不同磁化处理方式在浮选中的应用现状及作用机理

李凤久 王仁贺 贾清梅 孔亚然

（华北理工大学矿业工程学院）

磁化处理是指利用磁场对非铁磁性流体作用，使物质结构发生改变，通常称之为磁处理技术，使处在磁场中的物质产生特征变化，从而改善生产指标，也有人称为磁化技术或强磁技术［1］。磁化处理在工业、农业、医疗、环境等领域有着广泛的应用，对矿物加工中的重选、浮选、浸出均有影响，磁化处理在浮选过程中有着简化工艺流程，提高分选效率等优点。本文重点从磁化水、磁化矿浆、磁化药剂3个方面，介绍了磁化处理在浮选中的应用，并阐释了磁化处理对浮选过程的影响规律。

1 磁化处理的发展历史及应用现状

磁化处理最初应用于医学，在我国南北朝时期人们饮用磁化水治病，20世纪初G.Durville通过对磁化水的处理治愈伤口。1945年T-Vermeriven发现用水磁化处理可以有效减少锅垢，20世纪60年代初，前苏联科学家通过对磁化水可以减少锅垢这一现象进行研究，发现与水系统的物理化学性质有关［2］。20世纪60—70年代前苏联、日本、美国相关人员对水磁化处理进行系统研究。20世纪80年代以来，磁化技术在医学方面、石油工业有了广泛应用，并取得了良好的效益［3］。近年来，磁化处理在各领域开始广泛应用。工业上王铁军等［4］通过对水泥浆进行磁化，有效提高了水泥石的抗压强度。农业上王晓帆等［5］通过用磁化水与自来水灌溉生菜进行比较，磁化水可以更好的促进植物的净光合作用。杨桂娟等［6］通过自来水和磁化水的对比发现，磁化水有更好的折射率，磁化处理通过破坏水分子的氢键来增强水的活性，从而促进动植物的生长发育。医疗方面郑少波等［7］通过矿泉水和磁化水的比较发现，在磁场强度4 kA/m以下可以有效消灭大肠杆菌。环境方面张春菊等［8］对废水絮凝处理时发现，磁化絮凝相比常规絮凝具有更好的絮凝效果。王怀增等［9］用磁化后的溶液处理-50μm煤样，可有效降低矿井下的粉尘。

我国矿产资源总量丰富，但绝大部分具有“贫、细、杂”的特点，磁化处理在提高矿产资源高效利用方面显得尤为重要。在矿物加工领域的研究人员发现，磁化处理在浮选中不止用于处理水药剂、矿浆，还可对浸出剂及矿物本身磁化。

2 磁化处理在浮选中的应用

磁化处理在浮选上的应用不同于传统意义上的磁浮选机［10］，磁化处理在浮选中是通过对水、药剂、矿浆不同的磁化方式，改变磁化场强、磁化时间来提高选别指标。

2.1 水磁化处理

（1）磁化水可以改善矿物的润湿性和溶液中的含氧量。陈向等［11］在对钽铌矿的浮选过程中发现，磁化水浮选相较于常规水浮选有更好的选别指标，用磁化水进行浮选的矿浆含氧量比常规水有一定的提高，改善了矿物的润湿效果，有利于目的矿物的分选，并且在磁场强度为145 kA/m时，Ta2O5的回收率和品位提升最明显。向军等［12］为提高微细粒赤铁矿的分选效果，在磁场强度为318.47 kA/m时对去离子水磁化处理，通过红外光谱发现磁化水浮选油酸根在赤铁矿表面的吸附性增强，促进Fe3+与OI-的正向进行，提高了赤铁矿的可浮性，并且在赤铁矿浮选过程中磁化水的效果要优于磁化药剂。Klassen［13］对磁化水进行研究，发现溶液中的含氧量增加，pH值发生改变，并且磁化后的水分子结构和润湿性发生改变。

（2）磁化水可以使矿物的表面电位发生改变。邱廷省等［14］对萤石矿进行磁化处理浮选试验时，通过Zeta电位测定未磁化时的石英带负电，磁化水处理后石英局部带正电，从而抑制了Ca2+、Mg2+在石英上的吸附，强化石英的抑制，在减少药剂的情况下可提高萤石与石英的分离。向军等［12］通过磁化处理对微细粒赤铁矿浮选产生的影响进行探究，发现经过磁化处理后的赤铁矿Zeta电位绝对值增大。

（3）磁化水对浮选泡沫特性有影响。付丽珠等［10］对Ni3S2矿物进行浮选试验时发现，高碱度条件下泡沫发黏，将杂质带入上浮，影响精矿回收率。在药剂一定的条件下，通过磁化处理观察浮选泡沫的变化，发现磁化处理后泡沫层高度下降，泡沫变小，泡沫消泡时间变短，提高了精矿回收率。

（4）磁化水的时间对浮选效率有影响。陈向［15］对难选黑钨矿进行浮选研究时，在药剂相同的条件下，通过用130 kA/m的磁场强度对浮选用水进行处理，在16 min时回收率和品位最高，而随着磁化时间的继续延长，回收率和品位也呈线化下降。浮选用水磁化时间过长会对浮选效果起抑制作用。

2.2 矿浆磁化处理

浮选矿浆作为浮选过程的主要场所和重要介质，采用物理、化学方法扩大界面间的性质差异，可实现浮选的高效分选。磁化处理可改变矿浆的pH值、电导率、润湿性差异、矿物的表观粒度等特性。

（1）矿浆的磁化处理使矿浆的电位和电导率发生改变。刘佳［16］通过永磁体对寺河煤矿浮选矿浆进行磁化处理，在洛伦兹力的作用下有利于矿浆内的H+在矿物表面吸附，降低双电层电动电位的绝对值，精煤产率也有提高。李建军等［17］采用淮南新庄孜选煤厂一段溢流的煤泥，通过改变磁场强度和磁场时间对煤泥水进行处理，煤泥水表面Zeta电位由未磁化时的30.5 mV减少到20.3 mV，由于在磁场的作用下，水分子链状结构被破坏，减弱了固体表面的水合作用，Zeta电位的降低促进了煤泥沉降。李艾强等［18］在不同磁场强度下对赤铁矿颗粒矿浆进行磁化处理时发现，磁化矿浆可使赤铁矿颗粒的Zeta电位从-50.765 mV减少到-43.538 mV，增强微细粒赤铁矿的絮凝效果，从而提高浮选指标。

（2）磁化矿浆可以扩大矿物之间的润湿性差异。熊彦权等［19］通过对煤、黄铁矿、煤矸石选别发现，磁化浮选增强了煤的可浮性，使矿物之间的润湿性差异扩大，提高了选别效果。郑光军［20］在煤的选别过程中对浮选矿浆进行磁化处理，提高了矿物的表面润湿性，对煤的上浮率有较好的提升效果。

（3）磁化矿浆使得微细粒矿物表观粒度增大。卢毅屏等［21］对原矿为软锰矿的矿浆进行磁化处理浮选，矿浆的磁化处理可使软锰矿表观粒度变大，通过外加557.32 kA/m的磁场强度对矿浆进行处理，在疏水力和磁吸引力的作用下促进了细粒软锰矿颗粒之间的团聚，使细粒软锰矿表观粒度变大，在较少的油酸钠用量下，有较好的浮选效果。王东辉等［22］在对微细粒赤铁矿反浮选过程中发现，加入磁铁矿后，随着磁铁矿粒度变大，浮选效果的提升逐渐明显，由于磁铁矿对矿浆的磁化使赤铁矿发生磁团聚，磁团聚增加了赤铁矿的表观粒度，并且随着磁铁矿粒度增大，加强了磁化效果，使浮选效果提高。

2.3 药剂磁化处理

浮选药剂在矿物浮选过程中能够对矿物表面性质有选择性的调整，为浮选创造更为有利的条件。浮选药剂通常分为捕收剂、起泡剂和调整剂三大类。当前，针对浮选药剂的处理重点在捕收剂和起泡剂方面。

磁化药剂使药剂对矿物有更好的吸附性。李青青等［23］取5 g CaF2含量99.30%、矿物粒度为0.037～0.178 mm的萤石纯矿物，通过对药剂磁化，发现萤石表面Zeta电位负移，表明萤石表面吸附了更多的油酸根离子，萤石矿物磁化药剂对矿物有更好的吸附性，从而提高目的产物的回收率。

磁化药剂改变溶液的表面张力，增大溶液的溶解度及含氧量。朱巨建等［24］在对赤铁矿可浮性研究时发现，通过对水和药剂分别磁化，磁化药剂对溶液表面张力的影响最为明显，且磁化水和药剂均随着溶液的pH值改变，均在pH值等于8时到达最低点，表面张力变小，赤铁矿上浮率变大。溶液经磁化后削弱了溶剂分子之间的作用力，使油酸在水中的溶解度增大。邱廷省等［25］对黄药的磁化处理增加了黄药的吸光度，增加了溶液中的含氧量，促进了黄药的氧化分解，使自由移动的离子数目增多，溶液的pH值和电导率升高。磁化丁基黄药时，使黄铜矿的回收率提升了3.54个百分点。梁鹏志等［26］测量磁化后的煤油表面张力，发现表面张力降低。

磁化药剂可以提高目的产物的产率和回收率。邱廷省等［27］对铜品位为0.7%的铜冶炼渣，在磨矿细度为-0.074 mm75%、捕收剂为丁基黄药+Z-200、抑制剂为石灰+Na2S的条件下，经1粗2精2扫闭路试验，最终得到的铜回收率为59.82%，磁化浮选铜回收率为62.26%，铜回收率提高了2.44个百分点，铜产率提高了0.17个百分点。何廷树等［28］在低温条件下进行磁化改性煤油浮选试验，发现磁化后的煤油较未磁化的煤油钼回收率提高了2.53个百分点，煤油的磁化改性对浮选效率有一定的促进作用。在煤油磁化后放置1.5 h后，其回收率和品位比放置前只有小幅度降低。

磁化处理不仅可以广泛的应用在浮选中，而且在磁化浸出时也有着较好的表现。陈向等［29］对比沥青铀矿石常规浸出和硫酸磁化浸出发现，磁化浸出铀浸出率提高了8.99个百分点，且不产生污染。陈向等［30］磁化稀硫酸来酸浸钽铌，相对比常规条件下，磁化条件下钽铌酸浸试验（TaNb）2O5品位提高1.69个百分点，回收率提高了2.14个百分点，酸浸时间有效减少，并且减少了稀硫酸的用量。

磁化处理无论是在浮选上，还是在浸出上，都具有能减少药剂、浸出剂用量，且在不产生污染的基础上提高产品品位及回收率等优点。在浮选过程中，有试验表明，磁化药剂的效果要优于磁化水或矿浆；而有的试验恰恰相反，对于不同矿物、不同工艺流程需要的磁化方式也不同。

3 磁化处理在浮选中的机理研究

磁化处理分为磁化水、磁化矿浆和磁化药剂3种磁化处理方式，这3种方式都能在一定程度上改变水溶液的物理性质，如pH值、含氧量、表面张力、矿物颗粒表面的电位、矿物接触角大小等，进而影响药剂在矿物表面的吸附。磁化处理可在一定程度上促进某些矿物的上浮。

3.1 磁化水的机理分析

电磁学中提到，所有的物质都属于磁介质，根据电子是否相互完全抵消磁矩，可把弱磁介质分为顺磁质和抗磁质［31］。纯水属于抗磁介质，但磁化水具有顺磁介质的特性，水中有顺磁杂质和气体会改变水的磁性。目前，对磁化处理水后的变化有以下几种推论［32-33］。

（1）洛伦兹力作用。水是由原子和分子组成，水分子是带负电的，电子围绕原子核旋转运动，当水置于磁场中时必然受到洛伦兹力的影响，由洛伦兹力公式［34］可得磁感应强度与洛伦兹力成正比，在洛伦兹力的作用下正负粒子发生移动，移动过程中发生碰撞产生“离子缔合体”，“离子缔合体”具有较强的稳定性，可以稳定地悬浮在水中。

（2）氢键变形。水受到磁场作用时，分子间的氢键发生弯曲、局部断裂，单个水分子数量变多，单个水分子填补水溶液中的缝隙，晶体生成受到抑制，从而水溶液的性质发生了改变。

（3）极化作用。水进行磁化处理加快了溶液内部的结晶作用，磁场的极化作用影响了盐的结晶组成，使得晶粒体积变小、数量增加。

（4）磁滞效应。水中盐分子、离子由于磁滞效应使其磁耦合能继续保持，进而改变了盐在水中的溶解度、结晶度，阻碍了大晶体的生成。

（5）磁力矩重新取向。药剂的水溶液在磁场中存在时，药剂的部分有机物基团受到磁场作用的影响，会使该部分基团的磁力矩重新取向，改变水的某些性质。

上述几种假设和推断解释了磁化机理，但国内外对于磁化处理的理论还不够完善，仍在假设、论证相互交替阶段。聂百胜等［35］在对煤层注水的研究中发现，对水磁化处理后可以降低水的表面张力，水中的B、Si、Fe、Ca、K等元素的减少可以减少矿井中水对管道的腐蚀。通过分析得出，磁化处理后的水，氢键发生断裂或弯曲，使水分子分解，分子间的吸引力变小，水分子有了较高的活性，更容易吸附在煤体上。林家齐等［36］认为磁场使水分子结构改变的原因是经过磁场处理过的水会使其中的水分子之间的氢键断裂。柯斯莫尔斯基［37］磁场会使水分子的氢键数量减少，影响水分子的结构和在溶液中的反应能力。CHANG等［38］认为磁场会使水分子的氢键数量增多，其原因是在模拟时发现，在一定的磁感应强度下磁感应强度其值越大，水分子结构越稳定。

3.2 磁化矿浆的机理分析

边炳鑫等［39］通过对黄铁矿矿浆磁化处理发现，矿浆的含氧量、Zeta电位和润湿度均有一定程度的改变。矿物润湿过程是表面自由能以热能的形式释放出来的过程，固体和液体间的亲和力越强，过程越容易进行。Zeta电位的变化是因为磁化处理后的矿浆中含有大量的自由离子，矿物表面电动电位降低时可以促进矿物与捕收剂作用。李建军等［17］通过对煤泥水磁化处理，水分子链状结构被破坏，减弱了固体表面的水合作用，从而促进煤泥沉降。李艾强等［18］通过对赤铁矿进行磁化处理后发现，处理后的矿浆降低了赤铁矿颗粒间的双电层排斥力，降低了颗粒间的势能垒，增强了微细粒赤铁矿的絮凝效果，从而强化浮选效果。LIPUS［40］认为，在磁场中的矿粒受洛伦兹力的影响，双电层中的离子发生了改变，导致Zeta电位发生了改变，从而提高了矿物的选别效率。

3.3 磁化药剂机理分析

王秋风等［41］在研究磁化黄药对PbS、ZnS、FeS2浮选的影响时发现，磁化后的药剂比未磁化的药剂有着更高的回收率，药剂磁化可以有效地使目的矿物上浮。磁场处理后的药剂增加了黏度，提高了捕收剂和矿物本身接触的程度。

药剂经过磁化处理后，吸光度、表面张力、pH值、电导率等性质发生变化。周文波、李赛［25］对油酸钠进行磁化处理，在25.6 kA/m的磁感应强度下对油酸钠磁化处理10 min，结果表明，磁化处理后的油酸钠溶液吸光度最多增加0.113，表面张力降低了14.44 mN/m，pH值提高到最大值为8.53，电导率为29.4 us/cm。在一定范围内，磁感应强度的增大会对溶液中的电离水解造成影响。磁化作用使得液态油酸含量增加，从而吸光度降低。磁化电导率的变化是由于磁化使溶液中产生了新的电离平衡，表明磁化使溶液中离子浓度增加，磁化使pH值增大，H+浓度减少，电离平衡向右移，油酸阴离子浓度也随之增加。

前人已对磁化水、矿浆及药剂的影响机理进行了大量研究，但对磁化浮选过程中磁感应强度、磁化时间、磁场梯度、水中杂质等影响因素的研究还不够系统，磁化带来的影响规律还未完全明确，因此仍需在前人的基础上进行验证、探索和总结。

4 结语

磁化处理技术具有无污染、低成本、操作方便等优点，在工业、农业、医疗、环境、等多个领域都得到了广泛应用。磁处理技术与矿物加工技术相结合，可有效强化矿物的回收效果，提高矿产资源的综合利用。通过对不同磁化方式在浮选中的应用和机理分析，说明磁化处理在浮选中有着较高的应用前景，但磁化处理技术影响浮选的机理仍存在争议，磁化设备和工艺还需进一步完善。