礦冶前沿：粗

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

摘要

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。浮選試驗結果表明，粗-細赤鐵礦的總浮選回收率並不隨著細粒赤鐵礦含量的增加而單調減少。當粗粒和細粒赤鐵礦的品質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於浮選回收率的提高。

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於細-細赤鐵礦，

其中當粗-細赤鐵礦中粗粒或細粒的含量過高時，粗-細赤鐵礦顆粒間的團聚行為會減弱，這也是出現上述浮選現象的主要原因。

試驗材料及設備

本試驗中粗粒赤鐵礦（-106+45μm）和細粒赤鐵礦（<18μm）的細微性分佈如圖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細微性分佈

圖2浮選設備示意圖

浮選試驗

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品質分數從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品質分數（0.1-0.5）， εF反而升高，當細粒赤鐵礦的品質分數為0.5時， εF達到80%以上，之後隨著細粒含量的增加而逐漸降低。由於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-細赤鐵礦中粗粒或細粒含量過高時，粗-細顆粒間的團聚較弱，粗粒的“載體”效果消失。

光學顯微鏡觀察

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（粗粒與細粒的品質比為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，大多數的細粒赤鐵礦呈分散狀態；將油酸鈉的濃度提高至30 mg/L（圖4 (c)），絮團的數量明顯增加。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）下發生明顯的團聚，而細粒赤鐵礦則需要更高的濃度（30 mg/L）。

EDLVO理論計算

不同細微性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，當顆粒間的距離小於5nm時，作用能的數值急劇增加，證明赤鐵礦顆粒間存在明顯的引力勢能；同時，

計算結果表明粗-細粒赤鐵礦間的引力勢能VTED(C-F)大於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生，這也與光學顯微鏡的觀察結果基本一致。

圖5不同細微性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）

FBRM分析

圖 6 礦漿中赤鐵礦顆粒（絮團）的中值弦長（Median chord length）和細粒赤鐵礦的數量（Counts）隨時間變化的關係曲線（粗細赤鐵礦的品質比為1:1; pH 9.0; 攪拌速度, 600 rpm）

FBRM（Focused beam reflectance measurement）是一種即時線上的顆粒分析技術，採用該技術的Particle Track探頭可在全工藝濃度條件下實現顆粒分析，試驗過程中油酸鈉在180 s處加入礦漿中，試驗結果如圖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量（Counts）和赤鐵礦顆粒（絮團）的中值弦長（Median chord length）基本保持穩定；在180 s處加入15 mg/L油酸鈉後細粒赤鐵礦的數量迅速減少，

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後兩者基本趨於穩定。這表明油酸鈉體系下赤鐵礦顆粒可發生明顯的團聚現象，且油酸鈉在赤鐵礦表面吸附後產生的疏水力是團聚發生的主要作用力。

油酸鈉加入前（180s）和油酸鈉加入後（360s）的顆粒粒徑弦長分佈（CLD）如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，粗粒赤鐵礦的CLD在油酸鈉加入前後沒有變化，說明在該條件下粗粒赤鐵礦不能發生團聚。圖7(c)中粗-細赤鐵礦（C:F=1:1）的CLD在油酸鈉加入後發生了明顯變化， CLD的峰位置由20μm上升至30μm，說明礦漿中發生了明顯的團聚；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並未明顯增大，團聚較弱。

圖 7 礦漿中赤鐵礦顆粒（絮團）的弦長分佈圖(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.

結論

浮選試驗結果表明，粗-細赤鐵礦的總浮選回收率並不隨著細粒赤鐵礦含量的增加而單調減少，其中當粗粒和細粒赤鐵礦的品質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於細粒赤鐵礦間的；光學顯微鏡的觀察結果表明，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，這與EDLVO計算結果基本一致。FBRM分析結果表明，當粗-細赤鐵礦中粗粒和細粒的品質近似相等時團聚現象最強，而當粗粒或細粒的含量過高時團聚現象會減弱，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-細顆粒的品質比對團聚行為的影響

本文成果來源於學術期刊，原文引用格式如下

Dong Li, Wanzhong Yin, Qi Liu, Shaohang Cao, Qianyu Sun, Chen Zhao, Jin Yao. Interactions between fine and coarse hematite particles in aqueous suspension and their implications for flotation. Miner. Eng., 2017, 114, 74-81.

個人簡介

李東

1990年4月生

河北滄州人

2009年9月-2013年6月本科就讀于東北大學礦物加工工程專業，獲工學學士學位；

2013年9月起在東北大學礦物加工工程專業攻讀博士學位（本科保送直接攻博，預計2018年4月畢業），師從印萬忠教授。於2016年9月-2017年9月獲國家留學基金委資助，赴加拿大阿爾伯塔大學聯合培養1年；攻博期間曾獲2015-2016年度及2016-2017年度教育部博士研究生國家獎學金。

研究方向：主要研究複雜難選鐵礦石的浮選分離。

目前發表學術論文9篇，其中SCI檢索5篇（第一/通訊3篇）、EI檢索3篇、中文核心1篇。

近期的發表文章：

1. Dong Li, Wanzhong Yin*, Qi Liu*, Shaohang Cao, Qianyu Sun, Chen Zhao, Jin Yao. Interactions between fine and coarse hematite particles in aqueous suspension and their implications for flotation. Miner. Eng., 2017, 114, 74-81.

2. Dong Li, Wanzhong Yin*, Jiwei Xue, Jin Yao, Yafeng Fu, Qi Liu*. Solution chemistry of carbonate minerals and its effects on the flotation of hematite with sodium oleate. Int. J. Miner. Metall. Mater., 2017, 24(7), 736-744.

3. Wanzhong Yin, Dong Li*, Ximei Luo, Jin Yao, Qianyu Sun. Effect and mechanism of siderite on reverse flotation of hematite. Int. J. Miner. Metall. Mater., 2016, 23(4), 373-379.

4. Wanzhong Yin, Jiwei Xue*, Dong Li, Qianyu Sun, Jin Yao, Shi Huang. Flotation of heavily oxidized pyrite in the presence of fine digenite particles. Miner. Eng., 2018, 115, 142-149.

說明礦漿中礦粒的粒徑並未明顯增大，團聚較弱。

結論