DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.01.002

低品位菱镁矿摩擦电选提纯的试验研究

赵小路，王海锋，李垚，杨金山，彭真

(中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州，221116)

摘要：为了有效利用低品位菱镁矿，同时降低菱镁矿分选提纯成本，拟采用摩擦电选对低品位菱镁矿进行分选提纯的试验研究。试验借助X线荧光光谱仪以及扫描电子显微镜对低品位菱镁矿做基础分析后，再采用较纯菱镁矿与石英(品位分别大于47.00%和99.00%)分别研究其与不同塑料颗粒球碰撞摩擦之后的荷电性质。按照菱镁矿与石英的质量比为6:1配制MgO品位为40.80%的低品位菱镁矿作为模拟物料完成分选试验。研究结果表明：菱镁矿和石英与PVC颗粒球摩擦之后，呈现出明显荷电差异，菱镁矿表面荷电量为+3.42 nC/g，而石英表面荷电量为 -5.56 nC/g。在自制电选设备中，采用粒度为3 mm 的PVC颗粒球作为填充摩擦介质；试验电压为15 kV，气流流量为60 m³/h, 给料速度为4.5 g/s，获得MgO品位为45.09%，回收率为68.40%的分选效果。摩擦电选可以实现对低品位菱镁矿中SiO₂的脱除。

关键词：摩擦电选；荷电；菱镁矿；PVC颗粒

中图分类号：TQ175       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)01-0009-06

Experimental study on purification of low grade magnesite by triboelectrostatic beneficiation

ZHAO Xiaolu, WANG Haifeng, LI Yao, YANG Jinshang, PENG Zhen

(School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract: In order to effectively utilize the low grade magnesite and reduce the purification cost of magnesite, the low grade magnesite was sorted and purified by triboelectric beneficiation. After the basic analysis of low-grade magnesite with X-ray fluorescence(XRF) and scanning electron microscope(SEM), the charge properties of pure magnesite and quartz (more than 47.00% and 99.00%) after the collision with different plastic particles were studied respectively. The grade of 40.80% magnesite was prepared by pure magnesite and quartz with the mass ratio of 6:1. The results show magnesite and quartz charge differently after having friction with PVC particles. The magnesite surface charge is +3.57 nC/g, while the quartz surface charge is -5.56 nC/g. The 3 mm PVC particles are filled as the friction medium in the lab-made triboelectrostatic separator. The MgO grade and recovery rate are 45.09% and 68.40% at 15 kV voltage, with wind speed being 60 m³/h and feed rate being 4.5 g/s. The triboelectrostatic beneficiation can remove SiO₂ from low grade magnesite effectively.

Key words: triboelectrostatic beneficiation; charing; magnesite; PVC particle

中国是世界上菱镁矿储量最大的国家。根据2016年中国矿产资源报告：截至2015年底，我国菱镁矿总储量为29.7亿t^[1]。其中以辽宁省菱镁矿储量最大，占我国总探明储量的86%^[2]。菱镁矿的主要成分MgCO₃经煅烧之后的产物MgO，熔点可达2 800 ℃，具有优良的抗热震性和抗渣侵蚀性^[3]，因此，菱镁矿主要被用作生产高中档耐火材料和精细化工原料。此外，在建材、航空航天、农牧业、化工原料(SO₂吸附剂)及造纸业等也有所应用^[4-5]。但是，经过近几十年的开采，高品位的菱镁矿日趋减少，而低品位矿石(35%~41%)被丢弃并占地堆放^[2]。在这种开采模式与分选形势下，不仅使资源大量的浪费，同时对环境造成了严重破坏和污染。因此，寻找一种对低品位菱镁矿有效的选矿提纯方法是非常有必要的。目前，菱镁矿提纯的方法主要有浮选法和热选法^[6]。浮选法针对与菱镁矿存在晶体结构相同，或者表面性质相似的伴生矿物时分选会存在局限性^[7-8]。其中浮选过程中Ca²⁺和Mg²⁺的性质较为相似，马蒂斯等^[9]通过对菱镁矿与白云石单矿物进行浮选试验发现：在浮选过程中，矿物溶解产生Ca²⁺和Mg²⁺，Ca²⁺与油酸根离子亲和力比Mg²⁺的大，从而与Mg²⁺产生竞争吸附，致使菱镁矿回收率减小。此外，浮选之后的精矿还需脱水、煅烧等工艺制备MgO，不仅复杂了工艺，还增大了生产成本^[10]。热选法主要是通过焙烧菱镁矿得到MgO，而通常焙烧菱镁矿所得MgO为提高其纯度需要做进一步处理^[11-12]。而摩擦电选是一种基于物质电学性质差异实现干法分选的方法，现广泛应用于工业、农业生产，且具有良好的发展前景^[13-14]。1992年SUVOROVA等曾采用电选针对0.02~0.63 mm粒级的菱镁矿将其品位从45.5%提到46.1%^[15]。近几年，摩擦电选因工艺简单，能耗低，污染小等优点被国内外学者不断深入研究^[16-18]。本文作者通过摩擦电选试验探究了菱镁矿及石英与不同介质摩擦之后的荷电特性。并在选定合适摩擦介质后，借助实验室自制摩擦电选系统完成了对模拟物料的分选，探究摩擦电选从低品位菱镁矿石中脱除石英的可能性。

1  试验

1.1  原料

试验中高品位菱镁矿(品位大于47.00%，主要成分为MgCO₃)以及低品位菱镁矿原矿均来自辽宁某地，石英为分析纯物料。首先对低品位菱镁矿原矿破碎筛分至小于0.074 mm后分别进行了荧光光谱以及扫描电子显微镜分析。荧光分析结果如表1所示。由表1可知：原矿品位为45.39%，其中所富含的脉石矿物以SiO₂质量分数最高，其次以Ca和Al为主。

表1  X线荧光光谱分析结果(质量分数)

Table 1  X-ray fluorescence spectroscopy results    %

同时，为了了解该粒级下原矿中有用矿物MgCO₃与SiO₂的解离状况，通过扫描电子显微镜对该粒级原矿进行了分析。试验结果如图1所示，当矿物破碎至小于0.074 mm时，MgCO₃和SiO₂可以得到解离。

图1  小于0.074 mm低品位菱镁矿SEM图

Fig. 1  SEM images of less than 0.074 mm low-grade magnesite

1.2  试验设备及方法

荷电分析试验采用品位大于47.00%的高品位菱镁矿(MgCO₃)和分析纯SiO₂分别与四氟(PTFE)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、低压聚乙烯(HDPE)、聚乙烯(PE)颗粒球在有机玻璃筒内碰撞摩擦荷电。其中物料粒度小于0.074 mm，介质颗粒球粒径为3 mm左右。

物料的荷电特性通过测量荷质比来表征。实验采用的荷质比测量方式如图2所示，由振动圆台，有机玻璃(绝缘)圆柱筒，筛子，法拉第筒以及静电计组成。在荷质比测量试验中，每次取1 g高品位菱镁矿或石英物料以及500 g介质颗粒球放入有机玻璃筒内并放在振动台上振动，计时30 s。碰撞后的物料通过2 mm筛网迅速下落至法拉第筒内(电量损失可忽略不计)，记下静电计示数并对法拉第筒内物料进行称量，计算物料的荷质比。每次试验在相同条件下重复5次，以相对稳定的值作为荷质比。

图2  荷质比测量装置

Fig. 2  Charge-mass ratio measurement system

根据对原矿的组成成分以及含量分析后，试验拟对目的矿物及主要杂质SiO₂展开探究。因此，采用高品位菱镁矿和石英按照6:1的比例配制成品位为40.80%的模拟物料，完成摩擦电选对主要杂质SiO₂脱除效果的试验探究。然后通过单因素试验方法分别探究电压、给料速度以及气流流量等因素对模拟物料分选效果的影响。最后，在单因素的基础上设计正交试验，探究在不同影响因素组合下物料的分选效果，以得到一个最佳的分选指标。

实验室所使用的分选设备为自制摩擦电选系统，如图3所示。物料及介质颗粒球由给料机从入料口给入，在风的作用下被输送至摩擦管内。物料通过摩擦管在介质球及摩擦棒的双重作用下荷电后进入分选箱，在高压电源产生的电场作用下得以分选。分选箱中共分有7个槽，把中间槽定为中间产物，两边各3个槽定为精矿产物或尾矿产物。

图3  实验室摩擦电选系统

Fig. 3  Laboratory triboelectric separation system

2  结果和讨论

2.1  物料与不同塑料颗粒摩擦的荷质比

2种纯物质与以上7种塑料颗粒摩擦之后的荷质比如图4所示。从图4可以看出：当高品位菱镁矿、SiO₂ 与PTFE，PLA，PP介质球摩擦之后均是荷正电。2种矿物电性相同，不能实现对其静电分选。而与PVC，PMMA，HDPE，PE介质球摩擦后，2种物质存在荷电差异。其中只有当与PVC介质球摩擦之后，高品位菱镁矿荷电量较大(+3.42 nC/g)，同时与SiO₂ 荷电量存在最大极差(8.87 nC/g)。因此，相对于PMMA，HDPE，PE 3种塑料颗粒，选定PVC颗粒作为摩擦介质更有益于实现静电分选。

图4  2种矿物与不同摩擦材质摩擦的荷质比

Fig. 4  Charge-mass ratio of two kinds of minerals tribocharged with different frictions

2.2  单因素试验

2.2.1  极板电压对摩擦电选的影响分析

极板两端的分选电压直接影响着分选效果。为了探究不同电压下的分选效果，试验选取5，10，15，20，25和30 kV 6个水平电压，在气流流量为60 m³/h和给料速度为2.5 g/s的条件下完成试验。试验结果如图5所示。

由图5可知：电压从5 kV增加到20 kV的过程中，精矿品位和回收率均呈现随电压增加而增加的变化趋势，而电压从20 kV增加至30 kV时，品位与回收率又均呈现降低趋势。精矿品位和回收率均在20 kV时达到最大值，分别为43.38%和59.68%。从品位和回收率的变化趋势可见：当电压由10 kV増至20 kV的过程中，电压的变化对分选效果有显著的影响。而当电压从20 kV升至30 kV时，分选效果虽然变差，但变化幅度相对较小。

综合分析认为，在一定范围内增加电压，可以增加荷电物料所受到的电场力，有利于增强物料的分选效果。但当极板电压超过一定值以后，被分选的物料会出现被极化以及荷电量较大的颗粒打到分选极板上出现反弹的现象，进而增加了正负极物料的错配概率，导致精矿品位与回收率均降低的趋势，反而不利于分选。此外，试验在30 kV以后又将电压逐渐增加至60 kV进行分选效果的探索，结果与上述变化趋势一致，品位与产率均呈下降趋势。

图5  电压对精矿品位和回收率的影响

Fig. 5  Effect of voltage on grade and recovery of concentrate

2.2.2  气流流量对摩擦电选的影响分析

气流流量直接决定着被输送物料在摩擦器内摩擦强度以及摩擦时间，也是物料能否充分荷电的关键。试验在固定电压为20 kV，给料速度为2.5 g/s的前提下，进行气流流量为30，40，50，60，70和80 m³/h的探索。试验结果如图6所示。

图6  气流流量对精矿品位和回收率的影响

Fig. 6  Effect of flow rate on grade and recovery of concentrate

从图6可以看出：当气流流量小于60 m³/h时，精矿的品位和回收率基本上都呈上升趋势，在60 m³/h时达到最大；随后，随着气流流量的增大，品位和回收率都逐渐降低。由此可知，在一定的气流流量速范围内，气流流量的增大可以增强物料与摩擦器的摩擦强度，增强颗粒的荷电效果，益于分选。而气流流量持续的增长会减少颗粒在摩擦器内的摩擦时间，导致部分颗粒未能充分荷电，降低了分选指标。

2.2.3  给料速度对摩擦电选的影响分析

给料速度的快慢也是摩擦电选中必须考虑的因素之一。试验为探究给料速度对模拟物料分选效果的影响，当电压为20 kV和气流流量为60 m³/h时，分别对0.5，1.5，2.5，3.5，4.5和5.5 g/s 6个给料速度进行试验。结果如图7所示。

图7  给料速度对精矿品位和回收率的影响

Fig. 7  Effect of feeding speed on grade and recovery of concentrate

从图7可以看出：当给料速度小于4.5 g/s时，品位与回收率都随着给料速度的增加而增加。当给料速度达到4.5 g/s后，品位和回收率都开始降低。分析认为，在给料速度小于4.5 g/s的情况下，增大给料速度可以增加模拟物料中高品位菱镁矿和石英颗粒自身之间的相互摩擦，对荷电效果起积极的作用。但是，当给料速度大于4.5 g/s时，摩擦器内的物料浓度过大，物料之间自身的摩擦制约了物料与摩擦器之间的相互摩擦，对荷电效果起消极作用，降低了分选效果。

2.3  正交试验

为了考察极板电压、气流流量、和给料速度对分选效果的交互作用并选出最优试验方案，选取了L₉(3⁴)的正交表进行合理的试验，以精矿品位和回收率为试验的评价指标，采用直观分析法处理试验数据。正交试验设计因素水平表见表 2，试验结果见表 3和表4。

综合表2、表3及表4进行分析可知：对品位影响的主次顺序为气流流量、极板电压、给料速度，对回收率影响的主次顺序为气流流量、给料速度、极板电压。从表4可知：对于品位较优的水平试验为A₁B₂C₃；对应于回收率的较优水平为A₂B₂C₂。而单因素试验所得品位和回收率所对应的较优水平均为A₂B₂C₂。从对试验影响的显著性结果分析可知，在品位与回收率2个评价指标中气流流量因素都对分选指标起到了主要影响，其侧面也反映出在该物料摩擦电选试验中，荷电环节的关键性所在。而对于电压和给料速度因素来说，在一定范围内它们对试验指标的影响相差不大。

表2  三因素三水平

Table 2  Four factors of three level table

表3  正交试验结果及分析表

Table 3  Orthogonal test results and analysis

表4  正交试验极差分析

Table 4  Orthogonal test variance analysis

最终，试验结合单因素及正交试验的分析结果，对品位及回收率2种指标下所对应的2组较优水平(A₁B₂C₃和A₂B₂C₂)综合分析，选定试验条件A₁B₂C₂水平下的试验结果作为本次探索试验的分选结果。由表3可知：在该试验条件下可获得品位为45.09%，回收率为68.40%的分选效果。

3  结论

1) PVC颗粒作为摩擦介质时，MgCO₃与SiO₂摩擦之后具有较大的荷电差异。而其他塑料颗粒介质不能满足电选试验的目标效果。

2) 通过正交试验确定了3个因素影响分选效果的主次顺序，其中气流流量影响最为显著。由此可知，分选试验中荷电过程是关键所在。

3) 在电压为15 kV、气流流量为60 m³/h、给料速度为4.5 g/s的较优试验条件下，模拟物料得到了品位为45.09%，回收率为68.40%的分选指标，实现了对SiO₂的脱除。

4) 摩擦电选对以SiO₂为主要脉石矿物的低品位菱镁矿的分选提纯具有广阔的应用前景，为后续原矿的分选提纯提供了参考依据。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2018-01-12；修回日期：2018-03-18

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51674257) (Project(51674257) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：王海锋，博士，副教授，从事摩擦电选、流态化分选以及矿产资源综合利用等研究；E-mail: whfcumt@126.com