湖北某中低品位胶磷矿反浮选脱镁试验研究*

何翔昊,李智力,唐 远,何东升,池汝安,2,秦 芳,涂冉东,李 志

(1.武汉工程大学 资源与安全工程学院,磷资源开发利用教育部工程研究中心,湖北 武汉 430074;2.湖北省三峡实验室,湖北 宜昌 443007)

0 引言

磷矿是一种重要的农业和工业原料,广泛应用于军工、医药、食品等领域[1]。我国磷矿资源丰富,主要分布在云南、贵州、四川、湖北、湖南等地[2]。湖北省的磷矿资源集中分布于宜昌、荆门、襄阳、神农架等地区,以中低品位胶磷矿为主,品位低、嵌布粒度细、开发利用难度大,须经选矿后才可利用[3-4]。浮选是目前选别磷矿最常用的方法[5],常见的浮选工艺有单一正浮选、单一反浮选、正-反浮选、反-正浮选、双反浮选、同步反浮选等[6]。由于我国磷矿中碳酸盐含量较高,而碳酸盐的可浮性与磷灰石相近,故正浮选工艺在工业上应用较少[7]。目前主要通过反浮选来分离磷矿物与碳酸盐等脉石矿物,其中单一反浮选工艺更适合高镁磷矿脱镁,此法的关键在于选择性能优异的脱镁捕收剂或磷矿抑制剂[8-10]。脂肪酸类捕收剂常被用于磷矿反浮选脱镁,但是存在选择性差、耐低温性能弱、药剂消耗大、对矿浆中的杂质离子敏感等缺陷[11]。将脂肪酸复配使用,可以更好地发挥药剂的协同作用,从而提高其选择性、水溶性和分散性[12]。

本文以湖北某中低品位胶磷矿为研究对象,采用自制的脂肪酸类捕收剂HLF进行单一反浮选脱镁试验,探讨该捕收剂对胶磷矿的浮选效果,以期为我国中低品位磷矿的高效利用提供参考。

1 原料性质及试验方法

1.1 矿石性质

本次试验样品取自湖北某地胶磷矿,外观呈乳白色,对原矿进行定量X射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)分析,结果见表1、表2。

表1 原矿多元素分析结果 单位:%

表2 原矿主要矿物组成 单位:%

由表1可知,原矿P2O5品位为19.37%,MgO质量分数为9.90%,SiO2质量分数为10.43%,其他成分含量较低,属于典型的低品位高镁胶磷矿。由表2可知,原矿主要由白云石和氟磷灰石组成,含有少量的石英和方解石。其中主要的脉石矿物为白云石,宜采用单一反浮选脱镁浮选流程。

1.2 试验药剂及仪器设备

试验药剂:自制脂肪酸类药剂(HLF,脂肪酸、脂肪醇类氧化物,阴离子表面活性剂按照一定比例混合得到);油酸钠:分析纯,购自上海麦克林生化科技股份有限公司;磷酸:分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司;硫酸:分析纯,购自西陇化工股份有限公司;试验用水均为实验室级蒸馏水。

主要仪器设备:XFD型单槽浮选机,RK/ZL-φ260/φ200多功能真空过滤机,101-4A电热鼓风干燥箱,电子天平(FA224),XSHF2-3型湿式分样机,φ240×300棒磨机和万用炉。

1.3 试验方法

称取矿样1 000 g,在固液比1∶1条件下磨矿,分样后得到6份样品,将矿浆倒入单槽浮选机预先搅拌2 min后加入pH调整剂,搅拌30 s后加入捕收剂,调浆30 s后充气刮泡3 min。泡沫产品为尾矿,槽内产品为精矿,将精矿和尾矿分别抽滤、烘干、称质量、化验,最后计算产率、P2O5品位、回收率和选矿效率。精矿P2O5回收率计算公式为ε=β×γ/α,选矿效率计算公式为E=(ε-γ)×100%,其中β为精矿P2O5品位,γ为精矿产率,α为原矿P2O5品位[13]。浮选流程见图1。

图1 单一反浮选试验流程

2 试验结果与讨论

2.1 磨矿细度试验

矿物的单体解离是实现目的矿物和脉石矿物有效浮选分离的基本条件,为研究磨矿细度对该磷矿浮选的影响,在捕收剂HLF用量为0.8 kg/t、pH调整剂磷酸用量为16 kg/t的条件下,通过改变磨矿时间、调节磨矿细度进行单一反浮选试验,结果见图2。

图2 不同磨矿细度对浮选指标的影响

由图2可知:精矿品位随着磨矿细度的增加呈上升趋势,在磨矿细度-0.074 mm占70%后上升趋势减缓,基本保持不变;精矿回收率随着磨矿细度的增加呈下降趋势,从90.47%降至85.21%;精矿品位和回收率在磨矿细度-0.074mm占70%时较好,选矿效率在磨矿细度-0.074 mm占70%时达到极大值29.95%。磨矿细度小时,由于有用矿物和脉石矿物未单体解离,导致浮选效率不高。而当磨矿细度大时,过多的细粒级矿物可能会恶化浮选效果,同时增加磨矿成本。综合考虑各项浮选指标,确定最佳磨矿细度为-0.074 mm占70%。

2.2 磷酸用量试验

磷矿单一反浮选脱镁是在矿浆pH为5.0～6.5的弱酸性中进行的,磷酸常作为矿浆pH调整剂和磷矿抑制剂。磷酸能够抑制磷矿物主要是由于磷酸氢根离子对磷灰石表面钙离子的特性吸附,同时碳酸盐在酸性介质中其表面会形成微泡,可以提高浮选时气泡的附着概率[14],有利于磷矿反浮选。为了探究磷酸用量对该矿石反浮选指标的影响,在磨矿细度-0.074 mm占70%、捕收剂HLF用量为0.8 kg/t的条件下进行磷酸用量试验,结果见图3。

图3 磷酸用量对浮选指标的影响

由图3可知:随着磷酸用量的增加,精矿品位呈先升高后下降的趋势,在磷酸用量为12 kg/t时达到最大值28.24%,精矿品位整体超过25%,分选效果较好;精矿回收率呈逐渐升高趋势,选矿效率先升高后趋于平缓。在磷酸用量为18 kg/t时,精矿品位为27.7%,回收率为92.21%,选矿效率为30.78%。磷酸用量小于18 kg/t时,各浮选指标均呈上升趋势,磷酸用量大于18 kg/t时,由于抑制剂用量过大,不仅磷矿物的浮选受到抑制,而且白云石的浮选也会受到抑制,因此精矿品位和选矿效率均有所降低。综合考虑各项浮选指标,确定最佳磷酸用量为18 kg/t。

2.3 捕收剂HLF用量试验

捕收剂的用量对磷矿浮选有着重要影响,用量少时达不到分选效果,用量多时会降低浮选选择性,同时还会造成药剂的浪费。在磨矿细度-0.074 mm占70%、磷酸用量为18 kg/t的条件下考查捕收剂HLF用量对浮选效果的影响,结果见图4。

图4 捕收剂用量对浮选指标的影响

由图4可知:随着捕收剂用量的增加,精矿品位呈先上升后下降的趋势,在捕收剂用量为1.6 kg/t时达到最大值;选矿效率也呈先上升后下降的趋势,回收率整体呈下降趋势。当捕收剂用量为1.6 kg/t时,由于精矿品位和选矿效率均较高(精矿品位为30.64%,选矿效率为33.17%),此时由于捕收剂用量较大,在浮出脉石矿物的同时,部分含磷矿物也被一同浮出而导致回收率相对较低,精矿回收率为81.89%,效果较好。当捕收剂用量小于1.6 kg/t时,精矿品位和选矿效率均呈上升趋势,这是由于随着捕收剂用量的增加,白云石上浮量增加,且增加的趋势大于磷矿物上浮的趋势。当捕收剂用量大于1.6 kg/t时,精矿品位和选矿效率均显著下降,浮选选择性下降。综合考虑各项浮选指标,确定最佳捕收剂HLF用量为1.6 kg/t。

2.4 浮选产品分析

对磨矿细度-0.074 mm占70%、磷酸用量为18 kg/t、捕收剂HLF用量为1.6 kg/t时所得浮选磷精矿进行XRF多元素分析,对所得浮选精矿和尾矿进行扫描电镜能谱分析(SEM-EDS),结果分别见表3、图5。

图5 单一反浮选脱镁浮选产品SEM-EDS分析结果

表3 精矿样品多元素分析结果 单位:%

由表3可知,P2O5品位由原矿的19.37%富集到了30.95%,MgO质量分数由原矿的9.90%降到了1.34%,脱镁率为86.5%,指标较好,说明HLF对氟磷灰石和白云石具有很好的分选效果。

由图5(a)可知:颗粒1的磷含量高,为磷矿物颗粒;颗粒2主要元素为硅,因此为硅质矿物;颗粒3的镁含量高,极有可能是少量未脱除的白云石矿物。由图5(b)可知,颗粒1和颗粒3的镁含量高,为反浮选出来的白云石;颗粒2的磷含量高,是少量被夹带的磷矿物颗粒。从外观上看,胶磷矿和白云石的表面形态不一样,同时,从图5(a)和图5(b)可以看出,胶磷矿表面多孔、不光滑、呈球粒状,而白云石等脉石矿物表面较平坦,多棱角,呈菱面体。因此,结合元素组成和形貌分析可知,单一反浮选精矿中大部分为磷矿物颗粒,脉石矿物含量低,反浮选尾矿中含磷矿物较少,脉石矿物含量高。在最佳的分选条件下,磷灰石和白云石实现了较好的分离。

2.5 抑制剂优化试验

硫酸和磷酸常用作磷矿反浮选pH调整剂和抑制剂,磷酸对于磷矿的抑制效果较硫酸好,硫酸有价格低廉的优势[15]。硫酸和磷矿物表面发生反应,生成磷酸氢根离子,吸附于磷矿表面,阻止捕收剂在磷矿表面的吸附。考虑浮选成本,将浮选所用磷酸替换为硫酸,考查硫酸用量对单一反浮选的影响,结果见图6。

图6 硫酸用量对浮选指标的影响

由图6可知,随着硫酸用量的增加,精矿品位、回收率、选矿效率呈上升趋势,均在20 kg/t时达到最大值,此时精矿品位为30.49%、回收率为84.47%、选矿效率为34.09%。与磷酸用量试验相比,硫酸作pH调整剂时,精矿品位和选矿效率与磷酸作pH调整剂时相差不大,回收率比磷酸作抑制剂时高2.57%。综合考虑浮选指标和经济效益,选择硫酸作为pH调整剂。

2.6 捕收剂对比试验

为了比较自制脂肪酸类捕收剂HLF与传统脂肪酸类捕收剂油酸钠的浮选效果,用油酸钠代替HLF进行捕收剂用量试验,结果见图7。

图7 油酸钠用量对浮选指标的影响

由图7可知:随着油酸钠用量的增加,精矿品位变化趋势不明显,选矿效率变化趋势也不明显,回收率略有下降;当油酸钠用量为2.0 kg/t时,精矿品位为25.87%,回收率为94.27%,选矿效率为25.9%。以HLF为捕收剂时,在最佳条件下精矿品位为30.49%,回收率为84.47%,选矿效率为34.09%。由此可见,以HLF为捕收剂时精矿品位比油酸钠高4.62%,选矿效率高8.19%。捕收剂HLF对氟磷灰石和脉石矿物的分选效果比油酸钠更好,这是由于捕收剂HLF为脂肪酸、脂肪醇类氧化物,阴离子表面活性剂按照一定比例混合得到,脂肪醇类氧化物和阴离子表面活性剂主要起到两个作用:①脂肪醇类氧化物和阴离子表面活性剂与脂肪酸共吸附于白云石表面,增强了白云石表面的疏水性,提高了白云石的可浮性;②脂肪醇类氧化物和阴离子表面活性剂的加入可以调节浮选过程产生的泡沫,使得泡沫性能更适应于白云石矿物的浮选。

3 结论

a.湖北某磷矿原矿P2O5品位为19.37%,MgO质量分数为9.90%。在磨矿细度-0.074 mm占70%、磷酸用量18 kg/t、捕收剂HLF用量1.6 kg/t的条件下,以自制脂肪酸类药剂HLF作为捕收剂,通过一次反浮选脱镁可以得到精矿P2O5品位为30.95%、回收率为81.89%、选矿效率为33.17%、精矿MgO质量分数为1.34%、镁脱除率为86.5%的良好指标。

b.通过对反浮选精矿进行XRF多元素分析、对精尾矿进行扫描电镜能谱分析,发现氟磷灰石与白云石得到了较好的浮选分离,表明HLF是一种良好的胶磷矿脱镁捕收剂。

c.浮选优化试验结果表明,用硫酸替换磷酸作为抑制剂可达到同样的浮选效果,且能降低选矿成本。通过对比HLF和油酸钠单一反浮选脱镁指标,发现HLF相比油酸钠有更为优异的反浮选脱镁性能。