李小黎， 張其東, 王雷, 羅慶教

1.中國(guó)黃金集團(tuán)(上海)貿(mào)易有限公司，上海 200120；2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628；3.有研資源環(huán)境技術(shù)研究院(北京)有限公司 生物冶金國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 101407；4.有研工程技術(shù)研究院有限公司，北京 101407；5.南丹縣南方有色金屬有限公司，廣西 河池 547204

引 言

金屬鎳是一種重要的有色金屬戰(zhàn)略資源，因其具有良好的鐵磁性、延展性、耐腐蝕性、抗氧化性及較好的機(jī)械強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于航天、國(guó)防、軍工、能源、化工、電池等各個(gè)行業(yè)[1-2]。鎳在自然界中主要以硫化鎳礦、紅土鎳礦以及海底結(jié)核三種形式存在[3]，其中硫化鎳礦是目前提取鎳的主要原料之一，世界上近60%的鎳產(chǎn)自硫化鎳礦[4]。我國(guó)的鎳資源主要是硫化鎳礦為主，且相對(duì)集中，主要分布在甘肅、吉林、新疆等地，其中以甘肅金川最為豐富[5-6]。通常采用浮選法對(duì)硫化鎳礦進(jìn)行分選，但在浮選過(guò)程中，礦石中含鎂礦物如蛇紋石易與硫化鎳礦物-鎳黃鐵礦黏附在一起進(jìn)入鎳精礦而影響精礦的質(zhì)量[7]，為后續(xù)鎳精礦的閃速焙燒提鎳工藝帶來(lái)爐體結(jié)瘤等問(wèn)題，因此鎳礦降鎂一直以來(lái)都是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

關(guān)于蛇紋石對(duì)硫化鎳礦浮選的影響，有研究[8-9]認(rèn)為蛇紋石與鎳黃鐵礦之間的表面電性差異使得礦物顆粒之間產(chǎn)生“異相凝聚”，導(dǎo)致難以分離，惡化浮選指標(biāo)；也有學(xué)者[10-11]認(rèn)為蛇紋石良好的可浮性是導(dǎo)致其進(jìn)入精礦難分離的主要原因。六偏磷酸鈉是常用的分散劑和降鎂抑制劑，能夠選擇性地與礦物表面作用，使目的礦物與脈石礦物有效分散，從而實(shí)現(xiàn)礦物的浮選分離。夏啟斌[12]等研究發(fā)現(xiàn)六偏磷酸鈉能夠與蛇紋石發(fā)生吸附作用，提高顆粒之間的位阻排斥和靜電排斥能，分散蛇紋石；王德燕[13]認(rèn)為六偏磷酸鈉能夠提高銅鎳浮選體系中蛇紋石的親水性，使其得到抑制；陳偉[14]研究發(fā)現(xiàn)六偏磷酸鈉能促進(jìn)蛇紋石表面的鎂遷移到液相，降低蛇紋石的表面電位，同時(shí)還可與液相中的Mg2+作用，阻止Mg2+向蛇紋石表面反吸附，保持蛇紋石表面的負(fù)電性，降低銅鎳礦中蛇紋石的含量。本文作者以蛇紋石和鎳黃鐵礦為研究對(duì)象，通過(guò)浮選試驗(yàn)、動(dòng)電位測(cè)試及Zeta電位分布測(cè)量、SEM電鏡掃描等手段對(duì)蛇紋石影響鎳黃鐵礦浮選的機(jī)理進(jìn)行研究，并通過(guò)添加六偏磷酸鈉研究其對(duì)于兩者浮選分離的影響機(jī)制，為含鎂鎳礦的浮選分離提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法和材料

1.1 試驗(yàn)樣品

本試驗(yàn)所用鎳黃鐵礦和蛇紋石樣品均取自甘肅金川。蛇紋石塊礦經(jīng)破碎手選后用瓷球磨、攪拌磨磨細(xì)，得到蛇紋石單礦物樣品；金川特富礦經(jīng)破碎手選后用瓷球磨磨細(xì)，經(jīng)磁選后篩分得到鎳黃鐵礦單礦物樣品。圖1為單礦物鎳黃鐵礦和蛇紋石的XRD圖，表1為單礦物化學(xué)多元素分析結(jié)果，表2所列為兩種單礦物樣品粒級(jí)組成。試驗(yàn)所用藥劑均為分析純，試驗(yàn)用水為一次蒸餾水。

圖1 鎳黃鐵礦(左)和蛇紋石(右)X射線衍射結(jié)果

表1 單礦物化學(xué)多元素分析結(jié)果

表2 單礦物樣品的粒度組成

經(jīng)X射線衍射分析和化學(xué)多元素分析結(jié)果可知，單礦物鎳黃鐵礦和蛇紋石的純度均在90%以上，由表2可知，鎳黃鐵礦的平均粒徑為51.49 μm，蛇紋石的平均粒徑為20.89 μm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 浮選試驗(yàn)

浮選試驗(yàn)在XFG型掛槽式浮選機(jī)中進(jìn)行，浮選溫度為室溫，每次試驗(yàn)稱取2.0 g礦樣，放入40 ml的浮選槽中，加入30 mL蒸餾水，攪拌，用HCl或NaOH調(diào)節(jié)到要求的pH值，加入捕收劑，調(diào)漿3 min，加入起泡劑MIBC，攪拌2 min后充氣浮選，空氣流量為0.3 L/min，浮選刮泡5 min，分別將泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品在60 ℃時(shí)烘干稱量，單礦物試驗(yàn)產(chǎn)率為回收率，人工混合礦浮選產(chǎn)品經(jīng)化驗(yàn)后計(jì)算回收率。

1.2.2 動(dòng)電位測(cè)試

動(dòng)電位測(cè)定是用美國(guó)Brookhaven公司ZetaPALS/90 plus型電位分析儀完成的。將礦樣在瑪瑙研缽中磨細(xì)至-20 μm，每次稱取20 mg放入燒杯中，加入30 mL濃度為10-3mol/L的KNO3溶液，用NaOH或HCl調(diào)節(jié)礦漿pH值。加入藥劑后，用玻璃棒攪拌1 min，使礦樣均勻分散，然后用注射器抽取少量礦漿懸浮液，注入測(cè)試電泳管，進(jìn)行電位測(cè)試，測(cè)量三次取平均值

1.2.3 Zeta 電位分布測(cè)定

Zeta 電位分布的測(cè)定是使用 Zetaphoremeter Ⅲ儀器完成的，使用鎳黃鐵礦和蛇紋石兩種純礦物分別配置濃度為0.2 g/L 的懸浮液1 L，分別按11的比例取兩者的懸浮液混合在一起，并添加一定量的高濃度鹽溶液，用注射器把混合均勻的懸浮液注入電泳槽中，通過(guò)激光照明和 CCD 成像系統(tǒng)，觀察和記錄 20～100個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，儀器的軟件系統(tǒng)利用 Smoluchowski方程把顆粒的運(yùn)動(dòng)距離轉(zhuǎn)換為Zeta 電位值，測(cè)量在室溫下進(jìn)行(23±1 ℃)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 浮選試驗(yàn)

藥學(xué)院校實(shí)驗(yàn)室種類(lèi)繁多，用途各異，涉及的安全與環(huán)保隱患也各不相同。因此，學(xué)校和實(shí)驗(yàn)室管理與使用部門(mén)，需要在加強(qiáng)普適性安全環(huán)保教育的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)室特色設(shè)定安全環(huán)保教育模式，制定適宜的管理規(guī)范；對(duì)于學(xué)生，在同一時(shí)間段涉足不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)室，需要樹(shù)立正確的安全環(huán)保意識(shí)，防范不同不安全因素可能造成的傷害；對(duì)于教師和實(shí)驗(yàn)室管理人員，如何讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后迅速具備安全環(huán)保意識(shí)，快速了解所在實(shí)驗(yàn)室的安全環(huán)保防控點(diǎn)，自覺(jué)遵守相關(guān)規(guī)定，是藥學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)室面臨的重要任務(wù)。

圖2 礦漿pH值對(duì)單礦物和混合礦浮選回收率的影響

圖3為不同蛇紋石添加量和有無(wú)添加六偏磷酸鈉對(duì)混合礦中鎳黃鐵礦浮選的影響結(jié)果，此時(shí)礦漿pH 8.5，鎳黃鐵礦濃度為25 g/L。由圖3可知，鎳黃鐵礦浮選過(guò)程中蛇紋石的添加會(huì)導(dǎo)致鎳黃鐵礦浮選回收率的下降，而且蛇紋石添加量越大，對(duì)鎳黃鐵礦浮選回收率降低越明顯，當(dāng)蛇紋石的添加量大于60%時(shí)，鎳黃鐵礦的回收率小于20%；而加入六偏磷酸鈉之后，鎳黃鐵礦的浮選指標(biāo)明顯提高，說(shuō)明六偏磷酸鈉的添加有利于兩者的浮選分離。

圖3 蛇紋石占比和六偏磷酸鈉對(duì)浮選結(jié)果的影響

2.2 作用機(jī)理研究

對(duì)有無(wú)添加六偏磷酸鈉的蛇紋石和鎳黃鐵礦的Zeta電位進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖4所示，由圖可知，未添加六偏磷酸鈉時(shí)，蛇紋石零電點(diǎn)pH=9.7，鎳黃鐵礦零電點(diǎn)pH=3.4，因此在pH 3.4～9.7范圍內(nèi)，蛇紋石荷正電，鎳黃鐵礦荷負(fù)電，兩者電位相反，產(chǎn)生異相凝聚作用，蛇紋石會(huì)覆蓋鎳黃鐵礦表面，影響其浮選。而加入六偏磷酸鈉之后鎳黃鐵礦的Zeta電位無(wú)明顯變化，而蛇紋石的Zeta電位發(fā)生顯著變化，在整個(gè)pH范圍內(nèi)變成負(fù)值，這可能是是由于六偏磷酸鈉在水中電離，并與礦物表面溶出的金屬M(fèi)g2+發(fā)生反應(yīng)，生成絡(luò)合物[12-13]，反應(yīng)如下：

圖4 六偏磷酸鈉對(duì)蛇紋石和鎳黃鐵礦電位的影響

(1)

從而改變了蛇紋石的表面性質(zhì)，使其Zeta電位發(fā)生變化。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，對(duì)單礦物和混合礦的Zeta電位分布的變化進(jìn)行研究，來(lái)判斷兩種礦物顆粒的狀態(tài)，如圖5所示，5-1為兩種礦物單獨(dú)測(cè)試的Zeta電位分布情況，當(dāng)兩種礦物不發(fā)生凝聚時(shí)，其Zeta電位分布表現(xiàn)如圖5-2所示，當(dāng)?shù)V物B完全罩蓋A時(shí)，其Zeta電位分布表現(xiàn)如圖5-3所示，當(dāng)?shù)V物B與礦物A發(fā)生凝聚作用時(shí)，其Zeta電位分布表現(xiàn)如圖5-4所示[14-17]。

圖5 樣品顆粒間作用行為的Zeta電位分布原理圖

圖6為pH 8.5時(shí)蛇紋石、鎳黃鐵礦及混合礦的Zeta電位分布測(cè)試結(jié)果，由圖可知，未加入六偏磷酸鈉時(shí)，蛇紋石和鎳黃鐵礦樣品測(cè)試結(jié)果都是單峰，而混合礦物的Zeta電位也是單峰，且分布的峰值介于鎳黃鐵礦和蛇紋石之間，偏蛇紋石峰值方向，說(shuō)明兩者之間發(fā)生了“異相凝聚”且鎳黃鐵礦被蛇紋石包裹；而加入六偏磷酸鈉之后，蛇紋石和鎳黃鐵礦樣品測(cè)試結(jié)果均是單峰，而兩者的混合礦電位分布是雙峰，說(shuō)明混合礦物沒(méi)有發(fā)生明顯的異相凝聚，和上述結(jié)論一致。

圖6 六偏磷酸鈉(SHMP)對(duì)蛇紋石、鎳黃鐵礦及其混合物的Zeta電位分布的影響

圖7 未添加(左)和添加(右)六偏磷酸鈉時(shí)人工混合礦浮選精礦SEM圖

3 結(jié)論

(1)硫化鎳礦浮選體系中，脈石礦物蛇紋石易與鎳黃鐵礦發(fā)生異相凝聚，影響鎳黃鐵礦的浮選，主要原因?yàn)樵谳^大pH范圍內(nèi)兩者電性相反，存在較強(qiáng)的靜電吸引作用。

(2)六偏磷酸鈉可吸附在蛇紋石表面，這可能是與蛇紋石表面的鎂離子生成了絡(luò)合物，從而改變其表面Zeta電位，實(shí)現(xiàn)蛇紋石與鎳黃鐵礦的分散，減弱了蛇紋石對(duì)鎳黃鐵礦浮選的不利影響。