（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）煤系高嶺土是一種與煤共生的硬質(zhì)高嶺土，儲量大、分布廣，一般含80%~90% 以上的高嶺石，較砂質(zhì)高嶺土高，但其含較多鐵、鈦、碳等雜質(zhì)，浸染成灰、黑、褐等色調，影響其在造紙、搪瓷、橡膠、陶瓷、涂料、玻纖等行業(yè)中的應用。煤系高嶺土鐵雜質(zhì)主要存在形式有：黃鐵礦(FeS2)、針鐵礦(FeO(OH))、褐鐵礦(Fe2O3 ·nH2O)、赤鐵礦(Fe2O3)、菱鐵礦(FeCO3)、磁鐵礦(Fe3O4) 等。主要除鐵方法有水洗、浮選、磁選、煅燒等物理方法；酸浸、漂白、氯化焙燒等化學(xué)方法；生物除鐵等其他方法。
湖北宜昌地區煤系高嶺土含鐵高，鐵主要以黃鐵礦形式存在，黃鐵礦屬于硫化礦，易被黃藥類(lèi)捕收劑浮選去除。因此，本試驗采用浮選方法去除煤系高嶺土中的黃鐵礦。對煤系高嶺土進(jìn)行了原礦礦物學(xué)研究，對鐵的物相和含量進(jìn)行了測試分析，研究了磨礦細度、抑制劑、pH 值、捕收劑等因素對浮選效果的影響，并對機理進(jìn)行了分析。
1 實(shí)驗部分
1.1 原礦性質(zhì)試驗
礦樣來(lái)自湖北宜昌，肉眼觀(guān)察呈灰黑色。XRF 分析得出礦樣主要化學(xué)成分(w/%)為：SiO2，45.72 ；Al2O3，33.01 ；Fe2O3，3.03 ；TiO2，1.77 ；SO3，2.23 ；CaO，0.072 ；K2O，0.12 ；Na2O，0.058 ；P2O5，0.037 ；Cr2O3，0.017 ；ZrO2，0.066 ；BaO，0.024 ；燒失量，13.76。對試驗礦樣進(jìn)行XRD 分析，結果見(jiàn)圖1。
 由原礦化學(xué)成分和圖1 可知，SiO2 與Al2O3 摩爾比為2.35，高嶺土理論值為2，故該煤系高嶺土含有少量石英；XRD 分析顯示，該煤系高嶺土礦物組成(w/%) 為：高嶺石，82.9 ；石英，7.5 ；鐵、鈦染色雜質(zhì)礦物（黃鐵礦、銳鈦礦、針鐵礦等），4.8 ；碳質(zhì)，2.2 ；其他物質(zhì)，2.6。
1.2 試劑及儀器設備
硫酸、水玻璃、碳酸鈉、丁基黃藥、松醇油，均為分析純。一級去離子水：電阻率大于10 MΩ·cm。FA2004 精確天平、38~250 μm標準石子篩、CQM-Φ180×200 瓷襯球磨機、RK/FD（0.75 L）單槽浮選機、RK/ZL-Φ260×200 多功能真空過(guò)濾機、FN-101-2 干燥箱、pHS-3C pH 計、D/MAXRB型X 射線(xiàn)衍射儀、Axios advanced 型X 射線(xiàn)熒光光譜儀。
1.3 試驗方法
煤系高嶺土原礦經(jīng)對輥式破碎機閉路破碎至-2 mm，得到的-2 mm 礦在混勻后，縮分出每份250 g 的平行試樣。用縮分后的礦樣進(jìn)行以下試驗：⑴ XRD 和XRF 分析，確定原礦物相和化學(xué)組成；⑵窄級別分級后對各粒級鐵的物相和Fe2O3 含量進(jìn)行測試分析；⑶浮選試驗：將礦樣進(jìn)行磨礦浮選試驗，試驗流程見(jiàn)圖2，采用1 粗1 精反浮選試驗流程，使用水玻璃抑制石英及硅酸鹽礦物，同時(shí)分散高嶺土礦漿，采用丁基黃藥浮選黃鐵礦，硫酸和碳酸鈉調節pH 值，用2 號油（松醇油）作為起泡劑。反浮選精選時(shí)起泡劑和捕收劑用量為反浮選粗選用量的一半，起泡劑用量固定，粗選為20 g/t，精選10 g/t。通過(guò)單因素試驗，研究磨礦細度、抑制劑、pH 值調整劑、捕收劑用量對高嶺土精礦產(chǎn)率和Fe2O3 含量的影響，尋求最佳工藝條件。
2 結果與討論
2.1 原礦中鐵的分布
煤系高嶺土中鐵雜質(zhì)主要以二價(jià)黃鐵礦和三價(jià)針鐵礦形式存在，對原礦進(jìn)行窄級別分級，各粒級中的Fe2O3 含量見(jiàn)表1，各粒級的XRD 圖譜見(jiàn)圖3。
由表1 可知，Fe 主要賦存在-250+125 μm、-125+96 μm、-96+74 μm、-74+60 μm 4 個(gè)粒級，+250 μmFe2O3 含量最少。從圖3 可看出，針鐵礦的衍射峰較弱，鐵的主要衍射峰為黃鐵礦，d 值為0.271 nm，峰形尖銳，峰的強度大，可見(jiàn)該煤系高嶺土鐵雜質(zhì)主要以黃鐵礦的形式存在。由圖3 還可看出，在-125+96 μm、-96+74 μm、-74+60 μm 有較強的衍射峰，黃鐵礦主要賦存在這3 個(gè)粒級；而-60+45 μm、-45+38 μm、-38 μm 中黃鐵礦衍射峰微弱，說(shuō)明黃鐵礦在這3 個(gè)粒級含量低；+250 μm 和-250+125 μm 基本沒(méi)有衍射峰，黃鐵礦基本不存在，這與表1 測得的各粒級Fe2O3 含量基本相符。
2.2 磨礦細度
取 250 g 礦樣，添加1.25 g 水玻璃，用瓷襯球磨機在磨礦質(zhì)量分數35% 下磨礦不同時(shí)間，磨礦產(chǎn)品進(jìn)行浮選試驗，捕收劑丁基黃藥粗選80 g/t，精選40 g/t，不添加pH 值調整劑，即pH 值為6，試驗結果見(jiàn)圖4。
 由圖4 可知，當磨礦細度-74 μm 占68.12% 時(shí)Fe2O3 含量最低，這是因為黃鐵礦主要存在于中間粒級，合適的磨礦細度是保證鐵礦物單體解離的前提條件。隨著(zhù)磨礦細度的增加，高嶺土精礦產(chǎn)率呈下降趨勢，這是因為磨礦細度增加，會(huì )使高嶺土過(guò)磨，產(chǎn)生大量礦泥，影響浮選效果。磨礦細度-74 μm 占68.12% 時(shí)，精礦產(chǎn)率達到92.91%，與產(chǎn)率最高點(diǎn)相差1% 左右，而Fe2O3 含量最低，綜合考慮，選取磨礦細度-74 μm 占68.12% 為最佳磨礦條件，此時(shí)磨礦時(shí)間為9 min。
2.3 抑制劑用量
在磨礦細度 -74 μm 占68.12%，捕收劑丁基黃藥粗選80 g/t，精選40 g/t，無(wú)pH 值調整劑的條件下進(jìn)行抑制劑用量的條件試驗，抑制劑用量為2.5~10 kg/t。抑制劑水玻璃用量對Fe2O3 含量以及精礦產(chǎn)率的影響，見(jiàn)圖5。
由圖5 可知，Fe2O3 含量和精礦產(chǎn)率呈現先降低后增加的趨勢，這是因為隨水玻璃用量的增加，石英和硅酸鹽礦物受到抑制，Fe2O3 含量減少；但當水玻璃用量過(guò)大，達到10 kg/t 時(shí)，黃鐵礦也會(huì )受到抑制，使得Fe2O3 含量急劇升高。水玻璃用量在3.75 kg/t 和7.5 kg/t 時(shí)Fe2O3 含量達到最低，而精礦產(chǎn)率相差1%左右，結合經(jīng)濟成本考慮，選擇抑制劑水玻璃最佳用量為3.75 kg/t。
2.4 pH 值調整劑用量
本試驗用硫酸和碳酸鈉調節pH 值。確定磨礦細度-74 μm 占68.12%，捕收劑丁基黃藥粗選80 g/t，精選40 g/t，抑制劑水玻璃3.75 kg/t，改變pH 值調整劑用量。pH 值對Fe2O3 含量以及精礦產(chǎn)率的影響，見(jiàn)圖6。
 由圖7 可知，Fe2O3 含量和精礦產(chǎn)率均呈先降低后增加的趨勢，隨著(zhù)丁基黃藥用量從64 g/t 增加到80 g/t，Fe2O3 含量從0.79% 降低到0.77%，繼續增加丁基黃藥用量，Fe2O3 含量在0.77% 附近波動(dòng)，變化不明顯，而精礦產(chǎn)率在94% 附近波動(dòng)，綜合考慮，捕收劑丁基黃藥粗選最佳用量為80 g/t，精選為40 g/t。
2.6 流程試驗
用對輥破碎機將煤系高嶺土原礦閉路破碎至-2 mm，用上述單因素條件試驗確定的最佳工藝條件來(lái)進(jìn)行煤系高嶺土反浮選黃鐵礦的流程試驗，最佳工藝條件如下：采用1 粗1 精反浮選流程，磨礦時(shí)間9 min，磨礦細度-74 μm 占68.12%，抑制劑水玻璃用量3.75 kg/t，不添加pH 值調整劑，pH 值為6，捕收劑丁基黃藥用量粗選80 g/t，精選40 g/t。最終得到的高嶺土精礦Fe2O3 含量為0.77%，高嶺土精礦產(chǎn)率94.44%，鐵去除率達到76.00%，具有較好的浮選指標。
3 抑制與氧化機理
3.1 水玻璃的抑制機理
水玻璃能有效抑制石英等硅酸鹽礦物，同時(shí)也是高嶺土的有效分散劑。高嶺土有3 個(gè)解離面：層面（001）、端面（110）（010），其中層面（001）最易解離，當層面解離時(shí)不伴隨著(zhù)化學(xué)鍵的斷裂，只有氫鍵斷裂，理論上層面不會(huì )荷電，但實(shí)際礦物中有Al3+、Fe3+ 取代Si4+，Mg2+、Fe2+ 取代Al3+，使得層面恒定荷少量負電；高嶺土端面（110）（010）發(fā)生解離時(shí)，晶胞中會(huì )有Al-O 和Si-O 的斷裂，斷裂生成的Al 和Si 吸附定位離子H+ 和OH- 而使高嶺土荷電，據報道，高嶺土在端面上的零電點(diǎn)PZC 為7.3±0.2，因此高嶺土端面在酸性條件下荷正電，堿性條件下荷負電。高嶺土飽和礦漿有一定的緩沖效果，在不添加pH 值調整劑的時(shí)候礦漿pH值1 min 后穩定在5.6 處，所以，在磨礦時(shí)高嶺土層面帶負電，端面帶正電，容易使高嶺土聚集成團，影響磨機磨礦效率，因此應該在磨礦時(shí)添加分散劑，降低礦漿黏度，增加礦漿分散性能。根據水玻璃在水中的溶液化學(xué)性質(zhì)，水玻璃在pH 值小于9.4 時(shí)主要以Si(OH)4 形式存在，在pH 值為9.4~12.6 時(shí)主要以SiO(OH)3- 形式存在，在pH 值大于12.6 時(shí)，以SiO2(OH)22- 形式存在。一般認為水玻璃抑制石英和硅酸鹽礦物的主要作用是由SiO(OH)3- 和Si(OH)4 引起的，這兩種物質(zhì)能吸附在礦物表面，它們又有很強的親水性，吸附在礦物表面后，使得該礦物親水而起抑制作用。
3.2 黃鐵礦的氧化機理
黃鐵礦表面容易發(fā)生氧化，早期黃鐵礦會(huì )生成缺金屬硫化礦FeSx，外層由硫組成，具有一定疏水性；進(jìn)一步氧化，酸性條件下，黃鐵礦表面發(fā)生氧化生成Fe2+ 和S0，堿性條件下，黃鐵礦生成Fe(OH)3 和S0 ；更進(jìn)一步氧化后，黃鐵礦表面生成 Fe2+（酸性）或 Fe(OH)3（堿性）和親水性的 SxOy2-（S2O32-、SO32-、S2O42-）。黃鐵礦的疏水性取決于其表面覆蓋的疏水性的S、FeSx 和親水性的 Fe(OH)3、SxOy2-，pH 值對其有很大影響，堿性條件下，生成的Fe(OH)3 親水，抑制了黃鐵礦的上浮，這與圖6 試驗結果相符。
4 結論
1. 由XRF 分析得到煤系高嶺土原礦Fe2O3 含量3.03%，SO3 含量2.23%。煤系高嶺土鐵、硫含量較高；由原礦XRD 以及窄級別分級后各粒級Fe2O3含量分布和XRD 圖譜分析可知，鐵雜質(zhì)主要以黃鐵礦形式存在，黃鐵礦主要存在于-125+96 μm、-96+74 μm、-74+60 μm 這3 個(gè)中間粒級，+250 μm 黃鐵礦含量最少。
2. 經(jīng)破碎磨礦后采用1 粗1 精反浮選流程去除黃鐵礦，確定了各因素最佳條件：磨礦時(shí)間9 min，此時(shí)磨礦細度為-74 μm 占68.12%，抑制劑水玻璃用量3.75 kg/t，pH 值為6，捕收劑丁基黃藥用量粗選80 g/t，精選40 g/t。
3. 試驗得到最終高嶺土精礦Fe2O3 含量0.77%，精礦產(chǎn)率達到94.44%，鐵去除率達到76.00%，有較好的浮選指標。
4. 在磨礦時(shí)添加適量分散劑水玻璃，降低礦漿黏度，增加礦漿分散性能。同時(shí)，水玻璃溶液中的SiO(OH)3- 和Si(OH)4 吸附在石英及硅酸鹽礦物表面，使其親水而受到抑制。
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