 用量试验结果 Fig. 3ꢀ Effect of collecting agent (DBA-1) on the flotation separation ■ ● —0. 038 ~ 0 mm 粒级试样; —0. 074 ~ 0. 038 mm 粒级试样 试验。 3. 1. 2ꢀ 矿浆温度和 pH 值对试样浮选效果影响试验 矿浆温度和 pH 值对 0. 074 ~ 0. 038 mm 粒级试 图 1ꢀ 试样的 XRD 图谱 Fig. 1ꢀ X-ray diffraction spectrum of the sample Q—石英 样浮选效果影响试验的 DBAꢁ1 用量为 75 mg / L,试 验结果见图 4。 从表 1 可知,试样中石英的纯度为 99. 387% ,其 他杂质含量非常低。 从图 1 可见,试样的 XRD 图谱中未见其他矿物 相,表明试样的纯度非常高。 2 ꢀ 试验方法 每次试验将 5 g 矿样和 35 mL 的一次蒸馏水加 入 XFGCⅡ型实验室用充气挂槽浮选机中,在搅拌速 度为 1 600 r/ min 下调浆 2 min,用 NaOH 或 HCl 调节 矿浆的 pH 值,然后加入捕收剂,搅拌 2 min 后刮泡, 烘干浮选精、尾矿,称重计算回收率。 浮选试验流程 见图 2。 图 4ꢀ 矿浆温度和 pH 值对 0. 074 ~ 0. 038 mm 粒级试样浮选效果的影响 Fig. 4ꢀ Effect of temperature of pulp and the pH on the flotation with particle size of 0. 074 ~ 0. 038 mm ■ ● ▲ —18 ℃ ; —28 ℃ ; —38 ℃ 由图 4 可知,矿浆 pH<4. 0 时,无论何浮选温度, DBAꢁ1 对石英的捕收作用极微弱;pH = 6 ~ 8. 5 时, 无论何浮选温度,DBAꢁ1 对石英的捕收效果都非常 接近,浮选泡沫产品的产率均在 97% 左右,说明 DBA ꢁ 1 对浮选温度变化的适应能力非常强,即使在 18 ℃ 图 2ꢀ 浮选试验流程 时也能保持较高的活性和溶解度;pH = 3. 7 ~ 6 时, DBAꢁ1 在较低温度(18 ℃) 下对石英的捕收效果明 显优于 28 和 38 ℃;矿浆 pH>8 时,DBAꢁ1 只有在较 高温度下(28、38 ℃) 才能很好地捕收石英。 因此, DBAꢁ1 适宜的矿浆环境为弱酸弱碱(pH = 6 ~ 8. 5) 性环境。 Fig. 2ꢀ The process of flotation experiment 3 3 ꢀ 试验结果与讨论 . 1ꢀ 条件试验 3 . 1. 1ꢀ DBAꢁ1 用量对试样浮选效果的影响 在浮选温度为 18 ℃、试样矿浆的自然 pH 值(pH = 7. 45)下进行浮选试验,结果见图 3。 由图 3 可知,随着 DBAꢁ1 用量的增大,0. 074 ~ . 038 mm 粒级和 0. 038 ~ 0 mm 粒级试样浮选泡沫 3. 2ꢀ DBAꢁ1 与石英互相作用的机理 0 3. 2. 1ꢀ 动电位测定与分析 产品的产率(即石英的回收率)呈不同幅度的上升趋 势;当 DBAꢁ1 用量超过 20 mg / L 后,2 个粒级的试样 浮选泡沫产品的产率非常接近,且均上升至 90% 以 上,故仅针对0. 074 ~ 0. 038mm粒级试样进行后续 用粒度为 0. 074 ~ 0. 038 mm 的试样制成浓度为 12. 5% 的矿浆,然后加入 75 mg / L 的 DBAꢁ1,石英与 DBAꢁ1 作用前后的动电位测定结果见图 5。 · 82· ꢀ ꢀ ꢀ 朱一民等:新型阳离子捕收剂对石英的捕收性能及作用机理ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 5 期 图 5ꢀ 石英与 DBAꢁ1 作用前后的表面动电位 Fig. 5ꢀ ζ-potential value before and after the action of DBA-1 with quartz 图 8ꢀ 石英与 DBAꢁ1 作用后的红外光谱 Fig. 8ꢀ Infrared spectra of quartz with action of DBAꢁ1 由图 7 可知,在 DBA ꢁ1 红外光谱的 3 330. 98 ꢁ 1 ꢁ1 ꢁ1 ■ ● —作用前; —作用后 cm 、 1 610. 04 cm 和 1 151. 40 cm 处 分 别 由图 5 可知,石英零电点对应的 pH = 2. 26,在 是—NH2 中 N—H 的伸缩振动峰、—NH2 的伸缩振动 pH=2. 26 ~ 12 的溶液中石英的 Zeta 电位均为负值; 加入 DBAꢁ1 后,石英的 Zeta 电位整体上移,零电点 移至 pH=10. 10,说明在 pH = 2. 26 ~ 12 范围内,DBA ꢁ1 峰和 C—N 的伸缩振动峰;2 921. 32 cm 、2 852. 25 ꢁ1 ꢁ1 ꢁ1 cm 、1 466. 52 cm 和 1 378. 50 cm 处则分别是— CH2 —的不对称伸缩振动峰、—CH2 —的对称伸缩振 动峰、—CH3 —的不对称弯曲振动峰和—CH3 的对称 弯曲振动峰。 ꢁ 1 可以以阳离子的形式在石英表面发生静电吸附。 3 . 2. 2ꢀ DBAꢁ1 与石英作用前后的红外光谱检测分 析 由 图 8 可 知, 石 英 吸 附 DBA ꢁ 1 后, 原 来 为了考察 DBAꢁ1 与石英表面的相互作用机理, 在 pH=8. 5 的情况下对石英、DBAꢁ1、石英吸附 DBA ꢁ1 ꢁ1 在 1 088. 61 cm 和 694. 66 cm 处的吸收峰均发生 ꢁ1 ꢁ1 了红移,分别偏移至 1 081. 43 cm 和 689. 29 cm [ 8] ꢁ 1 后的红外光谱进行了分析 ,结果见图 6 ~ 图 8。 处,即震动减弱,引起石英表面裸露在外的 Si—O 键 发生了伸缩震动,表明石英表面存在氢键作用,减弱 ꢁ 1 了 Si—O 键的弯曲振动效用;此外,3 331. 21 cm 处 出现的较明显的特征峰是 DBAꢁ1 中 N—H 单键的伸 缩振动峰蓝移的结果,由于偏移幅度极小,说明 DBA ꢁ 1 1 与石英表面发生的是物理吸附;在 1 174. 64 cm ꢁ 处出现的较明显的特征峰是 DBAꢁ1 中 C—N 单键的 伸缩振动峰蓝移的结果,说明 DBAꢁ1 与石英表面发 生了化学吸附。 图 6ꢀ 石英的红外光谱 Fig. 6ꢀ Infrared spectra of quartz 3. 2. 3ꢀ 石英的接触角试验 在 18 ℃、无 DBAꢁ1 的矿浆中,石英的接触角随 pH 值变化的情况见图 9;在 18 ℃、pH = 8. 5 的情况 下,石英的接触角随 DBAꢁ1 用量变化的情况见图 1 0;在 18 ℃、pH = 8. 5、DBAꢁ1 用量为 75 mg / L 的情 况下,石英的可浮性与其接触角的关系见图 11。 图 7ꢀ DBAꢁ1 的红外光谱 Fig. 7ꢀ Infrared spectra of DBAꢁ1 ꢁ 1 由图 6 可知,在石英红外光谱的 1 088. 61 cm ꢁ 1 处为 Si—O 反 对 称 伸 缩 振 动 峰, 784. 34 cm 和 ꢁ 1 6 94. 66 cm 处为 Si—O—Si 对称伸缩振动吸收峰, ꢁ 1 图 9ꢀ 石英接触角与 pH 值的关系 是四面体聚合的结果,460. 85 cm 处为 Si—O 弯曲 振动峰 。 Fig. 9ꢀ Relation between quartz contact angle and pH value · 83· 总第 467 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 5 期 内,DBAꢁ1 可以以阳离子的形式在石英表面发生静 电吸附。 ( 3)结合 Zeta 电位检测结果和红外光谱分析结 果可知,pH=8. 5 时 DBAꢁ1 在石英表面存在氢键作 用、物理吸附和化学吸附。 ( 4)接触角的测量表明,石英与 DBAꢁ1 作用后 接触角的敏感范围为 12. 6° ~ 27°,石英的回收率从 0 显著提高至 88. 1% ,说明疏水性很弱的石英即使在 浓度很低的 DBAꢁ1 溶液中,其表面疏水性也会大幅 度提高。 图 10ꢀ DBAꢁ1 用量对接触角的影响 Fig. 10ꢀ Effect of DBA-1 dosage on the contact angle 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ Jena M S,Biswal S K,Das S P,et al. Comparative study of the per- formance of conventional and column flotation when treating coking coal fines[J]. Fuel Processing Technology,2008(12): 1409-1415. 2]ꢀ 王淀佐. 浮选药剂作用原理及应用[M]. 北京:冶金工业出版社, 1 982. Wang Dianzuo. Principle and Application of Flotation Reagent[M]. Beijing:Metallurgical Industry Press,1982. 图 11ꢀ 与 DBAꢁ1 作用后接触角对石英回收率的影响 Fig. 11ꢀ Effect of contact angle on the [3]ꢀ 樊ꢀ 岩,荆ꢀ 龙,朱申红. 难选铁矿反浮选捕收剂的研究与应用 现状[J]. 山东冶金,2011(6):4-7. recovery rate under DBA-1 Fan Yan,Jing Long,Zhu Shenhong. Research and application status of reverse flotation collectors for refractory iron ore [ J]. Shandong Metallurgy,2011(6):4-7. 由图 9 ~ 图 11 可知,在没有 DBAꢁ1 的矿浆中, 矿浆 pH 值的升高可以小幅提高石英的接触角,但对 石英可浮性的影响十分有限;在有 DBAꢁ1 存在的矿 浆中,DBAꢁ1 用量从 0 增至 150 mg / L,石英的接触角 从 12. 6°提高至 106. 7°,二者近似呈线性关系;接触 角从 12. 6°提高至 27. 0°,对应的是 DBAꢁ1 的用量从 [ [ 4]ꢀ 朱建光. 2007 年浮选药剂的进展[ J]. 国外金属矿选矿,2008 4):3-11. ( Zhu Jianguang. The development of flotation reagents in 2007[ J]. Metallic Ore Dressing Abroad,2008(4):3-11. 5]ꢀ 张朝宏,戴惠新. 铁矿石反浮选捕收剂现状及未来发展趋势 0 增至 19 mg / L,石英的回收率从 0 提高至 88. 1% , [ J]. 矿产综合利用,2012(2):3-6. 接触角的极小变化都对回收率产生巨大影响,说明石 英表面的疏水性很弱,但少量的 DBAꢁ1 足以大幅度 改变石英表面的疏水性,提高其回收率;当 DBAꢁ1 的用量为 75 mg / L 时,对应的石英接触角为 61°、回 收率为 97. 3% ;当 DBAꢁ1 的用量达到 75 mg / L 后继 续增加用量,石英的回收率几乎再没有提高,这与 Zhang Chaohong,Dai Huixin. Current situation and future develop- ment of the collector for reverse flotation of iron ore[ J]. Multipur- pose Utilization of Mineral Resources,2012(2):3-6. [6]ꢀ 刘ꢀ 动. 反浮选应用于铁精矿提铁降硅的现状及展望[J]. 金属 矿山,2003(2):38-42. Liu Dong. Current development state and prospect of the reverse flo- tation process used in increasing iron grade and decreasing silicon content in iron concentrates[J]. Metal Mine,2003(2):38-42. [7]ꢀ 孙传尧,印万忠. 硅酸盐矿物浮选原理[M]. 北京:科学出版社, 2001. 3 . 1 节的试验结果一致。 4 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)对石英纯矿物的浮选试验表明,DBAꢁ1 对浮 Sun Chuanyao,Yin Wanzhong. Silicate Mineral Flotation Principle 选温度的适应能力很强,0. 074 ~ 0. 038 mm 粒级石英 纯矿物在 pH = 8. 5、矿浆温度为 18 ℃、DBAꢁ1 用量 为 75 mg / L 的情况下可获得 97. 3% 的回收率。 [ M]. Beijing:Science Press,2001. 8]ꢀ 彭文世,刘高魁. 矿物红外光谱图集[ M]. 北京:科学出版社, 982. [ 1 ( 2)Zeta 电位检测表明,在 pH = 2. 26 ~ 12 的溶 Peng Wenshi,Liu Gaokui. Mineral Infrared Spectroscopy Atlas[M]. Beijing:Science Press,1982. 液中石英的 Zeta 电位均为负值;加入 DBAꢁ1 后,石 英的 Zeta 电位整体上移,说明在 pH=2. 26 ~ 12 范围 (责任编辑ꢀ 罗主平) · 84·
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