本研究では、アルカリ滴定法によって調製された実験室合成ポリアルミニウム塩化物（PAC）が、グラファイトの浮選性能に与える影響を体系的に調査しました。天然グラファイト鉱石を使用した浮選試験では、PACが濃縮物の品質を維持しながら浮選収率を向上させることができることが示されました。人工混合グラファイト-カオリナイト鉱物を使用したさらなる浮選試験では、約30 mg/LのPACを添加することでグラファイトの回収率と分離効率が改善され、濃縮物の点火損失に対して有意な悪影響がないことが示されました。PACがグラファイト浮選に与える可能性のある改善メカニズムには、水の巻き込み、スライムコーティング、バブル-グラファイト付着が含まれ、ゼータ電位測定、フォーカスビーム反射測定（FBRM）、粒子ビジョンおよび測定（PVM）、単一バブル荷重試験、接触角測定などの特性評価法によって明らかにされました。ゼータ電位測定は、30 mg/LのPACがカオリナイトの表面の負の電荷を中和し、グラファイトが正に帯電していることを示しています。リアルタイムのFBRM結果は、PAC濃度が30 mg/Lのときにカオリナイト粒子の平均弦長が有意に増加し、PAC濃度が90 mg/Lのときに減少した一方で、グラファイト粒子は分散状態に留まっていることを示しています。しかし、PVM結果は、PACが30 mg/Lのときにカオリナイトとグラファイト表面間のスライムコーティングが悪化し、その後90 mg/Lで減少したことを示しました。単一バブル荷重試験および接触角測定は、30 mg/LのPACがバブルとグラファイト粒子間の付着確率を有意に増加させることを証明しました。一方、グラファイトの接触角は安定しており、有意な減少はなく、グラファイトの表面疎水性を効果的に維持し、最終的にグラファイト浮選回収を促進しました。本研究は、PAC濃度の調整によるグラファイト浮選に対する理論的理解と技術的支援を提供することが期待されています。

自然界における戦略的な非金属鉱物資源として、グラファイトは高い熱伝導性、優れた潤滑性、顕著な化学的安定性などの優れた特性を持っています。これは、冶金、機械、航空宇宙などの分野で広く使用されています[1,2]。産業におけるグラファイトの応用は、その結晶形態によって決まります[3]。天然グラファイトは、結晶化の程度、地質的起源、特性に応じて、大まかに結晶性グラファイトと微結晶性グラファイトに分けることができます。結晶性グラファイトは通常、塊状グラファイトとフレークグラファイトに分けられます。フレークグラファイトは固有の疎水性を持ち、他のグラファイトの種類と比較して優れた浮遊性を持っているため、最も選択的に分離可能な鉱物の一つにランクされています。選鉱プロセスを通じて、その固定炭素含量は90％を超えることがあります。一方、微結晶性グラファイトは不均一な粒子サイズ分布と複雑な不純物組成を示し、精製において重大な課題をもたらします[4]。

グラファイト鉱石の経済的潜在能力は主にグラファイトの純度に依存します[5]。グラファイト濃縮のための従来の鉱物処理技術には、重力選別、静電選別、浮選、および磁気選別が含まれます[6]。浮選では、鉱物表面の親水性成分と疎水性成分の間の平衡が分離効率において重要な役割を果たします[7]。その固有の疎水性と自然な浮遊性により、グラファイトは一般的な鉱石鉱物（例：長石、石英、雲母、炭酸塩鉱物）から効果的に分離できます。これらは主に親水性です。したがって、泡浮選はグラファイト鉱石の一次濃縮の標準的な産業方法となり、グラファイト精製のための最も効率的で広く採用されている技術の1つであり続けています[8]。したがって、浮選はグラファイトを鉱石鉱物から効果的に分離し、重要な精製を達成します。

鉱石の品位が低下し、鉱物の分散がますます複雑になる中、直接フローテーションは貴重な鉱物を回収するためにより困難になっており、ターゲット鉱物の十分な解放を達成するために微粉砕が必要です[9]。しかし、微粉砕プロセスは、貴重鉱物と鉱石鉱物の両方を同時に微細/超微細粒子に減少させる傾向があります。これらの微細鉱物の中で、鉱石鉱物はその小さな粒子サイズと強い表面親水性のため、濃縮物に機械的に巻き込まれる可能性が非常に高いです[10]。機械的巻き込みとは、鉱物粒子がスラリー中に懸濁し、流体によって浮選泡に持ち上げられる非選択的なプロセスを指します。Li et al. [11]は、セリサイトがグラファイト浮選において顕著な巻き込み挙動を示し、その巻き込み度が粒子サイズに強く依存することを示しました。Xu et al. [12]はさらに、グラファイト浮選濃縮物における鉱石鉱物は主に機械的巻き込みに由来することを確認しました。加えて、親水性の微細鉱石鉱物は貴重鉱物の表面をコーティングし、その疎水性を低下させ、気泡-粒子の付着を妨げ、最終的には貴重鉱物の回収率を低下させる可能性があります[13]。

機械的エントレインメントは、微細鉱物粒子の浮選において重要な課題を提起します [14,15]。研究によれば、粒子のエントレインメント挙動には強いサイズ依存性があることが示されています [16,17]。通常、超微細な鉱石鉱物は流体力によって泡相に容易に引き込まれます。しかし、彼らの低慣性は、泡内の流体抵抗を克服することを妨げ、スラリーへの排水を妨げ、深刻な鉱石の持ち出しを引き起こします。この問題を軽減するために、浮選研究者は鉱石鉱物の選択的凝集を誘発するために高分子添加剤を使用することを提案しています [18,19]。例えば、Li et al. [20]は、ポリエチレンオキシド（PEO）の使用が石英を選択的にフロック化し、ヘマタイト浮選における石英のエントレインメントを減少させ、最終濃縮物の品位と回収率を改善することができると提案しました。Chen et al. [21]は、PACがクリオライトを選択的に凝集し、浮選プロセスにおけるそのエントレインメントを減少させ、使用済みカーボンカソード（SCC）の浮選効率を改善できることを指摘しました。この方法は、鉱石のエントレインメントを泡に大幅に減少させると同時に、エントレインされた鉱石凝集体の沈降挙動を改善します。

PACは、水に溶けやすく、pH値に対する適応性が広く、フロック形成が速く、コストが低く、使用が簡単であるという利点から、廃水処理の分野で広く使用されています[22,23]。以前の研究では、PACがフロック剤として、鉱石鉱物を選択的にフロック化し、濃縮物への汚染を減少させ、濃縮物のグレードを向上させることが示されています[24]。しかし、既存の研究で使用されているPACは主に工業製品であり、その成分は明確ではありません。この研究では、アルカリ滴定法で調製された実験室合成PACが、人工混合グラファイト-カオリナイト鉱物の浮選に初めて使用されました。PACの構造特性は、Al-Ferronタイムド複合化比色法およびフーリエ変換赤外分光法（FTIR）を用いて特性評価されました。カオリナイトの選択的凝集挙動とそれがグラファイト浮選性能に与える影響は、浮選試験、ゼータ電位分析、FBRM、PVM、単一バブル負荷試験および接触角測定によって体系的に調査されました。カオリナイトの水の巻き込みを減少させるだけでなく、PACはバブル-グラファイトの付着確率とグラファイトの回収を増加させることがわかりました。さらに、PACによってカオリナイトが凝集されると、カオリナイトとグラファイトの間のスライムコーティングが悪化しましたが、これはグラファイト浮選に対する負の影響を他の正の影響で相殺することができました。これらの発見は、グラファイト資源の効率的な分離のための新しい技術的経路を提供するだけでなく、鉱物浮選における選択的フロック化挙動に対する新しい研究の視点を提供します。

80のグラファイトとカオリナイトはそれぞれ48μmと14μmです。フレークグラファイトとカオリナイトは4:1の比率で均一に混合され、グラファイト-カオリナイト人工混合鉱物が得られました。ケロシンがコレクターとして使用され、sec-octyl alcohol (AR, 99%、取得元から)

図6は、異なるコレクターおよびフロッサーの投与量（0および100 g/t対300および150 g/t）を使用して、天然グラファイト鉱石の浮選濃縮物に対するPACの収率と点火損失の両方への影響を示しています。図6(a)に示すように、コレクターがない場合、コントロールグループ（PACなし）は、わずか3.41%の浮選収率と66.97%の点火損失を示しました。PACを30〜50 mg/L添加すると収率はわずかに増加しましたが、全体的な収率は依然として不満足でした。

フロテーションテストでは、天然鉱石と人工混合サンプルの両方を使用して、PACが濃縮率、グラファイト回収率、分離効率などの主要指標を改善することが示されました。ゼータ電位分析では、PACが30 mg/L PAC濃度でカオリナイトに対して選択的フロック効果を示すことがわかりました。FBRMおよびPVMテストでは、30 mg/L PACがカオリナイトの選択的凝集を促進し、カオリナイトがフロックの形でグラファイトの表面に付着することが示されました。