DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.01.004
绢云母的夹带行为及其控制
陆英，李洪强，冯其明
(中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：
在浮选过程中容易通过夹带进入精矿，影响精矿品位，为探讨影响绢云母夹带的因素，更好地控制夹带，通过筛析、表面张力测定及纯矿物浮选实验，研究不同条件下绢云母的夹带行为。研究结果表明：随着绢云母脉石粒度的减小，绢云母夹带率呈线性急剧增大，泡沫水回收率先缓慢变化后急剧上升，导致绢云母的回收率急剧增加；随着绢云母矿浆质量分数的增大，夹带率变化不大，泡沫水回收率缓慢增大，导致绢云母回收率缓慢增加；不同种类及用量的起泡剂对绢云母夹带行为有很大影响；煤油作为消泡剂能很好地控制绢云母夹带。
关键词：
中图分类号：TD952 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)01-0020-07
Entrainment behavior and control of sericite
LU Ying, LI Hongqiang, FENG Qiming
(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: For gangue mineral, sericite was often strongly concentrated by entrainment in flotation, the desired minerals were diluted, and the grade of the concentrate was reduced. To study the factors affecting the entrainment of sericite and investigate the methods that effectively reduce the entrainment of sericite, sieve analyses, surface tension measurements and single mineral flotation were conducted. The entrainment behavior of sericite under different conditions was researched. The results show that with the decrease of the size, entrainment factor increases sharply, and the water recovery mounts steeply after gentle change, leading to a sharp increase in the recovery of sericite. With the increase of pulp density, the entrainment factor is constant, the water recovery increases slowly, and the recovery of sericite increases slowly. Frother affects the entrainment behavior of sericite greatly. As a defoamer, kerosene can control the entrainment of sericite effectively.
Key words: sericite; entrainment behavior; control of entrainment
浮选是利用矿物疏水性差异分离矿物的过程，疏水性颗粒附着于气泡并随之上升至泡沫层，亲水性颗粒则留在水相成为尾矿。但在实际过程中，亲水性颗粒随着泡沫间水相夹带进入精矿，降低精矿品位[1-3]。大量研究表明，决定夹带的因素包括：浮选操作条件、亲水脉石的特性、矿浆粘度以及泡沫结构[4-5]。泡沫特征对夹带行为有很大的影响，Engelbrecht等[6]研究了充气速率及泡沫层高度对浮选的影响，提高充气速率导致高的脉石夹带。Ekmekci等[7]研究表明，通过选择合适的起泡剂和提高泡沫层高度，能将精矿Cr2O3含量降低到3%以下。Kirjavainen[8]用白云母和石英进行的小型浮选试验，发现亲水性脉石的夹带是由4种因素或过程即水的回收率、矿浆黏度、颗粒质量及颗粒形状所支配。夹带与气泡大小也有很大关系，气泡大小取决于气流速度、起泡剂浓度以及颗粒尺寸分布[9-10]。有研究者将夹带和水回收率联系在一起，利用夹带率来描述亲水性颗粒的夹带行为，并建立了很多模型。大量的研究发现，浮选中脉石的夹带速率与水回收速率呈相关性[11]，即Rs=egRw(式中：Rs为在一定时间段内的回收率；eg为夹带率或夹带因素，为常数；Rw为相同时间内水的回收率)。Kirjavainen[12]考虑到浮选过程中浮选物料逐渐减少，提出如下模型：Ri=1-exp(-PiRw)(式中第i个粒级脉石和水的回收率之间的关系用1个因数Pi表示，这因数取决于颗粒特点及过程变量)。绢云母在火成岩中分布普遍，在很多种矿石(特别是贱金属矿石)中均有赋存，广泛存在于辉钼矿、石墨矿和铅锌矿中[13-15]，其结晶粒度为1~10 μm，磨矿阶段很容易被磨细，在浮选过程中很容易通过泡沫夹带进入精矿[16]。基于Warren所提出的模型Rs=egRw，本文系统地研究了绢云母粒度、矿浆浓度、起泡剂种类及用量和煤油用量等因素对绢云母夹带率eg、水回收率Rw以及对绢云母回收率Rs的影响。研究结果对于控制绢云母的夹带，改善辉钼矿、石墨矿和铅锌矿等矿石的浮选选择性有着很重要的指导意义。
1 实验研究方法
1.1 试样
绢云母为呈极细鳞片状或隐晶质块状集合体的白云母，是层状结构的铝硅酸盐，由2层硅氧四面体夹着一层铝氧八面体构成的复式硅氧层。绢云母兼具云母类矿物和黏土类矿物的多种特点。其化学式为(K,Na)0.5-1(Al,Fe,Mg)2(Si,Al)4O10(OH)2·nH2O。一般化学成分(质量分数)为：SiO2 43.13%~49.04%，Al2O3 27.93%~ 37.44%，K2O+Na2O 9%~11%，H2O 4.13%~6.12%。
绢云母单矿物取自湖北襄阳，手选出纯矿块，用颚式破碎机破碎至粒度≤3.2 mm，然后用瓷球磨干磨，筛出粒级≤0.0974 mm矿样，筛上部分返回再磨。干磨后的矿样一部分不分级(≤0.097 4 mm全粒级)，另一部分根据实验需要分成不同粒级。粒度≤0.0974 mm矿样经湿筛获得粒度为＞0.030 0~0.038 5，＞0.038 5~ 0.045 0，＞0.045 0~0.063 0，＞0.063 0~0.074 0和＞0.074 0~0.097 0 mm共5个矿样，粒度≤0.030 0 mm矿样通过沉降法获得粒度≤0.018 0 mm和＞0.018 0~ 0.030 0 mm 2个粒级矿样。
样品经过X线荧光分析仪分析，元素组成(质量分数)见表1。从表1可见：K2O+Na2O质量分数为9.567%，在9%~11%范围内，说明其纯度很高。XRD定量物相检测结果见图1，其中绢云母纯矿物中有92%(质量分数，下同)绢云母，8%石英，样品符合纯矿物试验的纯度要求。粒度≤0.097 0 mm粒级绢云母纯矿物粒度分布如图2所示。从图2可见：粒度≤0.030 0 mm粒级绢云母产率为44.47%，说明绢云母磨矿过程中很容易泥化，进而影响浮选。
1.2 实验方法
1.2.1 绢云母夹带行为研究
夹带测定方法如下：1) 称取装有蒸馏水的洗瓶总质量m0，称取绢云母2 g；2) 向绢云母中加入一定量的水，并超声处理2 min，使绢云母分散均匀，再移入40 mL挂槽浮选机中，加药搅拌(煤油为消泡剂，起泡剂为MIBC等)，浮选前加水使矿浆体积到达40 mL，开始充气浮选，在浮选过程中不断补加水使液面保持平衡；3) 用事先已记质量mg0的塑料杯接取精矿泡沫，在第2，6和12 min换杯子，每10 s刮泡1次，共刮泡20 min，完成后洗瓶称质量，记为m1；每个精矿杯质量记为mg1，并将烘干后的精矿杯质量记为mg2；水回收率Rw和绢云母回收率Rs可以及夹带率eg通过以下方程式计算：
表1 绢云母纯矿物元素组成(质量分数)
Table 1 Element composition of pure sericite mineral samples %
图1 绢云母纯矿物XRD谱
Fig. 1 XRD pattern of pure sericite mineral
图2 绢云母纯矿物粒度分布
Fig. 2 Particle size distribution of pure sericite mine
(1)
(2)
(3)
1.2.2 起泡剂溶液表面张力测定
每次固定待测溶液体积为30 mL，于玻璃器皿中配置不同浓度的MIBC、松油90、丁基醚醇、BK-201和2号油水溶液，然后利用法国 GBX公司接触角测试仪，通过Wilhelmy吊片法测定不同浓度、不同种类起泡剂水溶液的表面张力。
2 实验结果与讨论
2.1 绢云母粒度对夹带行为的影响
为了研究绢云母粒度对夹带行为的影响，固定MIBC用量为200 g/t，分别就粒度≤0.018 0，＞0.018 0~ 0.030 0，＞0.030 0~0.038 5，＞0.0385~0.045 0，＞0.045 0~0.063 0，＞0.063 0~0.074 0和＞0.074 0~ 0.097 0 mm共7个粒级绢云母的夹带行为进行研究。绢云母粒度与夹带行为的关系见图3。
从图3(b)可看出：随着绢云母粒度的减小，夹带率线性急剧上升，从粒度为＞0.074 0~0.097 0 mm时的0.357大幅提高到粒度≤0.018 0 mm时的1.105。粒度对水回收率也有很大的影响，如图3(c)所示。从图3(c) 可见：在粒度≤0.097 0 mm范围内，泡沫水回收率随粒度的减小急剧增大，粒度低于30 μm绢云母对水回收率的影响更显著，＞0.074 0~0.097 0 mm粒级水回收率为35%，≤0.018 0 mm粒级水回收率大幅提高至50%。夹带率及水回收率随绢云母粒度的减小大幅度提高，导致绢云母回收率随粒度的减小大幅度增大，见图3(d)。从图3(d)可见：粒度≤0.018 0 mm粒级绢云母回收率是＞0.0740~0.0970 mm粒级绢云母回收率的5.5倍，高达54%。
图3 绢云母粒度对夹带行为的影响
Fig. 3 Effect of sericite size on entrainment behavior of sericite
应用Neethling等[17]建立的泡沫中脉石运动模型能很好地解释上述实验现象，此模型详细地描述了亲水性脉石在泡沫中以及在矿浆—泡沫界面之间的运动情况。亲水性的绢云母存在于普拉特奥边界内，随着液体运动，并遵循以下脉石运动方程式：
式中：
为泡沫层高度y处i类固体夹带量；cSi为i类固体在普拉特奥边界中的浓度；
为取决于空气和水通量的扩散函数；Q为水通量；
为i类颗粒的干涉沉降速度；
为以小数表示的普拉特奥边界含水量；
为以小数表示的泡沫的矿浆含量；y为泡沫层高度。此方程式表明：在任何一点脉石竖直方向的运动受3种作用控制，即随液体的向上运动、重力作用下的向下沉降和扩散作用。在一定的泡沫层高度下，扩散作用是可以忽略的，方程式前一项可忽略，所以，脉石颗粒随液体的向上运动和干涉沉降之间的平衡决定着脉石在这一区域的运动状态。
在同一浮选体系中，所有脉石颗粒随液体的向上运动速度基本一致，颗粒的沉降速度决定颗粒是向上还是向下运动。颗粒的沉降速度又取决于颗粒的粒度，粒度大的颗粒沉降速度快，粒度小的颗粒沉降速度慢。Cutting[18]通过实验观测到：随着泡沫高度的增加，粗粒脉石含量急剧下降，而细粒脉石含量下降缓慢。这说明泡沫中脉石浓度的降低程度与脉石粒度密切相关；粒度越大，固体浓度的降低值越大。Neethling等的研究表明[17]，脉石-水回收率关系曲线的斜率即夹带率eg就是在普拉特奥边界内(没有扩散作用)的固体浓度。如图3(b)所示，不同粒级的绢云母其夹带率随颗粒粒度的减小而提高。
浮选泡沫层上升水流速度决定了精矿水回收率，上升水流速度在一定程度上取决于泡沫稳定性[19]。绢云母类似于黏土矿物，在相同矿浆浓度下，粒度越小，泡沫层液相黏度越大，泡沫排液速度越慢，稳定泡沫的能力越强。如图3(c)所示；随着绢云母粒度的减小，水回收率逐步提高。
随着绢云母粒度的减小，水回收率和夹带率均逐步提高，如图3(d)所示。绢云母回收率随粒度的减小而急剧增大。
粒度是影响脉石夹带的一个决定性因素，且粒度越小，越容易通过夹带进入泡沫层。为减少浮选过程中脉石的夹带，在磨矿过程中要注意防止泥化，也可以通过选择性絮凝方法增大浮选体系中脉石颗粒的粒度来控制夹带。
2.2 矿浆浓度对绢云母夹带行为的影响
固定MIBC用量200 g/t，研究绢云母矿浆质量分数为2.5%，5%，10%，15%和20%时对绢云母夹带行为的影响。矿浆质量分数与绢云母夹带行为的关系见图4。从图4(b)可见：随着绢云母矿浆质量分数的增加，夹带率维持在0.80左右，变化很小，这与Neethling等[20]的观点吻合，即夹带率与脉石在矿浆中的质量分数无关。从图4(c)可看出：水回收率随矿浆质量分数的增大缓慢地增大，矿浆质量分数为2.5%和20%时的水回收率分别为42.33%和49.30%。可见，绢云母对泡沫有微弱的稳定作用。
图4 矿浆质量分数对绢云母夹带行为的影响
Fig. 4 Effect of pulp density on entrainment behavior of sericite
随着矿浆质量分数的增加，颗粒聚集体增多，水相的黏度增大，因此，泡沫液膜的排液速率减慢，水回收率增加；另一方面，颗粒在连续相内形成三维网络结构，气泡被固定在颗粒形成的网格内，这种结构进一步提高了泡沫的稳定性。提高浮选矿浆质量分数可提高泡沫的稳定性，增大精矿水的回收率，进而提高绢云母夹带进入精矿的质量。可见：降低浮选矿浆质量分数能略微降低脉石夹带，但效果不显著。在浮选过程中，可以根据实际需要调整矿浆矿浆质量分数，而不用考虑脉石在高矿浆质量分数下影响浮选效果。
2.3 起泡剂对绢云母夹带行为的影响
起泡剂对绢云母夹带行为影响如图5所示。整体上，起泡剂的表面活性越低，泡沫水回收率越高，但夹带率越低。
在低质量浓度下，不同类型的起泡剂溶液表面张力差别明显；在高质量浓度下，各种起泡剂溶液之间的表面张力差异减小。见图5(a)。在浮选实验起泡剂质量浓度范围内(如图5(a)虚线框所示)，根据降低表面张力可以将起泡剂分作3类。MIBC和松油90降低溶液表面张力的能力较弱，且随着起泡剂质量浓度的增大，表面张力变化很小；丁基醚醇和2号油降低溶液表面张力的能力很强，BK-201则介于两者之间，且随着起泡剂质量浓度的增大，溶液表面张力显著下降。
从图5(c)可看出：水回收率随着起泡剂用量的增加缓慢增大，在相同用量下，MIBC和松油90水回收率在5种起泡剂中是最高的，丁基醚醇的回收率最低，2号油和BK-201的回收率居中，在质量浓度为13 mg/L时，MIBC和松油90的水回收率相差23%。从图5(d)可看出：在相同用量下，松油90夹带率在5种起泡剂中是最低的，且随着起泡剂质量浓度的增大，夹带率先增加，到达一定值后又出现下降趋势；2号油的夹带率是最高的，但随起泡剂质量浓度的增大，夹带率变化很小；在起泡剂质量浓度为2 mg/L时，2号油和松油90的夹带率分别为0.97和0.50；在质量浓度提高到10 mg/L时，2号油和松油90的夹带率分别0.96和0.73。
图5 起泡剂对绢云母夹带行为的影响
Fig. 5 Effect of frothers on entrainment behavior of sericite
从图5(b)可看出：MIBC为起泡剂时，绢云母回收率最高，为45%左右；丁基醚醇为起泡剂时，绢云母回收率最低。在实际生产过程中，为了降低脉石的夹带，可考虑使用丁基醚醇为起泡剂。
3 煤油对绢云母夹带行为的影响
煤油具有消泡作用。其消泡机理如下：未溶解煤油油滴进入气液界面，取代吸附的起泡剂，然后在泡沫表面铺展，排开液膜，泡沫表面弹性下降，导致泡沫破灭。根据Pugh[21]的研究，未溶解的煤油油滴覆盖在泡沫液膜表面，导致液膜破裂，泡沫排液速度加快，水回收率下降。许宜蔚[22]利用煤油与苯乙烯磷酸浮选钛铁矿，在浮选试验过程中明显观察到煤油改善了泡沫的特性，如不加煤油时，泡沫不仅量多，而且体积较大和矿化不良；当添加煤油后，泡沫量和大小适中，泡沫层稳定、矿化良好，泡沫产品的浓度提高。
在前述实验过程中，发现泡沫直径越小、发黏，则绢云母夹带越严重。基于煤油能改善泡沫特性，通过添加煤油来控制夹带过程。固定 MIBC 用量 200 g/t，进行不同用量煤油浮选试验，探讨煤油对绢云母夹带的影响，试验结果如图6所示。
不同煤油用量下的夹带率与不添加煤油时的夹带率都为0.85左右，煤油对夹带率的影响不大。但能显著地影响水回收率。随着煤油用量从0 kg/t增加至1.6 kg/t，水回收率从44.68%下降至11.74%，绢云母回收率从38.53%下降至10.25%，表明煤油能很好地降低绢云母夹带程度。
煤油作为一种消泡剂能很好地改善浮选泡沫，控制夹带，在浮选过程中可添加适量煤油来减弱细粒亲水脉石夹带的影响。
图6 煤油用量对绢云母夹带行为的影响
Fig. 6 Effect of kerosene dosage on flotation behavior of sericite
4 结论
1) 随着绢云母粒度的减小，绢云母夹带率呈线性急剧增大，泡沫水回收率随粒度＞0.063 0~0.074 0，＞0.045 0~0.063 0，＞0.030 0~0.038 5和＞0.038 5~ 0.045 0 mm这4个粒级变化缓慢，随后，随着绢云母粒度的减小，泡沫水回收率急剧增加，导致绢云母的回收率急剧增加。在磨矿过程中防止泥化及脉石的选择性絮凝能有效地减轻夹带程度。
2) 绢云母矿浆质量分数的增加，夹带率变化不大，泡沫水回收率缓慢增大；降低浮选矿浆质量分数对降低夹带的效果有限。
3) 不同种类和不同用量起泡剂对绢云母夹带有很大的影响；丁基醚醇在降低绢云母夹带方面是一种很好的起泡剂。
4) 煤油能改善泡沫特性，控制绢云母夹带。煤油对绢云母夹带率的影响不大，但能显著地影响水回收率，当煤油用量从0 kg/t增加至1.6 kg/t时，绢云母回收率从38.53%下降至10.25%。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2014-02-10；修回日期：2014-04-22
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(50974133)；国家科技支撑计划项目(2012BAB07B02) (Project(50974133) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012BAB07B02) supported by National Key Technology Support Program)
通信作者：冯其明，教授，从事复杂细粒矿分选新技术研究；E-mail: feng_309@csu.edu.cn
摘要：基于绢云母脉石在浮选过程中容易通过夹带进入精矿，影响精矿品位，为探讨影响绢云母夹带的因素，更好地控制夹带，通过筛析、表面张力测定及纯矿物浮选实验，研究不同条件下绢云母的夹带行为。研究结果表明：随着绢云母脉石粒度的减小，绢云母夹带率呈线性急剧增大，泡沫水回收率先缓慢变化后急剧上升，导致绢云母的回收率急剧增加；随着绢云母矿浆质量分数的增大，夹带率变化不大，泡沫水回收率缓慢增大，导致绢云母回收率缓慢增加；不同种类及用量的起泡剂对绢云母夹带行为有很大影响；煤油作为消泡剂能很好地控制绢云母夹带。
