通过甲醇中的湿法研磨制备微米-纳米级煤颗粒

《Particuology》：Preparation of micron-nano coal particles by wet grinding in methanol

锂云母浮选效率受磨介材料显著影响，陶瓷磨介（C+C）通过促进{001}晶面暴露并抑制铁污染，使回收率提升10-20%。研究系统揭示了磨介材质调控矿物表面氧化、铁沾染及晶面暴露的机理，为硅酸盐矿物加工提供理论框架。

　　

李玉青|廖宁宁|吴彩彬|刘日谦|吴吉|林泽鹏|吴浩文

江西科技大学矿业与环境工程学院，中国赣州 341000

摘要

研磨在决定浮选效率方面起着至关重要的作用，因为研磨介质的形态直接影响矿物颗粒的形态和表面性质。本研究通过全面的多尺度表征，系统地研究了磨机桶材料和研磨介质类型对锂云母浮选性能的影响。分析结果表明，与传统钢球研磨相比，陶瓷球研磨产生的产品粒径分布更粗，并显著减少了23 μm以下细颗粒的含量。特别值得注意的是陶瓷磨机桶与陶瓷球组合（C + C）的配置，该配置有效促进了{001}解理面的暴露，从而显著增强了捕收剂在矿物表面的吸附作用。扫描电子显微镜-能量色散谱（SEM-EDS）表征显示，在钢磨环境中处理的颗粒表面存在大量的富铁絮凝层，无论是使用陶瓷球（S + C）还是钢球（S + S），这严重阻碍了有效试剂的吸附。C + C研磨产品在与捕收剂混合后表现出最明显的正电位偏移，同时具有最低的表面氧化程度和最少的FeOOH形成。对比浮选试验最终证实，C + C研磨方法使锂云母的回收率提高了10-20%。这项工作阐明了介质材料调节解理面暴露和铁污染的界面机制，为硅酸盐矿物加工中的介质选择提供了新的理论框架。这些发现为优化研磨操作以提高锂资源效率提供了重要的理论和实践指导。

引言

作为新能源革命中的核心战略资源，近年来全球对锂的需求呈指数级增长（Liu, 2024; Zhang et al., 2020）。在锂云母的选矿过程中，浮选是获得高品位锂精矿的关键技术工艺，而研磨是浮选之前的关键准备阶段（Huang, Li, et al., 2022; Wang et al., 2024）。研磨产品的质量直接影响后续的浮选性能（Yang, Xu, et al., 2024）。以往的研究主要集中在浮选试剂和工艺参数的优化上，而研磨介质在研磨过程中如何调节界面性质的机制尚未得到充分探讨（Gu et al., 2025; Guo et al., 2025; Song et al., 2018）。作为研磨过程中的能量传递载体，研磨介质的材料、形状和大小直接影响矿物的解离程度、表面形态和最终颗粒的化学性质（Ma et al., 2024; Rabieh et al., 2016）。不同的研磨介质和研磨条件会导致晶体晶格缺陷、活性表面位点和表面电化学性质的变化（Dai et al., 2024）。这些界面变化显著影响矿物表面与浮选试剂之间的相互作用。这对于层状硅酸盐矿物（如锂云母）的研磨尤为重要，因为研磨介质的选择可能会促进沿层间平面的优先解理，暴露特定的晶体面，从而改变浮选过程中的表面润湿性和试剂吸附行为（Li & Gao, 2017）。虽然研磨介质对硫化物矿物的影响已有较为充分的文献记载，但其对复杂层状硅酸盐（如锂云母）的表面性质和浮选响应的具体影响仍了解不足。

目前，工业锂云母研磨广泛使用钢介质，但它们存在铁污染和过度研磨等缺点（Xiang et al., 2025; Zhang et al., 2022）。尽管在某些情况下应用了陶瓷介质和锆球等替代材料，但关于不同研磨介质如何影响锂云母研磨产品的界面性质及其后续浮选行为的研究仍缺乏系统性（Zhang et al., 2024a, 2025a）。与针对简单硅酸盐系统或其他含锂矿物（如锂辉石）的更多研究相比，这一领域存在明显差距，因为在后者中，介质引起的表面改性已被更广泛地研究（Zhang, Fan, et al., 2024）。国内外学者在探索研磨介质对浮选行为的影响方面取得了一些进展（Cao et al., 2021）。研究表明，研磨介质的变化对矿物矿石的表面特性和浮选性能有显著影响。

例如，Zhang等人（Zhang et al., 2022）发现，与钢介质相比，陶瓷介质降低了黄铁矿的表面氧化程度，并使其浮选回收率提高了12%。同样，Tká?ová等人（Tká?ová et al., 1995）报告称高铬铸铁介质会导致石英表面的铁污染。在锂辉石浮选方面，Liu等人（Liu et al., 2024）表明机械研磨比空气研磨更好地保持了表面活性，尽管没有比较不同的研磨介质。对于锂云母，大多数现有研究集中在浮选工艺的优化上。Demeusy等人（Demeusy et al., 2023）对锂云母的分布和最佳解离尺寸进行了表征，指导了高效的锂提取。Hu等人（Hu et al., 2025）通过表面化学分析揭示了十二烷基硫酸铵（ADS）在锂云母浮选系统中的有效分离性能和吸附机制。在表征方面，Zhang等人（Zhang, Fan, et al., 2024）使用原子力显微镜（AFM）技术研究了研磨介质硬度对纳米级表面粗糙度的影响。然而，现有研究主要针对硫化物矿石和简单的氧化矿物，对复杂层状铝硅酸盐（如锂云母）的研究有限。由于其独特的晶体结构，锂云母在研磨过程中的表面暴露机制与各向同性矿物有很大不同（Jiao et al., 2024）。

研磨介质对矿物表面的影响受机械和电化学机制的共同作用。从机械角度来看，介质的硬度和形状决定了应力类型，控制着颗粒大小分布和解离程度（Fu et al., 2026）。更重要的是，在研磨过程中会发生电化学相互作用：钢介质的磨损会释放活性金属离子到矿浆中，这些离子可以在矿物表面氧化并沉淀为亲水性物质，从而降低浮选效果（Li et al., 2026; Nyoni et al., 2025）。对于层状硅酸盐（如锂云母），介质的性质还可能进一步影响沿特定晶体平面的优先解理，最终决定表面润湿性和试剂吸附（Tian et al., 2025）。系统地理解这些相互关联的机制对于合理选择介质至关重要。值得注意的是，陶瓷介质具有优异的硬度和耐磨性，这直接转化为明显的工业优势：它们显著降低了矿物加工厂的研磨能耗和介质消耗（磨损损失），从而在冶金改进的同时提供了明显的经济效益（Li et al., 2025a, 2025b）。

在这项研究中，采用了三种研磨配置——陶瓷罐配陶瓷球（C + C）、钢罐配陶瓷球（S + C）和钢罐配钢球（S + S），系统地研究了研磨介质对锂云母界面性质和后续浮选行为的影响。使用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）表征了颗粒大小分布（PSD）、表面形态和成分变化。Bruner-Emmett-Teller（BET）和接触角测量用于评估表面积、润湿性和化学状态。微浮选试验、Zeta电位测量和X射线光电子光谱（XPS）用于在不同试剂条件下的浮选行为和表面化学研究。本研究阐明了不同研磨介质下锂云母的表面形态演变和化学性质，并揭示了控制后续浮选行为的界面机制。它建立了介质材料、锂云母表面性质（特别是解理面暴露和铁污染）与浮选性能之间的明确联系，为介质选择提供了精细的理论框架。通过对这种复杂层状硅酸盐的全面多尺度表征，这项工作填补了现有研究中的空白。结果还初步揭示了陶瓷介质减轻传统钢介质引起的铁污染的潜力，对锂资源回收具有潜在意义。这些成果为优化锂资源研磨过程提供了理论和实践指导。

材料

本研究中使用的富锂原矿来自巴基斯坦的一个矿场。经过系统处理后，制备了不同粒径分数的样品。首先手动破碎并手工筛选以去除可见杂质，然后进行研磨和筛分以实现颗粒分级。最终获得了三种代表性的粒径分数：+75 μm、?75 + 38 μm和?38 μm。?75 + 38 μm分数被专门用于单矿物研究

研磨方法对锂云母颗粒大小分布的影响

图3显示了不同研磨方法得到的锂云母产品的PSD。尽管分布曲线的整体形状相似，但观察到了明显的差异。具体来说，S + S研磨方法产生的细颗粒比例显著更高，?23 μm分数占15.13%。然而，过多的细颗粒（例如?38 μm）由于其较大的比表面积和弱的质量传递能力，导致浮选性能较低

结论

本研究通过PSD分析、XRD、SEM-EDS、单矿物浮选试验、接触角测量、Zeta电位分析和XPS等技术，全面探讨了不同研磨介质对锂云母研磨产品界面性质和浮选行为的影响。结果表明，使用钢介质研磨产生的颗粒更细（<23 μm的颗粒占比高达15.13%），并引入了

CRediT作者贡献声明

李玉青：撰写——初稿、方法论、研究、概念化。廖宁宁：撰写——审阅与编辑、资金获取、正式分析。吴彩彬：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、正式分析。刘日谦：研究。吴吉：研究。林泽鹏：研究。吴浩文：研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢江西科技大学的高层次人才启动项目（项目编号：205200100701）、江西省青年科技人才培养项目（项目编号：20244BCE52190）和宜春市重点基础研究项目（项目编号：2023ZDJCYJ08）的财政支持。