鋁土礦尾礦絮凝劑篩選試驗研究

彭喜曦

（中國煤炭科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120）

1 引言

鋁是地球上含量最豐富的金屬元素，是促進國民經濟發展的重要資源，鋁在自然界主要是以鋁土礦的形式存在，我國鋁土礦石儲量現已探明的為23億t。

目前世界上氧化鋁的生產90%以上采用拜耳法，只有俄羅斯與我國主要采用燒結法和聯合法。與燒結法或聯合法相比，拜耳法具有工藝簡單、能耗較低的特點，采用拜耳法生產工藝，建設投資可以節省15%～20%，生產成本可以降低10%，能耗可以降低50%。但是，我國80%以上的鋁土礦的硅含量較高，鋁硅比均小于8，不能直接作為拜耳法工藝的生產原料，而只能采用聯合法或燒結法工藝。若要轉變這種現狀，采用先進的拜耳法生產工藝，就需要對我國現有的鋁土礦進行預脫硅處理，提高鋁土礦的鋁硅比，來滿足對拜耳法生產氧化鋁原料的要求[1]。

鋁土礦正浮選脫硅是目前比較常用的脫硅方法，正浮選的基本原理為抑制脈石礦物 （鋁硅酸鹽），而利用捕收劑來浮選其中的有用礦物（一水鋁石和三水鋁石）。鋁土礦通過正浮選獲得了適用于拜耳法生產氧化鋁，鋁硅比為10～11的精礦產品之外，也同時不可避免的產生了少量鋁硅比為1.5左右的尾礦漿，精礦與尾礦的產出比一般為3:1左右，其中精礦漿在濃密機脫水后用拜爾法溶出，而尾礦漿在濃密機脫水后送至大壩堆存處理[2]。隨著我國氧化鋁產量不斷增高，選礦產生的尾礦漿也逐年增長，2010年我國鋁土礦選礦產生尾礦漿達到 1.38×106m3/d[3]。

而廣義上的尾礦除了浮選工藝中的尾礦漿外，還包括了：破碎球磨排水、洗礦廢水、設備冷卻用水、藥劑車間地面和設備的沖洗水。

鋁土礦的礦物組成、鋁土礦的破碎、球磨工藝、鋁土礦浮選所選用的藥劑制度等諸多因素，都會對尾礦的性質(如所含雜質數量與種類)產生比較大的影響。這些影響的存在使得鋁土礦選礦尾礦成為一種成分復雜的廢水，它具有以下特征[4]：

(1)鋁土礦選礦尾礦礦物組成復雜；

(2)鋁土礦選礦尾礦含有大量泥沙及尾礦粉末組成的粒度很細的懸浮物顆粒，使得尾礦在分散系中不易自然沉降；

(3)鋁土礦選礦尾礦化學成分復雜，所含的有毒有害成分較多；

(4)水質偏堿性，而過高的pH會造成ZETA電位絕對值的增高，使得整個膠體體系趨于穩定[5]。從鋁土礦選礦尾礦的來源及特征來看，它是一種包括固體雜質、液體雜質、溶解氣體和溶解鹽類的復雜多項體系，若這些數量龐大的尾礦漿不經處理便直接排放，則會對環境產生巨大的危害[6]。

針對鋁土礦尾礦，本文考察了絮凝劑種類及用量、助凝劑種類對鋁土礦正浮選尾礦礦漿沉降行為的影響，以期尋找尾礦漿高效沉降的技術路線。

2 材料與方法

2.1 實驗試劑及主要儀器

主要試劑：聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚合硫酸鐵(PFS)、鹽酸及氫氧化鈉溶液。

主要儀器：WZS-185型循環水式多用真空泵、ZetaPALS型ZETA電位分析儀、pHS-3CA型精密酸度計、DHG-9140A型恒溫鼓風干燥箱、SC965型增力攪拌儀等。

2.2 實驗方法

量筒量取1 L尾礦樣品，轉入燒杯，用HCl及NaOH調節樣品pH，在攪拌儀下于300 r/min的速度下快速攪拌，在攪拌過程中加入絮凝劑，3 min后轉變成以50 r/min的速度進行慢速攪拌，10 min后靜置，每隔0.5 h讀取上清液高度值，1.5 h時取上清液測pH與SS，試驗流程如圖1所示。

3 實驗結果與討論

3.1 絮凝劑篩選試驗

比較工業上常用四種絮凝劑：PAC（聚合氯化鋁）、PFS（聚合硫酸鐵）、PAFC （聚合氯化鋁鐵）、PAM （聚丙烯酰胺）對鋁土礦選礦尾礦的絮凝效果。

(1)絮凝劑種類對澄清液面高度的影響，如圖2～圖5所示。

由圖可看出，使用PAC作為絮凝劑時，隨著加藥量的增大，澄清液面高度呈上升趨勢，當PAC用量達到800 mg/L時，澄清液面高度不再隨之變化。澄清液面高度較低，最高水平時，0.5、1、1.5 h澄清液面高度分別為：1.5、3.6、4.4 cm。沉降速度一般，主要沉降作用發生在0.5～1 h階段；使用PFS作為絮凝劑時，隨著加藥量的增大，澄清液高度呈上升趨勢，在600 mg/L時達到頂峰，隨后出現略微下降。澄清液面高度較低，最高水平時，0.5、1、1.5 h 澄清液 面高 度 分 別 為 ：1.7、4.1、4.7 cm。沉降速度一般，主要沉降作用發生在0.5～1 h階段；使用PAFC作為絮凝劑時，隨著加藥量的增大，澄清液面高度呈上升趨勢，在400 mg/L時達到頂峰后保持平穩。澄清液面高度較低，最高水平時，0.5、1、1.5 h 澄清液面高度分別為：1.5、4.1、4.5 cm。沉降速度一般，主要沉降作用發生在0.5～1 h階段。

當使用PAM作為絮凝劑時，澄清液面高，沉降速度快。隨著 PAM加藥量的增大，澄清液面高度呈先上升后保持平穩的趨勢，在30 mg/L時達到頂峰時，0.5、1、1.5 h 澄清液面高度分別為：7.2、7.5、7.7 cm。主要沉降作用發生在0～0.5 h階段，并隨著PAM加藥量的增大，這一階段增長的澄清液高度所占0～1.5 h內總澄清液高度的比例不斷升高，當PAM用量為30 mg/L時，比例已達到90%以上。

從以上數據可以得到，使用PAM作為絮凝劑時，澄清液面高度最高。

（2）絮凝劑種類對出水SS的影響，如圖6、圖7所示。

使用PAC作為絮凝劑時，出水比較澄清，SS的濃度維持在一個很低的水平，且隨著PAC濃度的上升SS逐漸降低。當PAC的用量由100 mg/L增至1000 mg/L的時候，SS由155 mg/L降至88 mg/L；

使用PFS作為絮凝劑時，出水比較澄清，SS的濃度維持在一個很低的水平，且隨著PFS濃度的上升逐漸降低。當PFS的用量由100 mg/L增至2000 mg/L的時候，SS由236 mg/L降至116 mg/L。

使用PAFC作為絮凝劑時，出水比較澄清，SS的濃度維持在一個很低的水平，且隨著PAFC濃度的上升呈現先降低后增高的趨勢，在800mg/L時達到低谷，PAFC的用量由100mg/L增至800mg/L的時候，SS由155mg/L降至96mg/L。

使用PAM作為絮凝劑時，出水相當渾濁，SS的濃度維持在一個很高的水平，最低值也為466 mg/L，且SS的變化毫無規律。可以看出，PAM對于對于細小顆粒物捕捉能力較弱，即使增大用量也對細小顆粒物的捕捉能力也很有限。

從以上數據可以得到，使用PAFC作為絮凝劑時SS最低，而使用PAM作為絮凝劑時SS最高。

（3）絮凝劑種類對出水pH的影響，如圖8、圖9所示。

使用PAC作為絮凝劑時，出水的pH隨著PAC用量的加大，呈略微降低趨勢，當 PAC的用量由100 mg/L增至1000 mg/L的時候，pH由8.43降至7.81；使用PFS作為絮凝劑時，出水的pH隨著PFS用量的加大，呈降低趨勢，當PFS的用量由100 mg/L增至2000 mg/L的時候，pH由8.38降低至6.83；使用PAFC作為絮凝劑時，隨著PAFC用量的加大，出水的pH呈顯著變化，PAFC的用量由100 mg/L增至1000 mg/L的時候，pH由8.38降低至6.33；當使用PAM作為絮凝劑時，隨著PAM用量的增加，出水的pH呈下降趨勢，當PAM的用量由5 mg/L增至50 mg/L，pH由8.01下降至7.85。

從以上數據可以得到，當使用PFS作為絮凝劑時的出水pH低于PAC、PAFC作為絮凝劑時的出水pH，PFS對于pH的調節作用最好。

3.2 絮凝劑篩選結果

PAC（聚合氯化鋁）、PFS（聚合硫酸鐵）、PAFC（聚合氯化鋁鐵）以及陰離子型PAM （聚丙烯酰胺）四種絮凝劑都是工業上較為常用的絮凝劑，通過以上四種絮凝劑的絮凝效果，澄清液面高度、出水SS、pH三個指標的比較發現，通過鋁、鐵離子的作用來增強尾礦的沉降是有限的，雖然可以壓縮顆粒表面雙電層的厚度，降低表面ζ電位，使尾礦漿比其自然pH時的沉降速度加快，但是通過無機絮凝劑來調節pH作用依然很有限，使用無機絮凝劑沉降速度慢，一般需要在30～60 min時才進入壓縮階段。單一采用無機凝聚劑，難于實現鋁土礦正浮選尾礦漿的快速沉降[7]。

嚴格的來說，PAC、PFS、PAFC應當分類為凝聚劑，所產生的為凝聚作用，凝聚作用是在分散體系中添加無機凝聚劑，中和微粒表面的電性，壓縮雙電層，降低動電電位，減少微細顆粒間的排斥能，達到凝聚的目的。而PAM為絮凝劑，所產生的為絮凝作用，PAM作為高分子化合物，具有長碳鏈及作用強大的活性官能團，可以強烈吸附細微顆粒，并通過長碳鏈的纏繞在兩個帶負電膠體顆粒間，越過其勢能峰形成架橋作用，生成較大絮團，從而提高沉降速度，但是其缺點為不能捕獲較小顆粒，導致出水渾濁。

而由于鋁土礦高濃度的特性，雖然PAM的出水較渾濁，但是它對于具有很強的沉降能力、很快的沉降速度。因此，PAM更適用于鋁土礦尾礦的沉降，而試驗決定使用PAM為后續試驗所用絮凝劑[8]。

3.3 助凝劑篩選實驗

通過絮凝沉降試驗比較三種常見無機凝聚劑（PAC、PFS、PAFC）與PAM配合使用后對鋁土礦選礦尾礦的絮凝效果，主要考察的指標為：0.5、1、1.5 h澄清液面高度，出水的SS。

(1)助凝劑種類對澄清液面高度的影響，如圖10～圖12所示。

試驗結果表明：當PAC與PAM配合使用時，隨著PAC用量的增加，澄清水位高度呈現先增加后降低的趨勢，在PAC用量250 mg/L時達到高峰，最高水平時，0.5、1、1.5 h澄清水位高分別為2.8、4.2、5.3 cm。沉降速度較快，主要沉降作用發生在0～0.5 h階段。與單獨使用PAM10 mg/L相比，澄清水位高度略微增長，沉降速度不變；與單獨使用PAC相比，1.5 h澄清液面高度增長1 cm左右，沉降速度加快，0～0.5 h壓縮液面高度所占總壓縮液面高度比例大大增加。

當PFS與PAM配合使用時，隨著PFS用量的增加，澄清水位高度呈現先增加后降低的趨勢，在PFS用量200 mg/L時達到高峰，最高水平時，0.5、1、1.5 h 澄清水位高分別為 3.5、5.1、5.6 cm。沉降速度較快，主要沉降作用發生在0～0.5 h階段。與單獨使用PAM10 mg/L相比，澄清水位高度略微增長，沉降速度不變；與單獨使用PFS相比，1.5 h澄清液面高度增長1 cm左右，沉降速度加快，0～0.5 h壓縮液面高度所占總壓縮液面高度比例大大增加。

當PAFC與PAM配合使用時，隨著PAFC用量的增加，澄清水位高度呈現先增加后降低的趨勢，在PAFC用量200 mg/L時達到高峰，最高水平時，0.5、1、1.5 h 澄清水位高分別為 3.3、4.9、5.3 cm。沉降速度較快，主要沉降作用發生在0～0.5 h階段。與單獨使用PAM10 mg/L相比，澄清水位高度略微增長，沉降速度不變；與單獨使用PAFC相比，1.5 h澄清液面高度增長0.8 cm左右，沉降速度加快，0～0.5 h壓縮液面高度所占總壓縮液面高度比例大大增加。

從以上數據可以得到，當PFS與PAM配合使用時，澄清液面高度最高。

（2）助凝劑種類對澄清液面高度的影響，如圖13所示。

試驗表明：助凝劑為PAC時，隨著藥劑用量的增加，SS呈現先減少后保持平穩的趨勢，當PAC用量為400 mg/L的時候，SS為最小值309 mg/L。與單獨使用PAM10 mg/L相比，SS呈顯著下降，當PAC用量為300 mg/L時；助凝劑為PFS時，隨著藥劑用量的增加，SS呈現先減少后保持平穩的趨勢，當PFS用量為300 mg/L的時候，SS為最小值265 mg/L。與單獨使用PAM10 mg/L相比，SS呈顯著下降，當PFS用量為300 mg/L時，SS下降了約180 mg/L；助凝劑為PAFC時，隨著藥劑用量的增加，SS呈遞減趨勢，當PAFC用量為400mg/L的時候，SS為最小值303 mg/L。與單獨使用 PAM10 mg/L相比，SS呈顯著下降，當PAFC用量為300 mg/L時，SS下降了約120 mg/L。

以上數據可以得到，當PFS與PAM配合使用時，出水的SS最低。

3.4 助凝劑篩選結果

通過以上三種無機絮凝劑與PAM的配合絮凝效果，發現PAC、PFS、PAFC這三種藥劑與PAM配合使用可以起到相互彌補缺點的作用，配合使用后澄清液面高，沉降速度快而SS一直控制在200 mg/L以內。

助凝劑通過電性中和降低顆粒間的靜電斥力，使雙電層得到壓縮，作用能減小。而絮凝劑通過橋鍵作用，在微粒間實現吸附架橋，形成絮團，加快沉降速度，利用吸附卷掃作用使顆粒共同沉降[9]。

而當PFS與PAM配合使用的時候，pH降低幅度最大，澄清液面高度最高，其中的主要原因可能為PFS通過降低pH以及鐵離子中和了微粒表面的電負性，壓縮了雙電層，而PAM在起到了吸附架橋作用同時，還可能與微粒表面吸附的鐵離子作用，增強了顆粒的沉降。由于三種助凝劑助凝效果差距不大，考慮用正交試驗繼續篩選較優的助凝劑[10]。

4 結論

（1）PAC、PAFC、PFS 作為絮凝劑使用時，雖然出水較為澄清，但是沉降速度過慢；而PAM作為絮凝劑使用時，雖然出水較為渾濁，但是沉降速度快，絮團緊實，具有很好的實際應用性。

（2）PAC、PAFC、PFS 作為助凝劑與 PAM 配合使用時，具有較好的絮凝效果，能互相彌補彼此缺點，其中PFS助凝效果最好。

[1]王永紅.鋁土礦正浮選尾礦脫水新工藝的研究[D].西安：西安建筑科技大學機械工程學院，2006:1-61.

[2]陳志友，陳湘清，馬俊偉.鋁土礦選礦尾礦性質及沉降性能研究[J].輕金屬,2007,2:7-10.

[3]王毓華，黃傳兵，蘭葉.一水硬鋁石型鋁土礦選擇性絮凝分選工藝研究[J].中國礦業大學學報,2006,6(35):742-746.

[4]Dong Yang,Nai-xiang Feng,Yao-wu Wang.Preparation of primary Al-Si alloy from bauxite tailings by carbothermal reduction process[J].Translation of Nonferrous Metals Society of China,2010,20：147-152.

[5]張學英，常虎成.絮凝沉降技術在鋁土礦選礦尾礦處理過程中的應用[J].有色金屬,2004,5:42-45.

[6]劉焦萍,黃春成.鋁土礦正浮選尾礦漿沉降新工藝研究[J].輕金屬,2006,5:8-12.

[7]姜燕清,王毓華,楊鍵.鋁土礦正浮選尾礦沉降試驗研究[J].輕金屬,2010,12:7-16.

[8]N.Kallay,Z.Dojnovic.Surface potential at the hematite-water interface [J].Journal ofColloidand Interface Science,2005,286(2)：610-614.

[9]周長春.鋁土礦及其浮選技術[M].北京:中國礦業大學出版社，2011,218頁.