金属离子对铝硅矿物选择性分散影响的理论研究与实践

摘要

我国的铝土矿资源类型主要为一水硬铝石型铝土矿，铝硅比低，硅含量高。选矿脱硅是有效利用这类铝土矿资源的关键技术途径。正浮选脱硅工艺已得到了推广应用，但其精矿脱水困难，残余药剂对后续拜耳法工艺有不利影响。反浮选脱硅因微细粒浮选效率低，浮选流程长等问题，至今仍未实现工业应用。选择性分散絮凝脱硅已被证明是铝土矿选矿脱硅的一种有前景的工艺。无论怎样，在铝土矿选矿脱硅过程中，由于矿物破碎、溶解和水质条件等原因，矿浆中不可避免存在各种金属离子。这些金属离子或吸附于矿物表面改变矿物表面性质，或与选矿药剂发生作用，并影响矿物颗粒的分散与凝聚行为。系统研究金属离子对铝、硅矿物分散凝聚行为的影响规律及其作用机理，对铝土矿选矿脱硅工艺的发展和工业应用具有重要理论指导意义。
　　 本文以河南低铝硅比铝土矿矿石，以及一水硬铝石和高岭石为研究对象，系统考察了不同价态的金属离子对铝土矿矿石，以及一水硬铝石和高岭石单矿物分散凝聚行为的影响及其作用机理。考察了不同分散剂对金属离子存在时，铝土矿矿石及一水硬铝石和高岭石分散凝聚行为的影响和机理，得到以下基本结论:
　　 1.一价钠、钾金属离子对一水硬铝石的分散性几乎没有影响;二价金属离子在酸性条件下对一水硬铝石的分散凝聚行为影响较小，但在碱性条件下促使一水硬铝石强烈聚沉;三价铁离子使一水硬铝石在酸性和中性条件下能够充分分散，在碱性条件下明显聚沉;铝离子使一水硬铝石的分散性增强。各种金属离子对高岭石的分散都几乎没有影响。由此可见，金属离子价态是影响一水硬铝石和高岭石分散性的重要因素，金属离子价态越高对一水硬铝石和高岭石分散性影响越大。
　　 2.碳酸钠和六偏磷酸钠对一水硬铝石和高岭石有良好的分散作用;钙离子存在时，碳酸钠和焦磷酸钠对一水硬铝石的分散效果很差，六偏磷酸钠、三聚磷酸钠和软水剂则可实现一水硬铝石和高岭石的有效分散;镁离子水体系中，碳酸钠对一水硬铝石的分散效果很差，六偏磷酸钠也不能实现一水硬铝石的有效分散;相同钙、镁离子浓度条件下，软水剂和三聚磷酸钠均可实现铝硅矿物的有效分散，但软水剂的用量远低于三聚磷酸钠的用量。
　　 3.通过动电位测试、溶液化学计算、红外光谱分析和DLVO理论计算，探讨了三种不同价态金属离子和常用分散剂对一水硬铝石和高岭石分散凝聚行为影响的机理。金属离子的羟基络合物在矿物表面的吸附是金属离子与一水硬铝石和高岭石的主要作用形式。分散剂通过调节矿浆pH值或在矿物表面产生化学吸附而改变矿物表面电性，从而改变矿物颗粒间的相互作用能，进而对矿物产生分散作用。钙、镁离子存在时，分散剂的存在形式及组分浓度是影响其对铝硅矿物分散作用的主要原因。
　　 4.水的硬度是水质对铝土矿选择性分散与絮凝过程影响的主要因素。实际矿石试验表明:低浓度钙、镁离子水体系中，单用碳酸钠作分散剂时，铝土矿的选择性分散与絮凝脱硅效果好。当碳酸钠用量为2500g/t时，矿浆即得到强化分散。添加聚丙烯酸钠有利于提高精矿中Al2O3的回收率，其用量为10g/t时，精矿Al2O3的回收率为91.96％，精矿铝硅比为7.16。实际矿石采用强擦洗，并经过两次分散与絮凝脱硅后，精矿Al2O3的回收率达到85.45％，精矿铝硅比达到8.59，精矿质量可满足拜耳法生产氧化铝的要求。高浓度钙离子水体系下，碳酸钠、六偏磷酸钠和水玻璃对铝土矿的选择性分散效果明显变差。以碳酸钠3000g/t，水玻璃1000g/t组合作为分散剂，以聚丙烯酸钠为絮凝剂时，精矿Al2O3的回收率为84.74％，精矿铝硅比仅为7.5。同样在高浓度镁离子水体系下，以碳酸钠2500g/t和水玻璃3000g/t组合作为分散剂时，精矿Al2O3的回收率为90％，精矿铝硅比只达到7.0。添加聚丙烯酸钠或磷酸酯淀粉只略微提高了精矿中Al2O3的回收率，其絮凝的选择性明显地降低了。由此可见，钙、镁离子的浓度越高，对铝土矿的选择性分散与絮凝脱硅过程就越不利。扩大连续试验结果表明:铝土矿选择性分散与絮凝脱硅工艺有可能实现工业应用，但河南地区的水质硬度大，对该工艺的工业应用非常不利。软水剂的使用可显著改善水质，大幅度地减少钙、镁离子对铝土矿选择性分散与絮凝脱硅工艺过程的不利影响。

目录

声明

摘要

前言

第一章 文献综述

1．1 铝土矿资源现状

1．2 铝土矿选矿脱硅研究现状

1．2．1 铝土矿化学选矿脱硅

1．2．2 铝土矿生物选矿脱硅

1．2．3 铝土矿物理选矿脱硅

1．3 金属离子对矿物分散絮凝影响研究评述

1．3．1 金属离子的来源

1．3．2 金属离子的活化与抑制作用

1．3．3 金属离子的凝聚作用

1．3．4 金属离子影响的消除

1．4 本论文研究的意义和内容

第二章 试样、仪器和试验方法

2．1 试验原料

2．1．1 单矿物样品

2．1．2 实际矿石样品

2．2 实验药剂

2．3 实验仪器和设备

2．4 实验研究方法

2．4．1 Zeta电位测试

2．4．2 粒度分析

2．4．3 X射线衍射分析(XRD)

2．4．4 红外光谱测定

2．4．5 分散试验

2．5 金属离子吸附量测定

2．6 六偏磷酸钠的吸附量测定

第三章 金属离子对铝硅矿物分散性影响试验研究

3．1 pH值对一水硬铝石及高岭石分散凝聚行为影响

3．2 调整剂对一水硬铝石及高岭石分散凝聚行为影响

3．3 金属离子对一水硬铝石及高岭石分散凝聚行为影响

3．3．1 Na+，K+对一水硬铝石及高岭石分散凝聚行为影响

3．3．2 Ca2+，Mg2+、Fe2+对一水硬铝石及高岭石分散凝聚行为影响

3．3．3 Fe3+，Al3+对一水硬铝石及高岭石分散凝聚行为影响

3．4 小结

第四章 金属离子对一水硬铝石及高岭石分散性影响机理

4．1 一水硬铝石和高岭石的分散凝聚机理

4．1．1 一水硬铝石和高岭石的表面动电位

4．1．2 矿物颗粒间相互作用理论基础

4．1．3 一水硬铝石颗粒间相互作用的DLVO势能

4．1．4 高岭石颗粒间相互作用的DLVO势能

4．2 一价钠、钾金属离子对一水硬铝石和高岭石分散凝聚影响机理

4．3 二价金属离子对一水硬铝石和高岭石分散凝聚影响机理

4．3．1 钙、镁及亚铁离子在溶液中的水解

4．3．2 二价金属离子在一水硬铝石和高岭石表面的吸附

4．3．3 二价金属离子对一水硬铝石和高岭石表面电性影响

4．4 三价铁、铝离子对一水硬铝石和高岭石分散凝聚影响机理

4．4．1 三价铁、铝离子的水解

4．4．2 三价金属离子在一水硬铝石和高岭石表面的吸附

4．4．3 三价金属离子对一水硬铝石及高岭石表面电性影响

4．5 调整剂对一水硬铝石和高岭石分散作用机理

4．5．1 碳酸钠的溶液化学

4．5．2 碳酸钠对一水硬铝石和高岭石表面动电位的影响

4．5．3 六偏磷酸钠分散体系的溶液化学

4．5．4 六偏磷酸钠吸附量测定及其对铝硅矿物表面动电位的影响

4．6 小结

第五章 钙镁离子存在时调整剂对铝硅矿物分散凝聚行为影响及机理

5．1 钙、镁离子存在时，分散剂对一水硬铝石和高岭石分散凝聚行为影响

5．1．1 钙、镁离子存在时，碳酸钠对一水硬铝石和高岭石分散凝聚行为影响

5．1．2 钙、镁离子存在时，六偏磷酸钠对的一水硬铝石和高岭石分散凝聚行为影响

5．1．3 钙、镁离子存在时，焦磷酸钠对一水硬铝石及高岭石分散凝聚行为影响

5．1．4 钙、镁离子存在时，三聚磷酸钠对一水硬铝石及高岭石分散凝聚行为影响

5．1．5 钙、镁离子存在时，软水剂对一水硬铝石及高岭石的有效分散

5．2 钙、镁离子对溶液中分散剂离子组分影响

5．3 三聚磷酸钠和软水剂对一水硬铝石和高岭石表面动电位影响

5．3．1 三聚磷酸钠对一水硬铝石和高岭石表面动电位的影响

5．3．2 软水剂对一水硬铝石和高岭石表面动电位的影响

5．4 磷酸盐及软水剂在一水硬铝石表面作用的红外光谱图分析

5．5 小结

第六章 铝土矿分散絮凝行为

6．1 低钙、镁离子浓度水体系下铝土矿分散絮凝行为

6．1．1 分散剂对低钙、镁离子浓度水体系下铝土矿分散絮凝影响

6．1．2 絮凝剂用量对铝土矿分散絮凝影响

6．1．3 多次脱硅及强擦洗对铝土矿分散絮凝影响

6．2 高浓度钙离子水体系下铝土矿分散絮凝试验

6．2．1 分散剂对高浓度钙离子水体系下铝土矿分散絮凝影响

6．2．2 絮凝剂对高钙离子浓度水体系下铝土矿分散絮凝影响

6．3 高浓度镁离子水体系下铝土矿分散絮凝试验

6．3．1 分散剂对高浓度镁离子水体系下铝土矿分散絮凝影响

6．3．2 絮凝剂对高浓度镁离子水体系下铝土矿分散絮凝影响

6．4 不同硬度水体系下，分散剂对铝土矿选择性分散絮凝脱硅影响

6．5 高浓度钙离子水体系下铝土矿有效选择性分散絮凝脱硅

6．6 铝土矿选择性分散絮凝扩大试验

6．7 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

博士期间发表的学术论文