多糖類の有益な効果

Scientific Reports volume 12、記事番号: 6502 (2022) この記事を引用

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粉砕は、鉱物選鉱プロセスの中で最もエネルギーを消費するステップです。研削助剤 (GA) の使用は、サイズの縮小に伴う高エネルギー消費を削減する革新的なソリューションとなる可能性があります。驚くべきことに、浮選分離などの下流の鉱物選鉱プロセスに対する GA の影響についてはほとんど知られていません。多糖類ベースの材料などの環境に優しい GA の使用は、鉱物加工工場における環境問題の削減に何倍にも役立ちます。実用的なアプローチとして、この研究では、マグネタイトの粉砕とその逆浮選に対する新しい多糖類ベースの粉砕助剤 (PGA) の効果を調査しました。バッチ粉砕テストでは、PGA を使用しない粉砕と比較して、PGA はエネルギー消費を削減し、製品の粒度分布を狭くし、表面積を増やすことにより粉砕性能を向上させることが示されました。純粋なサンプルの浮選試験では、PGA が逆浮選分離を通じてマグネタイトの沈下に有益な効果を発揮することが示されました (石英の浮遊性への影響は無視できます)。 PGA の存在下で人工混合粉砕サンプルを浮遊選鉱すると利点が確認され、最大 Fe 回収率と品位はそれぞれ 84.4% と 62.5% となりました。デンプン（抑制剤）が存在しない場合、PGA を使用した場合の分離効率は 56.1% でしたが、PGA を使用しない場合は 43.7% でした。 PGA の吸着メカニズムは、主に紫外可視スペクトル、ゼータ電位試験、フーリエ変換赤外分光法 (FT-IR)、および安定性分析に基づく物理的相互作用によるものでした。一般に、天然の緑色ポリマーである PGA を使用する実現可能性は、粉砕と逆浮選分離の両方の性能にとって有益でした。

セメントおよび鉱物加工工場のサイズ縮小ユニット（粉砕および粉砕）は、年間生産される世界の電力エネルギーの最大 4% を消費します1。粉砕、特に最も一般的な粉砕機であるボールミルでの粉砕はかなりランダムなプロセスであり、必要な製品サイズを生成するのに使用されるのは入力エネルギーの 1 ～ 2% のみです2。セメント産業では、これらの問題に対処する有望な代替手段として粉砕助剤 (GA) の使用が検討されています 3,4。化学添加剤または GA は、エネルギー消費を削減するために工場に添加される物質 (0.25 wt.% 未満) とみなされます 5、6、7。 GA は主にセメント産業で検討されており、鉱物選鉱プラントではまだ広く実施されていません。セメント産業の粉砕プロセスの結果に基づいて、GA は粉砕性を向上させ、エネルギー消費を削減し、比表面積を増加させることができます8、9、10、11、12。ただし、セメント工場での粉砕は生産の最終段階で行われ、サイズの縮小は鉱物処理の最初のステップです。したがって、鉱物処理プラントにおける主な懸念事項には、GA の高コスト、粉砕製品の潜在的な汚染 (下流プロセスへの悪影響といわれている)、および環境問題が含まれます。

GA の設計と選択は、ほぼもっぱら研削性能に基づいて行われます。セメント業界では、多くの化学物質が GA として使用されています。それらは、トリエタノールアミン (TEA) などの純粋な化学物質から、より最近の高電荷ポリマーまで多岐にわたります 6、7、9、13。ポリマーは最も商業的に存在する GA です。これらは主にエチレングリコール、プロピレングリコール、トリイソプロパノールアミン (TIPA)、トリエタノールアミン (TEA)、およびテトラエチレンペンタミン (TEPA) をベースとしています6,7,14。 TEPA (アミンベース) など、これらの GA の一部は非生分解性であり、環境上の懸念を引き起こします 15。アルカノールアミンを含む廃棄物の流れはアンモニア、亜硝酸塩、硝酸塩の濃度を上昇させる可能性があり、下層土壌や水源に浸透する可能性があります15。

現在の環境問題に対処するために、環境に優しい良性材料を GA として使用することについていくつかの研究が行われています。これらの研究では、天然ポリマーが低コスト、豊富、無毒性であるため有利であることが報告されています。一方で、廃食用油、グリセリン、リグニン、サトウキビ糖蜜など、他の産業からの廃棄物を GA として利用する調査も行われています 16,17。これは、トリエタノールアミンベースの GA のコストの高さと、廃棄物の発生を削減し、他のプロセスからの「廃棄物」を再利用するために原材料の生産において台頭しつつある「循環経済」の概念によっても動機付けられています。 Zhang et al.17 は、リグニン、サトウキビ糖蜜、廃グリセリンの混合物がセメント生産における GA として使用できることを実証しました。多糖類ベースの化学は、毒性が低く安価な試薬開発オプションに代わる有望な代替品です 18,19。これらは、浮選分離における抑制剤としてすでに使用されている有機ポリマーでもあります20、21、22、23。

鉱物処理のバリューチェーンでは、環境への影響が少ない実践が求められているため、最良のシナリオは、粉砕性能を向上させ、下流プロセスに悪影響を与えない化学物質を開発することでしょう。いくつかの研究は鉱物産業に焦点を当て、下流への影響についてさらに議論しています25,26。ただし、詳しい内容ではありませんでした。必要とされる下流プロセスの効率とバリューチェーン全体の完全性を確実に維持するには、GA 分離試薬の相互作用を理解し、制御することが重要です。このような理解は、特定の粒径範囲 (主に -100 + 25 μm) で効率的に分離できる浮選分離では特に不可欠です 27,28。

以前の研究では、鉱物粉砕性能 10 と材料レオロジー 5 を改善するグリーンケミカル添加剤としての多糖類ベースの GA (PGA) の利点が実証されました。しかし、高コストであり、GA と浮遊選鉱試薬の潜在的な相乗相互作用の結果として下流プロセスに影響を与えると言われているため、その用途は制限されています。さらに、鉱物浮遊選別などの下流の選鉱プロセスに対する潜在的な影響については対処されていません。この研究は、戦略的アプローチとしてマグネタイトの粉砕に PGA を使用することと、マグネタイトと石英の浮遊選別における PGA の考えられる影響についての理論的洞察を強化することを目的としています。新しい PGA である Zalta™ VM1122 は市販されていますが、この現在の研究は、吸着試験、安定性測定、フーリエ変換赤外 (FTIR) 研究、およびゼータ電位測定を通じて、Zalta™ VM1122 と磁鉄鉱および浮遊選鉱試薬との相互作用を調査することに焦点を当てています。人工混合鉱石（磁鉄鉱＋石英）の逆浮遊選鉱実験を紹介します。浮遊選鉱の結果を使用して、プロセス回収率と選別に対する PGA の効果を評価し、ベンチマークとして従来の浮遊選鉱 (GA なし) と比較しました。

商品名Ｚａｌｔａ（商標）ＶＭ１１２２の多糖類ベースの粉砕助剤（ＰＧＡ）は、Ｓｏｌｅｎｉｓ（スウェーデン）によって提供された。 PGAはデキストランを主成分とする中分子量の多糖類です（図1）。すべての実験では、劣化を避けるために PGA ストック溶液を毎日新たに調製しました。浮遊選鉱試験では、捕集剤、抑制剤、および pH 調整剤が使用されました (表 1)。特に明記しない限り、すべての実験では脱イオン水を使用しました。

デキストランの典型的な化学構造。

実験のために、純粋な石英サンプル（-2 mm）をスウェーデンのVWRから入手しました（図2a）。スウェーデン北部のマルムベゲットの鉱山からの磁鉄鉱（図 2b）は、LKAB（Luossavaara Kiirunavaara Aktiebolag）から受け取りました。半定量的 X 線回折 (XRD) 分析では、石英の場合は > 99% の SiO2、マグネタイトの場合は > 96% の Fe3O4 を示します。実験用ジョークラッシャーを使用した粉砕実験のために、マグネタイトを-2.8 mmに粉砕し、ミルフィードを得ました。純粋な鉱物（磁鉄鉱と石英）は、浮遊選鉱および表面分析のために実験室用ボールミルを使用して粉砕され、粒子サイズが約 106 μm になりました。得られた -106 + 38 μm 画分を浮遊選鉱原料として使用し、一方、-38 μm の材料を乳鉢と乳棒を使用してさらに粉砕して、表面分析用の -5 μm の材料を得ました。

検査したサンプルの XRD パターン (a) 純粋な石英。 (b) 純粋な磁鉄鉱。

粉砕実験では、内径 115 mm の実験室規模のボールミル (CAPCO、英国) を、鋼製粉砕媒体 (段階的装填: トップサイズ 36 mm) を使用して 91% の臨界速度で操作しました。対照試験では、添加剤（「基準」と呼ぶ）は使用せず、他の実験では、PGA を 3 つの異なる濃度（0.03、0.05、および 0.1 wt.%）で鉱石と組み合わせました。ミル条件はすべての実行および反復で一定に保たれました。粒度分布 (PSD) は、標準ふるいおよび RO-TAP® ふるい振とう機 (モデル RX-29-10、WS Tyler、Mentor、OH、USA) を使用した乾式および湿式ふるい分析の組み合わせを使用して決定されました。決定されました。エネルギー消費は、ボンドの方程式に従って作業指数を使用して特徴付けられました29。表面積は、窒素ガスを使用して粒子の表面積を特徴付けるMicromeritics Flowsorb II 2300機器によるブルナー・エメット・テラー(BET)技術を使用して測定した。さらに、表面積を使用して、次の式を使用して表面粗さ (\({R}_{S}\)) 値 (無次元) を計算しました。 (1) Jaycock と Parfitt によって説明されています30。

ここで、\({A}_{B}\) は BET 表面積測定値、ρ は固体密度、D は平均粒子直径です。さらに、密度は自動化された Micromeritics AccuPyc II 1340 ガス比重計を使用して測定されました。同じ粉砕プロトコルを単一鉱物とモデル鉱石に使用して浮遊選鉱フィードを調製しました。粉砕およびふるい分け後、サンプルを希 HCl 溶液 (2%) で徹底的に洗浄し、粒子表面をきれいにしました。

純粋な磁鉄鉱と石英の単一鉱物浮遊選鉱実験は、ミニ浮遊選鉱セル (Clausthal セル) を使用して実行されました。各浮遊選鉱では、7.5 g のサンプル (-106 + 38 µm) を脱イオン水で 150 cm3 の容量に加えました。試験を行う前に、スラリーを所定量の PGA で 10 分間コンディショニングしました。続いて、試薬（抑制剤およびコレクター）を懸濁液に添加し、10 (5 + 5) 分間コンディショニングしました。苛性デンプンを抑制剤として使用した。新鮮な 1% アルカリ性デンプン溶液 (比率 1:4) を各セットの実験用に調製しました。 Nouryon (スウェーデン) が推奨および供給した Lilaflot 822M をカチオンコレクターとして使用しました。１．０ＭＮａＯＨまたは１．０ＭＨＣｌを添加することによってｐＨを調整した。浮遊選鉱は、10秒ごとに掻き落としながら2分間実施した。泡生成物と尾部を収集し、重量を量り、乾燥させ、乾燥重量に基づいて回収率を計算した。各実験は 2 回ずつ実行され、平均が報告されました。

モデル鉱石の混合鉱物浮遊選鉱は、同じセルを使用して実行されました。モデル鉱石は 5.0 g の磁鉄鉱と 2.5 g の石英 (比率 2:1) で構成されていました。各試験には、7.5 g の混合物 (-106 + 38 μm) を脱イオン水とともに使用しました。単一鉱物浮遊選鉱などの同じ手順が、逆浮遊選鉱でも検討されました。コレクターは 300 g/t に固定し、抑制剤は GA とともに変化させました。コンディショニングを 10 分間実行し、続いて浮選を 2 分間実行しました。泡生成物と尾部を収集し、重量を量り、乾燥させ、乾燥重量と誘導プラズマ (ICP OES) を使用した化学分析に基づいて回収率を計算しました。各実験は 2 回ずつ実行され、平均が報告されました。各テストの分離効率 (SE) は、式 1 を使用して計算されました。 (2)31． f、c、t がそれぞれ鉄のフィード、精鉱、テールグレードである場合、SE 値が高いほど、プロセスの分離効率が優れていると推定されます。

サンプルのゼータ電位は、CAD ZetaCompact 機器を使用して測定されました。ビーカー中で、細かく粉砕したサンプル（約５μｍ）２０ｍｇを、所定の試薬とともに５０ｍｌの脱イオン水と混合した。バックグラウンド電解液は 10-2 M KCl 溶液でした。ｐＨは、ＨＣｌまたはＮａＯＨ溶液を使用して調整した。混合物をマグネティックスターラーで１０分間撹拌し、静置した。次いで、シリンジを使用して懸濁上清を電気泳動セルに移した。懸濁液中の粒子にレーザーを照射し、その電気泳動をカメラで観察しました。ビデオ分析は、電気泳動移動度データからゼータ電位を計算するために、スモルコウスキー方程式 32,33 に基づいた Zeta4 ソフトウェアで行われます 34。各データポイントについて報告される結果は、異なるアリコートでの 3 つの測定値の平均です。

吸着された PGA の量を決定するための吸着測定は、UV-VIS 分光計 (DU シリーズ 730 – Beckman Coulter、米国) で溶液除去法を使用して実行されました。 0.5 ～ 5 mg/ml の範囲の PGA 濃度の標準溶液を使用して検量線を取得しました (図 3)。測定には、220 nm での最大吸光度を使用しました。 1.0 gのサンプル（-106 + 38 μm）と40 mlおよび所定の試薬濃度を100 mlフラスコに加えました。懸濁液をｐＨ１０および２０±１℃で２時間撹拌して、最大の吸着を確実にした。真空濾過後、溶液を0.22μmのミリポア膜に通した。溶液中に残ったＰＧＡの濃度を、波長２２０ｎｍのＵＶ吸光度を使用して分析した。測定はブランクについて補正され、3 回実行されました。溶液から減少した濃度は、サンプル粒子の表面に吸着すると考えられました。吸着密度は式(1)を使用して計算されました。 (3);

ここで \({Q}_{e}\) はサンプル粒子表面に吸着された PGA の量 (mg/g)、\({C}_{0}\) および \({C}_{1} \) は初期濃度と最終濃度、つまりそれぞれ吸着前と吸着後の濃度 (mg/L) です。 m はサンプルの質量 (g)、V は PGA 溶液の体積 (L) です。さらに、吸着等温線の実験データは、Langmuir (式 4) および Freundlich (式 5) モデルに当てはめられました。

ここで、\({Q}_{e}\) は吸着された PGA 量 (mg/g)、\({C}_{e}\) は PGA の平衡濃度です。 \({Q}_{m}\) と \({K}_{L}\) はラングミュア定数ですが、\({K}_{F}\) と 1/n は最大単層に関連するフロイントリヒ定数です吸着容量と吸着エネルギー、それぞれ35．

PGA 吸着の標準曲線。

懸濁液の安定性測定は、Turbiscan LAB EXPERT (Formulaction、フランス) を使用して実行されました。 PGAの存在下および非存在下での凝集および分散の挙動を決定するために測定を実施しました。 50 mg の石英とマグネタイトを 40 mL の脱イオン水に別々に加えました。次いで、所定量の試薬を加え、pH 10で20分間撹拌した。20 mLの懸濁液を測定バイアルに移し、30℃で40 mmの高さでスキャンした。懸濁液を60分間で100回以上スキャンした。 30秒間隔で。パルス近赤外光 (λ = 880 nm) の透過 (T) と後方散乱 (BS) の強度を時間の関数として記録しました。次に、TLab EXPERT 1.13 および Turbiscan Easy Soft ソフトウェアを使用してデータを分析し、Turbiscan Stability Index (TSI) 式を計算しました。 (6)。ここで、 \({x}_{i}\) は 1 分間の測定の平均後方散乱、 \({x}_{BS}\) は平均 \({x}_{i}\)、 \ (n\) はスキャン数です。 TSI 係数の値は 0 から 100 まで変化し、非常に安定したシステムから不安定なシステムまで変化します 36,37。

PGA の特性評価は、全反射減衰 (ATR) アタッチメントを備えたフーリエ変換赤外 (FTIR) 分光法を使用して実行されました。サンプルは、メノウ乳鉢と乳棒を使用して約 -2 μm まで粉砕されました。 2.0 g の鉱物サンプルを所定の試薬で処理し、pH 10 で 40 分間コンディショニングしました。固体サンプルは脱イオン水を使用して徹底的に洗浄しました。洗浄し、35 °C で 24 時間真空乾燥した後、サンプルを FTIR 分析に供しました。サンプルは、真空条件（7 mbar 以下）下で、それぞれ IFS 66 V/S 機器と Vertex 80v 機器（Bruker Optics、エットリンゲン、ドイツ）を使用して、拡散反射率（DR）および ATR-FTIR 分光法によって分析されました。 András と Björn によるプロトコル38。拡散反射率測定では、乾燥サンプルからの粉末（約 10 mg）を赤外分光分析グレードの臭化カリウム（KBr、Merck/Sigma-Aldrich、約 390 mg）と混合し、均一な混合物になるまでメノウ乳鉢と乳棒を使用して手動で粉砕しました。が達成された。スペクトルは4cm-1のスペクトル分解能で400〜4000cm-1の範囲で記録され、同じパラメータの下で純粋なKBrをバックグラウンドとして使用して128回のスキャンが追加されました。スペクトルは、OPUS (バージョン 7、Bruker Optics、エットリンゲン、ドイツ) の組み込み関数を使用して処理されました。スペクトルは、スペクトル範囲全体にわたって最初のベースライン補正 (64 ポイントのラバーバンド)、次にベクトル正規化、最後にオフセット補正されました。これらのステップの後、平滑化、誘導体化、またはその他の処理は適用されません。 ATR 測定は、ダイヤモンド内部反射素子を備えた Bruker Platinum アクセサリを使用して行われました。スペクトルは4cm-1のスペクトル分解能で400〜4000cm-1の範囲で記録され、同じパラメータの下で背景として空のダイヤモンド結晶を使用して100回のスキャンが記録されました。スペクトルは、DR スペクトルと同じ方法で、OPUS (バージョン 7、Bruker Optics、エットリンゲン、ドイツ) の組み込み機能を使用して処理されました。

PGA を使用した場合と使用しない場合の粉砕サンプルの d80 を調べると、PGA (さまざまな用量) でより微細な粒子が得られることが示されました (図 4)。さらに、PGA (0.1 wt.%) の導入により、粒子サイズが参照の 181 μm と比較して d80 = 140 μm に減少し、これはより微細な製品を意味します。粉砕製品のさらなるサイズ分析 (表 2) により、PGA を使用すると PSD を狭めることができることが明らかになりました。たとえば、PGA (0.1 wt.%) を使用すると、粒子の 56.3% が + 38 ～ 106 μm の範囲にありました。 PGA、粒子の 51.2% がこのサイズ範囲内でした。このサイズ範囲は主に浮選分離に有利です。言い換えれば、PGA を使用すると、超微細粒子 (-38 μm) と粗大粒子 (+106 μm) の分布を減少させることで表される粉砕性能を向上させることができます。表 2. 粉砕製品の分析により、PGA (0.1%) が顕著な基準比表面積（0.75 m2/g）よりも高い比表面積（0.89 m2/g）。高い比表面積は、参照の 40.32 と比較して、PGA の 47.85 というより高い表面粗さ (\({R}_{s}\)) にも反映されます。 GA の添加による表面積と表面粗さの増加に関する同様の証拠が Chipakwe らによって報告されています 10。明らかに、PGA は、参照表 2 と比較して、0.1 wt.% で最大 31.1% 削減され、濃度の増加に伴ってエネルギー消費を削減しました。一般に、粉砕性能評価では、PGA が参照 (PGA なし) と比較して粉砕効率が向上したことが示されました。新しい表面の生成 (より高い比表面積)、より低いエネルギー消費、および粒度分布の狭小化に基づいています。

PGA を使用した場合と使用しない場合の粉砕製品の粒度分布と d80。

PGA の非存在下および存在下 (固定用量 100 mg/L) での Lilaflot 822M (捕集剤) およびデンプン (抑制剤) の効果を評価するために、単一鉱物浮遊選鉱実験を実施しました。図 5a は、磁鉄鉱と石英の単一鉱物の浮遊選鉱性能をコレクタの関数として示しています。 Lilaflot 822M の濃度が増加すると、マグネタイトと石英の回収率が増加しました。予想通り、PGA を使用した場合と使用しない場合の両方の条件における石英の浮遊性は、コレクターの添加量を増やすことによって著しく向上しました (Lilaflot 822M はケイ酸塩コレクターです)。一般に、石英の浮遊性は同等ですが、PGA の存在によりコレクタ濃度が低くなると浮遊性が低下します。しかし、高濃度の Lilaflot 822M では、PGA は石英と比較してマグネタイトの浮遊性を低下させる顕著な効果を示しました。言い換えれば、これらの発見は、PGA がマグネタイトに対して抑制効果があることを示唆しており、これはマグネタイトの抑制が逆浮選分離の鍵であることを考慮すると有益である可能性があります。追加の実験を通じて PGA の影響をさらに調査するために、Lilaflot 822M (コレクター) の濃度を 50 mg/L に固定しました。この濃度では石英が最も高い浮遊性 (回収) を示しました。

(a) pH 10 で 100 mg/L PGA の存在下および非存在下でのコレクター濃度、および (b) pH 10 で 100 mg/L PGA の存在下および非存在下での降圧剤濃度の関数としてのマグネタイトおよび石英の単一鉱物浮遊選鉱コレクター濃度は 50 mg/L。

さらに、固定コレクタおよびPGA用量での抑制機能としてのマグネタイトと石英の浮遊性が調査されました（図5b）。予想通り、過剰なデンプンと PGA は石英の浮遊性に影響を与えません。マグネタイトの浮遊性はデンプン濃度の増加とともに大幅に減少し、デンプンの抑制剤としての有効性が確認されました。参照試験では、マグネタイトの浮遊性はデンプンの添加に伴って減少し続け、100 mg/L で最低 2.3% になりました。 PGA の抑制的な影響とその浮遊性の低下が検出できました (図 5b)。マグネタイト回収率が参照試験の 73.0% と比較して、デンプンなしでは 21.3% に大幅に減少したことは、PGA の抑制効果を裏付ける可能性があります。また、デンプンの最大の抑制効果は 100 mg/L で観察され、一方、PGA の添加により、同等の抑制効果が 50 mg/L で達成されたこともわかります。一般に、単一鉱物の浮遊選鉱試験では、PGA を増加させると、石英の浮遊性を変えることなく、マグネタイトの沈下に好ましい結果が得られることが示されました。

続いて、モデル鉱石（磁鉄鉱：石英 2:1 質量比）に対する PGA の影響を評価するために、混合鉱物浮遊選鉱実験が実施されました。単一鉱物浮遊選鉱の結果に基づいて、コレクターの用量として 30 mg/L (300 g/t に相当) が考慮されましたが、デンプンと PGA の用量は pH 10 で変化しました。マグネタイトの冶金学的回収率の変化 ( Fe）をPGAおよびデンプン投与量の関数として図6に示しました。結果は、デンプンの非存在下でPGA投与量を増加させることによってFe回収率（マグネタイトの親水性）が向上することを示しました。しかしながら、３００ｇ／ｔＰＧＡの後では、改善は無視できるほどであった。デンプンの存在下では、回収率の変動はわずかでした。言い換えれば、デンプン濃度を 500 g/t から 1000 g/t に増加しても明らかな変化は見られませんでした。これは、研削性能を向上させ、抑制剤の消費量を削減する PGA と言い換えることができます。

pH 10、一定量のコレクター (300 g/t) でのマグネタイト浮遊選鉱に対する PGA とデンプンの影響。

でんぷんが存在しない場合は、より高い鉄グレードが報告されていますが、回収率は一般に低くなります (図 6)。したがって、PGA とデンプンの相互作用と、その結果生じる分離に対する相乗効果をよりよく理解するために、分離効率 (SE) を計算しました (表 3)。浮選の結果は、PGA (すべての用量で) がデンプンの非存在下で SE を強化できることを示しました。３００ｇ／ｔのＰＧＡ（デンプンの非存在下）では、１０００ｇ／ｔのデンプン（ＰＧＡの非存在下）の結果と同様の結果が得られた。一般に、PGA とデンプンの両方が存在すると、参照条件と比較して SE が改善される可能性があります。 PGA とデンプンの両方を高用量で摂取することは望ましくないことがわかります。デンプンと PGA がそれぞれ 50 g/t と 300 g/t のときに最高の SE が観察されます。浮選分離で観察された改善は、狭い粒径分布 27,28 と表面粗さ 39,40 の有益な効果について他の場所で報告されている発見を裏付けています。 PGA を使用することで観察される優れた特性に加えて、鉱物表面と PGA の相互作用を評価するために表面分析が検討されました。

観察された浮選挙動を理解するために、PGA、Lilaflot 822M、および鉱物粒子の間の相互作用メカニズムをさらに調査するために、ゼータ電位測定が実行されました。これらの界面活性剤が浮遊挙動に影響を与える表面特性をどのように変化させるかを評価することが重要です。ゼータ電位の測定結果 (図 7) は、PGA の添加が石英とマグネタイトの両方の表面の電荷にわずかに影響を与えることを示しており、これは溶液または表面化学、またはその両方の変化を意味します。これらの無視できる影響は、非イオン性 PGA 組成によるものである可能性があります。石英のゼータ電位は、PGA 処理後に減少しました (絶対値)。評価では、両方の鉱物のゼータ電位が 0 から 15 mg/L (PGA 濃度) まで急速に減少し、石英は -59.5 から -51.6 mV (Δζ ~ + 7.9 mV) に変化し、一方、マグネタイトは -44.9 から -35.6 に変化したことが示されました。 mV (Δε ~ + 9.3 mV)。 ζ 測定により、両方のミネラルに 30 mg/L を超える PGA を添加しても、調査した範囲ではそれ以上の影響はほとんどないことが実証されました。 Lilaflot 822M を処理鉱物に添加すると、特に石英の場合、挙動が変化してより正のゼータ電位が得られます。これは、コレクターとしての表面への Lilaflot 822M の吸着の顕著な影響から明らかなように、PGA が石英に与える影響はわずかであることを示しています。 PGA の添加でも同様の挙動が観察され、PGA 濃度の増加とともにゼータ電位が減少しました。リラフロット 822M 処理後の石英と比較して、マグネタイトのゼータ電位の変化が比較的小さいことは、PGA の存在によってリラフロット 822M とマグネタイトの間の相互作用が減少したことを示しています。これは、コレクタの衝撃に基づいて、PGA が石英表面ではなくマグネタイトに吸着したことを強調しました。

Lilaflot 822M (50 mg/L) および pH を固定した、さまざまな PGA 濃度でのゼータ電位。

Turbiscan 安定性指数 (TSI) 評価 (図 8) は、両方の粒子表面の処理により、参照 (PGA 処理なし) と比較して安定性が低下することを示しました。不安定化は凝集、凝固、沈降、合体、さらにはそれらの組み合わせの影響を示しているため、この観察はあらゆる懸濁液に対して期待されます 36,37。図 8 は、磁鉄鉱と石英の懸濁液の不安定化反応速度を時間の関数として示したものです。 TSI 値は、比較的安定したシステムが石英とマグネタイトの両方のゼータ電位の結果 (図 7) と一致することを示し、これらはすべて pH 10 で -30 mV 未満であり、高い安定性を示しています 41,42。マグネタイトの TSI 値は石英の TSI 値と比較して高く、一般に安定性が低くなります。 PGA 処理後、合計 60 分間の調査時間中、安定性の変動は石英と比較してマグネタイトの方が顕著でした。言い換えれば、これらの結果は、PGA の不安定化効果が石英よりもマグネタイトでより顕著であることを示唆し、吸着の増加を示しています。これはゼータ電位と一致しており、マグネタイトに比べて石英の方が絶対値が高く、懸濁液の安定性が優れていることを示しています。マグネタイト粒子を検査する場合、TSI 値の増加 (分散の低下) は、PGA の抑制効果を説明するのに役立つ可能性があります。これは、凝集/凝集によるものであり、浮遊選鉱を妨げる可能性があります。多糖類が凝集体からの酸化鉄と相互作用する同様の観察が報告されています 43,44。

PGA (100 mg/L、pH 10) の非存在下および存在下におけるマグネタイトおよび石英懸濁液の安定性。

図 9a は、マグネタイトと石英の単位質量当たりの吸着 PGA の増加を示しています。さらに、マグネタイトの吸着容量は石英の2倍以上であることが観察できました。マグネタイトの場合、5 mg/ml を超えると依然として高い傾きに基づいて増加が続く傾向が示されますが、石英の場合、曲線は 2 mg/ml を超えるとプラトーになり始めます。マグネタイト粒子および石英粒子におけるPGAの吸着等温線を図9bに示します。枯渇法を使用した吸着等温線の結果は、Langmuir (式 2) および Freundlich (式 3) モデルに当てはめられ、表 4 にまとめられています。Langmuir モデルは、R2 が 0.9651 および 0.9721 で最も良く適合しましたが、 Freundlich モデルでは、磁鉄鉱と石英の R2 がそれぞれ 0.9085 と 0.8506 でした。図 9a で観察された傾向は、ラングミュアモデルとフロインドリッヒモデルから計算されたパラメーターによっても裏付けられました (表 4)。得られたパラメーター \(n\) と \({Q}_{m}\) の値 (それぞれ吸着の強さと容量を強調) は、石英と比較してマグネタイトの方が高く、マグネタイトへの PGA の吸着が示唆されました。はるかに強かった。吸着研究の結果は、PGA が磁鉄鉱と石英の両方にかなり吸着することを示し、単一鉱物浮遊選鉱に対する PGA の効果をさらに裏付け、特に磁鉄鉱の場合、コレクタの吸着に利用できる表面積を減少させる可能性があります。これらの結果は、マグネタイトが石英と比較して PGA に対してより高く強力な吸着能力を持っているというゼータ電位と安定性の測定結果を裏付けるものでした。

pH 10 での初期濃度の関数としての PGA の吸着。

FTIR を使用して、主にデキストランである PGA の官能基を特徴付けました (図 10)。主な特徴的なピークは、3000 ～ 3600 cm-1 の間の幅広いピークを示し、ヒドロキシルグループ 45,46-OH 伸縮振動を示し、3308 cm-1 に現れます。明確な特徴的なピークが 2928 cm-1 に現れ、これは糖環の CH 伸縮振動に関連していました 45,47。さらに、C-O伸縮振動は1643 cm-148で示されました。 1346 cm-1 にピークが現れ、これは対称的な CH3 の曲がりに帰属する可能性があります 46。強い特徴的なピークが950〜1100cm-1の領域の1006cm-1と918cm-1に現れ、これは多糖類のC-O-CおよびC-O基に起因すると考えられました46。 950 ～ 1100 cm-1 の領域のピークは、それぞれ (1 → 6) 結合および (1 → 3) 結合した α-D-グルコース単位の存在によるものでした 49,50。

ATIRを使用した検査されたPGAのFT-IRスペクトル。

PGA の吸着メカニズムを、マグネタイトと石英の両方の表面上のコレクタとともに調査しました。図 11a は、純粋な石英、石英 + PGA、石英 + PGA + Lilaflot 822M とそれぞれの純粋な試薬のスペクトルを示しています。 Lilaflot 822M では、特徴的なピークが 2964 cm-1、2869 cm-1 に現れ、これは非環式化合物の CH2 伸縮結合に起因すると考えられます。 1587、1464、および 653 cm-1 のピークは、NH2 または NH 結合の曲がりに起因すると考えられます 51、52、53。図１１ａから、スペクトルに観察可能な変化が存在しないため、石英表面上のＰＧＡの有無は影響を及ぼさないことが明らかである。 Lilaflot 822M で処理した後、石英表面に特徴的なピークが観察されました。 Lilaflot 822M で石英を処理した後、石英 + PGA + Lilaflot 822M で観察されたように、2964 cm-1 の OH の特徴的なピークが 2960 cm-1 にシフトしました。これは Liu らによって報告された発見と一致していました 51。さらに、2869 cm-1 であった CH の特徴的な伸びも、処理後に 2856 cm-1 に変化しました。これは、Lilaflot 822M が OH および CH 結合を介して石英表面に吸着していることを示しています。 Lilaflot 822M と比較して、PGA は特徴的なピークを示さず、手順で水洗したことを考えると、Lilaflot 822M が化学的に吸着し、吸着に関して Huang ら 52 および Liu ら 51 によって文書化された発見と一致することを意味しました。石英の表面にアミンが付着します。対照的に、石英表面に特徴的な PGA ピークが存在しないことは、PGA が石英表面に化学的に吸着していないことを示唆しています。これは、石英表面上の PGA の物理吸着がわずかに弱いことを示しています。

PGA および Lilaflot 822M (100 mg/L) の存在下および非存在下での (a) 石英および (b) マグネタイトの FTIR スペクトル。

PGA および Lilaflot 822M の存在下および非存在下でのマグネタイトの FTIR スペクトル (図 11b) は、PGA で処理されたマグネタイトには特徴的なピークがなく、したがって PGA の影響がないことを示しました。さらに、リラフロット 822M は、2920 cm-1 にシフトした比較的弱い特性のピークから明らかなように、マグネタイト表面に無視できる程度の影響を与えました。マグネタイト上の無視できる特徴的なピークは、特に石英表面上の Lilaflot 822M の吸着と比較して、弱い吸着を意味します。 PGA の存在下でマグネタイトに特徴的なピークが存在しないことは、PGA が化学的に吸着したのではなく、物理的相互作用の可能性を示唆しました。 IR 分析から、石英とマグネタイト PGA の両方の相互作用メカニズムは化学的ではないと言えます。しかし、分析前に粒子が水で徹底的に洗浄されたことを考慮すると、相互作用は物理的なものであり、おそらく水素結合によるものである可能性があります。 Shrimali と Miller22 は、多糖類と鉄鉱石の相互作用に関する簡潔なレビューの中で、多糖類の吸着は水素結合、疎水性相互作用、または化学錯体形成 (酸塩基反応) による可能性があると概説しています。疎水性相互作用は、表面電荷の減少に主要な役割を果たし、粒子の凝集/凝集を可能にする可能性があります。したがって、マグネタイトうつ病につながります。これは、非イオン性ポリマーの吸着機構が、架橋および/または電荷の中和を引き起こす疎水性鎖の相互作用によるものであると示唆される観察結果と一致しています 23,54,55。

この研究では、研削性能を向上させるために新しい多糖類ベースの研削助剤が初めて使用され、マグネタイトからのマグネタイト石英の逆浮選に対するその二次的効果が調査されました。バッチ乾式粉砕に関する経験的観察は、PGA がエネルギー消費量の削減、PSD の縮小、比表面積の増加、表面の粗さ、PSD の微細化によって粉砕効率を向上させたことを示しています。単一鉱物浮選試験によると、PGA は磁鉄鉱粒子に対して抑制効果 (プラス効果) を持ちますが、石英粒子に対しては無視できるほどの影響があります。混合鉱物浮遊分離（磁鉄鉱と石英を 2:1）すると、澱粉を使用せずに PGA のみを使用して、86% の回収率と 62% の Fe グレードという同等の結果を達成できました。回収、グレード、分離効率の最適なバランスを得るには、300 g/t PGA とともに 500 g/t でんぷんを推奨します。紫外可視スペクトル、ゼータ電位試験、フーリエ変換赤外分光法 (FT-IR)、および安定性測定に基づくと、吸着メカニズムは主に物理的相互作用によるものです。言い換えれば、PGA の存在下での浮選分離効率の向上は、粒度分布の狭小化と表面粗さの増加に起因する可能性もあります。これらの結果は、適切な粉砕助剤（環境に優しい）を選択することでエネルギー消費量を削減し（CO2 排出量を削減）、下流プロセスに適した粒子の分布を改善できる可能性があり、分離段階で化学的に悪影響を及ぼさない（プラス効果さえも）ことが強調されました。

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32197-0

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この原稿は、ルーレオ工科大学の優秀研究センターとしての先端鉱業冶金センターである CAMM2 と、RIO-MUN (磁気、超音波、ナノバブルを使用した酸化鉄の逆浮遊選鉱) のための Vinnova によって財政的に支援されたプロジェクトから生まれたものです。技術）、プロジェクト番号：2020-04835。著者らはまた、この研究で使用した試薬に関して協力してくれた Nouryon (スウェーデン) と Solenis に感謝します。著者らは、FTIR 分析と有益な議論に対する支援をいただいたウメオ大学の Andras Gorzsas 博士に感謝の意を表します。

Lulea 工科大学が提供するオープンアクセス資金。

鉱物および冶金工学、土木・環境・天然資源工学科、ルレオ工科大学、971 87、ルレオ、スウェーデン

ヴィタリス・チパクウェ、トミー・カールクヴィスト、ヤン・ローゼンクランツ、サイード・チェレ・チェルガニ

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VC と SCC は、概念化、実験計画、正式な分析、および原案を担当しました。 VC は実験を実行しました。 TK レビューと編集、データキュレーション、監修。 SCC と JR はリソース、レビューと編集、データのキュレーション、監督を提供しました。

Vitalis Chipakwe または Saied Chehreh Chelgani への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

この記事の元のオンライン版は改訂されました。この記事の元のバージョンの謝辞セクションは不完全でした。「この原稿は、ルレオ工科大学の卓越した拠点として、先進鉱業冶金センターである CAMM によって財政的に支援されたプロジェクトから生まれました。著者らはまた、この研究で研削助剤として使用された試薬について協力してくれた Solenis に感謝しています」著者らは、FTIR 分析と実りある議論を支援してくれたウメオ大学の Andras Gorzsas 博士に感謝の意を表します。」「この原稿は、ルレオ工科大学の優秀研究センターとしての先端鉱業冶金センターである CAMM2 と、RIO-MUN (磁気を使用した酸化鉄の逆浮遊選鉱) のための Vinnova によって財政的に支援されたプロジェクトから生じたものです」、超音波、ナノバブル技術)、プロジェクト番号: 2020-04835. 著者らはまた、この研究で使用した試薬について協力してくれた Nouryon (スウェーデン) と Solenis に感謝します. 著者らは、支援についてウメオ大学の Andras Gorzsas 博士に感謝の意を表しますFTIR分析と実りある議論を行いました。」

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Chipakwe、V.、Karlkvist、T.、Rosennkranz、J. 他。マグネタイト浮遊選鉱に対する多糖類ベースの研削助剤の有益な効果: 環境に優しいアプローチ。 Sci Rep 12、6502 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-10304-x

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受信日: 2022 年 2 月 16 日

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公開日: 2022 年 4 月 20 日

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