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

粗-细赤铁矿颗粒间的相互作用及其对浮选的影响

本文通过单矿物浮选试验、光学显微镜观察、EDLVO理论计算、和FBRM分析（聚焦光束反射测量技术）研究了油酸钠体系下粗-细赤铁矿颗粒间的相互作用及其对浮选的影响。浮选试验结果表明，粗-细赤铁矿的总浮选回收率并不随着细粒赤铁矿含量的增加而单调减少。当粗粒和细粒赤铁矿的质量近似相等时浮选回收率最高，说明粗-细赤铁矿颗粒间的相互作用有助于浮选回收率的提高。

光学显微镜观察、EDLVO理论计算、和FBRM分析表明粗-细赤铁矿颗粒间的团聚趋势和相互作用能要高于细-细赤铁矿，其中当粗-细赤铁矿中粗粒或细粒的含量过高时，粗-细赤铁矿颗粒间的团聚行为会减弱，这也是出现上述浮选现象的主要原因。

本试验中粗粒赤铁矿（-106+45μm）和细粒赤铁矿（<18μm）的粒度分布如图1所示，单矿物浮选试验在Siwek-top浮选管中进行，主要的浮选设备和浮选步骤如图2所示。

图1粗粒和细粒赤铁矿的粒度分布

图2浮选设备示意图

图3粗-细赤铁矿中细粒赤铁矿的含量对浮选的影响 (pH 9.0; 油酸钠用量, 15 mg/L).

细粒赤铁矿的含量对粗-细赤铁矿浮选的影响如图3所示，从图中可以看出，当粗-细赤铁矿中微细粒赤铁矿的质量分数从0增加到0.1时，实际浮选回收率（εF）明显降低，从95%下降至70%以下；矿浆调浆过程中的搅拌速度对降低程度也有影响，在高搅拌速度下（600 rpm/min），浮选回收率下降的更加明显。进一步增加粗-细赤铁矿中细粒赤铁矿的质量分数（0.1-0.5），εF反而升高，当细粒赤铁矿的质量分数为0.5时，εF达到80%以上，之后随着细粒含量的增加而逐渐降低。由于Siwek-top浮选管的机械夹带率很低，因此，本试验中细粒赤铁矿通过机械夹带作用提高总浮选回收率可基本忽略，推测粗-细赤铁矿颗粒间的团聚是总浮选回收率提高的主要原因，而当粗-细赤铁矿中粗粒或细粒含量过高时，粗-细颗粒间的团聚较弱，粗粒的“载体”效果消失。

图 4 赤铁矿颗粒悬浮液的光学显微镜图片. (a) 细粒赤铁矿（pH 9.0; 油酸钠浓度: 15 mg/L）; (b) 粗-细赤铁矿（粗粒与细粒的质量比为1:1, pH 9.0; 油酸钠浓度: 15 mg/L）; (c) 细粒赤铁矿（pH 9.0; 油酸钠浓度: 30 mg/L）

光学显微镜的观察结果如图4所示，图4 (a)为15 mg/L油酸钠条件下的细粒赤铁矿，可以看出只有少量的絮团，大多数的细粒赤铁矿呈分散状态；将油酸钠的浓度提高至30 mg/L（图4 (c)），絮团的数量明显增加。图4 (b)为15 mg/L油酸钠条件下的粗-细赤铁矿，大部分的细粒赤铁矿形成了絮团，因此可以认为粗-细赤铁矿颗粒能在较低的油酸钠浓度（15 mg/L）下发生明显的团聚，而细粒赤铁矿则需要更高的浓度（30 mg/L）。

不同粒度赤铁矿颗粒间的相互作用能VTED如图5所示，从图中可以看出相互作用能为负值，当颗粒间的距离小于5nm时，作用能的数值急剧增加，证明赤铁矿颗粒间存在明显的引力势能；同时，计算结果表明粗-细粒赤铁矿间的引力势能VTED(C-F)大于细粒赤铁矿间的引力势能VTED(F-F)，说明在相同的条件下粗-细粒赤铁矿颗粒间的团聚更容易发生，这也与光学显微镜的观察结果基本一致。

图5不同粒度赤铁矿颗粒间的相互作用能（粗粒和细粒赤铁矿的直径分别取10μm和70μm）

图 6 矿浆中赤铁矿颗粒（絮团）的中值弦长（Median chord length）和细粒赤铁矿的数量（Counts）随时间变化的关系曲线（粗细赤铁矿的质量比为1:1; pH 9.0; 搅拌速度, 600 rpm） 

FBRM（Focused beam reflectance measurement）是一种实时在线的颗粒分析技术，采用该技术的Particle Track探头可在全工艺浓度条件下实现颗粒分析，试验过程中油酸钠在180 s处加入矿浆中，试验结果如图6-7所示。

从图6中可以看出，在油酸钠加入之前，矿浆中细粒赤铁矿的数量（Counts）和赤铁矿颗粒（絮团）的中值弦长（Median chord length）基本保持稳定；在180 s处加入15 mg/L油酸钠后细粒赤铁矿的数量迅速减少，同时矿浆中赤铁矿颗粒（絮团）的中值弦长迅速增加，当搅拌时间超过240s后两者基本趋于稳定。这表明油酸钠体系下赤铁矿颗粒可发生明显的团聚现象，且油酸钠在赤铁矿表面吸附后产生的疏水力是团聚发生的主要作用力。

油酸钠加入前（180s）和油酸钠加入后（360s）的颗粒粒径弦长分布（CLD）如图7所示。从图7(a)中可以看出，粗粒赤铁矿的CLD在油酸钠加入前后没有变化，说明在该条件下粗粒赤铁矿不能发生团聚。图7(c)中粗-细赤铁矿（C:F=1:1）的CLD在油酸钠加入后发生了明显变化，CLD的峰位置由20μm上升至30μm，说明矿浆中发生了明显的团聚；而图7(b)（C:F=9:1）和图7(d)（C:F=1:9）中CLD的变化则不明显，说明矿浆中矿粒的粒径并未明显增大，团聚较弱。

图 7 矿浆中赤铁矿颗粒（絮团）的弦长分布图(pH 9.0; 搅拌速度, 600 rpm). (a) 粗粒赤铁矿; (b) 粗粒赤铁矿:细粒赤铁矿= 9:1; (c) 粗粒赤铁矿:细粒赤铁矿=1:1; (d) 粗粒赤铁矿:细粒赤铁矿=1:9.

浮选试验结果表明，粗-细赤铁矿的总浮选回收率并不随着细粒赤铁矿含量的增加而单调减少，其中当粗粒和细粒赤铁矿的质量近似相等时浮选回收率最高。

EDLVO理论计算表明粗-细赤铁矿颗粒间的相互作用能要高于细粒赤铁矿间的；光学显微镜的观察结果表明，与细粒赤铁矿相比，粗-细赤铁矿颗粒间的团聚可在较低的油酸钠浓度下实现，这与EDLVO计算结果基本一致。FBRM分析结果表明，当粗-细赤铁矿中粗粒和细粒的质量近似相等时团聚现象最强，而当粗粒或细粒的含量过高时团聚现象会减弱，这可能是过量的粗颗粒对粗-细赤铁矿絮团的“磨削、剪切”作用和不足量的粗颗粒导致“载体”作用减弱而引起的（见图8）。

图8 粗-细赤铁矿中粗-细颗粒的质量比对团聚行为的影响