简介概要

铝土矿反浮选体系分散与凝聚理论

来源期刊：中国有色金属学报2001年第4期

论文作者：骆兆军胡岳华王毓华邱冠周

文章页码：680 - 683

关键词：铝土矿；分散与凝聚； DLVO理论；浮选

Key words：bauxite； dispersion and aggregation； DLVO theory； flotation

摘要：在铝土矿反浮选脱硅过程中，矿浆悬浮液的分散和凝聚状态对微细粒一水硬铝石的回收和精矿铝硅比有显著影响。要使各种硅酸盐矿物混合物达到有效的选择性分离，首先必需使矿浆悬浮液处于最佳分散状态，避免各种矿物细粒间的相互混杂和矿泥罩盖。针对高硅铝土矿反浮选脱硅过程，根据经典DLVO理论，从颗粒间的相互作用分析了微细粒一水硬铝石在各种含硅脉石矿物表面的粘附情况。结果表明：一水硬铝石与含硅脉石矿物颗粒间的范德华相互作用总是吸引；而它们间的静电相互作用在弱碱性条件下时为排斥，在弱酸性条件下时为吸引，一水硬铝石的夹带上浮较为严重，不利于铝土矿的反浮选。

Abstract: It is required to remove silicate minerals from diasporic bauxite in order to enhance the Al/Si ratio of the bauxite. Flotation，especially reverse flotation，is an effective method for removal of silicate minerals. The particulate state (aggregation/dispersion) of suspension has an evident influence on selective flotation of silicate minerals from diaspore in bauxite. The interaction force profiles between diaspore and kaolinite，illite，pyrophyllite have been calculated and the possible heter-aggregation phenomena between diaspore and various silicate minerals has been discussed based on classical DLVO theory. Slime coating and heter-aggregation between -aluminium-silicate minerals and diaspore should be avoided in order to obtain good flotation separation. It is shown by flotation tests that the use of dispersant plays an important role in improving the reverse flotation process of disaporic-bauxite.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.04.030

铝土矿反浮选体系分散与凝聚理论

骆兆军胡岳华王毓华邱冠周

中南大学矿物工程系!长沙410083

摘要：

在铝土矿反浮选脱硅过程中 , 矿浆悬浮液的分散和凝聚状态对微细粒一水硬铝石的回收和精矿铝硅比有显著影响。要使各种硅酸盐矿物混合物达到有效的选择性分离 , 首先必需使矿浆悬浮液处于最佳分散状态 , 避免各种矿物细粒间的相互混杂和矿泥罩盖。针对高硅铝土矿反浮选脱硅过程 , 根据经典DLVO理论 , 从颗粒间的相互作用分析了微细粒一水硬铝石在各种含硅脉石矿物表面的粘附情况。结果表明 :一水硬铝石与含硅脉石矿物颗粒间的范德华相互作用总是吸引 ;而它们间的静电相互作用在弱碱性条件下时为排斥 , 在弱酸性条件下时为吸引 , 一水硬铝石的夹带上浮较为严重 , 不利于铝土矿的反浮选

关键词：

铝土矿;分散与凝聚;DLVO理论;浮选;

中图分类号： TD923

收稿日期：2001-02-20

基金：国家重大基础研究发展规划项目 (G199990 64 90 1-1);

Mechanism of dispersion and aggregation in reverse flotation for bauxite

Abstract：

It is required to remove silicate minerals from diasporic bauxite in order to enhance the Al/Si ratio of the bauxite. Flotation, especially reverse flotation, is an effective method for removal of silicate minerals. The particulate state (aggregation/dispersion) of suspension has an evident influence on selective flotation of silicate minerals from diaspore in bauxite. The interaction force profiles between diaspore and kaolinite, illite, pyrophyllite have been calculated and the possible heter aggregation phenomena between diaspore and various silicate minerals has been discussed based on classical DLVO theory. Slime coating and heter aggregation between aluminium silicate minerals and diaspore should be avoided in order to obtain good flotation separation. It is shown by flotation tests that the use of dispersant plays an important role in improving the reverse flotation process of disaporic bauxite.

Keyword：

bauxite; dispersion and aggregation; DLVO theory; flotation;

Received： 2001-02-20

颗粒间的相互作用对细粒矿物的选择性凝聚、分散及矿粒与气泡的粘附起着重要作用。同类颗粒间的相互作用影响着自生载体浮选、选择性絮凝、疏水凝聚等过程, 而异类颗粒间的相互作用则影响着异类载体浮选、油团聚及矿粒与气泡的粘附过程 ^[1,2] 。异类矿粒与同类颗粒之间的相互作用明显不同, 同类颗粒间范德华力总是引力, 静电力总是斥力, 而异类颗粒间的范德华力及静电力可以是引力, 也可以是斥力, 这取决于体系性质 ^[3,4] 。在铝土矿反浮选矿浆体系中, 异类矿物颗粒间会发生相互混杂和矿泥罩盖, 致使一水硬铝石夹带上浮, 严重影响浮选指标。因而矿浆体系良好的分散状态是保证反浮选顺利进行的必要条件。为此, 首先要弄清异类颗粒间的相互作用关系, 以便最大限度地控制矿浆的分散状态, 使其有利于反浮选过程。本文作者依据经典的DLVO理论, 从范德华相互作用和静电相互作用入手, 探讨微细粒一水硬铝石在含硅脉石矿物表面的粘附情况。

从前人的研究结果可知, 矿粒间的总作用能V_T可用DLVO理论的通式表示 ^[5] :

V_T=V_W+V_E (1)

式中 V_W为颗粒间范德华相互作用能, V_E为颗粒间的静电相互作用能。在铝土矿反浮选矿浆体系中, 有较为复杂的物质组成。所研究的铝土矿其有用矿物为一水硬铝石, 含硅脉石矿物分别为高岭石、叶蜡石和伊利石, 故对铝土矿矿浆所研究的是一水硬铝石 (物质1) 和含硅脉石矿物 (物质2) 在水介质 (介质3) 中的相互作用情况。

1 异类矿物颗粒间的范德华相互作用

由于在铝土矿反浮选过程中, 微细粒一水硬铝石的夹带上浮现象较为明显, 所以这里研究5 μm一水硬铝石和45 μm的含硅脉石矿物间的相互作用情况。各种矿粒的Hamaker常数为: 一水硬铝石A₁₁=15.5×10^-20?J, 含硅脉石矿物A₂₂=8.6×10^-20?J, 水A₃₃=4×10^-20?J, 则一水硬铝石和含硅脉石矿物在水中相互作用的有效Hamaker常数由下式给出 ^[6,7] :

$\begin{array}{l} A_{132} / J = (\sqrt{A_{11}} - \sqrt{A_{33}}) ? (\sqrt{A_{22}} - \sqrt{A_{33}}) = \\ 1.81 \times 10^{- 20} ? ? ? (2) \end{array}$

若r₁和r₂分别为两矿物颗粒半径, 单位为μm, H为矿粒间的距离, 单位为nm, 则微细粒一水硬铝石与粗粒含硅脉石矿物颗粒间的范德华相互作用能为 ^[8,9,10]

$V_{W} / J = - \frac{A_{132}}{6 Η} (\frac{r_{1} r_{2}}{r_{1} + r_{2}}) = - \frac{1.36 \times 10^{- 16}}{Η} ? ? ? (3)$

由计算结果可知: 颗粒间相互作用能为负值, 即一水硬铝石与含硅脉石矿物颗粒间的范德华相互作用总是吸引。如图1所示, 颗粒间距超过30 nm时, 相互间的引力减小, 且变化较小, 颗粒间距小于20 nm时, 相互间的引力急剧增加。

图1 一水硬铝石与含硅脉石矿物间的范德华相互作用能

Fig.1 Van Der Waals interaction betweendiaspore and silicate minerals

2 异类矿物颗粒间的静电相互作用

颗粒半径分别为r₁和r₂的两粒子间的静电相互作用能由下式给出:

$V_{E} = \frac{π ε_{a} r_{1} r_{2}}{r_{1} + r_{2}} (φ_{01}^{2} + φ_{02}^{2}) [\frac{2 φ_{01} φ_{02}}{φ_{01}^{2} + φ_{02}^{2}} p + q] ? ? ? (4)$

式中 ε_a=ε₀ε_r, ε₀为真空中绝对介电常数, ε₀=8.854×10^-12?C²/ (J·m) , ε_r为分散介质相对介电常数, 水介质的ε_r=78.5, 则ε_a=6.95×10^-10?C²/ (J·m) , 且

$p = \ln [\frac{1 + \exp (- κ Η)}{1 - \exp (- κ Η)}] ? ? ? (5)$

p=ln[1-exp (-2κH) ] (6)

式中 H是两颗粒间的距离, κ^-1为Debye长度, 代表双电层厚度, 在298 K时, 对于1∶1型电解质:

$κ^{- 1} / n m = 0.304 / \sqrt{w} ? ? ? (7)$

式中 w为离子质量分数。假定w=10^-3, 则

κ/nm^-1=0.104

由试验分别测得一水硬铝石和各种含硅脉石矿物的ζ-电位如表1所示。

用ζ-电位值近似代替式 (4) 中的φ₀值, 则由式

表1 各种矿物的ζ-电位

Table 1ζ-potential value of minerals

pH	Zeta potential/mV
pH	Diaspore	Kaolinite	Illite	Pyrophyllite
5.0	+10	-5	-18	-10
8.5	-30	-30	-25	-40

(4) 可知, 微细粒一水硬铝石与粗粒高岭石间的静电相互作用能:

pH=5.0时, V_E/J=1.23×10^-18 (-0.8p+q) (8)

pH=8.5时, V_E/J=1.76×10^-17 (p+q) (9)

同理, 微细粒一水硬铝石与粗粒伊利石间的静电相互作用能:

pH=5.0时, V_E/J=4.16×10^-18 (-0.85p+q) (10)

pH=8.5时, V_E/J=1.50×10^-17 (0.98p+q) (11)

微细粒一水硬铝石与粗粒叶蜡石间的静电相互作用能:

pH=5.0时, V_E/J=1.96×10^-18 (-p+q) (12)

pH=8.5时, V_E/J=2.45×10^-17 (0.96p+q) (13)

由式 (8) 至 (13) 作图, 可得图2。从图2可以看出, 在弱酸性条件下, 一水硬铝石与含硅脉石矿物颗粒间静电相互作用是吸引, 引力自大而小的顺序依次是: 伊利石>叶蜡石>高岭石; 而在弱碱性条件下的静电相互作用是排斥, 斥力自大而小的顺序依次是: 叶蜡石>高岭石>伊利石。在颗粒间距为2 nm时, 颗粒间的静电相互作用出现一势垒, 间距大于或小于2 nm时, 静电相互作用能急剧减小。

图2 一水硬铝石与含硅脉石矿物间的静电相互作用能

Fig.2 Double layer interaction betweendiaspore and silicate minerals

3 异类颗粒间的DLVO相互作用

根据上面的计算结果, 并结合式 (1) 可得出微细粒一水硬铝石与各种粗粒含硅脉石矿物间总的相互作用能。一水硬铝石与高岭石间总的相互作用能:

pH=5.0时, V_T/J=-1.36×10^-16/H+

1.23×10^-18 (-0.8p+q) (14)

pH=8.5时, V_T/J=-1.36×10^-16/H+

1.76×10^-17 (p+q) (15)

一水硬铝石与伊利石间总的相互作用能:

pH=5.0时, V_T/J=-1.36×10^-16/H+

4.16×10^-18 (-0.85p+q) (16)

pH=8.5时, V_T/J=-1.36×10^-16/H+

1.50×10^-17 (0.98p+q) (17)

一水硬铝石与叶蜡石间总的相互作用能:

pH=5.0时, V_T/J=-1.36×10^-16/H+

1.96×10^-18 (-p+q) (18)

pH=8.5时, V_T/J=-1.36×10^-16/H+

2.45×10^-17 (0.96p+q) (19)

由式 (14) 至 (19) 作图, 可得图3。从图3可以看出, 在弱碱性条件下, 颗粒间距在2 nm左右时, 一水硬铝石与叶蜡石间的总相互作用能为正值, 即相互作用为排斥, 其它情况下颗粒间的相互作用均为吸引。在弱酸性条件下, 一水硬铝石与叶蜡石、伊利石、高岭石间的吸引力较大, 自大而小的顺序依次是伊利石>叶蜡石>高岭石。在弱碱性条件下, 颗粒间的吸引力较小, 自大而小的顺序依次是伊利石>高岭石>叶蜡石。因此可以得出下述结论: 在铝土矿反浮选过程中, 弱碱性条件时矿浆的分散状态较好, 而在弱酸性条件下, 一水硬铝石在含硅脉石矿物表面发生罩盖, 引起一水硬铝石的夹带上浮, 从而影响浮选指标。表2所列是铝土矿反浮选实验指标, 可以看出, 加入分散剂能显著改善

图3 一水硬铝石与含硅脉石矿物间的总相互作用能

Fig.3 Total interaction between diaspore and silicate minerals

表2 分散剂对浮选指标的影响

Table 2 Influence of dispersant on flotation

Dispersant	Al/Si ratio of concentrate	Recovery of Al₂O₃ /%
None	7.26	71.57
P (1 000 g/t)	7.56	76.58
F (1 000 g/t)	8.67	73.24
F (700 g/t) + J (200 g/t)	9.46	72.55