复配捕收剂精选石墨的实验研究

康文泽, 刘 洋, 丁淑芳

(黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)

0 引 言

鳞片石墨与矿石多呈侵染状共生,要获得品位较高的石墨精矿,须经多次破碎、磨矿,使石墨与矿物杂质解离,再通过浮选的方法将石墨与矿物杂质分离[1]。影响矿物浮选的因素很多,其中,浮选药剂是重要的影响因素之一,尤其是捕收剂的性能直接影响矿物浮选回收率[2]。矿物浮选捕收剂最初多用煤油、柴油和各种石油分馏物[3],这些大多是石油化工业的副产品,捕收剂的稳定性受到一定影响。为了进一步提高矿物浮选效果,人们进行了新型捕收剂的研究。黎军等[4]用PF-100表面活性剂和液体石蜡复配,制备了新型捕收剂,实验显示复配药剂提高了石墨精矿品位和回收率。方和平[5]、毛炬凡等[6]在中性油、煤油中添加表面活性剂制备复合药剂,研究证明新药剂提高了鳞片石墨的回收率。王启宝等[7]报导了用GB型复合药剂对山东平度石墨进行了浮选实验,结果表明新型复合药剂以物理吸附为主,兼有氢键吸附,具有用量少、分选效果好、浮选速率快等优点。马成才等[8]用环烷酸、裂解柴油、混合杂醇及少量柴油制备了MF新型复合捕收剂,复合药剂对石墨浮选的捕收能力和选择性都得到了提高。金蝉[9]等利用混合烃制备了一种含有芳香烃、饱和烃及不饱和烃的复合药剂,该药剂价格低廉,且捕收性和起泡性皆优于煤油和2#油。

综合以上分析,以往的研究大多用混合物药剂,由于混合物药剂成分不稳定,而且掺配比例不容易调节。笔者选取单一的直链烷烃、芳香烃两大类8种非极性烷烃,以碳含量为90.34%的石墨为样本,进行了单一药剂的石墨精选实验,从单一的直链烷烃、芳香烃中筛选出精选效果较好的药剂,进行不同药剂之间的复配,研究复配药剂的精选效果,为研制新型复合药剂做一些探索工作。

1 实 验

1.1 试样及药剂

本实验选取黑龙江萝北某石墨选矿厂第六精选段的精矿作为实验样本,其碳含量为90.34%。由于实验样本中残存一定量的浮选药剂,实验前,对试样进行清洗。先将石墨与一定量的水混合,分批次放入浮选机中,在关闭进气阀门的条件下开动浮选机,搅拌5 min,停机后,将矿浆倒入搪瓷盆中静置沉淀5 h,倒掉盆中漂浮物,将沉淀的石墨再重复上述步骤至少5次,然后,将清洗后的石墨放入烘干箱中烘干。石墨烘干后,在不加任何药剂进行浮选实验,石墨浮出的产率小于10%,即认为石墨清洗干净。对实验样本进行了湿法筛分,筛分结果见表1。其中,w为固定碳含量,wa为累计固定碳含量。

表1 石墨样本粒度组成

由表1可知,大于0.15 mm的粒度级别只占14.96%,而小于0.075 mm的粒级却占了57.97%,说明实验样本的粒度较细。各粒级的固定碳含量随着粒度的减小,固定碳含量逐渐降低。

为了研究实验样本中的杂质组成,进行了X射线荧光光谱分析。由于样本中石墨的含量较高,为了更好的表示样本中的杂质成分,在分析时去除了C的含量,X射线荧光光谱分析结果见表2。

表2 石墨样本主要杂质成分

表2显示,样本中的主要杂质有Fe2O3、SiO2、SO3、Al2O3,还有少量的CaO、K2O、Cl、P2O5等。

实验用的单一捕收剂见表3,药剂均来自于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。常规捕收剂为煤油,作为单一药剂、复配药剂的参比药剂。

表3 实验用单一捕收剂

药剂的复配,按照一定质量比,将计量好的不同单一药剂分别放入60 ℃恒温搅拌器中,搅拌30 min,冷却1 h,即获得复配药剂。

1.2 精选实验

实验使用XFD-1.5型浮选机,浮选槽体容积1.5 L。通过探索性实验和正交实验确定矿浆浓度为30 g/L,浮选机转速为1 450 r/min,充气量为0.13 m3/h。药剂精选实验中,捕收剂用量在100～300 g/t,多种药剂复配精选实验中,捕收剂用量为200 g/t。实验起泡剂均为仲辛醇,用量均为50 g/t。除了进行20 ℃室温实验,还进行了温度为10、30 ℃的实验,在没有特殊说明时,实验均是在室温20 ℃下进行的。

实验步骤:首先,称取45 g石墨矿样,放入浮选槽,加水搅拌2 min;然后,向矿浆液面下加捕收剂,搅拌1 min;最后,加起泡剂,搅拌15 s后开始刮泡,刮泡3 min,将收集的精矿和尾矿进行抽滤、烘干,干燥后的样品称取质量,计算精矿产率。采用高温灼烧测定石墨的灰分、挥发份,计算出石墨的碳含量,石墨灰分、挥发份测量执行中国标准GBT3521—2008。精矿回收率为

ε=(wj×γj/w)×100%,

(1)

式中:ε——精矿回收率,%;

w——原样碳含量,%;

γj——精矿产率,%;

wj——精矿碳含量,%。

2 结果与讨论

2.1 单一药剂

2.1.1 直链烷烃

以4种正构直链烷烃作为捕收剂,以煤油作为参比药剂,精选实验方法见1.2,直链烷烃、煤油的精选实验结果见图1。

图1 直链烷烃、煤油精选实验结果 Fig.1 Cleaning test results of straight chain alkanes and kerosene

从图1a中可以看出,随着捕收剂用量的增加,精矿产率也在增加,曲线基本呈现上升趋势,在药剂用量200 g/t情况下,正十四烷、正十五烷、正十二烷、煤油、正十一烷的精矿产率分别为54.15%、51.55%、34.89%、34.36%、23.02%。从图1b中可以看出,不同药剂、不同用量下,精矿固定碳含量差别不大,均在2%以内。从图1c中可以看出,精矿回收率曲线与精矿产率曲线变化规律基本一致,这可能与精矿固定碳含量变化较小有关。以上研究显示直链烷烃精选效果最好的两种药剂是正十四烷和正十五烷,其精选效果均优于煤油。

2.1.2 芳香烃

以4种芳香烃为捕收剂,以煤油作为参比药剂,精选实验方法见1.2,芳香烃、煤油的精选实验结果见图2。

图2 芳香烃、煤油精选实验结果Fig.2 Cleaning test results of aromatic hydrocarbon and kerosene

由图2a可知,随着捕收剂用量增加,曲线呈现上升趋势。在低用药量100～150 g/t时,正辛基苯的精选效果优于正庚基苯,由于正辛基苯的碳链较长,疏水基团多,能更好地提高石墨的疏水性。在高用药量200～300 g/t时, 正庚基苯的精选效果优于正辛基苯,可能的原因是当用药量较大时,正庚基苯其分散性优于正辛基苯[10]。在药剂用量为200 g/t时,正庚基苯、正辛基苯、煤油、苯己烷、戊苯的精矿产率分别为43.99%、41.75%、34.36%、33.97%、18.06%。

由图2b可知,不同药剂、不同用量下,精矿固定碳含量差别不大,均在2%以内。从图2c可以看出,精矿回收率曲线与精矿产率曲线变化规律基本一致。以上研究显示芳香烃精选效果最好的两种药剂是正庚基苯和正辛基苯,其精选效果均优于煤油。

无论直链烷烃还是芳香烃精矿固定碳含量差异不大,使得精矿产率和精矿回收率的变化规律基本一致,因此以下的研究只对精矿产率进行比较。

2.1.3 温度对精矿产率的影响

为了研究捕收剂在不同温度下的精选效果,对4种直链烷烃和4种芳香烃进行了温度为10、20(室温)、30 ℃的精选实验,捕收剂用药量200 g/t,精选实验结果见图3。

图3 不同温度下精矿产率曲线 Fig.3 Concentrate yield curve at different temperatures

由图3可知,无论直链烷烃还是芳香烃均在温度10 ℃时,精矿产率最低,随着温度的升高精矿产率逐渐升高,温度20 ℃时,精矿产率略高于30 ℃,说明不是温度越高精选效果越好。矿浆温度在10 ℃时,除碳原子数11外,直链烷烃的精矿产率远高于芳香烃的精矿产率,这说明正构烷烃受低温影响较小,芳香烃受低温影响较大。主要原因是在较低温度时,直链烷烃与芳香烃都会发生分子内缔合[11],芳香烃的支链与苯环的缔合程度比直链烷烃分子间的缔合程度大,故正构烷烃受低温影响较小,芳香烃受低温影响较大。在温度较高的20、30 ℃时,直链烷烃与芳香烃也都会发生分子内缔合,只是缔合的程度较低,表现出20、30 ℃的精矿产率高于10 ℃时的产率。在相同温度条件下,由于芳香烃含有苯环,芳香烃的缔合程度比直链烷烃大[12],导致直链烷烃的精矿产率高于芳香烃。对于直链烷烃来说,与室温20 ℃不同,在30 ℃条件下,正十五烷的精矿产率高于正十四烷,这可能是由于在温度略高的情况下,正十五烷的粘度降低了,更容易分散于矿浆中,提高了药剂的作用效果。在本实验中直链烷烃的总体精选效果优于芳香烃,与文献[13]的研究结论一致,且直链烷烃对温度的适应性也优于芳香烃。

2.2 复配药剂

2.2.1 两种药剂的复配

本实验直链烷烃精选效果较好的是正十四烷、正十五烷,芳香烃中精选效果较好的是正庚基苯、正辛基苯,以这4种药剂为基础,进行直链烷烃与芳香烃相互复配,复配方法见1.1。直链烷烃与芳香烃的复配比例k为9∶1、7∶3、5∶5、3∶7、1∶9,将复配捕收剂进行精选实验,复配捕收剂的用药量为200 g/t,精选实验结果见图4。

图4 复配捕收剂精矿产率曲线Fig.4 Concentrate yield curve of composite collector

由图1、2可知,当用药量为200 g/t时,单一的正十四烷、正十五烷、正庚基苯、正辛基苯其精矿产率分别为54.15%、51.55%、43.49%、41.75%,煤油的精矿产率为34.36%。由图4可知,所有复配药剂的精矿产率均比煤油高。正十四烷与正庚基苯复配,除比例1∶9外,所有复配比例药剂的精矿产率均比单一的正十四烷、正庚基苯高。横轴从左至右,随着正庚基苯在复配药剂中占比的增加,精矿产率先增加后降低,在正十四烷与正庚基苯比例为7∶3时达到最高。正十四烷与正辛基苯复配其精选规律与正十四烷与正庚基苯复配的规律基本一致,但正十四烷与正庚基苯复配的精选效果略高于正十四烷与正辛基苯复配。对正十五烷来说,当其占比>50%时,它与正辛基苯的复合效果比与正庚基苯复合的效果好;当其占比≤50%时,它与正庚基苯的复合效果比与正辛基苯复合的效果好。这与单一药剂中低用药量时正辛基苯的精选效果优于正庚基苯,高用药量时,正庚基苯的精选效果优于正辛基苯的实验结果一致。除正十五烷与正庚基苯复配比例9∶1、正十五烷与正辛基苯复配比例1∶9外,所有复配比例药剂的精矿产率均比单一的正十五烷、正庚基苯、正辛基苯高。在正十五烷与正辛基苯比例为7∶3时精矿产率最高。

直链烷烃与芳香烃最佳的复配比例为7∶3。总体上正十四烷与芳香烃的复合效果比正十五烷与芳香烃的复合效果好。

2.2.2 三种药剂的复配

在直链烷烃与芳香烃复配比例7∶3的基础上,进行了一种直链烷烃和两种芳香烃三种药剂的复配实验,复配捕收剂用药量为200 g/t,三种药剂具体复配类型、复配药剂的精选实验结果见表4。为了便于比较,把两种药剂复配比例为7∶3的精选实验结果也列于表4。

表4 复配药剂精选实验结果

由表4可知,三药剂复配的精矿产率均比两药剂的低,但比单一药剂和煤油的高。正十四烷的三药剂复配中,正庚基苯占比大时精矿产率略高。在两药剂复配中,正十四烷与正庚基苯复配的精选效果比正十四烷与正辛基苯复配的精选效果好,说明正庚基苯是复配效果较好的药剂,因此在正十四烷的三种药剂复配中,复配效果好的芳香烃(正庚基苯)占比越大精选效果越好。正十五烷的三药剂复配中,正辛基苯占比大时精矿产率略高。在两药剂复配中,正十五烷与正辛基苯的复配效果优于与正庚基苯的复配,说明正辛基苯是复配效果较好的药剂。在十五烷三种药剂的复配实验中,浮选效果好的正辛基苯占比越大精矿产率越高。综上分析,在本实验的三种药剂复配中,直链的正十四烷、正十五烷,分别与两种芳香烃(正庚基苯、正辛基苯)复配时,复配效果好的芳香烃占比越大的精选效果越好。

3 结 论

(1)本实验中直链烷烃正十四烷、正十五烷精选效果较好;芳香烃中正庚基苯、正辛基苯精选效果较好。在不同温度的实验中,直链烷烃对温度的适应性比芳香烃好。从总体上看直链烷烃的精选效果优于芳香烃。

(2)分别以两种精选效果较好的直链烷烃和芳香烃进行药剂复配,研究显示直链烷烃与芳香烃复配比例为7∶3时,复配药剂的精选效果最好,复配药剂的精选效果优于单一药剂和煤油。

(3)在直链烷烃与芳香烃复配最佳比例7∶3的基础上,按照最佳复配比进行了一种直链烷烃和两种芳香烃三种药剂的复配实验,三种药剂复配的精选效果比两药剂差,但比单一药剂和煤油好。在三药剂复配实验中,复配效果好的芳香烃占比越大精选效果越好。