氮气（N2）相在混合捕收剂体系下对含金硫化矿浮选效率与浮选动力学的影响

《Minerals》：Effect of Nitrogen Gas on Sulfide Gold Ore Flotation in the Presence of Combined Collectors

　　

本研究通过一系列浮选试验，采用异丁基黄原酸钠（SIBX）、单硫代磷酸盐（Aero S-8045）以及以异丙基乙基硫代氨基甲酸酯为主的药剂（Aero Float MX-505），考察了氮气（N2）相对复杂含金硫化矿实验室规模浮选效率与动力学的影响。在氮气存在条件下，SIBX-S-8045二元体系与MX-505单独使用相比空气条件，在所考察的几乎所有捕收剂用量下，金（Au）回收率与品位均得到改善。另一方面，SIBX-MX-505二元捕收剂体系的浮选结果表明，在相同浮选条件下，N2存在时Au回收率较空气提高4%。此外，观察到该回收率提升伴随Au品位的轻微下降。浮选动力学评价结果表明，对于SIBX-S-8045与SIBX-MX-505体系，具有可浮性矩形分布的二级模型与一级模型分别与试验结果的相关性总体最高。在空气与N2存在下，SIBX-S-8045体系在具有可浮性矩形分布的二级模型中的浮选速率常数（k）分别为4.425（R2 = 0.9947）与8.2402（R2 = 0.9977）。此外，在空气与N2存在下，SIBX-MX-505体系在同一模型中的k分别为4.7257（R2 = 0.9503）与6.3775（R2 = 0.9728）。因此可以确定，在两种二元捕收剂体系中，N2相的动力学均显著快于空气相。

研究背景方面，金属矿石的勘探、开采与富集属于综合性且劳动密集的过程，矿石的矿物学与冶金性质决定所采用的富集工艺，也影响产品的商业价值。浮选是利用矿物表面性质差异分离解离矿物的过程，自20世纪中叶以来，研究人员持续研究不同气体类型对浮选的影响，其中N₂因易于从各类工艺废物中制取且来源广泛，被认为是替代空气最具前景的气体。已有研究指出N₂对黄铁矿、方铅矿、黄铜矿等复杂硫化矿的金属硫化物回收具有显著作用，并有助于脉石矿物从精矿中去除、降低药剂消耗；在工业应用中，N₂已作为专利系统（N₂TEC）用于世界多地含金硫化矿，改善回收率与选择性。然而现有研究主要采用传统黄原酸盐类捕收剂体系，关于新型捕收剂在N₂环境下的效果及其对氧（O₂）饱和度和矿浆电位等参数的影响仍存在文献空白；同时，空气条件下针对硫化金矿新型捕收剂的研究较多，而N₂条件下浮选优化与动力学研究相当有限。基于二元捕收剂体系常因表面活性剂复配产生协同效应，本研究旨在以新型黄原酸盐-硫代氨基甲酸酯捕收剂方案替代经典黄原酸盐-单硫代磷酸盐体系，系统考察空气与N₂不同气相下复杂金硫矿Au回收的浮选优化与浮选动力学。

研究人员开展了实验室规模浮选试验与动力学研究，得出在N₂存在下，除个别高用量条件结果趋同外，浮选回收率与Au品位较空气均提高，且N₂最显著的作用是获得更快的浮选动力学；测量表明N₂显著影响槽内氧饱和度与矿浆电位，可能通过抑制表面氧化而加快浮选动力学。该研究证明了新型二元黄原酸盐-硫代氨基甲酸酯体系在N₂下可显著提高硫化金矿Au回收率，代价是Au品位略有降低，为硫化金矿浮选优化提供了新思路。

关键技术方法方面（不超过250字）：以土耳其?zmir某金矿选厂给矿胶带截取的原矿（ROM）为样品，经颚式破碎至2 mm以下并密封储存；采用ICP-OES与AAS进行化学分析，XRD与光学显微镜（配图像分析软件）进行矿物学表征；以棒磨机磨至不同p₈₀粒度，在GTK LabCell实验室浮选机中开展浮选试验，考察粒度、固体浓度、捕收剂用量与气体流量等参数，并在空气与N₂相下比较；按2、4、8、12、16、20 min分段收集精矿，采用四种经典动力学模型拟合，以Excel求解器最小化误差平方和（SSE）求k与R_∞；同时测定矿浆pH、氧饱和度与矿浆电位。

研究结果方面，3.1 粒度影响：在250 μm粗粒级下几乎无颗粒上浮，随给矿粒度减小，矿物解离增加，质量抽出、Au回收率与品位显著提高，最高Au回收率与品位分别出现在45–55 μm与45–65 μm，确定55 μm为最佳给矿p₈₀。3.2 固体浓度影响：初始固体浓度增至32 wt%时浮选回收率提高18%，增至43–50 wt%时因气泡比例下降与矿泥机械夹带而回收率下降，确定37 wt%为最佳。3.3 捕收剂用量影响：SIBX用量增至60 g/t时Au品位上升，继续增加因脉石夹带导致品位下降，确定60 g/t为最佳；MX-505超过45 g/t时精矿量增至60 wt%使硫化物品位下降，确定22.5 g/t为最佳。3.4 气体流量影响：2 dm³/min不足以产生足够气泡，超过4 dm³/min出现夹带使精矿Au含量下降，确定4 dm³/min为最佳。3.5 SIBX与S-8045体系下气体类型影响：两种气体下回收率均随SIBX用量增加并在60 g/t趋于平台，30 g/t SIBX时空气下回收率89.23%，N₂下提高3.21%至92.44%；N₂下30 g/t时Au品位112.00 ppm，120 g/t时空气为97.12 ppm而N₂为108 ppm；总体N₂使回收率提高1%–3%、Au品位最高提高10.88 ppm。3.6 MX-505体系下气体类型影响：22.5 g/t时空气下Au回收率93.11%，N₂下升至94.9%；至180 g/t前N₂下回收率约高1.5%，180 g/t时两者趋同约98%；低用量（22.5与45 g/t）下N₂中Au品位更高，表明N₂对含金矿物选择性更高；高用量下过量泡沫与质量抽出增加导致品位下降，归因于MX-505中O-异丙基-N-乙基硫代氨基甲酸酯（IPETC）组分的起泡能力。3.7 SIBX与MX-505混合体系下气体类型影响：30 g/t SIBX + 22.5 g/t MX-505时，空气下得109 ppm Au品位与90%回收率，N₂下为102 ppm与94%，即N₂下品位降7 ppm而回收率升4%；60 g/t SIBX时N₂的正效应减弱；矿浆pH在两种气体下均稳定于8.6，电导率平均490 μS；通气后N₂下氧饱和度降至约0%，空气下升至65%–75%；空气使矿浆电位正向升高约50 mV，N₂使其负向变化约?150 mV，低电位有助于抑制表面氧化并增强药剂化学吸附。3.8 浮选动力学结果：空气下SIBX-S-8045体系四种模型R²分别为0.9204、0.9977、0.9992、0.9947，模型1绝对误差很高；N₂下R²分别为0.8152、0.9819、0.9909、0.9977；SIBX-MX-505体系在空气与N₂下均与具有可浮性矩形分布的一级模型吻合最好；两种体系在空气与N₂下最低浮选时间16 min被认为理想；N₂相浮选速率常数较空气相高约35%–86%，含金矿物在N₂下浮选明显更快。

讨论与结论部分，研究结论指出：N₂存在使浮选回收率与Au品位较空气提高，且不依赖实验条件，仅在高用量下部分结果趋同；在最佳条件下，SIBX-S-8045二元体系回收率提高1%–3.0%、品位提高5–10 ppm，MX-505体系分别提高1.5%–3.0%与8–9 ppm，表明N₂的作用与捕收剂体系无关；空气与N₂间最显著的差异是N₂下更快的浮选动力学。两种体系结果除一级模型外与所考察模型高度吻合；在N₂下吻合度最高的具有可浮性矩形分布的二级模型中，SIBX-MX-505体系空气与N₂下速率常数分别为4.425（R² = 0.9947）与8.2402（R² = 0.9977）（原文此处表述存在体系标注不一致），同一模型中SIBX-MX-505体系空气与N₂下k分别为4.7257（R² = 0.9503）与6.3775（R² = 0.9728）；机理测量表明N₂显著影响槽内氧饱和度与矿浆电位，可解释为防止表面氧化从而提供更快浮选动力学。研究最终表明，新型二元黄原酸盐-硫代氨基甲酸酯体系在N₂下可显著提高硫化金矿浮选Au回收率，但Au品位略有降低；未来可研究泡沫特性如气泡尺寸分布与泡沫稳定性，以及矿石可能释放的金属离子（如高菱锰矿含量带来的Mn物种）对富锰硫化矿浮选的影响。