磁铁矿对锂辉石浮选性能的影响：基于实验与模拟的研究

《Minerals Engineering》：Effect of magnetite on spodumene flotation performance: An experiment- and simulation-based study

　　

•磁铁矿通过优先消耗油酸钠，显著恶化锂辉石浮选。
•Fe3+ 通过水解 Fe 物种促进油酸根吸附，从而激活锂辉石浮选。
•分子动力学模拟表明，油酸根在磁铁矿表面的吸附强于在锂辉石表面。

引言
盐湖提锂迄今是中国获取锂资源的主要途径。然而，近年来这一途径已被证明不足以跟上现代能源产业的快速发展，特别是动力电池和储能系统领域对锂资源需求的爆炸性增长（Rulyov 等，2020）。因此，大规模、高品质锂矿石资源的开发利用已逐渐在中国受到越来越多的关注，尽管对进口锂资源的依赖仍然很高。具体而言，2023 年锂辉石精矿进口量达到 401 万吨，同比增长 41%（Zhou 等，2026）。因此，高效开发和利用国内低品位锂矿石资源已成为缓解供需失衡和确保现代能源产业可持续发展的关键战略。从全球视角来看，随着盐湖矿产生产的增加，硬岩锂资源的重要性日益凸显。在此方面，具有经济意义的含锂辉石伟晶岩分布在澳大利亚、加拿大、巴西、津巴布韦、葡萄牙等地区；此外，一些欧洲矿床也因电池制造的快速扩张和对矿物供应链安全的日益关注而被重新考虑（Kavanagh 等，2018，Dessemond 等，2019，Tadesse 等，2019）。其中，澳大利亚在锂辉石精矿的生产和出口方面发挥了特别重要的作用，而北美、欧洲、非洲和南美洲的新兴项目正逐渐拓宽硬岩锂生产的地理基础。

尽管中国锂辉石资源丰富，但大多数通常具有低品位——通常<1%——细粒度和高杂质含量的特征。目前，泡沫浮选是锂辉石富集最有效和经济的方法之一，尽管浮选过程本身仍然难以执行。此前对辽宁省低品位锂矿石进行的探索性选矿试验表明，含铁矿物显著且不利地影响锂辉石富集，如去除含铁矿物前后分离性能存在显著差异为证。如图 1 和表 1 所示，原矿 Li2O 品位较低为 0.39%，并含有大量磁铁矿和其他含铁矿物（Mejía 等，2025，Tang 等，2026，Rath 等，2014）。在该研究中，通过直接浮选获得了 Li2O 品位为 1.13% 且 Li2O 回收率为 31.05% 的锂辉石精矿。相比之下，去除含铁矿物后，Li2O 品位和锂辉石精矿回收率分别提高至 1.84% 和 38.78%。类似的结果也在几项其他前期研究中得到证实（Ma 等，2023a，Xie 等，2021，Liu 等，2021）。国际研究和工业实践表明，锂辉石矿石的选矿路线必须适应矿石纹理、解离粒度和脉石矿物学特性。重介质分离通常适用于粗解离颗粒，而泡沫浮选对于细散布或低品位矿石至关重要。磁选和基于传感器的矿石分选也可纳入选矿流程的不同阶段，以排除含铁矿物和其他杂质（Tadesse 等，2019，Kundu 等，2023）。然而，锂辉石与共生硅酸盐脉石矿物之间密切的物理化学相似性，以及脂肪酸捕收剂对矿浆化学性质的选择性有限和敏感性极强，经常限制精矿品位和锂回收率。含铁矿物尤其不可取，因为它们增加了锂辉石精矿的杂质含量，同时它们与脂肪酸捕收剂的相互作用可能进一步降低浮选选择性（Cook 等，2023）。因此，阐明这种双重效应与不同地质和工业条件下的硬岩锂项目密切相关。

脂肪酸捕收剂，特别是油酸及其可溶性盐，是锂辉石浮选中最广泛使用的捕收剂家族之一。其捕收作用主要与羧酸盐物种与锂辉石表面暴露的金属位点，特别是含铝位点的相互作用有关（Cook 和 Gibson，2023）。本研究选择油酸钠并非假定它是最大化锂辉石回收率的最佳捕收剂，而是因为它是一种化学定义明确且易于分散的常规脂肪酸捕收剂模型化合物。其单一羧酸盐官能团使得能够在没有工业脂肪酸试剂中常见的多种活性和辅助成分干扰的情况下研究矿物 - 捕收剂相互作用。此外，在初步的实际矿石浮选试验中使用了一种脂肪酸捕收剂。因此，油酸钠提供了实际矿石浮选结果与随后的纯矿物实验、表面表征和分子模拟之间的机制联系。

因此，磁铁矿 - 锂辉石 - 油酸根系统中锂辉石回收率的降低不应简单地解释为油酸钠的局限性。相反，它代表了本研究调查的具体现象，即磁铁矿对常规脂肪酸捕收剂的竞争消耗。在其他适当条件下，其他捕收剂系统可能会改善锂辉石回收率或选择性。例如，混合油酸钠 - 水杨肟捕收剂已应用于实际锂辉石矿石，而 Pb2+ 激活的苯肟酸和新开发的氨基 - 羟基肟捕收剂也表现出对锂辉石增强的捕收能力（Tian 等，2019，Qi 等，2025，Wu 等，2018）。然而，羟基肟捕收剂通过金属位点螯合吸附，也可能与磁铁矿上丰富的 Fe 位点发生强相互作用。因此，在另一种捕收剂系统中锂辉石回收率的提高并不意味着磁铁矿引起的竞争吸附会被消除。脂肪酸、羟基肟和混合捕收剂系统的系统比较是未来研究的重要主题，而本研究侧重于阐明磁铁矿在代表性脂肪酸捕收剂系统中的干扰机制。

近年来，几项研究调查了磁铁矿与其他矿物之间捕收剂吸附的差异，以阐明含铁矿物对浮选的影响以及铁离子在矿物浮选中的激活作用。例如，Meng 等人分析了浮选分离铁橄榄石和磁铁矿中混合捕收剂的协同吸附机制，揭示了磁铁矿上捕收剂的非选择性吸附（Meng 和 Zhang，2025）。Weng 等人采用一种新型季铵盐表面活性剂 M-302 作为捕收剂，用于磁铁矿和石英的浮选分离，证明了类似的优先吸附行为（Weng 等，2013）。此外，已表明 Fe(III) 离子显著影响锂辉石和其他硅酸盐矿物的浮选。在这方面，Yu 等人发现 Fe3+ 离子可以通过静电相互作用吸附到锂辉石、钠长石和石英表面，在 pH < 8 条件下其表面负电荷减少，最终增强油酸钠的吸附并显著改善这些矿物的浮选回收率。关键的是，最佳条件使锂辉石回收率达到 90%（Yu 等，2014）。因此，这些研究共同表明，捕收剂倾向于非选择性地吸附到磁铁矿和其他氧化物矿物表面，铁离子在硅酸盐矿物的浮选中起着至关重要的激活作用。

为了阐明铁矿石不利于锂矿物浮选富集的机制，我们通过微浮选试验评估了磁铁矿对油酸根浮选系统中锂辉石浮选性能的影响。为此，采用ζ电位分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）来比较主要成分（如 Fe 和油酸根离子）在矿物表面的吸附差异。最终，分析证实矿物成分影响矿物的可浮性。此外，我们模拟了矿物的界面吸附路径，以阐明导致药剂吸附变化的矿物结构差异，并推断这种差异与矿物可浮性之间的关系。通过阐明这些机制，本研究旨在为复杂锂辉石矿石的高效利用提供理论支持，并作为理解和减轻锂浮选系统中含铁矿物不利影响的参考。

材料
纯锂辉石（购自巴基斯坦锂矿）和磁铁矿（购自中国云南迪庆）用于微观机制分析。采样过程中，块状原矿最初进行人工筛选，去除可见脉石矿物；随后，筛分后的块状矿物使用锤式破碎机破碎至 2 毫米以下。细磨操作使用三头磨粉机进行，破碎后的矿物进一步研磨至 a

单矿物微浮选试验
锂辉石是一种典型的锂铝硅酸盐矿物，表现出固有的天然可浮性差。在工业浮选过程中，常用 FA（脂肪酸）捕收剂来改善锂辉石表面的疏水性。在本研究中，鉴于在实际矿石浮选试验中利用了基于 FA 的复合捕收剂 AP01，选择其主要活性成分油酸钠作为单矿物微浮选实验的捕收剂。

为了阐明...的影响

结论
本研究利用微浮选试验、表面表征、溶液化学分析和 MD 模拟调查了磁铁矿使用干扰锂辉石浮选的机制。主要结论如下：
(1) 在单矿物浮选试验中，锂辉石仅用油酸钠时表现出较差的可浮性，而 Fe3+ 激活将其回收率提高至 92.00%。在所有金属离子试验条件下，磁铁矿回收率保持在 60% 以上。在混合矿物

CRediT 作者贡献声明
王天北：写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿，可视化，验证，调查，形式分析，数据整理。李浩：写作 - 原稿，可视化，验证，软件，方法论，形式分析，数据整理。邢冰多：写作 - 原稿，监督，软件，数据整理。徐志坚：监督，调查。张学成：监督，调查。鲜永军：写作 - 原稿，监督，资源，项目管理

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（批准号 52264027）和云南省万人计划顶尖青年人才项目（批准号 YNWRQMBJ-2019-051）的支持。

王天北 | 李浩 | 邢冰多 | 徐志坚 | 张学成 | 鲜永军