絮凝劑對細粒鐵精礦沉降效果的影響

陳婉琦 張 芹 王天正 戴柯進

(1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081；2.綠色制造與節(jié)能減排科技研究中心，湖北 武漢 430081)

絮凝劑對細粒鐵精礦沉降效果的影響

陳婉琦1,2張 芹1,2王天正1,2戴柯進1,2

(1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081；2.綠色制造與節(jié)能減排科技研究中心，湖北 武漢 430081)

為改善細粒赤鐵礦精礦在濃縮脫水過程中存在的沉降時間長、過濾速率低、穿漏現(xiàn)象嚴重、濾餅含水率高等問題，以巴西某赤鐵礦精礦為研究對象，考察了絮凝劑種類及用量、礦漿pH、溫度及混勻程度等對赤鐵礦沉降行為的影響。結(jié)果表明：絮凝劑添加量對赤鐵礦精礦沉降效果有顯著影響，用量過低時，對改善沉降效果不明顯，用量過高時會產(chǎn)生“膠體保護”，沉降速率不再隨絮凝劑用量增加而提高；聚丙烯酸鈉類絮凝劑在酸性條件下對精礦的沉降效果好，聚丙烯酰胺類在堿性條件下沉降效果較好；溫度較低時，不利于絮凝劑與礦物顆粒作用，沉降效果差，溫度過高時，絮凝劑發(fā)生降解，沉降效果變差；翻轉(zhuǎn)混勻次數(shù)少時絮凝劑分子分散不好，精礦沉降速率低，在充分混合時，細粒赤鐵礦沉降速率達到最大值，進一步增加翻轉(zhuǎn)混勻次數(shù)，會造成絮團斷裂，精礦沉降速率降低。試驗結(jié)果對赤鐵礦精礦沉降時選取合適的絮凝劑，提高精礦沉降效果具有重要意義。

細粒赤鐵礦 絮凝劑 沉降速率

我國鐵礦資源豐富，但優(yōu)質(zhì)鐵礦資源匱乏，全國鐵礦石平均鐵品位僅30%左右，97%以上為鐵品位34%以下的低品位鐵礦石，而其中微細粒鐵礦石儲量約30億～40億t[1]，必須經(jīng)過細磨才能實現(xiàn)該類礦石的分選，但過細的礦物顆粒在后續(xù)濃縮脫水過程中存在沉降時間長、過濾速率低、穿漏現(xiàn)象嚴重、濾餅含水率高等問題。加之選礦過程加入的浮選藥劑使得礦物的表面性質(zhì)發(fā)生改變，礦漿具有濃度高、所含固體顆粒粒度細、表面電負性強等特點，礦物顆粒表面容易形成水化膜，顆粒間產(chǎn)生水化排斥力，不利于凝聚沉降[2]。浮選精礦的濃縮過濾作業(yè)常常成為制約選礦生產(chǎn)的瓶頸。針對這一問題，可通過添加絮凝劑，利用網(wǎng)捕、橋聯(lián)等作用使礦物顆粒絮團，表觀上變成較大顆粒，改善其沉降效果[3]。本研究以巴西某赤鐵礦精礦產(chǎn)品為研究對象，考察了絮凝劑種類、用量、pH、溫度、絮凝劑與礦漿的混勻程度對赤鐵礦精礦沉降速率的影響。

1 試樣和藥劑

1.1 試驗礦樣

試驗用礦樣為武鋼工業(yè)港的巴西赤鐵礦精礦產(chǎn)品，密度為4.1 g/cm3，鐵品位為62.02%，磨細至 -150 μm作為試驗用樣，其粒度分布見表l。

表1 試樣粒度分析結(jié)果

1.2 試驗藥劑

試驗用pH調(diào)整劑為NaOH、HCl溶液。

試驗用絮凝劑如表2所示，均配制成濃度為0.1%的溶液使用。

表2 試驗用絮凝劑

2 試驗方法

(1)稱取20 g試樣置于100 mL的燒杯中，加入50 mL蒸餾水。

(2)將燒杯置于攪拌器上，以350 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10 min。

(3)將攪拌好的礦漿迅速移入100 mL的沉降瓶中，添加一定量絮凝劑后定容至100 mL。

(4)塞緊瓶塞后以均等幅度上下翻轉(zhuǎn)搖勻。

(5)將沉降瓶靜置于水平桌面上并開始計時，固液界面高度每下降10 mL(對應高度為15.5 mm)記錄1次。

(6)數(shù)據(jù)處理。繪制尾礦礦漿的沉降曲線，根據(jù)沉降曲線計算沉降速率。

根據(jù)沉降曲線計算沉降速率的方法[4]如圖1所示。以初始段的沉降曲線向下做切線，再以沉降壓縮后的曲線向左作切線，兩條切線相交于點R，從點R作兩條切線所形成的角的角平分線，與沉降曲線交于點P，P點即是計算沉降速率的臨界沉降點。在P點作垂線于橫坐標軸的交點即為沉降時間tP，作水平線與縱坐標軸的交點即為沉降高度HP，則相應點的沉降速率為vP=HP/tP。

圖1 沉降曲線

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 絮凝劑種類對精礦沉降效果的影響

在絮凝劑用量均為50 g/t、自然pH(pH=7)、混勻次數(shù)為10次條件下，考察不同種類絮凝劑對精礦沉降效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 絮凝劑種類對精礦沉降效果的影響

◆—M110；■—M216；▼—M002；●—M213；?—M100；◇—NTL-850；▽—M220；△—S10；□—S15；▲—S20；○—空白組

由圖2可知：添加絮凝劑后，精礦的沉降過程均得到不同程度的改善；聚丙烯酰胺類(PAM)絮凝劑中M216、M110、M002、M213對精礦的沉降效果相對較好；聚丙烯酸鈉類(PAAS)絮凝劑中，對精礦沉降效果由強到弱依次為S20>S15>S10。試驗用PAAS 類絮凝劑中分子量由大到小依次為S20>S15>S10，說明PAAS 類絮凝劑的分子量越大，赤鐵礦精礦的沉降效果越好，且試驗過程發(fā)現(xiàn)添加S20沉降時，所得上清液比添加其他幾種絮凝劑時更為清澈。為繼續(xù)比較兩類絮凝劑的效果，選擇PASS類絮凝劑中效果最好的S20與PAM類絮凝劑M110、M216、M002、M213進行后續(xù)試驗。

3.2 絮凝劑用量對精礦沉降速率的影響

根據(jù)絮凝機理，絮凝劑添加量過少會產(chǎn)生絮凝劑失效[5]，過多則會發(fā)生“膠體保護”[6]，沉降速率不再隨絮凝劑用量增加而提高。在自然pH、混勻次數(shù)為10次條件下進行不同種類絮凝劑最佳用量試驗，結(jié)果見圖3。

圖3 絮凝劑用量對精礦沉降速率的影響

由圖3可見：添加M213、S20的精礦沉降速率隨著絮凝劑用量的增加呈線性逐漸提高；添加M110、M216、M002的精礦沉降速率隨絮凝劑用量的增加逐漸提高，但提高幅度逐漸降低。綜合考慮，選擇絮凝劑用量為50 g/t。

3.3 礦漿pH對精礦沉降速率的影響

礦漿pH會影響赤鐵礦礦物顆粒表面電性以及藥劑與礦物顆粒表面的作用，圖4為藥劑用量50 g/t、混勻次數(shù)10次時， 礦漿pH對精礦沉降速率的影響。

圖4 礦漿pH對精礦沉降速率的影響

由圖4可見：添加M216、M110的精礦沉降速率變化較為相似，均在酸性條件下隨pH增加小幅升高，當pH>7后沉降速率明顯提高并在pH=10時達到最大，隨著礦漿pH進一步提高，其對精礦的沉降速率迅速下降，且試驗過程發(fā)現(xiàn)上清液也愈發(fā)渾濁；添加M002的精礦在pH=7時有較高的沉降速率，且在pH>7后沉降速率逐漸下降；pH對添加M213的精礦沉降速率影響不明顯；S20則在酸性條件下表現(xiàn)出良好的絮凝作用，且在pH=4時，精礦沉降速率達到最大值，但其在堿性條件下沉降效果較PAM類略差。

懸浮液中由加入高分子絮凝劑引發(fā)的絮凝通常有3種作用機理，即架橋作用、電中和作用和疏水化作用機理(耗散機理)。PAAS類絮凝劑分子中的 —COONa電離產(chǎn)生的—COO-易與表面荷正電的礦物發(fā)生絮凝。赤鐵礦的零電點為pH=7.8[7]，當?shù)V漿pH值小于零電點時，精礦顆粒表面荷正電，因此S20在酸性條件下通過電荷中和表現(xiàn)出良好的絮凝性能。然而PAAS類絮凝劑在酸性條件下的絮凝效果較差，這是因為pH較低時，雖然絮凝劑黏均相對分子質(zhì)量較高，但易發(fā)生分子內(nèi)和分子間的亞?；磻?，形成支鏈或交聯(lián)型產(chǎn)物，從而導致絮凝劑分子溶解性能下降，使得電性中和不再起主導作用；而在pH值較高時，丙烯酰胺生成氮川三丙烯酰胺(NTP)，NTP是潛在的還原劑，含量越高，反應速率越快，同時其也是鏈轉(zhuǎn)移劑，會導致絮凝劑黏均相對分子質(zhì)量降低，溶解性增強，且此時赤鐵礦顆粒表面所帶負電不強，聚合物中—CONH3+官能團與赤鐵礦之間的吸引力大于其排斥力，因此，M216和M110在pH=10左右時表現(xiàn)出較好的絮凝效果。然而隨著pH值的進一步升高，絮凝劑的黏均相對分子質(zhì)量降低和赤鐵礦顆粒表面的負電性所造成的影響超過其溶解性增強帶來的效果時，礦物顆粒的沉降速率也隨之下降。陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑M002在pH>7后絮凝效果變差，這是由于堿性環(huán)境下—OH-消耗了M002的陽離子，導致其實際與礦物顆粒作用的絮凝劑量減少，使得絮凝沉降效果較差。M213為非離子型絮凝劑，主要通過吸附架橋作用使礦物顆粒絮凝沉降[8]，故對礦漿pH變化不敏感。

3.4 礦漿溫度對精礦沉降速率的影響

由于濃縮機通常位于室外，濃縮機中礦漿溫度易受環(huán)境溫度的影響，因此濃縮脫水生產(chǎn)實踐應考慮溫度的影響[9]?？紤]到夏冬兩季溫度極差，考察了在5～35 ℃時添加絮凝劑對精礦沉降速率的影響。圖5為藥劑用量50 g/t、混勻次數(shù)10次時，自然pH條件下礦漿溫度對精礦沉降速率的影響。

從圖5可以看出：M216對赤鐵礦精礦的絮凝效果受礦漿溫度的影響最為明顯，礦漿溫度低于15 ℃時沉降速率較低，且隨溫度升高無明顯變化，礦漿溫度大于15 ℃時，隨著礦漿溫度升高，其沉降速率明顯增大，當溫度超過25 ℃時，沉降效果開始惡化，且試驗過程發(fā)現(xiàn)上清液濁度增加；添加M110和S20的精礦沉降速率均隨溫度升高而提高，并在15～25 ℃時，隨溫度升高，沉降速率升高較快；添加M002的精礦沉降速率隨著溫度的升高先逐漸增強，并在15 ℃時沉降最快，隨后緩慢下降；M213對沉降速率的影響隨溫度升高無明顯變化。大分子絮凝劑對溫度的變化較為敏感，當溫度超過一定范圍時會發(fā)生降解使得其分子量降低，從而影響絮凝效果。除M002外,其余幾種藥劑的最佳使用溫度均為25 ℃左右。

圖5 礦漿溫度對精礦沉降速率的影響

3.5 絮凝劑與礦漿混勻程度對精礦沉降速率的影響

高分子絮凝劑溶液在一般的操作濃度下黏度比較高，其均勻分布在整個懸浮液中需要一定的時間，絮凝沉降作用的發(fā)生有一個滯后過程。當絮凝劑用量固定時，達到最大固液分離的效率取決于絮凝劑溶液與懸浮液的混合均勻程度[10-11]。

試驗中絮凝劑與礦漿的混勻過程通過勻速翻轉(zhuǎn)沉降瓶(1次/s)進行，即使用翻轉(zhuǎn)沉降瓶的次數(shù)度量其混勻程度。在藥劑用量為50 g/t、自然pH、溫度25 ℃的條件下，考察沉降速率與混勻次數(shù)的關系，結(jié)果如圖6所示。

圖6 混勻程度對精礦沉降速率的影響

從圖6可以看出：添加S20、M216的精礦沉降效果受混勻程度的影響最大，添加S20的精礦在翻轉(zhuǎn)次數(shù)為15次時沉降速率最高，添加M216、M110、M002、M213的精礦均在翻轉(zhuǎn)次數(shù)為10次時沉降速率達到最高。所用絮凝劑為高分子鏈狀物質(zhì)，運動黏度較大，翻轉(zhuǎn)次數(shù)少時絮凝劑分子分散不好，精礦沉降速率低，在充分混合時，精礦沉降速率達到最大值，進一步增加翻轉(zhuǎn)次數(shù)，會造成絮團斷裂，精礦沉降速率降低。

4 結(jié) 論

(1)絮凝劑添加量對赤鐵礦精礦沉降效果有顯著影響，用量過低時，對改善沉降效果不明顯，用量過高時會產(chǎn)生“膠體保護”，沉降速率不再隨絮凝劑用量增加而提高。

(2)礦漿pH對使用離子型絮凝劑時赤鐵礦精礦的沉降速率有顯著影響。聚丙烯酰胺類絮凝劑M110、M216在堿性條件下表現(xiàn)出更好的沉降效果，在pH=10時沉降速率最高；聚丙烯酸鈉類絮凝劑則在pH=4時沉降速率最高。

(3)試驗用絮凝劑中M216、M110、S20的最佳使用溫度為25 ℃，Y2的最佳使用溫度為15 ℃，M213則對礦漿溫度變化不敏感。溫度較低時，不利于絮凝劑與礦物顆粒作用，沉降效果差，溫度過高時，絮凝劑發(fā)生降解，沉降效果變差。

(4)混勻程度對礦漿絮凝沉降的效率有顯著影響。添加S20在沉降瓶勻速翻轉(zhuǎn)15次時使赤鐵礦精礦沉降達到最大速率，M110、M216、M002、M213均在翻轉(zhuǎn)次數(shù)為10次時使赤鐵礦精礦沉降達到最大速率。翻轉(zhuǎn)次數(shù)少時絮凝劑分子分散不好，精礦沉降速率低，在充分混合時，精礦沉降速率達到最大值，進一步增加翻轉(zhuǎn)次數(shù)，會造成絮團斷裂，精礦沉降速率降低。

[1] 劉 杰，周明順，翟立委，等.中國復雜難選鐵礦的研究現(xiàn)狀[J].中國礦業(yè)，2011，20(5):63-69. Liu Jie，Zhou Mingshun，Zhai Liwei，et al.Present status of China's complex refractory iron ore study[J].China Mining Magazine，2011，20(5):63-69.

[2] 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)：8-13. Liu Jiaoping，Huang Chuncheng.New process of tailing slurry settlement after the bauxite forward flotation[J].Light Metals，2006(5)：8-13.

[3] 李慧梅，陳建國，袁玉萍.高含沙渾水在絮凝劑作用下的絮凝沉降試驗研究[J].泥沙研究，2006(4) :73-77. Li Huimei，Chen Jianguo，Yuan Yuping.Experimental research on flocculated sediment settling in high sediment-contents under flocculating admixture[J].Journal of Sediment Research，2006(4) :73-77.

[4] 周興龍，張文彬，王文潛.量筒內(nèi)進行礦漿沉降試驗的方法 [J].有色金屬:選礦部分，2005(5)：30-32. Zhou Xinglong，Zhang Wenbin，Wang Wenqian.Methods for settlement experiment of slurry in the measuring cylinder[J].Nonferrous Metals：Mineral Procesing Section，2005(5)：30-32.

[5] Besra L，Sengupta D K，Roy S K，et al.Influence of polymer adsorption and conformation on flocculation and dewatering of kaolin suspension[J].Separation and Purification Technology，2004,37(3)：231-246.

[6] 沈 雷.陰離子聚丙烯酰胺絮凝劑(APAM)的制備及應用研究[D].重慶：重慶大學，2011. Shen Lei.Preparation and Applications of Anionic Polyacrylamide Flocculant APAM[D].Chongqing：Chongqing University，2011.

[7] 左 倩.微細粒赤鐵礦分散行為及機理研究[D].武漢：武漢科技大學，2012. Zuo Qian.Study on Behaviors and Mechanism of Dispersion of Hematite Fines[D].Wuhan：Wuhan University of Science and Technology，2012.

[8] 郭艷華，戴惠新，楊俊龍.不同絮凝劑對高泥氧化銅浸出液沉降的影響[J].過程工程學報，2013，13(5) ：812-816. Guo Yanhua，Dai Huixin，Yang Junlong.Effects of flocculants on sedimentation of high-mud copper oxide leaching pulp[J].The Chinese Journal of Process Engineering，2013,13(5)：812-816.

[9] 齊丁丁.溫度對微細尾礦沉降性能的影響[J].礦冶工程，2003,23(4) :27-29. Qi Dingding.Effect of temperature on settling of superfine tailings[J].Mining and Metallurgical Engineering，2003,23(4):27-29.

[10] Weir S，Moody G M.The importance of flocculant choice with consideration to mixing energy to achieve efficient solid/liquid separation[J].Minerals Engineering，2003,6(2) :109-113.

[11] 閔凡飛，張明旭，朱金波.高泥化煤泥水沉降特性及凝聚劑作用機理研究[J].礦冶工程，2011,31(4)：55-62. Min Fanfei，Zhang Mingxu，Zhu Jinbo.Settling property of highly-argillized coal slurry and reaction mechanism of coagulants[J].Mining and Metallurgical Engineering，2011,31(4)：55-62.

(責任編輯 王亞琴)

Influence of Flocculants on Sedimentation Effect of Ultrafine Hematite

Chen Wanqi1,2Zhang Qin1,2Wang Tianzheng1,2Dai Kejin1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China；2.ResearchCenterofGreenManufacturing，EnergyConservationandEmissionReductionTechnologies，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)

In order to improve the problems of long settling time，low filtration rate，severe wear leakage phenomenon，low content in filter cake during thickening and dehydration for fine grained hematite concentrate.Effects of types and dosage of flocculants，slurry pH，temperature，and degree of mixedness on the sedimentation behavior were studied，using an iron concentrate from Brazil as research object.The results indicated that：there were significant influence on sedimentation of hematite concentrate by adjusting flocculants addition，for too low addition have no obvious improvement on the sedimentation rate，with excessive addition could initiate colloid protecting，and the sedimentation velocity will not increase with dosage increase of flocculants.Sodium polyacrylate flocculants have good settling performance in alkaline conditions，while polyacrylamide flocculants have good settling performance in acidic condition.Hypothermia have disadvantage in improving the sedimentation rate，hyperthermia would lead to degradation of flocculants.Sufficient reversal and mixing was conducive to sedimentation，excessive mixing will worsen sedimentation effects.The results have important implications for suitable flocculant selection in iron concentrate settling and improve the concentrate sedimentation.

Ultrafine hematite， Flocculants，Sedimentation rate

2015-06-28

陳婉琦(1991—)，女，碩士研究生。

TD926.2

A

1001-1250(2015)-10-095-05