预糊化木薯淀粉对微细粒赤铁矿选择性团聚特性研究

郭 颖 杜浩伟 李文博

(东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819)

在我国复杂难选铁矿资源中,微细粒嵌布铁矿石储量丰富,需充分细磨以获得合格的选别产品,此过程产生了大量微细粒铁矿物[1-4]。东鞍山烧结厂在现阶段的工艺改造中使用强磁机作为抛尾脱泥设备,大幅降低了作业尾矿品位,为选厂提高回收率起到了关键作用[5]。但随着新采出矿石性质的变化及设备运转年限的增加,东鞍山烧结厂的强磁抛尾作业也成为铁流失的关键环节,对于微细粒级强磁给矿,尤其是粒度小于20μm的矿物颗粒,强磁选的回收效果仍有待改善,而此部分微细粒铁矿物未能有效回收也正是强磁尾矿品位偏高的根本原因[6-7]。因此,开展强化细粒级铁矿物强磁选回收的试验研究对深化提质降杂、强化减排增效的意义重大。

微细粒弱磁性铁矿物具有粒度小、比表面积大、比磁化系数小的特点,强磁分选中难以被捕获,为此提出了选择性团聚分选工艺,其中有机高分子絮凝分选工艺的研究和应用较为广泛[6,8-10]。牛福生等[7]研究了木薯、玉米及马铃薯淀粉经改性后对赤铁矿单矿物的絮凝效果,以絮团的平均粒径和分形维数表征淀粉絮凝性能,并研究了赤铁矿与淀粉的作用机理,结果表明赤铁矿与淀粉分子之间存在化学吸附和氢键的作用。李文博等[10]采用改性聚丙烯酰胺团聚处理弓长岭选矿厂强磁给矿,选择性聚团—湿式强磁选与直接强磁选相比,精矿铁回收率提高了5.39个百分点,提高了强磁选作业的回收率。程绍凯等[11]在交联玉米淀粉作絮凝剂、水玻璃作分散剂的基础上,通过桥联团聚—强磁工艺处理东鞍山的弱磁尾矿,获得了铁品位46.70%、铁回收率72.66%的磁选精矿。苏兴国等[12]以东鞍山铁矿石为研究对象、DLZ为絮凝剂,开展了细粒铁矿物回收利用新技术的研究,获得了磁选精矿铁品位47.15%、铁回收率71.24%的分选指标。因此,有机高分子选择性絮凝技术可以实现微细粒铁矿的有效团聚,增大铁矿物颗粒的体积,通过磁选使其富集。

本文在现有工作的基础上,以预糊化木薯淀粉为絮凝剂、水玻璃为分散剂,探究了木薯淀粉用量、矿浆pH值以及搅拌转速对赤铁矿和石英两种单矿物体系的絮凝性能。并基于单矿物试验,采用选择性团聚—强磁选工艺,强化回收东鞍山烧结厂强磁给矿,考察了木薯淀粉用量、矿浆pH值以及搅拌转速对分选指标的影响。

1 试验矿样与方法

1.1 矿样分析

单矿物团聚—沉降试验中赤铁矿单矿物TFe品位为67.95%,石英中SiO2含量为98.55%,所用单矿物纯度较高。采用激光粒度仪分析赤铁矿与石英单矿物的粒度特征,其粒度分布曲线如图1所示,粒度特征参数如表1所示。可以看出,赤铁矿和石英单矿物的粒度均集中分布在10μm左右,微细颗粒在矿样中占比较大。

图1 赤铁矿与石英单矿物的粒度分布曲线Fig.1 Grain size distribution curve of hematite and quartz

表1 赤铁矿与石英单矿物的粒度特征参数Table 1 Grain size characteristic parameters of hematite and quartz

实际矿取自东鞍山烧结厂强磁给矿,其化学成分和XRD分析结果分别见表2和图2。矿样的TFe含量为27.43%,主要以赤铁矿、菱铁矿和磁铁矿的形式存在,杂质SiO2的含量为55.79%,有害元素S、P的含量较少。

图2 矿样XRD分析图图谱Fig.2 XRD pattern of ore sample

表2 矿样化学成分分析结果Table 2 Chemical composition analysis results of ore samples %

为了进一步了解矿样中有用铁矿物的粒级分布,对矿样进行了粒度组成分析,结果如表3所示。

由表3可知,粒度小于 0.038 mm的含量占81.80%、铁分布率为89.58%,由此可知物料中的有用铁矿物主要分布在细粒级颗粒中。

表3 矿样粒度组成结果Table 3 The results of particle size composition of ore samples

1.2 试验方法

1.2.1 赤铁矿和石英单矿物团聚—沉降试验

单矿物团聚—沉降试验采用IKA-RW20型搅拌器进行搅拌调浆,称取赤铁矿和石英的单矿物各20 g,分别放入150mL的烧杯中,并加入120mL去离子水,添加20 mg/L的水玻璃使单矿物颗粒分散,并以初始搅拌速度700 r/min搅拌预处理5min;然后调节搅拌机转速,同时滴加NaOH溶液调整矿浆pH值,搅拌3min;添加一定量的预糊化木薯淀粉絮凝剂,搅拌5 min使单矿物颗粒充分聚团;把矿浆转移至250 mL的具塞量筒中,定容至200 mL;量筒上下颠倒8次,使矿物充分悬浮,然后静置1 min,用虹吸法抽取100 mL上层清液;对上、下层矿浆过滤、烘干、称重,试验流程如图3所示。

图3 赤铁矿与石英单矿物团聚—沉降试验流程Fig.3 Flow chart of hematite and quartz single mineral reunion sedimentation test

1.2.2 实际矿样选择性团聚—强磁选试验

选择性团聚预处理过程中矿浆浓度为30%,采用XJT-Ⅱ型浸出搅拌机进行搅拌调浆,首先加入水玻璃使矿物颗粒充分分散,以1 990 r/min的转速搅拌5 min;然后调低搅拌机转速,同时滴加NaOH溶液调整矿浆pH值,搅拌3 min;添加一定量的预糊化木薯淀粉,搅拌5 min,使强磁给矿矿物颗粒充分聚团。采用SSS-Ⅱ-80×90型高梯度强磁选机进行选别,对磁选精矿和尾矿过滤、烘干、称重、化验,以磁选精矿铁品位和回收率指标评价分选效果,试验流程如图4所示。

图4 选择性团聚—强磁选试验流程Fig.4 The flow chart of selective reunion-high intensity magnetic separation test

1.2.3 光学显微镜团聚形态分析

矿物团聚形态特征分析采用重庆奥特BDS200生物显微镜进行观察分析。首先分别取适量未添加预糊化木薯淀粉调浆和添加预糊化木薯淀粉调浆的赤铁矿单矿物和强磁给矿样品,稀释到适宜浓度,将其滴加在载玻片上,分别放大600倍、1500倍和500倍,然后采用显微镜进行观察分析。

1.2.4 扫描电镜(SEM)分析

矿物团聚前后微观形貌分析采用德国ULTRA PLUS型场发射扫描电子显微镜进行观测分析。首先分别取适量未添加预糊化木薯淀粉调浆和添加预糊化木薯淀粉调浆的强磁给矿矿浆样品,稀释后将其滴加在仪器的载物座上,待自然干燥后喷金处理,然后通过扫描电镜(SEM)进行观测分析。

2 试验结果与分析

2.1 赤铁矿和石英单矿物选择性团聚—沉降试验

2.1.1 预糊化木薯淀粉用量对团聚效果的影响

预糊化木薯淀粉用量是影响赤铁矿团聚效果的重要因素。在水玻璃用量为20 mg/L、pH 值为 10.0、搅拌转速为500 r/min的条件下,分别考察了预糊化木薯淀粉用量对赤铁矿和石英单矿物团聚沉降性能的影响,试验结果如图5所示。

图5 预糊化木薯淀粉用量对赤铁矿和石英团聚效果的影响Fig.5 The effect of the dosage of pregelatinized cassava starch on reunion of hematite and quartz

由图5可知,随着淀粉用量的增加,赤铁矿单矿物的沉降率逐渐增大。当木薯淀粉用量由0增至7.5 mg/L时,赤铁矿沉降率由76.87%增至98.59%,淀粉用量对石英沉降效果的影响较小,沉降率波动在2个百分点以内。这说明预糊化木薯淀粉能促进赤铁矿聚团,且对石英基本不会产生团聚作用,该药剂具有良好的团聚效果和选择性能。因此,确定适宜的絮凝剂用量为7.5 mg/L。

2.1.2 矿浆pH值对团聚效果的影响

矿浆pH值通过改变矿物表面的荷电性质,进而影响淀粉在矿物表面的吸附[10]。因此,进一步考察了矿浆pH值对赤铁矿和石英单矿物的团聚沉降性能的影响。在淀粉用量为7.5 mg/L、水玻璃用量为20 mg/L、搅拌转速为500 r/min的条件下,研究了矿浆pH值对赤铁矿和石英单矿物团聚效果的影响,试验结果如图6所示。

图6 矿浆pH值对赤铁矿和石英团聚效果的影响Fig.6 The effect of pulp pH on reunion of hematite and quartz

由图6可以看出,矿浆pH值对赤铁矿的团聚效果影响较大,在pH值由4.0增大到10.0的过程中,赤铁矿的沉降率不断上升,由94.27%增至98.49%,继续增加pH值,沉降率略有下降。这是由于溶液中的OH-与赤铁矿表面的Fe3+形成铁的羟基络合物,这些羟基络合物能够与预糊化木薯淀粉中的羧基形成氢键,促进赤铁矿的团聚[13]。对于石英团聚体系,矿浆pH值在4.0～10.0时,木薯淀粉对于石英基本没有团聚作用,当pH值增大到12.0时,石英的沉降率有所增加,这说明在pH值为12时,预糊化木薯淀粉对石英有团聚作用。因此,确定适宜团聚的矿浆pH值为10.0。

2.1.3 搅拌转速对团聚效果的影响

一定强度的搅拌动能输入将有助于提高矿物的碰撞概率,促进矿物絮团的形成,因此,考察了搅拌转速对赤铁矿和石英单矿物的团聚沉降性能的影响。在淀粉用量为7.5 mg/L、水玻璃用量为20 mg/L、pH值为10.0的条件下,探究了搅拌转速对赤铁矿和石英单矿物的团聚效果的影响,试验结果如图7所示。

由图7可以看出,当搅拌转速从400 r/min增至500 r/min时,赤铁矿的沉降率逐渐增大,达到最大值98.54%;继续增大搅拌转速,赤铁矿的沉降率明显降低。随着搅拌转速的增大,石英的沉降率基本保持不变,维持在58%左右。因此,确定适宜的团聚搅拌转速为500 r/min。

图7 搅拌转速对赤铁矿和石英团聚效果的影响Fig.7 The effect of stirring speed on reunion and sedimentation of hematite and quartz

2.2 实际矿物选择性团聚—强磁选试验

以赤铁矿和石英单矿物的团聚—沉降试验为基础,探究了预糊化木薯淀粉对实际矿物的团聚分选效果,确定了适宜的团聚预处理参数。固定高梯度强磁选操作条件为:磁选背景磁感应强度0.8 T,介质为棒径2mm、填充率13%的交错排布圆棒,磁选机脉动冲次170次/min、冲程11.4mm,磁选冲洗水流量120 mL/s。分别考察了预糊化木薯淀粉用量、矿浆pH值及搅拌转速对分选指标的影响。

2.2.1预糊化木薯淀粉用量试验

在水玻璃用量为500 g/t、矿浆 pH 值为 9.0、搅拌转速为900 r/min的条件下,研究了预糊化木薯淀粉用量对强磁分选指标的影响,试验结果如图8所示。

图8 预糊化木薯淀粉用量对分选指标的影响Fig.8 The effect of the dosage of pregelatinized cassava starch on separation index

由图8可知,当预糊化木薯淀粉的用量从0增加到100 g/t时,磁选精矿铁品位逐渐下降,由48.27%降至46.78%,降低了1.49个百分点;铁回收率和选矿效率则有所升高,回收率由67.57%增至72.65%,整体提高了5.08个百分点,选矿效率由48.04%增至49.16%。继续增加淀粉的用量,铁品位波动较小,但回收率及选矿效率均有所下降。这是因为预糊化木薯淀粉对微细粒赤铁矿的团聚作用,增大了其表观粒径从而提高了选矿回收率,当矿物颗粒絮团的表观尺寸继续增大时,矿物颗粒受到的流体黏性力也急剧增加,难以被磁介质捕捉,导致磁选精矿铁回收率下降[13];同时团聚过程中部分石英颗粒的夹杂导致磁选精矿铁品位降低。综上,确定适宜的预糊化木薯淀粉用量为100 g/t。

2.2.2 矿浆pH值试验

在预糊化木薯淀粉用量为100 g/t、水玻璃用量为500 g/t、搅拌转速为900 r/min的条件下,研究了矿浆pH值对强磁分选指标的影响,结果如图9所示。

图9 矿浆pH值对分选指标的影响Fig.9 The effect of pulp pH value on separation index

由图9可知,当矿浆pH值从7.0增至10.0时,磁选精矿的铁品位变化不大,但铁回收率逐渐增加。其原因可能为矿物表面的活性位点增加,淀粉在其表面产生较多的氢键吸附,且吸附量逐渐增加,从而导致铁回收率逐渐升高。继续增加矿浆pH值,铁回收率逐渐下降。由此确定最佳矿浆pH值为10.0。

2.2.3 搅拌转速试验

在淀粉用量为100 g/t、水玻璃用量为500 g/t,矿浆pH值为10.0的条件下,研究了搅拌转速对强磁分选指标的影响,试验结果如图10所示。

图10 搅拌转速对分选指标的影响Fig.10 The effect of stirring speed on separation index

由图10可知,随着搅拌转速从450 r/min增大到900 r/min,磁选精矿铁品位、回收率及选矿效率均有所升高。继续增大搅拌转速,铁品位略有降低,回收率及选矿效率迅速下降。由此说明,适当增加搅拌强度,可以增强淀粉与赤铁矿的碰撞,促进淀粉在赤铁矿表面的吸附,有利于团聚体的形成,但是当搅拌强度过大时,形成的絮团会被高强度的机械搅拌破坏[7]。因此,确定最佳搅拌转速为900 r/min,此时磁选精矿铁品位为47.41%、铁回收率为72.39%。

通过对以上团聚作业操作参数试验研究,确定了适宜的药剂用量为100 g/t,矿浆pH值为10.0,搅拌转速为900 r/min,此时分选指标较高。

2.3 团聚前后矿物颗粒形态对比分析

采用光学显微镜观测了团聚前后矿物颗粒的微观形貌,结果如图11所示。

图11 团聚前后矿物颗粒形态对比Fig.11 Micro morphology of mineral particles before and after flocculation

从图11(a)和(b)可知,团聚前赤铁矿颗粒在矿浆中均匀分散,且颗粒粒度较小,为相对独立存在,而添加预糊化木薯淀粉后,赤铁矿颗粒间发生了明显团聚,出现块状和长链状絮团。由图11(c)和(d)可知,加药团聚前样品中赤铁矿和石英颗粒呈均匀分散状态,添加预糊化木薯淀粉后,矿浆中赤铁矿发生了选择性团聚,细粒磁铁矿含量明显减少,石英颗粒基本不产生聚团。说明该药剂的选择性团聚效果较好,能强化细粒赤铁矿的回收。

进一步通过扫描电镜观察了加药前后强磁给矿样品的微观形貌,结果如图12所示。

图12 团聚前后矿物微观形貌图Fig.12 Micromorphology of the minerals before and after flocculation by SEM

从图12可知,未添加淀粉时,矿物颗粒主要呈分散状态,而添加淀粉后,微细粒赤铁矿产生团聚并附着在大颗粒上,石英颗粒未发生团聚。

3 结 论

(1)试验矿样TFe含量为27.43%,FeO的含量为3.05%,SiO2含量为55.79%。有用铁矿物主要包括赤铁矿、磁铁矿和菱铁矿,其中赤铁矿分布率高达90.28%。

(2)赤铁矿与石英单矿物团聚—沉降试验结果表明:在预糊化木薯淀粉用量7.5 mg/L、矿浆pH值10.0,搅拌转速500 r/min的适宜条件下,淀粉对赤铁矿有较好的团聚效果,而对石英基本上无絮凝作用,预糊化木薯淀粉具有良好的团聚作用与选择性能。

(3)实际矿选择性团聚—强磁选试验结果表明:在预糊化木薯淀粉用量100 g/t、矿浆 pH 值 10.0、搅拌转速900 r/min的适宜条件下对矿浆进行团聚预处理,经强磁选后,获得精矿铁品位47.41%,铁回收率72.39%的分选指标。

(4)添加预糊化木薯淀粉后,微细粒赤铁矿物颗粒产生了良好的选择性团聚,表观粒径明显增大,强化了微细粒赤铁矿的磁选回收。