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用剪切絮凝法脱除高岭石中的赤铁矿
2011-08-05
采用剪切絮凝工艺, 可有效脱除高岭石中的赤铁矿。Auger 电子能谱研究表明, 油酸钠能够化学吸附 于赤铁矿表面使其疏水。通过对赤铁矿颗粒间总作用势能的计算, 推测赤铁矿在剪切搅拌力场的作用下发生疏水 作用是其絮凝的主要原因, 而在同样的条件下高岭石与油酸钠未发生相互作用, 其颗粒仍保持高度的分散。
第 10 卷 第 6 期 Vol. 10 No. 6 中 国 有 色 金 属 学 报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals   2000 年 12 月 Dec.   2000   [ 文 章 编 号 ] 1004 - 0609 (2000) 06 - 0934 - 03 ① 用 剪 切 絮 凝 法 脱 除 高 岭 石 中 的 赤 铁 矿 1 2 1 1 曹 明 礼 , 陈 礼 永 , 龚 文 琪 , 袁 继 祖 ( 1. 武 汉 工 业 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院 , 武 汉 430070 ; 2. 景 德 镇 陶 瓷 学 院 材 料 工 程 系 , 景 德 镇 333001) [ 摘 要 ] 采 用 剪 切 絮 凝 工 艺 , 可 有 效 脱 除 高 岭 石 中 的 赤 铁 矿 。 Auger 电 子 能 谱 研 究 表 明 , 油 酸 钠 能 够 化 学 吸 附 于 赤 铁 矿 表 面 使 其 疏 水 。 通 过 对 赤 铁 矿 颗 粒 间 总 作 用 势 能 的 计 算 , 推 测 赤 铁 矿 在 剪 切 搅 拌 力 场 的 作 用 下 发 生 疏 水 作 用 是 其 絮 凝 的 主 要 原 因 , 而 在 同 样 的 条 件 下 高 岭 石 与 油 酸 钠 未 发 生 相 互 作 用 , 其 颗 粒 仍 保 持 高 度 的 分 散 。 [ [ 关 键 词 ] 剪 切 絮 凝 ; 油 酸 钠 ; 高 岭 石 ; 赤 铁 矿 中 图 分 类 号 ] TD 923 [文 献 标 识 码 ] A   高 岭 土 中 的 氧 化 铁 矿 物 常 以 微 细 粒 形 式 存 在 , 分 散 剂 和 油 酸 钠 , 充 分 搅 拌 , 待 完 成 后 测 量 矿 浆 p H 值 , 将 其 倒 入 100 mL 具 塞 量 筒 , 反 复 倒 置 数 次 后 进 行 沉 降 分 离 , 烘 干 沉 淀 物 和 悬 浮 物 , 分 别 计 量 。 采 用 ESCALAB M K型 X 射 线 光 电 子 能 谱 仪 测 定 赤 铁 矿 的 Auger 电 子 能 谱 。 模 拟 剪 切 絮 凝 工 艺 条 件 制 取 赤 铁 矿 试 样 。 p H 值 为 7. 8 , 油 酸 钠 用 量 1. 5 采 用 传 统 的 选 矿 工 艺 (例 如 浮 选 、 磁 选 等 ) 很 难 将 其 [ 1 ] 脱 除 。 1975 年 , Warren 通 过 对 白 钨 矿 微 粒 与 粗 粒 间 及 微 粒 间 聚 团 行 为 的 研 究 , 提 出 了 剪 切 絮 凝 的 概 念 。 此 后 , 剪 切 絮 凝 逐 渐 成 为 超 细 粒 矿 物 回 收 的 有 效 方 法 之 一 , 被 国 内 外 许 多 学 者 应 用 于 赤 铁 矿 、 菱 [ 2 , 3 ] - 4 锰 矿 、 石 英 及 磷 灰 石 等 矿 物 的 研 究 中 。 本 文 作 祖 10 mol/ L , 离 心 分 离 , 沉 淀 物 用 蒸 馏 水 冲 洗 5 者 通 过 控 制 适 宜 的 工 艺 条 件 , 用 油 酸 钠 剪 切 絮 凝 赤 铁 矿 , 成 功 地 脱 除 了 高 岭 石 中 的 赤 铁 矿 ; 同 时 , 利 用 俄 歇 电 子 能 谱 和 固 体 颗 粒 间 的 各 种 相 互 作 用 势 能 计 算 研 究 了 高 岭 石 与 赤 铁 矿 剪 切 絮 凝 分 离 机 理 。 次 , 40 ℃ 干 燥 后 测 试 。 2 结 果 与 讨 论 2 . 1 剪 切 絮 凝 试 验 1 试 验 材 料 和 研 究 方 法 由 高 岭 石 、 赤 铁 矿 单 矿 物 和 混 合 矿 物 剪 切 絮 凝 试 验 可 知 , 影 响 高 岭 石 与 赤 铁 矿 选 择 性 分 离 的 因 素 为 剪 切 速 度 、 时 间 、 矿 浆 p H 值 和 油 酸 钠 浓 度 等 。 试 验 结 果 表 明 : 剪 切 速 度 越 高 , 时 间 越 长 , 高 岭 石 精 矿 回 收 率 越 高 , Fe2O3 含 量 越 低 , 但 当 叶 轮 转 速 超 过 2 000 r/ min , 剪 切 时 间 大 于 40 min 时 , 高 岭 石 回 收 率 增 加 趋 缓 , Fe2O3 含 量 降 低 亦 不 明 显 。 因 此 适 宜 的 叶 轮 转 速 确 定 为 2 000 r/ min , 剪 切 时 间 为 40 min。 矿 浆 p H 值 对 高 岭 石 与 赤 铁 矿 选 择 性 分 离 效 果 影 响 显 著 。 随 着 矿 浆 p H 值 的 升 高 , 高 岭 石 回 收 率 明 显 增 加 , p H > 7 时 , 高 岭 石 回 收 率 可 达 70 %以 上 , 而 当 p H > 8. 3 时 , 虽 然 可 获 得 较 高 的 回 收 率 , 但 其 Fe2O3 含 量 增 大 , 分 离 选 择 性 恶 化 , 故 矿 浆 的 p H 值 应 控 制 在 7. 0~ 8. 3 之 间 。 当 矿 浆 p H 值 在 7. 0 ~ 8. 3 之 间 、 叶 轮 转 速 为 2 000 r/ min、 时 间 为 40 min 时 , 油 酸 钠 浓 度 对 高 岭 石 与 赤 铁 矿 混 合 矿 样 分 离 选 择 性 的 影 响 如 图 1 所 示 。 对 所 取 高 岭 石 和 赤 铁 矿 矿 样 分 别 进 行 手 选 手 碎 , 经 重 选 和 磁 选 分 离 提 纯 。 X 射 线 粉 末 衍 射 和 化 学 分 析 结 果 表 明 , 其 纯 度 均 达 95 %以 上 。 分 别 采 用 人 工 研 磨 法 和 气 流 粉 碎 法 加 工 试 样 直 至 试 样 中 < 2 μ m 粒 级 占 80 %左 右 。 所 用 油 酸 钠 (C17 H33COONa) 为 化 学 纯 , 其 分 子 量 为 304. 45。 其 它 药 剂 均 为 分 析 纯 。 试 验 用 水 均 为 蒸 馏 水 。 剪 切 絮 凝 实 验 在 自 制 的 高 80 mm , 直 径 60 mm 圆 柱 形 的 有 机 玻 璃 槽 中 进 行 , 槽 内 均 匀 装 有 4 块 缓 冲 板 (60 mm 祖 5 mm 祖 5 mm) , 其 下 缘 与 槽 子 的 底 部 接 触 , 搅 拌 叶 片 直 径 为 10 mm。 剪 切 絮 凝 槽 安 装 在 XFGC280 型 挂 槽 浮 选 机 上 。 试 验 取 矿 样 1. 0 g , 其 中 高 岭 石 与 赤 铁 矿 人 工 混 合 矿 的 质 量 比 为 98∶2 , 用 90 mL 蒸 馏 水 配 成 悬 浮 液 置 于 剪 切 絮 凝 槽 中 , 依 次 添 加 适 量 p H 值 调 整 剂 、 ① [收 稿 日 期 ] 1999 - 12 - 30 ; [修 订 日 期 ] 2000 - 03 - 20 [作 者 简 介 ] 曹 明 礼 (1965 - ) , 男 , 副 教 授 , 硕 士 . 第 10 卷 第 6 期 曹 明 礼 , 等 : 用 剪 切 絮 凝 法 脱 除 高 岭 石 中 的 赤 铁 矿 发 935 发 表 1 赤 铁 矿 的 X 射 线 光 电 子 能 谱 表 面 分 析 数 据 Table 1 X2ray photoelectron spectroscopy analytic data of hematite surface FeLMM Ek ( A) Fe2P Eb( PE) / eV Sample and treatment method α 3 / eV △α 3 / eV / eV Hematite 702. 75 710. 65 1 413. 4 1 . 85 Hematite + sodium oleate 7 04. 40 710. 85 1 415. 25 - 4   pH 7. 8 , sodium oleate : 1. 5 祖 10 mol/ L 面 铁 的 α 3 参 数 的 改 变 值 为 1. 85 eV , 由 于 系 统 测 试 误 差 不 大 于 0. 1 eV , 说 明 油 酸 钠 在 赤 铁 矿 表 面 产 生 了 化 学 吸 附 。 2 3 图 1 油 酸 钠 浓 度 对 高 岭 石 回 收 率 和 Fe O 含 量 的 影 响 曲 线 2 . 2. 2 油 酸 钠 赤 铁 矿 体 系 的 粒 间 总 作 用 能 [1 , 5 ] Warren 认 为 , 剪 切 絮 凝 是 一 种 通 过 施 加 足 Fig. 1 Influence of sodium oleate concentration 够 大 的 剪 切 力 场 而 使 悬 浮 在 表 面 活 性 剂 溶 液 中 的 细 粒 物 料 (0. 5~ 10μ m) 聚 团 的 现 象 , 它 有 别 于 电 解 质 凝 聚 和 高 分 子 絮 凝 。 湍 流 搅 拌 可 以 赋 予 矿 粒 足 够 大 的 动 能 以 克 服 粒 间 的 排 斥 能 垒 , 使 颗 粒 相 互 靠 近 , 而 颗 粒 聚 团 的 形 成 则 要 靠 疏 水 颗 粒 直 接 接 触 时 产 生 on recovery and Fe2O3 concentration of kaolinite at p H 7. 8 , stirring at 2 000 r/ min for 40 min   从 图 1 可 看 出 , 矿 浆 中 油 酸 钠 浓 度 对 高 岭 石 回 收 率 的 影 响 不 明 显 , 在 油 酸 钠 浓 度 为 0~ 2. 0 祖 - 4 [ 6 ] 1 7 0 mol/ L 范 围 内 , 高 岭 石 回 收 率 始 终 维 持 在 的“ 疏 水 缔 合 ”能 。 卢 寿 慈 运 用 近 代 水 结 构 理 论 及 0 %左 右 。 而 油 酸 钠 对 高 岭 石 中 Fe2O3 含 量 的 影 响 胶 团 形 成 的 原 理 , 提 出 了 疏 水 作 用 能 的 定 量 化 计 算 , 认 为 矿 物 微 粒 间 的 疏 水 作 用 能 是 由 基 于 界 面 水 Ⅰ HI 结 构 变 化 的 疏 水 作 用 U 和 基 于 烃 链 间 穿 插 缔 合 作 较 为 显 著 , 矿 浆 中 未 加 油 酸 钠 时 , 高 岭 石 中 Fe2O3 含 量 为 1. 4 % , 随 着 油 酸 钠 浓 度 增 加 , 其 Fe2O3 含 - 4 Ⅱ HI 量 逐 渐 降 低 ; 当 油 酸 钠 浓 度 为 1. 5 祖 10 mol/ L 时 , 高 岭 石 中 Fe2O3 含 量 出 现 最 低 值 0. 6 %。 由 此 可 见 , 采 用 剪 切 絮 凝 工 艺 可 较 有 效 脱 除 高 岭 石 中 的 赤 铁 矿 , 在 保 证 高 岭 石 的 回 收 率 为 70 %左 右 时 , 可 将 其 Fe2O3 含 量 从 1. 4 %降 至 0. 6 %。 用 的 疏 水 缔 合 能 U 两 部 分 组 成 。 因 此 , 油 酸 钠 赤 铁 矿 体 系 的 粒 间 总 作 用 能 应 由 颗 粒 间 的 静 电 排 斥 势 能 能 U R 、 范 德 华 分 子 吸 引 势 能 UA 及 粒 间 疏 水 作 用 U HI构 成 , 即 Ⅰ Ⅱ 。 U T = U R + UA + U HI + U HI 2 . 2 高 岭 石 与 赤 铁 矿 剪 切 絮 凝 分 离 机 理 选 取 高 岭 石 与 赤 铁 矿 剪 切 絮 凝 分 离 效 果 最 佳 的 2 . 2. 1 油 酸 钠 在 赤 铁 矿 表 面 吸 附 的 Auger 电 子 峰 由 X 射 线 激 发 的 Auger 电 子 谱 线 与 相 应 的 光 试 验 条 件 为 原 始 数 据 分 别 按 DLVO 理 论 及 上 式 计 算 油 酸 钠 赤 铁 矿 体 系 的 粒 间 总 作 用 能 , 将 结 果 绘 制 成 曲 线 , 如 图 2 所 示 。 电 子 谱 线 伴 随 , 与 主 光 电 子 谱 线 的 线 间 距 离 是 元 素 的 化 学 状 态 特 征 。 因 为 Auger 电 子 的 能 量 更 容 易 受 化 学 环 境 的 影 响 , 所 以 Auger 电 子 谱 线 比 光 电 子 谱 线 具 有 明 显 的 化 学 位 移 , 而 且 其 位 移 方 向 同 光 电 子 谱 线 的 位 移 方 向 一 致 。 由 图 2 可 知 , 当 颗 粒 间 距 h = 10 nm 时 , 曲 线 - 19 出 现 峰 值 , 即 势 垒 , 其 值 高 达 3. 3 祖 10 J 。 依 照 DLVO 理 论 , 如 此 大 的 势 垒 是 颗 粒 的 热 运 动 难 以 克 [ 7 ] , 而 此 时 颗 粒 的 疏 水 作 用 能 开 始 起 作 用 。 当 服 的 表 1 为 赤 铁 矿 经 油 酸 钠 处 理 前 后 X 射 线 光 电 子 分 析 数 据 , Auger 参 数 α 3 采 用 Gaarenstroom 等 颗 粒 间 距 h = 6 nm 时 , 疏 水 作 用 能 成 为 体 系 的 主 导 因 素 , 使 颗 粒 间 的 总 作 用 势 能 急 剧 下 降 , 由 正 值 变 为 负 值 , 从 而 可 引 起 颗 粒 的 强 烈 絮 凝 。 但 这 种 絮 凝 的 发 生 , 必 须 伴 以 强 烈 的 剪 切 搅 拌 使 疏 水 的 颗 粒 能 够 越 过 势 垒 而 直 接 接 触 。 因 此 , 颗 粒 的 疏 水 缔 合 是 剪 切 絮 凝 的 内 在 原 因 , 而 强 烈 的 剪 切 搅 拌 则 是 疏 水 颗 粒 形 成 絮 团 的 重 要 外 在 条 件 。 [ 4 ] 改 进 的 Auger 参 数 定 义 公 式 计 算 : α 3 = Ek ( A ) + Eb ( PE) 人 即 取 最 强 的 光 电 子 线 的 结 合 能 Eb ( PE) 加 上 最 尖 锐 的 Auger 线 动 能 Ek ( A ) 作 为 元 素 给 定 化 学 态 的 Auger 参 数 值 α 3 。α 3 是 与 荷 电 、 功 函 和 射 线 源 无 关 的 化 学 位 移 量 , 且 总 是 正 值 。 综 上 所 述 , 可 得 出 高 岭 石 与 赤 铁 矿 剪 切 絮 凝 分 离 机 理 ,即 在 矿 浆 中 施 以 强 烈 的 剪 切 搅 拌 ,油 酸 钠 从 计 算 结 果 可 知 ,油 酸 钠 处 理 前 后 ,赤 铁 矿 表 发 936 发 中 国 有 色 金 属 学 报 2000 年 12 月 [ 2 ]Li C and Fuerstenau D W. The effects of the adsorption of sodium dodecyl sulfate on the stability of stirred sus2 pensions of hematite fines [A ]. Attia Y A. Flocculation in Biotechnology and Separation Systems [ C]. Elsevier , Amsterdam , 1987. 695. [ [ 3 ] Koh P T L , Andrews J R G and Uhlherr P H T. Floc2 size distribution of scheelite treated by shear2flocculation [ J ]. International Journal of Mineral Processing , 1986 , 1 7 : 45. 4 ] WAN G Dian2fen(王 典 芬 ) . Applications of X2ray photo2 electron spectroscopy in research of non2metallic materials (X 射 线 光 电 子 能 谱 在 非 金 属 材 料 研 究 中 的 应 用 ) [ M]. Wuhan : Wuhan University of Technology Press , 图 2 赤 铁 矿 的 粒 间 总 作 用 势 能 曲 线 1 994. 48. Fig. 2 Total potential energy curves between [ [ [ [ 5 ] Warren L J . Principles of mineral flotation [A]. Jones M H and Woodcock J T. The Wark Symposium [ C ]. Parkville , Australia : The Australasian Institute of Min2 ing and Metallurgy , 1984. 57. hematite particles ET — Involving hydrophobic energy ; T E′ — According to DLVO theory 6 ] LU Shou2ci (卢 寿 慈 ) and L I Guo2qing (李 国 庆 ) . 微 细 矿 粒 在 水 中 的 疏 水 絮 凝 行 为 研 究 [J ]. Journal of Wuhan College of Steel (武 汉 钢 铁 学 院 学 报 ) , 1984 , 7 化 学 吸 附 于 赤 铁 矿 表 面 使 其 疏 水 以 发 生 絮 凝 。 红 外 光 谱 研 究 发 现 , 高 岭 石 表 面 与 油 酸 钠 不 发 生 相 互 作 [ 8 ] 用 而 具 有 亲 水 性 , 因 此 , 高 岭 石 在 矿 浆 中 仍 保 持 ( 2) : 1 - 8. 高 度 的 分 散 状 态 , 从 而 能 够 实 现 高 岭 石 与 赤 铁 矿 的 7 ] HOU Wan2guo (侯 万 国 ) , SUN De2jun (孙 德 军 ) and 有 效 分 离 。 ZHAN G Chun2guang (张 春 光 ) . Applied Colloid Chem2 istry(应 用 胶 体 化 学 ) [ M ]. Beijing : Scientific Publish2 ing Press , 1998. 38. [ REFERENCES] 8 ] GON G Wen2qi. DRIFT spectroscopic study of mecha2 nism of selective shear2flocculation of hematite from kaoli2 nite [J ]. Journal of Wuhan University of Technology [ 1 ]Warren L J . Shear2flocculation of ultrafine scheelite in sodium oleate solution [J ]. Journal of Colloid and Inter2 face Science , 1975 , 50(2) : 307. ( Materials Science Edition) , 1997 , 12(1 - 2) : 83 - 93. Removing hematite from kaolinite by shear2flocculation 1 2 1 1 CAO Ming2li , CHEN Li2yong , GON G Wen2qi , YUAN Ji2zu ( 1. Department of Resources and Environment Engineering , Wuhan University of Technology , Wuhan 430070 , P. R. China ; 2 . Department of Materials Engineering , Jingdezhen College of Ceramics , Jingdezhen 333001 , P. R. China) [ Abstract] Hematite was successfully removed from kaolinite by shear2flocculation , when sodium oleate was used. The mechanism of selective shear2flocculation of hematite from kaolinite was studied by X2ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the calculation of the total potential energy between hematite particles. It was found that the surface of hematite could adsorb chemically sodium oleate and made it hydrophobic , which would remain under the shear field. Under the same condition , the surface of kaolinite does not ad2 sorb sodium oleate and remains hydrophilic. The shear field of sufficient magnitude makes the hydrophobic ultrafine particles of hematite aggregate , whereas the hydrophilic ultrafine particles of kaolinite remain suspended in solution. [ Key words] shear2flocculation ; sodium oleate ; kaolinite ; hematite ( 编 辑 何 学 锋 )
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