代淑娟，于連濤，李曉安，沈海濤，韓佳宏

（1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

捕收劑LKD-1對石英和滑石的作用機(jī)理

代淑娟1，于連濤1，李曉安1，沈海濤2，韓佳宏1

（1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

以石英和滑石純礦物為研究對象，研究胺類捕收劑LKD-1（為多種胺的混合物并含有助溶成分）對石英與滑石的作用機(jī)理，并運(yùn)用Zeta電位測定儀及紅外光譜儀分析藥劑對礦物的作用機(jī)制。結(jié)果表明：LKD-1的作用使得石英及滑石的ζ電位升高，說明藥劑在石英及滑石表面存在靜電吸附作用；石英與藥劑作用后的紅外光譜圖中各峰位均未發(fā)生位移，說明胺類陽離子捕收劑與石英作用的方式不是化學(xué)吸附；滑石與藥劑作用后出現(xiàn)了N-H伸縮振動的吸收峰，因此，滑石與藥劑的作用既存在物理吸附又存在化學(xué)吸附。

胺類捕收劑；石英；滑石

石英與滑石常作為脈石礦物，它們普遍存在于各種金屬礦和非金屬礦中，是選礦中較為常見的需要重視的脈石礦物，在常見的礦物中約有40%是硅酸鹽礦物。在當(dāng)代礦物加工領(lǐng)域中浮選法是應(yīng)用最廣泛的高效分離硅酸鹽礦物的方法，特別是隨著入選礦石中有用礦物的品位越來越低，礦物共生關(guān)系復(fù)雜，遇到的硅酸鹽礦物種類越來越多，因此對浮選法提出了更高的要求?？梢?，系統(tǒng)地研究捕收劑對石英與滑石的浮選行為對浮選理論與工業(yè)實(shí)踐均有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)礦樣

石英純礦物化學(xué)式為SiO2，具有架狀結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)中所使用的石英純礦物取自遼寧鞍山地區(qū)，經(jīng)人工破碎、揀選后獲得?；兊V物化學(xué)組成為Mg3［Si4O10］（OH）2，成分含量為 MgO 占31.7%、SiO2占63.5%、H2O占4.8%，試驗(yàn)中所使用的滑石純礦物取自遼寧地區(qū)。對兩種純礦物樣品進(jìn)行了X射線熒光光譜儀（XRF）及X射線衍射（XRD）分析，結(jié)果見表1及圖1。

表1 試樣XRF多元素分析結(jié)果

圖1 試樣XRD分析

由表1及圖1表明，石英純礦物中最主要礦物成分是石英，其他礦物由于含量極低，在X射線衍射結(jié)果中未能體現(xiàn)，石英純礦物純度大于98%；滑石純礦物中最主要礦物成分滑石，滑石純礦物純度大于98%，滿足試驗(yàn)要求。

2 試驗(yàn)方法

2.1 浮選試驗(yàn)

純礦物浮選試驗(yàn)使用掛槽式XFGC型浮選機(jī)。每次取純礦物3g，加入蒸餾水25mL，浮選攪拌轉(zhuǎn)速為1800r／min，再以鹽酸調(diào)節(jié)礦漿pH 值并攪拌1min，然后加入捕收劑浮選。泡沫產(chǎn)品及浮選槽內(nèi)產(chǎn)品分別烘干，稱重，計(jì)算回收率。試驗(yàn)流程見圖2。

圖2 純礦物的浮選試驗(yàn)流程圖

2.2 動電位測量

將礦物磨至2μm以下，稱取50mg加入燒杯中，再加50mL蒸餾水，用磁力攪拌器攪拌5min后取0.5mL溶液在Zeta電位測定儀內(nèi)進(jìn)行測量，分別考察LKD-1在不同pH值下對其純礦物電動電位的影響。

2.3 紅外光譜測定

藥劑與礦物作用前后的紅外光譜在Perkin Elmer Spectrum One FT-IR Spectrometer 紅外光譜儀上用漫反射法測定。樣品的制備過程為：在浮選槽內(nèi)加入礦樣及浮選藥劑，調(diào)解pH值后攪拌5min，待完全沉淀后進(jìn)行真空抽濾，待礦樣完全風(fēng)干后用研缽磨至2μm以下，礦樣與光譜純的KBr混合均勻后加到壓片磨具上加壓、制片。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 LKD-1對礦物表面電性的影響

礦物表面的晶格離子在水分子作用下向介質(zhì)中擴(kuò)散，可使礦物表面帶有電荷，礦物表面的電性影響礦粒的聚結(jié)與分散，影響礦物表面的親水性，還會影響藥劑在礦物表面的吸附等［1］。

LKD-1在水溶液中會發(fā)生解離反應(yīng)，其中中性分子和離子之間的比例的大小取決與本身的解離常數(shù)和介質(zhì)的pH值。研究表明在酸性pH區(qū)，胺主要以離子形式存在；當(dāng)pH＞5后，胺分子才逐漸形成；在pH值為5～6的浮選礦漿里，胺存在的主要形式是RNH3＋和（RNH3）22＋，以及少量分子形式的RNH2；胺的臨界pH值為9.4，在pH＞9.4的強(qiáng)堿性溶液中，胺主要是以胺分子或分子離子共聚物的形式存在。

3.1.1 LKD-1對石英純礦物表面電性的影響

石英屬于典型的框架結(jié)構(gòu)礦物，其晶體結(jié)構(gòu)四面體中均以其四個角上的O2－分別與相鄰的四面體共用形成三維空間框架結(jié)構(gòu)。石英在受力后會造成Si-O鍵大量斷裂，導(dǎo)致礦物表面暴露大量的Si4＋和O2－，從而使得礦物表面帶有電荷；石英在水溶液中還可以吸附定位離子，導(dǎo)致石英表面帶有電荷；石英在不同的pH值條件下，也可產(chǎn)生不同的吸附或者解離作用，形成不同的表面電性，又因?yàn)檫@些吸附或者解離屬于可逆過程，因此石英能在較寬的pH 值下呈負(fù)電性［2］。

石英固體表面荷電的本質(zhì)，實(shí)際是其表面存在≡Si-和-O-懸空鍵，使得表面具有過剩的表面能［3］。故當(dāng)石英顆粒與水溶液作用時，首先顆粒表面發(fā)生水化或羥基化反應(yīng)，見式（1）、式（2）。

≡SiOH0表面在一定的pH值條件下，可在水溶液中發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化反應(yīng)而分別呈結(jié)合形態(tài)，見式（3）、式（4）。

在純水中，當(dāng)pH＜2.5時，石英表面為SiOH＋2，顯正電性；當(dāng)pH＞2.5時，石英表面主要為SiO－，顯負(fù)電性。

LKD-1與石英作用前后在不同pH值條件下的ζ電位的測定結(jié)果見圖3。

圖3 石英與LKD-1作用前后的ζ電位與pH值

從圖3可以看出，石英純礦物表面動電位隨著pH值不斷升高而降低，pH＝2.7時，石英動電位為零，當(dāng)介質(zhì)pH值大于石英的零電點(diǎn)（pH＝2.7）時，石英表面為SiO－，顯負(fù)電性與胺類陽離子RNH3＋或（RNH3）22＋發(fā)生靜電吸附，導(dǎo)致石英疏水，所以用陽離子捕收劑LKD-1能將石英浮起。石英與LKD-1作用后，動電位隨著pH值的不斷升高先降低后升高，在pH＝3.5時動電位為零，并且石英ζ電位整體偏高，這說明了十二胺在石英表面存在靜電吸附，當(dāng)pH值大于11.4后，石英的ζ電位反而升高，說明藥劑與石英的作用增強(qiáng)了。由此可知，適量的LKD-1捕收劑通過靜電吸附作用在石英純礦物上，可改變其ζ電位的符號，使石英的ζ電位升高，其用量越大，石英ζ電位越大。

3.1.2 LKD-1對滑石純礦物表面電性的影響

滑石為三層結(jié)構(gòu)的鎂硅酸鹽礦物，在滑石的晶格結(jié)構(gòu)中，硅氧四面體連結(jié)成層，構(gòu)成六方網(wǎng)狀層，活性氧朝向一端，每六個網(wǎng)狀層的活性氧通過“氫氧鎂石”層連結(jié)，形成“雙層”［3］。雙層內(nèi)電荷平衡，聯(lián)結(jié)牢固；雙層之間以余鍵吸引，聯(lián)結(jié)不牢固。因此，在雙層間易解裂，具有天然疏水性，天然可浮性很好［4］。LKD-1與滑石作用前后在不同pH值條件下的ζ電位的測定結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，滑石純礦物表面動電位隨著pH值的升高而降低，且在大部分pH值范圍內(nèi)顯負(fù)電性，其原因是在滑石結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)單元內(nèi)電荷是平衡的，在礦物解離后形成由面和棱邊組成的滑石表面，其棱邊暴露的Si4＋和O2－具有較強(qiáng)的鍵合羥基的能力。當(dāng)pH＝2.1時，滑石動電位為零，在pH值為5.5時測得其ζ電位為－14.78mv?；贚KD-1作用下于pH＝5.1時取得零電點(diǎn)，滑石的ζ電位整體向堿性方向移動，這說明了LKD-1在滑石表面存在靜電吸附。選用適量陽離子捕收劑在pH值為5.5時，可改變滑石純礦物ζ電位的符號，試驗(yàn)結(jié)果表明，LKD-1使滑石的ζ電位升高，其用量越大，滑石ζ電位越大。

3.2 LKD-1與礦物作用的紅外光譜分析

3.2.1 LKD-1與石英純礦物作用前后的紅外光譜分析

石英與LKD-1作用前后的紅外光譜如圖5所示。

圖4 滑石與LKD-1作用前后的ζ電位與pH值

圖5 石英與LKD-1作用前后的紅外光譜

從圖5可以看出，石英純礦物與LKD-1作用前后，石英的各峰位均未發(fā)生位移，但在單礦物浮選試驗(yàn)中，捕收劑對石英的捕收作用很明顯。峰位的無變化一方面說明胺類陽離子捕收劑與石英作用的方式不是穩(wěn)定的化學(xué)吸附，另一方面捕收劑在干燥過程中隨著水溶液揮發(fā)或者是直接升華了，這也表明胺類捕收劑與石英的作用是不牢固的靜電吸附或分子吸附。

3.2.2 LKD-1與滑石純礦物作用前后的紅外光譜分析

滑石為三層結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，滑石與LKD-1作用前后的紅外光譜如圖6所示。

圖6 滑石與LKD-1作用前后的紅外光譜

從圖6可以看出，滑石純礦物與LKD-1作用后，出現(xiàn)2926.08cm－1和2858.42cm－1的峰值是N-H伸縮振動的吸收峰；489.84cm－1的一個峰值是Si-O的彎曲振動的吸收峰。藥劑吸附后Si-O鍵的彎曲振動峰從489.84cm－1變?yōu)?71.33cm－1，均發(fā)生了紅移，即振動減弱，引起滑石表面裸露在外的Si-O鍵的伸縮振動，減弱了Si-O鍵的彎曲振動效應(yīng)。通過滑石及滑石與藥劑作用后的紅外光譜分析，在pH值為5.5時，滑石與捕收劑LKD-1作用后存在化學(xué)吸附。

4 結(jié)論

1）通過胺類捕收劑LKD-1對石英和滑石作用前后的動電位測定可知，LKD-1的作用使得石英的零電點(diǎn)由pH＝2.7移至pH＝3.5，并且隨著藥劑用量增大，石英ζ電位升高的越多；LKD-1的作用使得滑石零電點(diǎn)由pH＝2.1移至5.1，并且使滑石ζ電位整體升高，說明藥劑在石英及滑石表面存在靜電吸附作用。

2）通過對石英和滑石純礦物與LKD-1作用前后的紅外光譜分析可知，石英的各峰位均未發(fā)生位移，說明胺類陽離子捕收劑與石英作用的方式不是化學(xué)吸附?；兊V物與藥劑吸附后Si-O鍵的彎曲振動峰減弱發(fā)生了紅移，滑石與捕收劑LKD-1作用后既存在物理吸附又存在化學(xué)吸附。

［1］ 陳斌.新型捕收劑對鈦鐵礦的浮選研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2010.

［2］ 邱楊率.高純石英選礦提純試驗(yàn)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［3］ PALANIANDY S，AZIZLIK A M.Mechanochemical effects on tale during fine grinding process in a jet［J］.International Journal of Mineral Processing，2009，92（1-2）：22-33.

［4］ 盧毅屏，陳志友，馮其明.等.表面活性劑對微細(xì)滑石的分散作用［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，37（1）：217-220.

Research into mechanism of quartz and talc in system of LKD-1collector

DAI Shu-juan1，YU Lian-tao1，LI Xiao-an1，SHEN Hai-tao2，HAN Jia-hong1
（1.School of Mining Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；
2.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

A study on the principles of amine collector LKD-1（a mixture of different amines with soluble ingredients）by being given to quartz and talc，and on the essence of the reagent by Zeta potential meter and infrared spectrometer.Results showed that LKD-1made zeta potential of quartz and talc rised，and electrostatic adsorption is found on the surface of them.Consideration of no displacement of each peak position infrared spectrum diagram，the adsorption is not chemical adsorption.Whereas a N-H stretching vibration absorption peak was found after the process of interaction of talc and tegent，consequently，there are both physical adsorption and chemical adsorption about the effect of talc and reagent.

amine collector；quartz；talc

TD97

A

1004-4051（2015）10-0141-04

2014-08-25

代淑娟（1967－），女，遼寧新民人，博士，教授，主要從事礦物加工理論、工藝及資源微生物技術(shù)研究。E-mail：shujuandai＠163.com。