综述：氧化铁细粉选择性絮凝过程中的挑战与缓解技术：基于数据的系统性综述

《Minerals Engineering》：Challenges and mitigation techniques in selective flocculation of iron oxide fines: A data-driven critical review

　　•对氧化铁细粉的絮凝与分离性能的全面分析。•对淀粉、聚丙烯酰胺及其他替代絮凝剂的深入评估。•对絮凝剂在面对分散剂及工艺参数变化时的反应机制的综合性分析。•为提升选择性絮凝效率而提出的操作策略。引言铁是地壳中含量第四丰富的元素，也是最丰富的过渡金属（Frey和Reed，2012）。它主要来源于赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）（Nikolaeva等人，2021）、针铁矿（FeOOH）（Hong等人，2025）以及菱铁矿（FeCO3）（Jiu等人，2022）。铁在现代工业中的广泛应用凸显了其重要性，这些领域包括交通运输（Sivamaran等人，2021）、工业机械（Haaland，2006）、农业（Haq等人，2021）、日用品制造（Singh和Goel，2021），还有能源、医药以及水处理行业（Attallah等人，2025）。由于需求不断增长，从2015年到2024年全球铁产量呈上升趋势（Jaganmohan，2024；Tuck，2015；Tuck和Ghalayini，2016；Tuck和Kaiser，2017；USGS，2016–2025），不过如图1a所示，2020年产量略有下降。全球铁消费量也呈现类似趋势，但数值略低。全球铁产量与消费量之间始终存在差距，这源于一些常被忽视的系统性因素，比如在钢铁生产过程中大约有10%的铁会流失且未被记录（Hocking，1985），还有铁生产国为应对价格波动和供应危机而进行的战略储备。此外，从生产环节（以开采量为准）到消费环节（在成品形成后才被记录）之间存在的时间差也会造成数据差异。从2015年到2024年，随着生产和消费量的持续上升，勘探工作也日益加强，这使得已探明储量比例上升，同时产生的氧化铁尾矿量也大幅增加，如图1b和图1c所示（Tuck，2015；Tuck和Ghalayini，2016；Tuck和Kaiser，2017；USGS，2016–2025）。2020年铁的产量（图1a）以及尾矿产量（图1c）均出现显著下降，这是由于COVID-19疫情带来的经济动荡所致。这一时期铁价也出现了较大波动，如图1d所示。铁价总体呈逐年上涨趋势，2021年达到峰值后迅速下跌。虽然价格的整体走势与供需关系密切相关，但2021年的剧烈波动很可能是地缘政治紧张局势、经济形势变化以及供需冲击共同作用的结果（Platts，2024）。由于各种应用领域的需求不断增加，全球对铁的需求也在上升，这促使人们对铁矿石加工技术进行了大量研究。在用于工业生产之前，铁矿石首先需要经过开采，然后再进行加工处理。主要的氧化铁富集工艺包括矿石分类（Chengbi，2026；Robben和Wotruba，2019）、重力分选（跳汰法、螺旋分选法、摇床分选法以及多级重力分选法）（Ali等人，2021；Roy，2009）、磁力分选（Ali等人，2021；Roy，2009），以及硅酸盐矿物的反离子浮选法（Filippov等人，2014）。然而，据报道，这些工艺在处理细小颗粒时效果不佳，导致几乎无法对细粉进行有效处理以实现铁的富集（Farrokhpay等人，2021）。为了解决这一问题，人们提出了多种策略，包括先对细粉进行除泥处理，再对中间产物进行进一步处理（Dey等人，2012），以及对细粉进行絮凝浮选处理（Dey等人，2012；Zhang等人，2021），其中还涉及使用纳米气泡（Ge等人，2025）以及新型捕收剂，如聚苯乙烯纳米粒子（ávila-Márquez等人，2025）。此外，人们还采用了专门的反应器-分离器浮选槽（Farrokhpay等人，2021；Vinnett等人，2025）、Imhoflot V型浮选槽（Ayoglu等人，2025；Loganathan和Sankaran，2021；Subramanian和Natarajan，1991）以及选择性絮凝技术（Panda等人，2014a）。不过，除了选择性絮凝之外，所有这些用于处理细粉的技术都需要高度专业且成本高昂的设备，复杂的操作控制，而对于基于浮选的方法来说，还需要昂贵且往往会对环境造成危害的化学试剂。相比之下，选择性絮凝所使用的设备相对简单且成本低廉。它消耗的能量更少，可以直接应用于稀释的矿浆和尾矿流中，无需事先进行粒度分级。该工艺还可以使用可生物降解且对环境无害的试剂，并且在常温常压下即可进行。这些特点使得选择性絮凝能够以较低的资本投入和运营成本融入现有的工厂设施中。因此，对氧化铁矿物的选择性絮凝技术进行研究，有望证明这一方法不仅在技术上可行，而且在经济上也有很大优势。选择性絮凝氧化铁的技术最初是在20世纪60年代北美为处理氧化塔科尼特矿而开发的絮凝浮选工艺中出现的。随着高品位磁铁矿储量的减少，人们开始关注那些含有大量细小共生的赤铁矿（Fe2O3）和针铁矿（FeOOH）的非磁性氧化塔科尼特矿，这类矿石与含硅脉石紧密相连。这类矿石对低强度磁力分选的效果不佳，因此人们开始采用天然淀粉，也就是木薯粉和马铃薯淀粉，来进行选择性絮凝处理（Frommer和Colombo，1964）。在通过除泥处理去除那些无法被絮凝的硅酸盐细粉之后，再通过絮凝浮选法得到铁精矿。此后，又有其他研究人员尝试使用多种絮凝剂和分散剂来处理氧化铁矿（Abro等人，2021；Abro等人，2011；Arol和Iwasaki，1986；Arol和Iwasaki，2003；Bagster和McIlvenny，1985；Colombo，1976；Drzymala和Fuerstenau，1981；Drzymala和Fuerstenau，2014；Eardley等人，2025；Frommer和Colombo，1989；Goodman和Panzer，1979；Gururaj等人，1983；Haselhuhn和Kawatra，2015a；Haselhuhn和Kawatra，2015b；Jain等人，2017；Jin等人，1987b；Khosravi和Mohammadnejad，2025；Kumar等人，2018；Kumar和Mandre，2017；Larroyd等人，2002；Lien和Morrow，1978；Loganathan和Sankaran，2021；Mann，2019；Mihai等人，2025；Nanda，2018；Nanda和Mandre，2019；Nanda和Mandre，2023；Nebo等人，1996a；Panda等人，2013；Panda等人，2014a；Panda等人，2014b；Panda等人，2010；Panda等人，2017；Panda等人，2020；Panda等人，2015；Rao和Narasimhan，1985；Rao等人，1985；Ravishankar等人，1988；Ravishankar等人，1995；Read，1971；Read，1972；Subramanian和Natarajan，1991；Tammishetti等人，2014；Tammishetti等人，2012；Tammishetti等人，2017；Tang和Wen，2015；Termes和Roy，1985；Tudu等人，2018；Weissenborn等人，1995b）。在这一领域的发展历程中，一直存在的核心技术难题是如何在吸附阶段实现高选择性，即让絮凝剂优先吸附在氧化铁表面，同时避免其吸附在硅酸盐脉石矿物上，尤其是石英和高岭石上。除了选择性吸附之外，还有若干相互关联的难题使得氧化铁细粉的选择性絮凝难以实际应用。来自矿物溶解以及循环工艺水中的溶解金属离子，尤其是Ca2?、Mg2?和Fe3?，会激活硅酸盐表面，使其更容易吸附絮凝剂，从而降低选择性。超细的颗粒尺寸会导致异质絮凝现象，即脉石细粉会机械性地嵌入氧化铁絮团中，进而降低精矿的品质。大多数阴离子型絮凝剂在强碱性、二价离子浓度高的环境下会失去黏度，这就需要增加使用剂量，而这样做又会增加非选择性吸附的风险。在含有黏土的矿石中，高岭石和针铁矿表面的铝离子位点会与氧化铁表面竞争絮凝剂的吸附位置，而传统的淀粉和聚丙烯酰胺类絮凝剂只能部分解决这一问题。尽管已有大量关于氧化铁选择性絮凝的研究，但目前的相关文献还缺乏基于数据的全面总结以及未来发展的展望。同时，也缺少针对该工艺中所面临关键问题的系统解决方案。因此，有必要对氧化铁细粉的选择性絮凝技术进行一次综述。本综述重点探讨了贫氧化铁矿、矿浆以及尾矿的选择性絮凝技术，这类技术之所以能够发挥作用，是因为絮凝剂能够凭借其与脉石矿物不同的表面化学性质而优先吸附在氧化铁矿物上（Somasundaran等人，1996）。文中着重分析了不同絮凝剂类型以及在不同工艺条件下的铁富集率与分离效率，这些指标是通过已有的矿石品位和回收率数据计算得出的。此外，本文还分析了絮凝剂中有助于实现絮凝作用的具体功能基团，以及氧化铁及其相关脉石矿物，如高岭石和其他硅酸盐矿物的主要表面成分。最后，本文还提出了进一步提升氧化铁选择性絮凝效果的研究方向。文献检索数据库构建与数据统计在Scopus数据库中，搜索了从20世纪60年代到2025年间所有关于氧化铁矿浆、尾矿以及矿石选择性絮凝的论文和专利。文献检索时使用了以下关键词：“通过选择性絮凝对氧化铁细粉进行富集处理”、“通过选择性絮凝对超细铁尾矿进行富集”、“赤铁矿细粉的絮凝处理”、“针铁矿、褐铁矿以及菱铁矿细粉的选择性絮凝处理”，以及“铁矿的选择性分散-絮凝处理”。铁矿石细粉的矿物学特性矿石、尾矿以及矿浆的矿物学特征对于决定选择性絮凝技术的应用效果至关重要。本文对来自巴西的一批氧化铁样品进行了全面的矿物学分析，巴西是全球主要的铁矿石生产国之一（Franca-Rocha等人，2025）。如图2a–d所示，该氧化铁尾矿的矿物学组成中包含石英、角闪石、黑云母，以及各种氧化铁矿物，包括赤铁矿、磁铁矿等。选择性絮凝技术在不同氧化铁细粉富集中的应用为了解决如何通过选择性絮凝技术将氧化铁矿物与相关的脉石矿物，尤其是硅酸盐矿物分离出来，就必须先明确主要硅酸盐矿物和氧化铁矿物细粉表面的化学成分，同时还要考虑其他影响因素，比如絮凝剂和分散剂的种类。为了确定决定选择性吸附的最活跃矿物表面结构，人们对氧化铁矿物以及典型的硅酸盐矿物的晶体结构进行了研究。氧化铁细粉的选择性絮凝研究人们已经通过多种絮凝剂-分散剂组合，对氧化铁细粉的选择性絮凝技术进行了广泛研究，旨在实现特定的铁富集率和分离效率。如前文所述，铁富集率反映的是精矿相对于原矿的提纯程度，而分离效率则综合考虑了回收率和选择性，是一种更为全面的性能指标。为了系统地对比各类研究报告中给出的铁富集率和分离效率，本文根据主要絮凝剂的类型对相关文献进行了分类：淀粉及其……结论与未来展望来自尾矿、矿浆以及低品位矿石中的氧化铁是可以通过絮凝技术进行富集的铁资源。本文总结了从1969年到2025年间不同研究人员在氧化铁选择性絮凝技术方面的研究成果。基于淀粉和聚丙烯酰胺的絮凝剂之所以能有效发挥作用，不仅因为它们对赤铁矿具有天然的亲和力，还与它们在水中的存在形态、溶解的金属离子、分散剂之间的竞争关系以及界面静电条件有关。本文中用于分析这些化学形态的详细相关方程式详见补充材料。如有需要，也可提供用于计算絮凝剂以及赤铁矿和高岭石矿物化学形态的程序代码。作者贡献声明Hyojeong Nam：撰写——综述与编辑、研究、数据整理。Chitalu Chipili：撰写——综述与编辑、数据整理。Divyasree Prabhakaran：撰写——综述与编辑、研究、概念设计。Levie Mweene：撰写——综述与编辑、初稿撰写、研究、数据整理、概念设计。Charlotte Gibson：撰写——综述与编辑、数据整理。Hyunjung Kim：撰写——综述与编辑、监督、项目管理。利益冲突声明作者声明自己没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。致谢本研究得到了韩国政府下属的韩国国家研究基金会（MSIT）的资助（项目编号RS-2024–00406500）。Hyojeong Nam|Chitalu Chipili|Divyasree Prabhakaran|Levie Mweene|Charlotte Gibson|Hyunjung Kim