钙镁离子对细粒赤铁矿絮凝行为的影响

曾 睿 张 芹 苟 宝 潘 登 李 炼(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081)

我国的铁矿石资源普遍具有贫、细、杂的特点，平均入选铁品位约为25%，远低于国外平均入选品位[1]；矿石嵌布粒度细，铁矿物基本单体解离的细度多需达-0.074 mm占80%以上、有的甚至需磨至-0.043 mm占90%以上；矿石性质复杂，以赤铁矿石为例，多与假象赤铁矿、菱铁矿或褐铁矿等共生[2]。

随着国内易选铁矿石资源的枯竭，细粒难选赤铁矿石资源选别技术亟待成熟和完善。由于赤铁矿石性脆易泥化，在碎磨过程中容易产生细泥，常规的重选、磁选工艺难以实现对微细粒的有效分选[3]，因此，加强浮选方面的研究很有必要。

常规浮选方法处理微细粒赤铁矿石难以达到理想的指标，通常需采用选择性絮凝—阴离子反浮选工艺处理[4-5]。其中，阴离子捕收剂大多为羧酸类药剂，对水质较敏感，矿浆中的Ca2+、Mg2+会与羧酸类捕收剂发生沉淀反应，影响药剂的作用效果，增大捕收剂的用量[6]。美国某选厂的生产实践表明：当水中Ca2+、Mg2+含量高于5～10 mg/L时，高分子絮凝脱泥的指标显著下降。我国南北跨度大，不同地区水质区别较大，以水中Ca2+浓度为例，由南向北逐渐升高，北方硬水会对浮选指标产生较大影响。因此，开展Ca2+、Mg2+对细粒赤铁矿石絮凝行为的影响研究很有意义。

1 试样和药剂

1.1 试 样

试样为武钢工业港的巴西赤铁矿石，密度为4.1 g/cm3，全铁品位为64.22%，试样粒度分布见表1。

表1 试样粒度分析结果Table 1 Particle size distribution of the sample

1.2 试验药剂

试验用水为去离子水；NaOH为分析纯试剂，由天津市风船化学试剂科技有限公司生产，为pH调整剂，试验时配制成浓度为1 mol/L的溶液使用；Na2CO3为分析纯试剂，由上海虹光化工厂生产，为pH调整剂，试验时配制成浓度为1 mol/L的溶液使用；CaCl2为分析纯试剂，由天津市博迪化工有限公司生产，为Ca2+添加剂，试验时配制成浓度为0.1 mol/L的溶液使用。MgCl2为分析纯试剂，由天津市东丽区天大化学试剂厂生产，为Mg2+添加剂，试验时配制成浓度为 0.1 mol/L的溶液使用。浓度为0.3%的玉米淀粉，食品级，购自广西横县嘉辉工贸有限公司，为絮凝剂。

2 试验方法

准确称取20 g赤铁矿样于烧杯中，加200 mL含一定浓度Ca2+、Mg2+的水。将烧杯置于搅拌器上，以600 r/min转速搅拌10 min。将搅拌好的矿浆迅速转移到250 mL沉降瓶中，调节pH后加入200 g/t的絮凝剂玉米淀粉，再加水至250 mL。塞紧瓶塞，上下颠倒15次摇匀。将沉降瓶静置于桌面0.5 min，然后抽出上部矿浆，对瓶中剩余的30 mL矿浆过滤、烘干、称重，并计算赤铁矿的沉降率。水的硬度分类标准见表2[7]，3大类试验用水的Ca2+、Mg2+浓度见表3。

表2 水的硬度分类标准Table 2 Classification standard for water hardness

3 试验结果及讨论

3.1 Ca2+对细粒赤铁矿絮凝行为的影响

在室温(20 ℃)下分别以Na2CO3、NaOH作调整剂考察Ca2+在不同pH、不同浓度下对试样絮凝行为的影响，结果见图1、图2。

图1 Na2CO3作调整剂时，pH和Ca2+浓度对赤铁矿絮凝的影响Fig.1 Effects of pH and Ca2+ concentration on flocculation of hematite during Na2CO3 as regulator■—0 mmol/L；●—0.71 mmol/L；▲—1.42 mmol/L；▼—2.84 mmol/L；◀—5.68 mmol/L

图2 NaOH作调整剂，pH和Ca2+浓度 对赤铁矿絮凝的影响Fig.2 Effects of pH and Ca2+ concentration on flocculation of hematite during NaOH as regulator■—0 mmol/L；●—0.71 mmol/L；▲—1.42 mmol/L；▼—2.84 mmol/L；◀—5.68 mmol/L

由图2可知：以NaOH为pH调整剂，在无Ca2+存在的情况下，随着矿浆pH值的上升，细粒赤铁矿絮凝行为逐渐减弱；矿浆中加入Ca2+促进了细粒赤铁矿的絮凝行为，Ca2+浓度的增加、矿浆pH值的增大，赤铁矿的絮凝效果增强。

悬浮液中由加入高分子絮凝剂引发的絮凝通常有3种作用机理,即架桥作用、电中和作用和疏水化作用机理[8]。试验中絮凝剂玉米淀粉能在赤铁矿表面产生化学吸附，在架桥作用下，细粒赤铁矿颗粒相互絮团成大颗粒沉降，而脉石矿物保持悬浮[9]。

结合图1、图2可以看出：在Ca2+浓度和pH值相同情况下，NaOH比Na2CO3能更好地促进细粒赤铁矿的絮凝。

3.2 Mg2+对细粒赤铁矿絮凝行为的影响

在室温(20 ℃)下分别以Na2CO3、NaOH作调整剂考察Mg2+在不同pH、不同浓度下对试样选择性絮凝行为的影响，结果见图3、图4。

图3 Na2CO3作调整剂时，pH和Mg2+ 浓度对赤铁矿絮凝的影响Fig.3 Effects of pH and Mg2+ concentration on flocculation of hematite during Na2CO3 as regulator■—0 mmol/L；●—0.71 mmol/L；▲—1.42 mmol/L；▼—2.84 mmol/L；◀—5.68 mmol/L

由图3可知，以Na2CO3为pH调整剂，矿浆中加入Mg2+或增大Mg2+浓度，细粒赤铁矿的絮凝行为均增强；当矿浆pH值大于10后，细粒赤铁矿絮凝行为减弱。

图4 NaOH作调整剂，pH和Mg2+浓度 对赤铁矿絮凝的影响Fig.4 Effects of pH and Mg2+ concentration on flocculation of hematite during NaOH as regulator■—0 mmol/L；●—0.71 mmol/L；▲—1.42 mmol/L；▼—2.84 mmol/L；◀—5.68 mmol/L

由图4可知，以NaOH为pH调整剂情况下，Mg2+具有促进矿浆中细粒赤铁矿絮凝的效果，且随着Mg2+浓度的增大，赤铁矿的絮凝行为增强；在有Mg2+的矿浆中，随着矿浆pH值的上升，细粒赤铁矿絮凝行为逐渐增强。

结合图3、图4可以看出：在Mg2+浓度和pH值相同情况下，在近中性或弱碱性矿浆中絮凝剂对细粒赤铁矿絮凝行为的影响相似，在中强碱性矿浆中NaOH比Na2CO3能更好地促进细粒赤铁矿的絮凝。

3.3 Ca2++Mg2+对细粒赤铁矿絮凝行为的影响

在室温(20 ℃)下分别以Na2CO3、NaOH作调整剂考察Ca2++Mg2+在不同pH、不同浓度下对试样絮凝行为的影响，结果见图5、图6。

图5 Na2CO3作调整剂时，pH和Ca2++ Mg2+浓度对赤铁矿絮凝的影响Fig.5 Effects of pH and Ca2++Mg2+ concentration on flocculation of hematite during Na2CO3 as regulator■—0 mmol/L；●—0.355+0.355 mmol/L；▲—0.71+0.71 mmol/L；▼—1.42+1.42 mmol/L；◀—2.84+2.84 mmol/L

由图5可知，以Na2CO3为pH调整剂，矿浆中添加Ca2++Mg2+能促进细粒赤铁矿的絮凝；随着矿浆pH值的升高，矿浆中Ca2++Mg2+浓度为0.355+0.355 mmol/L 或0.71+0.71 mmol/L时，细粒赤铁矿絮凝行为逐渐增强；矿浆中Ca2++Mg2+浓度在1.42+1.42 mmol/L或2.84+2.84 mmol/L时，Ca2++Mg2+对细粒赤铁矿絮凝行为的促进作用先逐渐加强后减弱。

由图6可知：以NaOH为pH调整剂，矿浆中Ca2++Mg2+能促进细粒赤铁矿的絮凝；随着矿浆中Ca2++Mg2+浓度的上升，赤铁矿絮凝行为逐渐增强；随着矿浆pH值的升高，矿浆中Ca2++Mg2+对细粒赤铁矿絮凝行为的促进作用逐渐增强。

4 结 论

(1)矿浆中Ca2+能促进细粒赤铁矿的絮凝，在矿浆pH不太高的情况下，随着Ca2+浓度的增大，促进效果增强；以Na2CO3为调整剂，在Ca2+浓度不太大的情况下，随着矿浆pH升高，对细粒赤铁矿絮凝行为的促进效果增强；以NaOH为调整剂，随着矿浆pH升高，对细粒赤铁矿絮凝行为的促进效果增强。

(2)矿浆中Mg2+能促进细粒赤铁矿的絮凝，随着Mg2+浓度的增大，促进效果增强；随着矿浆pH升高，调整剂为Na2CO3时，Mg2+对细粒赤铁矿絮凝行为的促进作用先增强后减弱；调整剂为NaOH时，Mg2+对细粒赤铁矿絮凝行为的促进作用逐渐增强。

(3)矿浆中添加Ca2+与添加Mg2+相比，同等水硬度下，Ca2+对细粒赤铁矿絮凝行为的促进作用优于Mg2+。

(4)相同水硬度、相同pH值的矿浆中，以NaOH作调整剂情况下细粒赤铁矿絮凝沉降率普遍高于以Na2CO3作调整剂的情况下。

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