不同预处理体系中锂辉石、锂云母和长石表面溶解行为的差异与机理

《Minerals》：Differences and Mechanisms of Surface Dissolution Behavior of Spodumene, Lepidolite, and Feldspar in Different Pretreatment Systems

　　

作为21世纪关键的战略资源，锂的高效分离是矿物加工领域的一项重大挑战。为了解决锂辉石、锂云母与长石等脉石矿物表面性质相似导致浮选分离效率低的问题，本研究系统研究了NaOH/Na₂CO₃混合碱预处理对三种矿物浮选行为的影响及机理。结果表明，特定质量比（NaOH:Na₂CO₃ = 5:2）的混合碱预处理能显著提高锂辉石和锂云母的浮选回收率，而对长石回收率影响极小。经过混合碱预处理后，锂辉石浮选回收率从低于10%升至87.90%，锂云母回收率从低于10%增至90.1%，而长石回收率在整个试验过程中始终低于14%。机理分析表明，混合碱体系选择性促进锂矿物表面Al-O键断裂，加速Al和Si的差异性溶解，导致矿物表面Al/Si比降低并形成富铝活性位点。同时，Na₂CO₃通过调节界面离子环境和抑制OH^?的过度侵蚀发挥选择性调控作用。XPS分析表明，预处理后锂矿物表面高结合能Al物种比例显著增加，长石表面无明显变化。SEM-EDS和XRD证实了预处理诱导的矿物表面清洗、改性和二次沉淀行为。比表面积分析进一步表明，适度的碱蚀降低了锂矿物的表面能和孔隙率，有利于后续捕收剂吸附。实际复杂锂矿（1.21% Li₂O）的实验室闭路浮选最终获得品位5.52% Li₂O、回收率76.82%的锂精矿。本研究加深了对碱性条件下锂矿物界面反应机理的理解，为开发高效环保的锂矿浮选工艺提供了理论支持。

锂作为21世纪的关键战略资源，在新能源和高新技术领域应用广泛。然而，锂辉石和锂云母常与长石和石英等脉石矿物紧密共生，它们同属铝硅酸盐矿物，晶体结构和表面化学性质高度相似，导致脂肪酸类捕收剂选择性差，传统浮选工艺难以实现高效分离。现有研究多聚焦于单一碱对单一矿物的作用，缺乏对NaOH/Na₂CO₃复合碱体系下多矿物表面竞争溶解关系、晶体结构演变与最终浮选行为内在联系的系统认知。为此，研究人员开展了本研究。研究人员以非洲某复杂锂矿的锂辉石纯矿物、湖南道县某锂矿的锂云母和长石纯矿物为对象，系统考察了NaOH/Na₂CO₃混合碱预处理对三种矿物浮选行为的影响及机理。结果表明，当NaOH与Na₂CO₃质量比为5:2时，锂辉石浮选回收率由不足10%升至87.90%，锂云母由低于10%增至90.1%，而长石回收率始终低于14%。对实际复杂锂矿（1.21% Li₂O）的实验室闭路浮选获得了Li₂O品位5.52%、回收率76.82%的锂精矿。研究深化了对碱性条件下锂矿物界面反应机理的认识，为开发高效环保的锂矿浮选工艺提供了理论支持。该成果发表于《Minerals》。

在方法上，研究主要采用了微浮选试验（XFG型浮选机）和实验室规模浮选试验（XFD-63浮选机），并结合电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，测定溶液中离子浓度）、X射线衍射（XRD，分析晶体结构）、X射线光电子能谱（XPS，分析表面化学状态）、扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS，观察表面形貌）及比表面积分析仪（BET，测定比表面积）对预处理前后的矿物表面进行表征。样本来源：锂辉石和实际矿石来自非洲某复杂锂矿，锂云母和长石来自湖南道县某锂矿。

**微浮选实验结果**：通过对比不同质量比的NaOH/Na₂CO₃，确定最佳质量比为5:2，此时锂辉石和锂云母回收率均接近90%，而长石回收率始终低于14%。进一步试验确定最佳预处理搅拌时间为30分钟，最佳总用量为3150 mg/L。

**实验室规模浮选实验**：在实际矿石浮选中，确定最佳预处理时间为25分钟，最佳质量比为16:9，最佳总用量为2500 g/t。采用一粗三精两扫的无预脱泥闭路流程，获得Li₂O品位5.52%、回收率76.82%的锂精矿，满足相关标准要求。

**ICP结果**：纯水体系中三种矿物溶解能力均极低。在混合碱体系中，锂辉石和锂云母表面Al和Si的溶出量显著增加，且Si的溶出量大于Al，导致浸出液中Al/Si比低于矿物化学计量比，表明发生了选择性溶解和表面铝富集；而长石的Al/Si比高于其化学计量比，未出现铝富集现象，归因于长石中Al-O键键能更高、不易断裂。

**XRD分析**：碱浸后锂辉石的(310)晶面衍射强度显著下降，锂云母的(133)晶面衍射强度逐渐减弱，表明碱蚀具有晶面选择性，但主体物相结构未被破坏。长石的各衍射峰强度基本不变，显示其晶体结构在碱性条件下保持稳定。

**XPS分析**：碱浸后锂辉石和锂云母表面的Al/Si原子比分别由48.95和51.89增至56.61和65.68，高结合能Al物种比例分别增加21%和36%，而长石的相应指标仅发生微小变化，证实碱蚀增加了锂矿物表面不饱和铝活性位点的数量并改变了其键合构型。

**SEM分析**：碱浸后锂辉石和锂云母表面细颗粒减少、边缘模糊、表面趋于平滑；长石表面在碱浸前后均存在大量坑洞和孔洞，无明显变化。

**比表面积分析**：在最优30分钟碱浸时间内，锂辉石和锂云母的比表面积显著下降（锂辉石由0.511 m²/g降至0.078 m²/g），孔隙率降低，表面能减小；而过长时间碱浸（120分钟