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Interactions between fine and coarse hematite particles in aqueous suspension and their implications for flotation

粗-細赤鐵礦顆粒間的相互作用及其對浮選的影響

本文通過單礦物浮選試驗、光學顯微鏡觀察、EDLVO理論計算、和FBRM分析（聚焦光束反射測量技術）研究了油酸鈉體系下粗-細赤鐵礦顆粒間的相互作用及其對浮選的影響。浮選試驗結(jié)果表明，粗-細赤鐵礦的總浮選回收率并不隨著細粒赤鐵礦含量的增加而單調(diào)減少。當粗粒和細粒赤鐵礦的質(zhì)量近似相等時浮選回收率最高，說明粗-細赤鐵礦顆粒間的相互作用有助于浮選回收率的提高。

光學顯微鏡觀察、EDLVO理論計算、和FBRM分析表明粗-細赤鐵礦顆粒間的團聚趨勢和相互作用能要高于細-細赤鐵礦，其中當粗-細赤鐵礦中粗?；蚣毩５暮窟^高時，粗-細赤鐵礦顆粒間的團聚行為會減弱，這也是出現(xiàn)上述浮選現(xiàn)象的主要原因。

本試驗中粗粒赤鐵礦（-106+45μm）和細粒赤鐵礦（<18μm）的粒度分布如圖1所示，單礦物浮選試驗在Siwek-top浮選管中進行，主要的浮選設備和浮選步驟如圖2所示。

圖1粗粒和細粒赤鐵礦的粒度分布

圖2浮選設備示意圖

圖3粗-細赤鐵礦中細粒赤鐵礦的含量對浮選的影響 (pH 9.0; 油酸鈉用量, 15 mg/L).

細粒赤鐵礦的含量對粗-細赤鐵礦浮選的影響如圖3所示，從圖中可以看出，當粗-細赤鐵礦中微細粒赤鐵礦的質(zhì)量分數(shù)從0增加到0.1時，實際浮選回收率（εF）明顯降低，從95%下降至70%以下；礦漿調(diào)漿過程中的攪拌速度對降低程度也有影響，在高攪拌速度下（600 rpm/min），浮選回收率下降的更加明顯。進一步增加粗-細赤鐵礦中細粒赤鐵礦的質(zhì)量分數(shù)（0.1-0.5），εF反而升高，當細粒赤鐵礦的質(zhì)量分數(shù)為0.5時，εF達到80%以上，之后隨著細粒含量的增加而逐漸降低。由于Siwek-top浮選管的機械夾帶率很低，因此，本試驗中細粒赤鐵礦通過機械夾帶作用提高總浮選回收率可基本忽略，推測粗-細赤鐵礦顆粒間的團聚是總浮選回收率提高的主要原因，而當粗-細赤鐵礦中粗?；蚣毩：窟^高時，粗-細顆粒間的團聚較弱，粗粒的“載體”效果消失。

圖 4 赤鐵礦顆粒懸浮液的光學顯微鏡圖片. (a) 細粒赤鐵礦（pH 9.0; 油酸鈉濃度: 15 mg/L）; (b) 粗-細赤鐵礦（粗粒與細粒的質(zhì)量比為1:1, pH 9.0; 油酸鈉濃度: 15 mg/L）; (c) 細粒赤鐵礦（pH 9.0; 油酸鈉濃度: 30 mg/L）

光學顯微鏡的觀察結(jié)果如圖4所示，圖4 (a)為15 mg/L油酸鈉條件下的細粒赤鐵礦，可以看出只有少量的絮團，大多數(shù)的細粒赤鐵礦呈分散狀態(tài)；將油酸鈉的濃度提高至30 mg/L（圖4 (c)），絮團的數(shù)量明顯增加。圖4 (b)為15 mg/L油酸鈉條件下的粗-細赤鐵礦，大部分的細粒赤鐵礦形成了絮團，因此可以認為粗-細赤鐵礦顆粒能在較低的油酸鈉濃度（15 mg/L）下發(fā)生明顯的團聚，而細粒赤鐵礦則需要更高的濃度（30 mg/L）。

不同粒度赤鐵礦顆粒間的相互作用能VTED如圖5所示，從圖中可以看出相互作用能為負值，當顆粒間的距離小于5nm時，作用能的數(shù)值急劇增加，證明赤鐵礦顆粒間存在明顯的引力勢能；同時，計算結(jié)果表明粗-細粒赤鐵礦間的引力勢能VTED(C-F)大于細粒赤鐵礦間的引力勢能VTED(F-F)，說明在相同的條件下粗-細粒赤鐵礦顆粒間的團聚更容易發(fā)生，這也與光學顯微鏡的觀察結(jié)果基本一致。

圖5不同粒度赤鐵礦顆粒間的相互作用能（粗粒和細粒赤鐵礦的直徑分別取10μm和70μm）

圖 6 礦漿中赤鐵礦顆粒（絮團）的中值弦長（Median chord length）和細粒赤鐵礦的數(shù)量（Counts）隨時間變化的關系曲線（粗細赤鐵礦的質(zhì)量比為1:1; pH 9.0; 攪拌速度, 600 rpm） 

FBRM（Focused beam reflectance measurement）是一種實時在線的顆粒分析技術，采用該技術的Particle Track探頭可在全工藝濃度條件下實現(xiàn)顆粒分析，試驗過程中油酸鈉在180 s處加入礦漿中，試驗結(jié)果如圖6-7所示。

從圖6中可以看出，在油酸鈉加入之前，礦漿中細粒赤鐵礦的數(shù)量（Counts）和赤鐵礦顆粒（絮團）的中值弦長（Median chord length）基本保持穩(wěn)定；在180 s處加入15 mg/L油酸鈉后細粒赤鐵礦的數(shù)量迅速減少，同時礦漿中赤鐵礦顆粒（絮團）的中值弦長迅速增加，當攪拌時間超過240s后兩者基本趨于穩(wěn)定。這表明油酸鈉體系下赤鐵礦顆粒可發(fā)生明顯的團聚現(xiàn)象，且油酸鈉在赤鐵礦表面吸附后產(chǎn)生的疏水力是團聚發(fā)生的主要作用力。

油酸鈉加入前（180s）和油酸鈉加入后（360s）的顆粒粒徑弦長分布（CLD）如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，粗粒赤鐵礦的CLD在油酸鈉加入前后沒有變化，說明在該條件下粗粒赤鐵礦不能發(fā)生團聚。圖7(c)中粗-細赤鐵礦（C:F=1:1）的CLD在油酸鈉加入后發(fā)生了明顯變化，CLD的峰位置由20μm上升至30μm，說明礦漿中發(fā)生了明顯的團聚；而圖7(b)（C:F=9:1）和圖7(d)（C:F=1:9）中CLD的變化則不明顯，說明礦漿中礦粒的粒徑并未明顯增大，團聚較弱。

圖 7 礦漿中赤鐵礦顆粒（絮團）的弦長分布圖(pH 9.0; 攪拌速度, 600 rpm). (a) 粗粒赤鐵礦; (b) 粗粒赤鐵礦:細粒赤鐵礦= 9:1; (c) 粗粒赤鐵礦:細粒赤鐵礦=1:1; (d) 粗粒赤鐵礦:細粒赤鐵礦=1:9.

浮選試驗結(jié)果表明，粗-細赤鐵礦的總浮選回收率并不隨著細粒赤鐵礦含量的增加而單調(diào)減少，其中當粗粒和細粒赤鐵礦的質(zhì)量近似相等時浮選回收率最高。

EDLVO理論計算表明粗-細赤鐵礦顆粒間的相互作用能要高于細粒赤鐵礦間的；光學顯微鏡的觀察結(jié)果表明，與細粒赤鐵礦相比，粗-細赤鐵礦顆粒間的團聚可在較低的油酸鈉濃度下實現(xiàn)，這與EDLVO計算結(jié)果基本一致。FBRM分析結(jié)果表明，當粗-細赤鐵礦中粗粒和細粒的質(zhì)量近似相等時團聚現(xiàn)象最強，而當粗?；蚣毩５暮窟^高時團聚現(xiàn)象會減弱，這可能是過量的粗顆粒對粗-細赤鐵礦絮團的“磨削、剪切”作用和不足量的粗顆粒導致“載體”作用減弱而引起的（見圖8）。

圖8 粗-細赤鐵礦中粗-細顆粒的質(zhì)量比對團聚行為的影響