DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.001
强搅拌调浆对硫化镍矿浮选的作用
冯程，卢毅屏，冯其明，石晴
(中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：通过对单矿物和实际矿石的显微镜图像进行分析与浮选实验，研究浮选前强搅拌调浆对硫化矿物的疏水聚团作用及其与低品位硫化铜镍矿浮选的关系，通过显微镜图像分析搅拌时间与聚团粒度变化的关系。研究结果表明：强搅拌调浆产生的紊流条件能使矿物颗粒碰撞形成疏水聚团，而细粒矿物形成疏水聚团，表明矿物表面润湿性增加，可浮性变好；在搅拌转速为1 000 r/min时，随搅拌时间延长，聚团面积增大；浮选前的强搅拌调浆能提高磁黄铁矿单矿物和低品位硫化铜镍矿石中硫化铜镍矿物的浮选速率，硫化矿物的疏水聚团是强搅拌调浆提高低品位硫化矿浮选回收率的重要原因。
关键词：强搅拌调浆；硫化矿物；疏水聚团；浮选
中图分类号：TD923 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)11-3621-06
Effect of high intensity conditioning on flotation of nickel sulfide mineral
FENG Cheng, LU Yiping, FENG Qiming, SHI Qing
(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The effect of high intensity conditioning before flotation on hydrophobic flocculation of sulfide minerals and its relationship with flotation of low-grade copper-nickel sulfide ore were investigated through microscopic image analysis and the flotation experiments of monomineral and actual ore. The relation curve of agitation time and flocculation size was obtained by image analysis software. The results show that the turbulence flow conditions generated by high intensity conditioning makes mineral particles collide and form hydrophobic flocculation, which leads to the increase of the surface wettability and better floatability. The flocculation sizes increase with the agitation time at the agitation speed of 1 000 r/min. High intensity conditioning before flotation improves the flotation rate of the single mineral pyrrhotite and copper-nickel sulfide minerals in low-grade copper-nickel sulfide ore. Hydrophobic flocculation of sulphide minerals is the main reason that high intensity conditioning improves the flotation recovery of low-grade sulfide ore.
Key words: high intensity conditioning; sulfide minerals; hydrophobic flocculation; flotation
浮选前的调浆对后续选别的作用越来越受到人们的重视[1-2]。强搅拌调浆能改善矿物浮选效果已被一些研究所证实[3-5]。BULATOVIC等[6-7]提出了强搅拌调浆的概念，并发现强搅拌调浆能够显著提高细粒铜锌矿、铜镍矿和铜矿的浮选回收率及品位。CHEN等[8-9]对镍黄铁矿进行了高强度调浆浮选试验，结果表明高强度调浆可显著提高8~75 μm粒级镍黄铁矿的浮选速率和回收率。VALDERRAMA等[10]通过研究发现对矿浆进行强搅拌调浆处理后，细粒金的浮选效率明显提高，并指出合理调节矿粒所受剪切力是改善浮选指标和提高浮选速率的关键因素。经研究，高强度调浆能改善浮选效果的主要原因是使镍黄铁矿表面得到清洗及产生剪切絮凝作用。在硫化铜镍矿石的浮选中，由于含镁硅酸盐脉石矿物蛇纹石通过异相凝聚作用附着在硫化矿物表面形成矿泥覆盖层[11]，严重影响了硫化铜镍矿物的回收。强搅拌调浆提高硫化铜镍矿浮选指标的主要原因是脱附了硫化矿物表面罩盖的蛇纹石矿泥，即消除了异相凝聚的影响[10, 12-14]。FENG等[11, 14]在某硫化铜镍矿选矿试验中，发现强搅拌调浆产生的流体力场可以脱附硫化矿物表面罩盖的蛇纹石矿泥，搅拌转速越高，时间越长，脱附的矿泥越多，浮选指标越好。目前，通过强搅拌调浆提高硫化铜镍矿浮选指标的新方法正开始走向工业应用。WARREN[15]通过研究微细粒白钨矿的聚团行为，发现湍流搅拌能为矿粒提供足够大的动能以克服矿粒间的排斥能垒，使碰撞的颗粒有效地形成疏水聚团。深入认识强搅拌调浆对于硫化铜镍矿物的作用，将有助于硫化铜镍矿的浮选新技术与设备的研究。为此，本文作者通过浮选实验和显微照片分析，研究强搅拌调浆对硫化矿物的疏水聚团作用及其对硫化铜镍矿的浮选影响，同时探索利用显微镜和Image Pro Plus图像分析软件定量描述矿物颗粒间分散/聚集状态的方法。
1 实验
1.1 矿样、试剂及主要仪器设备
由于镍黄铁矿和紫硫镍矿的单矿物难以取得，磁黄铁矿的许多性质与前2种矿物性质相近，且是硫化镍矿石中主要的硫化矿物，因此，选用磁黄铁矿作为硫化镍矿石中硫化矿物的代表进行单矿物试验研究。磁黄铁矿单矿物样品取自安徽铜陵，经破碎手选后用干式陶瓷球磨机磨细，筛分后得到粒度小于37 μm的磁黄铁矿单矿物样品。样品的 X线衍射分析结果表明：磁黄铁矿样品纯度在85%以上，含有少量黄铁矿。
单矿物实验所用盐酸、氢氧化钠为分析纯试剂，异戊基钠黄药和甲异丁基甲醇(MIBC)为化学纯试剂，实验用水为一次蒸馏水。
实际矿石浮选实验所用硫化铜镍矿取自甘肃金川，矿石中有价元素镍质量分数为0.85%，铜质量分数为 0.99%；主要硫化矿物有镍黄铁矿、磁黄铁矿、紫硫镍矿、黄铜矿等。实验所用药剂碳酸钠、乙黄药和丁铵黑药均为工业品，实验用水为生产用水。
仪器设备：单矿物搅拌调浆装置有EUROSTAR power control-visc型搅拌器、搅拌桨和搅拌桶，均为自行设计定制。搅拌桨为45°倾角折叶浆，叶片数为4片，叶片直径为40 mm，叶片高度为13 mm，为不锈钢材料；搅拌桶直径为80 mm，4片挡板，挡板长为80 mm，宽为6 mm，为有机玻璃材料。单矿物浮选采用XFG型挂槽式浮选机(100 mL)。实际矿石搅拌调浆和浮选均采用XFD型单槽式浮选机。显微镜为Olympus CX31 型透射光显微镜。
1.2 实验方法
1.2.1 单矿物搅拌调浆-浮选试验
每次实验称取磁黄铁矿单矿物样品 5 g，置于搅拌桶内，加蒸馏水、加药、定容至500 mL进行搅拌调浆，然后沉降浓缩得到100 mL浓缩矿浆进行浮选，浮选机为XFG 型挂槽式浮选机。浮选采取手工刮泡，所得的泡沫产品与槽内产品分别烘干、称取质量后，计算浮选回收率。单矿物搅拌调浆-浮选流程如图1所示。为了尽可能避免流体以外的因素对颗粒聚集/分散状态的影响，在搅拌调浆时选用低矿浆浓度。
图1 单矿物搅拌调浆-浮选流程
Fig. 1 Flow sheet for conditioning-flotation of single minerals
硫化铜镍矿实际矿石采用 3L XFD 型单槽式浮选机搅拌调浆-浮选。每次实验称取 800 g 实际矿石进行实验，加入捕收剂在浮选机中进行高转速搅拌调浆，然后在常规搅拌转速(1 900 r/min)下进行浮选。搅拌调浆-浮选流程图如图2所示。浮选所得的各产品经烘干、称取质量后，计算产率，进行化学分析得到品位并计算铜镍的回收率。
图2 实际矿石搅拌调浆-浮选流程
Fig. 2 Flow sheet for conditioning-flotation of actual ore
1.2.2 显微镜下观测实验
对磁黄铁矿单矿物，按图1所示流程在搅拌调浆后直接从搅拌桶内取样观察。取样时，在搅拌状态下用移液枪移取少量矿浆滴在载玻片上，将载玻片置于Olympus CX31 型透射光显微镜下观察矿物的聚集状态，并通过与显微镜相联的摄像头获取观测到的电子图像，得到的图片用Image Pro Plus图像分析软件处理。对实际矿石，对浮选泡沫产品取样观察，取样观察方法与单矿物的方法相同。
2 结果与讨论
2.1 理论基础
聚团动力学的研究结果表明[16]：机械搅拌是促进疏水矿粒相互碰撞及粘着的必要动力学条件；在强搅拌产生的紊流条件下，颗粒碰撞获得的平均动能克服颗粒间相互作用的势能，使矿粒碰撞接触形成疏水聚团。
LIEVICH[17]的不规则紊流扩散理论认为微细粒聚团产生的先决条件是发生碰撞，并给出了如下紊流中颗粒的凝聚速度方程：
(1)
式中：Jt为碰撞概率；β为常数；ε为搅拌器中耗散的平均能量；γ为流体动力学黏度；R为颗粒半径；nc为颗粒质量浓度。
从式(1)可以看出：颗粒的碰撞概率与搅拌器中耗散的平均能量ε的平方根成正比，搅拌速度与搅拌时间增大时ε增大，体系输入更多的能量，颗粒间碰撞速率增大，疏水聚团形成速度增大。
疏水絮凝是水中的颗粒间由疏水作用而互相吸引、聚集成团的现象。矿物浮选时，颗粒间的聚集/分散状态与浮选效果之间有紧密联系[18-19]。矿物颗粒间形成的疏水聚团，既可以增大矿物的表观粒度，又有利于改善颗粒的疏水性。有用矿物间的疏水聚团对提高矿物的可浮性及选择性有重要意义[20]。
2.2 强搅拌调浆对硫化矿物的疏水聚团的作用
图3和图4所示分别为常规搅拌调浆(400 r/min)与强搅拌调浆(搅拌桨转速为1 000 r/min)时粒度小于37 μm的磁黄铁矿颗粒的聚集状态。从图3和图4可以看出：在常规搅拌条件下，少量颗粒形成了较小的疏水聚团，大部分颗粒还处于分散状态；在强搅拌调浆下，磁黄铁矿疏水聚团增大。
图3 搅拌时间为3 min、常规搅拌调浆时磁黄铁矿颗粒的聚集状态
Fig. 3 Aggregation state of pyrrhotite particles under conventional conditioning when conditioning time is 3 min
图4 搅拌时间为40 min时高强度搅拌调浆时磁黄铁矿颗粒的聚集状态
Fig. 4 Aggregation state of pyrrhotite particles under high intensity conditioning when conditioning is 4o min
用Image Pro Plus图像分析软件分析得到图3、图4照片中磁黄铁矿颗粒和聚团的各种参数，见表1。其中颗粒数是指从图4中能观察到的有明显边缘的矿粒数目，由述颗粒的总面积计算得到平均面积，聚团面积是这一聚团在图中所占的面积。从图3和图4可见：显微图像分析方法得到的结果与直观结果一致，与常规搅拌调浆相比，高强度搅拌调浆作用下原呈分散状态的磁黄铁矿颗粒成长为较大的聚团，矿粒数目减少，颗粒平均面积和聚团增大。
表1 图3和图4中磁黄铁矿颗粒和聚团在显微照片下的各种参数
Table 1 Parameters of pyrrhotite particles and flocculation under microphotographs in Figs.4 and 5
采用同样的显微分析方法，考查搅拌转速为1 000 r/min时搅拌时间与磁黄铁矿颗粒分散/聚集状态间的关系。为保证取样的代表性和数据的可靠性，在同一搅拌条件下取样3次，每次样取6张显微照片，每张照片经Image Pro Plus图像分析软件检测得到数据后，再用统计的方法处理得出同一搅拌条件下磁黄铁矿的平均颗粒数、平均颗粒面积和平均聚团面积等，见图5和图6。从图5和图6可以看出：随着搅拌时间增加，磁黄铁矿颗粒的数目明显下降，相应地，颗粒的平均面积及聚团面积增大。由此可以认为：搅拌时间增长，输入的能量增多，颗粒接触碰撞并聚集的概率变大，磁黄铁矿疏水聚团不断成长。
对颗粒聚集状态在显微镜下进行观察，结果见图7。图7中，黑色颗粒为硫化矿物，浅色颗粒为脉石矿物。从图7可以看出：与常规搅拌调浆相比，强搅拌后，硫化矿物微细粒及其与粗粒间发生了明显聚集，形成了良好的聚团。
2.3 强搅拌调浆对硫化矿物浮选的影响
当搅拌桨转速为1 000 r/min时，搅拌调浆3 min与40 min磁黄铁矿单矿物浮选时间与回收率的关系如图8所示。从图8可见：搅拌时间越长，输入的能量增多，磁黄铁矿单的浮选速率和最大回收率均显著提高。这一变化与聚团粒度的变化呈正相关性。
图5 搅拌转速为1 000 r/min时搅拌时间对磁黄铁矿颗粒数的影响
Fig. 5 Effect of agitation time on pyrrhotite particles when conditioning rate is 1 000 r/min
图6 搅拌转速为1 000 r/min时搅拌时间对磁黄铁矿聚团面积的影响
Fig. 6 Effect of agitation time on area of pyrrhotite flocculation when conditioning rate is 1 000 r/min
当浮选机搅拌速度为 2 600 r/min 时，对低品位硫化铜镍矿实际矿石进行高强度搅拌调浆，所得到的浮选时间与镍、铜矿物浮选回收率的关系分别如图9和图10所示。从图9和图10可见：在低品位铜镍矿实际矿石浮选中，相对于常规搅拌调浆，强搅拌调浆能明显提高浮选速率和回收率；经40 min强搅拌调浆后，在浮选2 min时，镍矿物回收率就提高约45%，矿物回收率提高约27%，浮选25 min的镍矿物累计回收率相差7%，铜矿物累计回收率相差5%。
图7 调浆强度对矿物颗粒聚集状态的影响
Fig. 7 Effect of agitation intensity on aggregation state of mineral particles
图8 浮选时间与磁黄铁矿累计回收率的关系
Fig. 8 Relationship between flotation time and pyrrhotite recovery
图9 浮选时间与镍回收率及品位的关系
Fig. 9 Relationship between flotation time and nickel grade/recovery
图10 浮选时间与铜回收率及品位的关系
Fig. 10 Relationship between flotation time and copper grade/recovery
可以认为，强搅拌调浆的流体运动作用为硫化矿物的浮选提供了良好的动力学条件，使矿粒形成疏水聚团[21]，从而改善了可浮性，提高了硫化矿物的浮选速率。
3 结论
1) 通过增加搅拌器中耗散的平均能量，可以有效促使矿浆中的硫化矿物形成疏水聚团，聚团粒度随输入能量的增大而增大。
2) 浮选前的强搅拌调浆使得硫化矿物的浮选速率和回收率显著提高，并与聚团粒度的变化呈正相关性。因此，硫化矿物的疏水聚团是强搅拌调浆提高低品位硫化镍矿浮选回收率的重要原因。
3) 利用显微镜和Image Pro Plus图像分析软件，可以定量描述矿物颗粒间分散/聚集状态，得到规律性认识。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2015-11-12；修回日期：2016-01-22
基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB643402) (Project(2014CB643402) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China)
通信作者：卢毅屏，博士，教授，从事浮选理论研究；E-mail: feng_309@csu.edu.cn
