胺类捕收剂对铝硅矿物反浮选脱硅试验

苏欢欢,程 敢,马俊伟,张建强

(1.中铝郑州有色金属研究院有限公司,河南 郑州 450041;2.国家铝冶炼工程技术研究中心,河南 郑州 450041;3.河南理工大学 化学化工学院,河南 焦作 454003)

中国铝土矿储量丰富,但是硅高、铝硅比低的特点使得氧化铝工业生产成本高、产品质量差[1],为了氧化铝工业的健康、持续发展,对铝土矿进行经济合理的脱硅成为当务之急[2-4]。目前广泛采用浮选脱硅的方法脱除其中的硅酸盐脉石矿物,其中,根据浮少抑多的原则,反浮选脱硅更具有发展前景[5-6]。

铝土矿反浮选脱硅捕收剂可分为阴离子和阳离子捕收剂两类。阴离子捕收剂如脂肪酸盐进行反浮选脱硅时,一般还需要加入金属离子活化剂,药剂制度复杂,并且脱硅结果并不理想[7-8]。阳离子捕收剂较阴离子而言药剂制度简单,药剂种类少,无需再添加活化剂,药剂消耗低,脱硅效果好。阳离子捕收剂一般为胺类捕收剂,胺类捕收剂是浮选氧化矿和硅酸盐矿物的较好捕收剂。在铁矿反浮选中烷基胺作捕收剂早已得到工业应用[9],用烷基胺浮选石英等硅酸盐矿物[10]和萤石盐类矿物[11]的研究也已有较为详细的报导,而胺类捕收剂浮选层状铝硅酸盐矿物如高岭石、叶蜡石等的研究报导却很少。我国铝土矿中的主要含硅脉石矿物为高岭石、叶蜡石等铝硅酸盐矿物[12],因此研究铝硅矿物的浮选行为对用浮选一拜耳法生产氧化铝具有重要的意义。本文主要研究了胺类反浮选脱硅捕收剂对铝土矿、高岭石和叶腊石的浮选行为规律及作用机理。

1 试 验

1.1 试样及性质

试验中采用的实际矿物为河南铝土矿,用到的单矿物为叶腊石,来自河南郏县,矿物样品纯度较高,基本上达到了纯矿物研究的要求,矿样的化学成份分析结果示于表1中,铝土矿矿样的物相组成如表2所示。

表1 铝土矿矿物化学成分分析结果 %

由表1可知,河南矿的Al2O3含量为57.22%,铝硅比为3.5。从表2中可以看出,河南铝土矿的主体矿物是一水硬铝石,含有叶腊石等铝硅酸盐矿物。研究铝土矿浮选脱硅,主要是研究一水硬铝石与叶蜡石、高岭石等的浮选分离。

表2 铝土矿矿物的物相组成分析结果 %

1.2 试剂与仪器设备

试验所用捕收剂有十二胺、十二烷基三甲基氯化铵(1231)、N-[3-(二甲氨基)丙基]月桂酰胺(NSC86167)、十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)、及实验室合成药剂C401,利用铝土矿和单矿物作为试验原料,进行实验室浮选脱硅试验。试验用主要仪器见表3。

表3 试验用主要仪器

1.3 研究方法

(1)实际矿石浮选试验

实际矿石的小型浮选试验在1.5 L的浮选槽内进行,经过浮选后,泡沫产品和槽内产品分别过滤烘干称重,送去化验分析铝硅,计算产率。

(2)单矿物浮选试验

浮选试验在XFG型挂槽式浮选机上进行,主轴转速为 1650 r/min。试验时,称取3 g矿物放入40 mL浮选槽中,加入一定量(25～30 mL)蒸馏水,搅拌调浆1 min;再加入调整剂作用3 min,然后加入捕收剂,搅拌3 min,浮选5 min。浮选过程中收集泡沫产品,将泡沫产品和槽内产品分别烘干称重并计算回收率。

2 结果与讨论

2.1 铝土矿浮选脱硅试验

2.1.1 磨矿细度条件试验

选择500 g铝土矿矿样进行磨矿,固定一定的pH值,控制试验矿浆温度在30 ℃,以1231作为捕收剂,用量固定为250 g/t(对原矿),研究磨矿细度对铝土矿浮选脱硅的影响,试验流程见图1,试验结果见表4。

图1 浮选试验流程图

浮选脱硅需要选择合适的入选粒度,由表4可以看出,在所考察的磨矿细度条件下,磨矿细度-0.074 mm占比75%时,铝精矿的铝硅比较高,硅品位较低,另外考虑到铝土矿的磨矿性质,磨矿细度越小,磨矿能耗越大,因此针对浮选脱硅认为最佳磨矿细度为-0.074 mm占比75%。

表4 不同磨矿细度条件下的铝土矿试样浮选试验结果

2.1.2 捕收剂的筛选

固定磨矿细度为-0.074 mm占比75%,控制试验矿浆温度在30度,试验pH值为5.5,进行分段浮选脱硅试验,试验流程如图2所示,最终确定了各阳离子捕收剂的最佳用量(对原矿),并筛选出浮选指标优良的捕收剂,进行后续的条件试验,各药剂最佳用量下浮选试验结果见表5。

图2 分段浮选脱硅试验流程图

分析表5可知,针对A/S较低的河南铝土矿反浮选脱硅,十二胺与NSC86167的捕收能力较强,选择性较差。其中季铵盐捕收剂1227与1231浮选脱硅的精矿产率较高,并且精矿铝回收率达到75%以上,同时考虑精矿A/S增幅大小,浮选效果较好的是1227,1227含有一个苯环,一个苯环相当于2～3个碳原子,则1227相当于烃链碳原子数十四～十五烷基的季铵盐。选择烃链碳原子数较少的1231作捕收剂,进行后续的条件试验。

表5 不同捕收剂对河南铝土矿浮选脱硅的试验结果

2.1.3 浮选矿浆pH条件试验

矿浆的pH值影响矿粒表面的电性,其次,矿浆的pH值影响捕收剂捕收性的强弱[13]。所以,对于某种矿物而言,在其它条件一定时,都存在着一个比较适宜的pH值,只有在该pH值下进行浮选,才能取得较好的选别指标。

由表6可知,随着试验pH值的增加,药剂用量也在逐渐增大。当pH值较低时,药剂用量最少,而pH越低,酸性越强,腐蚀设备,所以pH值也不能选择过低,也不能过高,否则会减弱捕收剂的捕收性,增大药剂用量,另一方面影响矿粒表面的电性。综合考虑精矿的铝硅比与产率,选择pH值为5.5时较为适宜;同时考虑理论上一水硬铝石与铝硅酸盐矿物的零电点差异,一水硬铝石和铝硅酸盐矿物表面所带电荷电性相反时,即铝硅酸盐矿物表面带负电,易于同阳离子捕收剂作用而上浮,因此选择合适的试验pH值为5.5。

表6 不同pH条件下的浮选脱硅试验结果

以C401作为捕收剂,河南铝土矿作为试验原料,磨矿细度为-0.074 mm占比75%条件下在进行分段浮选试验,试验流程见图2,试验结果如表7所示。

表7可知,与1227、1231相比,C401的药剂所需用量最少,同时观察各精矿的产率与铝硅比增加可知,C401的浮选效果较好。

表7 C401的浮选脱硅试验结果

2.2 单矿物试验

首先选择十二胺、十二烷基三甲基氯化铵(1231)、十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)作为捕收剂,单矿物叶腊石作为试验原料,固定捕收剂浓度为3.5x10-4mol/L,研究pH值与捕收剂浓度对叶腊石浮选回收率的影响,结果如图3所示。

图3 pH和捕收剂浓度对叶腊石单矿物浮选回收率的影响

由图3(a)浮选结果可知,叶腊石的浮选回收率随pH值的升高而下降,以十二胺与季铵盐作捕收剂时,均能获得较好的浮选结果。

胺类药剂与硅质矿物表面的相互作用,大多数情况下主要是由于阳离子与矿物表面的双电层通过静电作用而吸附在一起。层状硅酸盐矿物在酸性溶液中,由于端面与层面荷电相反,静电作用相互吸引,两面发生凝聚而可浮性好;而在碱性溶液中,层面和端面同时荷负电,因静电作用而相互排斥,矿物充分分散,可浮性变差[14]。

然后利用合成的新型季铵盐药剂C401,通过叶腊石与高岭石的单矿物浮选试验,对新型季铵盐阳离子捕收剂的浮选性能进行研究,并与现有药剂进行对比,目的是为了考察合成的新型季铵盐药剂用于矿物浮选领域的可行性。在不调节pH值(pH=6),25 ℃条件下,进行单矿物浮选试验,试验结果如图3(b)所示。

从图3(b)可以看出,C401药剂对于叶腊石的捕收能力比现有的一些捕收剂的浮选效果要强。各药剂对叶腊石的捕收能力强弱顺序为:C401>1227>1231>十二胺。

叶蜡石是三层型层状硅酸盐矿物,由硅氧四面体/氢氧化铝八面体/硅氧四面体三层组成,单元层与层之间由较弱的范德华力连结在一起,矿物破碎磨细时,沿层间断裂,表面残余键以范德华力为主,表面疏水性好,可浮性好[15]。

3 红外光谱分析

叶腊石分别与1231、1227和C401作用前后的红外光谱如图4所示。

由图4可以看出,铝硅酸盐矿物的明显特征吸收峰主要是O-H键的对称伸缩振动吸收峰,3673.757cm-1为叶腊石结构单元层四面体片与八面体片结合面上O-H伸缩振动吸收峰;在1114.98 cm-1、1006 cm-1为Si-O的伸缩振动吸收峰,937.23 cm-1为Al-OH伸缩振动吸收峰,789.60 cm-1、753.88 cm-1、796.85 cm-1为Si-O、Si-Si、Si-Al振动吸收峰,536.05 cm-1、467.24 cm-1、430.05 cm-1为Si-O弯曲振动吸收峰。各捕收剂与叶蜡石作用后的红外谱图中,矿物的特征吸收峰都基本上无变化,图谱只在3000～2800 cm-1处出现了甲基和亚甲基的伸缩振动吸收峰,而其它峰没有发生变化,说明季铵盐在叶蜡石表面的吸附作用为物理吸附。

图4 叶蜡石与季铵盐作用前后的红外光谱

4 结论与建议

(1)试验以河南铝土矿为试验原料,利用现有的4种反浮选脱硅捕收剂及实验室合成药剂C401对其进行反浮选脱硅试验,研究了不同的反浮选脱硅捕收剂对铝土矿的浮选脱硅特点。季铵盐类捕收剂1227与C401的浮选效果较好。而酰胺类捕收剂,N-[3-(二甲氨基)丙基]月桂酰胺的用量较少,捕收能力较强。因此,对下一步合成具有强捕收性与选择性的捕收剂有一定的指导意义,例如可以在季铵盐中引入酰胺基等。

(2)季铵盐捕收剂对河南铝土矿反浮选脱硅的适宜条件为:磨矿细度为-0.074 mm占比75%,试验pH值为5.5,在此条件下,当C401药剂用量为150 g/t时,可以获得产率为77.82%,铝硅比为3.97,氧化铝回收率为80.28%的精矿。

(3)各捕收剂对叶腊石的捕收能力强弱顺序为:C401>1227>1231>十二胺,同时也可以看出,随试验pH值的增加,叶腊石浮选回收率逐渐下降。季铵盐在铝硅酸盐矿物叶腊石表面的吸附为物理吸附。

(4)根据浮选实验结果,如果铝土矿中的含硅矿物主要是叶腊石,选用C401有利于叶腊石的浮选,可用于含有叶腊石的铝土矿的反浮选脱硅体系研究。季铵盐在铝硅酸盐矿物叶腊石表面的吸附为物理吸附,即静电吸附作用,而在有效浮选pH值区间内,铝硅酸盐矿物表面呈现负电,因此,应用于铝土矿反浮选,应以阳离子的静电作用能力和供电子活性强的季铵盐为捕收剂的浮选效果最好,同时建议实际矿石的反浮选脱硅宜采用弱酸性条件下进行。