表面活性剂对赤铁矿精矿助滤试验研究

邹昀， 张芹， 郭贞强

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

我国铁矿资源储量丰富，2017年查明其总量达848亿t，名列世界铁矿资源储量第四。其中富矿占比仅1.2%左右，约98%的铁矿资源为贫矿，平均品位仅有31%。共伴生、低品位、复杂的嵌布关系是造成铁矿资源利用困难的因素[1-2]。随着工业开采程度的不断加深，传统的重磁选矿工艺难以达到生产要求，浮选成为当前铁矿资源选矿重要工艺。为了实现有用矿物的回收，提升精矿品位，往往会大量使用选矿药剂，从而给后续过滤脱水工艺带来了一定困扰。主要表现在药剂用量增大导致的矿浆发黏，并伴随有泡沫生成。这使得精矿滤饼比阻增大，过滤速度减慢，滤饼含水率增加[3]。而添加助滤药剂的方法则可以避免对已有浓密生产工艺和生产设备进行调整或改动，是一种便捷且有效的解决方法[4]。目前针对助滤药剂直接作用于矿浆，并以此来改善过滤效果的试验研究已经比较成熟，而对矿浆中存在残余选矿药剂时，助滤药剂能否改善过滤效果等问题的研究较为少见。油酸钠作为赤铁矿的有效捕收剂，已广泛应用在工业生产中。此次试验主要研究了在捕收剂油酸钠存在的体系中，五种表面活性剂型助滤剂对赤铁矿精矿的助滤效果。

1 试样与药剂

1.1 试样

此次试验的赤铁矿试样为武钢工业港巴西某赤铁矿精矿，密度为4.15 g/cm3，其中各元素成分及含量占比见表1，原矿经行星磨磨碎，试验试样粒度分析结果见表2。

表2 原矿的粒度分布

1.2 试验药剂

试验用油酸钠(C18H33O2Na)为分析纯试剂，由天津市光复精细化工研究所生产，配置质量浓度为0.8%。助滤剂药剂有：十二烷基磺酸钠(SDS)为化学纯试剂，由国药集团化学试剂有限公司生产；十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为分析纯试剂，由国药集团化学试剂有限公司生产；辛基酚聚氧乙烯醚-10(OP-10)为化学纯试剂，由上海山浦化工有限公司生产；丁二酸二异辛酯磺酸钠(OT)，由萨恩化学技术有限公司生产；十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为分析纯试剂，由国药集团化学试剂有限公司生产；pH调整剂H2SO4、NaOH为分析纯试剂，由国药集团化学试剂有限公司生产。

2 试验方法

称取25 g试样于100 mL烧杯中，加入体系药剂及去离子水定容至50 mL，调整搅拌器转速为350 r/min，搅拌5 min，随后加入不同助滤剂，并在转速350 r/min下搅拌3 min。将已润湿的滤纸置于φ60 mm的布氏漏斗中，并调节过滤试验装置阀门，控制真空压稳定在0.06 MPa。后将搅拌好的矿浆倒入漏斗内，记录每5 mL滤液体积V的累积时间t，并对试验结果进行计算。对过滤效果的考察分别为滤饼比阻和含水率，其中滤饼比阻越大，表明过滤阻力越大，则过滤速度就越小。待漏斗下方10 s内无滤液滴落，停止抽滤并测量滤饼含水率[5]。考虑到实验室温度、湿度以及试验过程中存在的人工操作差异，试验阶段控制含水率误差在±0.5%以内较为稳定。

滤饼比阻计算公式[6-7]：

(1)

式中：α表示t/V值与V值呈直线关系的斜率；A表示布氏漏斗过滤面积；ΔP表示过滤压力；μ表示滤液黏度；C表示干物质量与抽滤液质量之比。

滤饼含水率计算公式[8-9]：

η=(W1-W2)/W1×100%

(2)

式中：W1表示湿滤饼质量；W2表示干滤饼质量。

3 试验结果及讨论

3.1 油酸钠用量对赤铁矿精矿过滤效果的影响

脂肪酸类捕收剂常用来进行氧化矿物浮选，常用的捕收剂主要为油酸及其衍生物。油酸钠作为赤铁矿正浮选捕收剂，其药方简单，成本较低。然而实际生产中往往需要进行多次精选以达到合格精矿，导致药剂用量增大，泡沫发黏，对过滤脱水造成影响，使得滤饼水分升高[10]。该试验是在室温20 ℃、矿浆pH=6.8条件下进行的油酸钠用量试验，试验结果见图2。

图2 油酸钠用量对赤铁矿精矿滤饼比阻和含水率的影响

分析图2可知，随着油酸钠用量的增加，滤饼比阻由未添加油酸钠开始，先降低随后趋于稳定，当用量达到3 200 g/t时滤饼比阻突增，当用量达到3 400 g/t时，抽滤过程已经难以继续进行。而随着油酸钠用量的增加，滤饼含水率先降低，然后持续增加。在油酸钠用量达3 400 g/t时，由于抽滤过程难以正常进行，含水率达到最大。因此在后续试验中，设定油酸钠体系药剂用量为3 200 g/t，并考察各助滤剂药剂在此条件下对赤铁矿精矿的助滤效果。相较于常规赤铁矿浮选试验，此次助滤试验由于矿样粒度较细，比表面积较大，且考察对象为滤饼比阻和含水率，因此所添加的油酸钠用量也较常规浮选试验更大。

滤饼比阻和含水率在添加药剂后降低，可能是因为油酸钠属于表面活性剂型药剂，添加至矿浆中降低了气—液界面张力，且吸附于矿物颗粒表面，使得颗粒接触角增加。从而使颗粒间的毛细水更易于排出，过滤速度加快，降低滤饼比阻，同时也降低了含水率。随后滤饼比阻和含水率的增加则可能是因为随着油酸钠用量的增大，自身形成胶团，使颗粒表面亲水性增强，滤饼含水率增加。

3.2 不同助滤剂用量对赤铁矿精矿过滤效果的影响

表面活性剂型药剂的使用，具有一定的最佳用量范围。用量过低导致助滤效果不明显，用量过高可能会导致滤饼含水率的增加。试验所使用的助滤剂药剂(见1.2试验药剂)SDS、SDBS、OT、CTAB和OP-10均配置为质量浓度0.1%溶液使用，试验是在室温20 ℃，矿浆pH=6.8，油酸钠体系药剂用量3 200 g/t条件下进行的不同助滤剂用量试验，试验结果见图3、图4。

图3 不同助滤剂用量对赤铁矿精矿滤饼比阻的影响

图4 不同助滤剂用量对赤铁矿精矿含水率的影响

分析图3、图4可知，使用助滤剂后，滤饼比阻以及含水率相较于未使用助滤剂时有了不同程度的降低。且随着助滤剂用量的增加，滤饼比阻均有所下降，随后呈现出较为稳定趋势。可能是由于矿浆中加入助滤剂后，溶液表面张力降低，毛细管压力降低，过滤速度加快，滤液易于脱除。滤饼含水率则是先降低后增加或呈小幅度增长趋势。可能的原因是随着助滤剂用量继续加大，表面活性剂型自身形成胶团，将原本疏水的颗粒表面又变为亲水，导致含水量增加[11]。五种助滤剂降低滤饼比阻效果强弱排序依次为：CTAB、OP-10、SDBS、SDS、OT。五种助滤剂降低含水率排序依次为SDS、CTAB、OP-10、OT、SDBS，比未添加助滤剂时分别降低了3.93%、3.17%、3.10%、2.54%、2.11%。综合滤饼比阻以及含水率考虑，分别选择各助滤剂较适宜用量分别为：SDS为40 g/t、SDBS为40 g/t、OP-10为40 g/t、CTAB为80 g/t、OT为20 g/t。后续试验均使用此用量进行。

3.3 不同助滤剂浓度对赤铁矿精矿过滤效果的影响

浓度对助滤剂使用效果的影响主要体现在表面活性剂溶液的某些性质会随药剂浓度的改变而发生突变[12]。考虑到实际生产中药剂的配送与添加，确定了较适宜的药剂用量后，所配制的药剂浓度越高则越能节省储存空间，有利于实际生产。该试验是在室温20 ℃，矿浆pH=6.8，油酸钠体系药剂用量3 200 g/t，助滤剂最佳用量分别为：SDS为40 g/t、SDBS为40 g/t、OP-10为40 g/t、CTAB为80 g/t、OT为20 g/t条件下进行的不同助滤剂质量浓度试验，试验结果见图5，图6。

图5 不同助滤剂浓度对赤铁矿精矿滤饼比阻的影响

图6 不同助滤剂浓度对赤铁矿精矿含水率的影响

分析图5、图6可知，随着助滤剂浓度的增加，各助滤剂对滤饼比阻的影响为先降低随后上升并随浓度的增加分别呈现小幅度上涨或下降趋势。含水率则随着浓度的增加先降低然后升高并趋于稳定。此时溶液表面张力降低，颗粒接触角增大，疏水性增强。而当助滤剂浓度在溶液中超过其临界胶束浓度后，颗粒表面形成双层或多层分子吸附，导致表面亲水性增强，从而影响滤饼比阻和含水率。

3.4 不同pH下各助滤剂对赤铁矿精矿过滤效果的影响

矿浆pH对表面活性剂型助滤剂助滤效果的影响主要体现在其对矿物颗粒表面电位的改变。该试验是在室温20 ℃、油酸钠体系药剂用量3 200 g/t条件下进行的不同矿浆pH试验，助滤剂最佳用量分别为：SDS为40 g/t、SDBS为40 g/t、OP-10为40 g/t、CTAB为80 g/t、OT为20 g/t，助滤剂浓度均为0.1%。试验结果见图7、图8。

图7 不同pH对赤铁矿精矿滤饼比阻的影响

图8 不同pH对赤铁矿精矿含水率的影响

分析图7、图8可知，相较于体系空白组添加助滤剂后，滤饼比阻以及含水率皆有不同程度的降低。整体上看，随着pH由低至高增加，滤饼比阻呈现先增加，pH在4～10时较为稳定，后继续上升趋势。空白组含水率在强酸和强碱性条件下分别达到最小和最大值。可能的原因是，在强酸性条件下，油酸钠使得赤铁矿表面电位绝对值接近零，颗粒分散性减弱，增大了过滤速度，同时也降低了滤饼比阻。在强碱性条件下，油酸钠增加了赤铁矿表面电位的绝对值，增强了矿粒的分散性，导致过滤速度减慢，滤饼比阻增加[13]。赤铁矿浮选通常为碱性环境，pH在8～10时，五种助滤剂均能降低滤饼比阻以及含水率。表面活性剂型助滤剂主要起到降低溶液表面张力，增大接触角的作用，而对滤饼结构和孔隙度的影响较小，因而在不同pH矿浆条件下，其对滤饼比阻的影响能力有限。而对于滤饼含水率的影响随pH的变化不大，可能的原因是助滤剂在颗粒表面已达吸附饱和，对含水率的影响主要由降低溶液表面张力得以体现。

3.5 不同温度下各助滤剂对赤铁矿精矿过滤效果的影响

温度对过滤过程的影响主要体现在对矿浆黏度的影响，矿浆黏度的改变影响了固液分离效率，同时对滤饼比阻也会造成一定影响。此外，表面活性剂型药剂溶液受温度的影响，其在界面上的吸附作用也会受到影响，从而对过滤效果产生影响。该试验是在矿浆pH=6.8，油酸钠体系药剂用量3 200 g/t条件下进行的不同矿浆温度试验，助滤剂最佳用量分别为：SDS为40 g/t、SDBS为40 g/t、OP-10为40 g/t、CTAB为80 g/t、OT为20 g/t，助滤剂浓度均为0.1%。试验结果见图9、图10。

图1 真空过滤试验装置示意图

分析图9、图10可知，随温度的升高，滤饼比阻均呈现下降趋势。相较空白组试验，添加助滤剂后，滤饼比阻有了不同程度的降低。而随着温度的上升，空白组、SDBS、SDS和CTAB组的含水率均呈现上升趋势，OT组的含水率上下波动幅度在0.3%左右，低于可控误差0.5%，较为稳定。OP-10组的含水率则呈现下降趋势。原因可能是随温度的升高，滤液黏度降低，加快了过滤速度且降低了滤饼比阻。然而温度升高，油酸钠在界面的吸附量增加，矿粒表面形成双分子层或多分子层吸附，使得极性基伸向溶液。而-COO-对水偶极子具有诱导作用和定向作用，导致滤饼含水率增高。OP-10分子[14]由于含有10个活性基团C2H4O-，与矿粒接触概率增大，吸附量增多，可能减少了油酸钠在矿粒表面的吸附，从而降低含水率。OT分子[15]由于含有两个非极性基，且每个非极性基都含有支链，其破坏水化膜能力较强，但由于其吸附量有限，对颗粒表面吸附的油酸钠层的干扰较小，因此对含水率的影响并不显著。

图9 不同温度对赤铁矿精矿滤饼比阻的影响

图10 不同温度对赤铁矿精矿含水率的影响

4 结论

(1)油酸钠随着其用量的增加，赤铁矿精矿滤饼比阻和滤饼含水率也随之增加。

(2)五种助滤剂在一定用量范围内均可降低滤饼比阻和含水率，而随着用量的增加，对赤铁矿精矿比阻的影响效果较小。而随着用量的增大，滤饼含水率呈先降低后升高趋势。其中CTAB对滤饼比阻降低效果最好；SDS对降低含水率效果最好，可降低3.93%。

(3)五种助滤剂在一定浓度范围内均可降低滤饼比阻和含水率，而随着其浓度的增加，滤饼比阻先降低后升高，随后呈现缓慢升高或降低趋势。滤饼含水率随药剂浓度的增加，呈现先下降后上升趋势。随药剂浓度继续增大，部分药剂使得含水率趋于稳定。

(4)五种助滤剂在不同pH范围内均可降低滤饼比阻和含水率，对滤饼比阻的影响随pH增大呈现先上升随后变化较小，并在强碱性条件下继续上升趋势。对滤饼含水率的影响仅在强酸性或强碱性条件下出现不同程度增长或下降，整体表现较为稳定。

(5)五种助滤剂在不同温度范围内均可降低滤饼比阻和含水率，对滤饼比阻的影响均随温度的升高而降低。SDS、SDBS、CTAB随温度的升高导致滤饼含水率升高。OT在不同温度下，对含水率的影响不大。OP-10随温度的升高滤饼含水率降低。