磷酸盐对细粒铝硅酸盐矿物分散行为的影响

第38卷第2期中南大学学报(自然科学版)Vol.38No.22007年4月J.Cent.SouthUniv.(ScienceandTechnology)Apr.2007磷酸盐对细粒铝硅酸盐矿物分散行为的影响王毓华1，陈兴华2，胡业民1，兰叶1(1.中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙，410083;2.中国铝业股份有限公司郑州研究院，河南郑州，450041)摘要：采用沉降实验考查磷酸盐对一水硬铝石、高岭石、伊利石和叶蜡石分散行为的影响规律。测定ζ电位和DLVO理论计算，分析六偏磷酸钠提高4种铝硅酸盐矿物分散性的作用机理。结果表明：磷酸盐对这4种矿物分散效果由强至弱的顺序为：六偏磷酸钠,焦磷酸钠,磷酸三钠；六偏磷酸钠增大铝硅酸盐矿物颗粒表面电位的绝对值，从而提高了颗粒间静电排斥作用；同时，六偏磷酸钠吸附于铝硅酸盐矿物表面后，加剧了颗粒之间的空间位阻效应，使颗粒间产生较强的位阻排斥力。关键词：一水硬铝石；硅酸盐；磷酸盐；ζ电位；分散中图分类号：TD952文献标识码：A文章编号：1672-7207(2007)02−0238−07Influencesofphosphatesondispersionoffinealumin-silicatemineralsWANGYu-hua1,CHENXing-hua2,HUYe-ming1,LANYe1(1.SchoolofResourcesProcessingandBioengineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.ZhengzhouResearchInstituteofChalso,Zhengzhou450041,China)Abstract:Influencesofphosphatesonthedispersionofdiaspore,kaolinite,illiteandpyrophylliteweresystematicallyinvestigatedbysedimentationexperiments.Thedispersionmechanismsofsodiumhexametaphosphateonthefouraluminum-silicatemineralswereconfirmedbymeasurementsofzetapotentialsandtheoreticalcalculationsofDLVO.Theresultsshowthatthedispersityorderofphosphatesfromstrongtoweakisasfollows:sodiumhexametaphosphate,sodiumpyrophosphate,trisodiumphosphate.Theabsolutevalueofzetapotentialsofaluminum-silicatemineralsandtheelectrostaticrepulsionamongmineralparticlesincreasewithadditionofsodiumhexametaphosphate.Thespacestericeffectsamongmineralparticlesarealsointensifiedduetotheadsorptionofsodiumhexametaphosphateonthesurfaceofaluminum-silicateminerals,thenthestericrepulsionamongparticlesisenhanced.Keywords:diaspore;silicate;phosphate;zetapotential;dispersion我国铝土矿资源主要为一水硬铝石型铝土矿，具有高铝、高硅、低铁等突出特点，铝硅比偏低，矿物组成复杂，嵌布粒度细，嵌布关系复杂。根据已有研究结果，一水硬铝石的莫氏硬度为6.5~7.0，高岭石、伊利石和叶蜡石的莫氏硬度分别为2.0~3.5，2.0~3.0和1.0~1.5[1−3]。由此可见，一水硬铝石与硅酸盐矿物之间存在的硬度差异是导致矿泥产生的主要原因。已有研究结果表明，铝土矿的浮选一般要求磨矿细度至少80%以上小于0.074mm。对原矿粒度为3mm的铝土矿(小于0.045mm粒级占20%左右)，当磨矿至粒度收稿日期：2006−09−08基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2005CB623701)作者简介：王毓华(1964−)，男，湖北鄂州人，教授，博士，博士生导师，从事浮选理论与实践、计算机应用等研究通讯作者：王毓华，男，教授；电话：[phone]；E-mail：[e-mail]第2期王毓华，等:磷酸盐对细粒铝硅酸盐矿物分散行为的影响23980%以上小于0.074mm时，小于0.045mm粒级含量大于45%，其中小于0.01mm粒级含量可达35%，可见，磨矿产物中微细粒含量相当大[4]。为了减轻微细粒矿泥对浮选过程的影响，在铝土矿正浮选脱硅工艺中，采用Na2CO3和六偏磷酸钠强化矿浆分散，获得良好的分选指标[5−6]。Choi[7]研究了六偏磷酸钠在高岭石上的吸附，认为六偏磷酸钠强烈吸附在高岭石底边上带正电的Al3+活性区，六偏磷酸钠的存在降低了高岭石的ζ电位；张国范等[8]研究了六偏磷酸钠在铝土矿浮选中的作用，表明六偏磷酸钠与捕收剂油酸钠在一水硬铝石和高岭石矿物表面存在竞争吸附，六偏磷酸钠对矿物表面的动电位影响较大，增大了矿物之间的静电斥力，有利于矿泥的分散，增强浮选分离的选择性；陈湘清[9]研究了与六偏磷酸钠作用后的一水硬铝石和高岭石的红外光谱，谱图中均在880，1083和1267cm−1处出现较强的属于六偏磷酸钠的特征峰，并且桥氧和桥磷的特征峰均向波数较大方向发生化学位移，表明六偏磷酸钠在一水硬铝石和高岭石上的吸附是一种化学作用。由此可以推断，在六偏磷酸钠分散体系下，铝硅酸盐矿物和六偏磷酸钠发生了化学吸附。尽管前人针对六偏磷酸钠的作用机理进行了大量研究，但对如何实现强化分散、选择性脱泥的研究较少。在此，本文作者在已有研究基础上，针对强化分散和选择性脱泥的问题，研究了磷酸盐对铝、硅酸盐矿物分散行为的影响规律及可能存在的作用机理。1实验实验样品中，一水硬铝石取自河南渑池，高岭石取自河南平顶山，伊利石和叶蜡石则取自浙江鸥海。单矿物块样经过手工锤碎、挑捡和瓷球磨矿，并全部干筛至粒径小于100µm，然后采用去离子水湿筛得到粒径小于38µm的粉末，低温烘干后装瓶备用。对4种单矿物样品进行X射线衍射分析，结果表明，一水硬铝石、高岭石、伊利石和叶蜡石的纯度分别为91.2%，67.9%，96.0%和89.0%。粒度分析结果表明，一水硬铝石、高岭石、叶蜡石和伊利石的平均粒度分别为13.54，12.70，6.95和7.24µm。4种单矿物的多元素分析结果见表1。实验用盐酸、氢氧化钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠和磷酸三钠均为分析纯。实验用水均为去离子水。采用沉降实验研究单矿物颗粒的分散行为。每次称取3g矿样，加入100mL烧杯中，加入实验药剂，再加50mL去离子水。将烧杯置于磁力搅拌器上搅拌，搅拌速度为900r/min，使矿物颗粒在机械力作用下均匀分散，搅拌时间为5min。将搅拌好的矿浆倒入100mL的沉降瓶中，调节pH值，定容至100mL，此时沉降瓶中的矿浆面高度为160mm。上下颠倒摇动沉降瓶10次，然后静置沉降7min。用虹吸管(刻度从下往上)将处于20mm以上的浆体抽出，并将抽出的矿浆过滤、烘干和称量，按下式计算吸出产率：γ=(m/M)×100%。(1)式中：γ为吸出矿物的产率；M为称取矿物的质量，M=3g；m为吸出矿物的质量。γ越大，表明矿物的分散越好。本次实验条件下，矿物达到完全分散时的吸出产率为87.5%。将4种矿物分别细磨至粒径小于2µm，用高精度天平称取5mg矿物，把矿样放入100mL的烧杯中，加入50mL去离子水，加药并调节pH值，用磁力搅拌器搅拌10min，然后，采用delsa440sxzeta电位仪进行ζ电位测量，每个点均测3次后取平均值。2结果与讨论2.1单矿物实验图1所示为pH值的变化对4种单矿物分散行为的影响结果。在强酸性pH值范围内，4种单矿物都呈凝聚状态，随着矿浆pH值的逐渐升高，4种单矿物的表1单矿物样品多元素分析Table1Chemicalcompositionofsingleminerals(massfraction,%)矿物Al2O3SiO2Fe2O3TiO2K2ONa2OCaOMgO灼烧损失一水硬铝石77.561.091.203.510.0120.0280.0490.05514.57高岭石43.1837.020.862.111.270.190.190.1312.39叶蜡石24.4463.340.130.0830.260.220.0870.0324.89伊利石36.9444.190.180.199.160.240.0310.064.62中南大学学报(自然科学版)第38卷240图1pH值对矿物分散性能的影响Fig.1EffectsofpHonthedispersityofminerals分散性逐渐变好；在pH9的碱性条件下，4种单矿物均达到稳定分散。从图1还可以看出，在实验的pH值范围内，4种单矿物吸出产率由大至小的顺序为：伊利石，叶蜡石，高岭石，一水硬铝石，这也说明了4种单矿物分散性好坏的顺序。当六偏磷酸钠用量为2mg/L时，矿浆pH值的变化对4种单矿物分散性能的影响结果见图2。由图2可知，随着pH值的升高，4种矿物的分散性均逐渐变好；在pH值大于6.5时，4种单矿物的吸出产率均达到最大，即均达到稳定分散。比较图1和图2可知，添加六偏磷酸钠后，高岭石和一水硬铝石达到稳定分散的pH值由9降低至6.5，说明六偏磷酸钠显著提高了这2种单矿物的分散性。当磷酸三钠用量为2mg/L时，pH值变化对4种图2六偏磷酸钠用量为2mg/L时，矿物分散性能的影响与pH值的关系Fig.2RelationbetweenpHanddispersityofmineralswith2mg/Lsodiumhexametaphosphate单矿物分散性能影响的结果见图3。由图3可知，磷酸三钠存在时，pH值对4种单矿物分散性影响规律与六偏磷酸钠相近。此时，4种单矿物的吸出产率达到最大值时对应的pH值为8，高于使用六偏磷酸钠时的pH值(6.5)，说明磷酸三钠的添加虽有助于4种单矿物的分散，但其分散性能明显比六偏磷酸钠的分散性能差。图3磷酸三钠用量为2mg/L时，pH值对矿物分散性能的影响Fig.3EffectsofpHondispersityofmineralswith2mg/Ltrisodiumphosphate图4所示是焦磷酸钠用量为2mg/L时，pH值变化对4种矿物分散性能的影响结果。可以看出，焦磷酸钠存在时，矿浆pH值对4种单矿物分散性的影响规律仍与对六偏磷酸钠的影响规律相似，只是使4种单矿物达到稳定分散的pH值上限不同。采用焦磷酸图4焦磷酸钠用量为2mg/L时，pH值对矿物分散性能的影响Fig.4EffectsofpHonthedispersityofmineralswith2mg/Lsodiumpyrophosphate第2期王毓华，等:磷酸盐对细粒铝硅酸盐矿物分散行为的影响241钠作分散剂，使4种单矿物达到稳定分散时的pH值约为7。比较图2~4可知，3种磷酸盐对4种单矿物分散效果由强至弱的顺序为：六偏磷酸钠，焦磷酸钠，磷酸三钠。2.2动电位的测定由于矿浆中的H+和OH−为许多矿物的定位离子，矿浆pH值的变化将会导致矿物表面电性发生变化，从而影响矿物颗粒间的分散和凝聚行为。图5所示为不同pH条件下4种单矿物表面ζ电位的变化结果。由图5可知，高岭石、伊利石、叶蜡石和一水硬铝石的等电点分别为3.65，3.00，2.80和6.00，与文献报道的研究结果相一致[10−11]。同时，比较图1中的