礦山尾礦沉降特性及流變學特性分析

楊 娟， 郭亞兵

(太原科技大學 環境與安全學院，山西 太原 030024)

礦山尾礦沉降特性及流變學特性分析

楊 娟， 郭亞兵

(太原科技大學 環境與安全學院，山西 太原 030024)

分別進行沉降實驗和流變學實驗，以便更好地了解尾礦的沉降特性及其流變學特性，進而得到尾礦的沉降規律以及尾礦屈服應力與其固體濃度的關系，并利用數值擬合得到固體濃度和屈服應力的自定義模型。結果表明尾礦沉降的初始階段，其沉降速度較大，沉降明顯，尾礦的屈服應力隨著固體濃度的增加而增大。

尾礦；沉降特性；屈服應力；流變學

0 引言

濃縮機是固液分離過程的重要的設備，在各種工業領域得到了越來越廣泛的應用。隨著淡水資源日益減少及生態保護的要求日益嚴格，對廢水的回收及固體廢物的堆放成為世界各國高度重視的問題。因此，對濃縮機溢流水的水質及底流固體濃度的要求越來越高。為了滿足日益提高的處理要求，必須對濃縮機進行科學的設計保證濃縮機的工藝性能。濃縮機的工藝性能與所處理的物料息息相關，提高濃縮機工藝性能的關鍵就是要了解所處理物料的特性，包括固體粒度、固體密度、固體絮凝性、固體表面化學性能及漿液的粘度、屈服應力等流變學參數。

隨著計算流體力學(CFD)在固液分離及廢水處理中的應用，全世界固液分離研究人員開始將計算流體力學(CFD)應用于濃縮機工藝設計優化中，利用CFD商業軟件如3D-FLOW、ANSYS等進行濃縮機沉降- 濃縮過程的數值模擬。Frost et al.(1993)利用一個三維的CFD對廢水在圓形平底濃縮機的流態進行了模擬仿真，并描述了耙架的刮刀角度和尺寸對輸送效率的影響[1]。Rudman et al. (2008)利用CFD模型研究了小型濃縮機的耙架輸送沉淀固體的狀態及耙架所受的扭矩，并發現影響扭矩的兩個主要因素是在行進方向的耙架的投影面積以及所移動的物料的屈服應力[2]。Mohanarangam and Stephens (2009)建立了一個三維的CFD模型，這個模型結合了二次沉淀池中的沉淀過程及上浮過程[3]。但是，這些分析并沒有包含沉降- 濃縮工藝過程中對其影響較大的特定的工藝過程，如絮凝沉降模型、壓縮沉降模型等；這些模型需要建立用戶自定義模型，與CFD模型集成計算，才能得到較為實際的結果。

綜上所述，對所處理的固體物料進行理化特性分析及流變學特性分析至關重要。本文利用XRD對樣品進行了物相分析，利用激光粒度儀進行了粒度分析。在此基礎上，進行了樣品的絮凝沉降實驗；按照Bingham模型、Herschel-Bulkly模型、Casson模型對底流漿液進行了流變學實驗分析。根據實驗數據，利用數值擬合技術獲得了底流固體濃度與屈服應力自定義模型。這樣可真實地反映底流漿液的流變學特性，為CFD仿真分析提供可靠的數據。

1 沉降理論及流變學理論

1.1 沉降基本概念及現象描述

在沉降柱中，除了固體和液體之間的密度差[4]之外,其中的懸浮液顆粒還會受到自身重力的作用，發生沉降現象，所以沉降柱內的懸浮液會自動分為澄清液層和濃漿層，從而實現其固液分離。

開始沉降前，將沉降柱中的懸浮液攪拌均勻，使整個沉降柱中的固體濃度分布是相同的。沉降過程開始后，沉降柱中的固體顆粒以相同的速度沉降，經過一段時間后，在沉降柱中會出現四個區域：清水區位于容器頂部、依次往下是等濃度區、過渡區和壓縮區。隨著沉降過程的進行，可以觀察到，清水區與等濃度區之間形成了一個明顯的交界面，而交界面的下沉速度可以代表顆粒的平均沉降速度。同時，在底部的壓縮區，從壓縮區的上表面起一直到管底，固體顆粒的沉降速度是逐漸減小的，到管底顆粒的沉降速度降為零，而且這一區域內懸浮固體會隨著其下沉過程被逐漸壓實。[5]

1.2 流變學理論

流變學的研究對象是流體，通常依據在一定的溫度和剪切應力作用下流體所表現出的特性，把流體劃分為牛頓流體和非牛頓流體兩大類。尾礦膏體作為一種典型的非牛頓流體，對于其流變學特性的研究主要分析尾礦的屈服應力特性。流體的屈服應力是指對于某些非牛頓流體，施加的剪切應力較小時流體只發生變形，不產生流動。當剪切應力增大到某一定值時流體才開始流動，此時的剪切應力為該流體的屈服應力。

由于非牛頓流體的流變特性具有一定的復雜性，在研究過程中逐漸形成了一些不同的描述非牛頓流體流變學參數之間關系的流變模型，如Ostwald de Vaele模型，Bingham模型，Herschel-Bulkly模型，Carreau模型，Casson模型，Cross模型等。本次實驗采用以下三種模型來研究尾礦的屈服應力特性。

(1)Bingham模型

Bingham模型是兩參數模型中最常使用的，它的表達式見公式(1)：

τ=τ0+μ0γ

(1)

式中τ—剪切應力，Pa；τ0—屈服應力，Pa；μ0—Bingham粘度，Pa·s；γ—剪切速率，s-1。

其中，剪切速率并不會影響到Bingham粘度，而且Bingham模型在高剪切速率時更適用，[6]Bingham模型為非牛頓流體的流變學模擬提供了最合適的流變參數τ0和μ0。

(2)Herschel-Bulkly模型

Herschel-Bulkly模型是最常用的三參數模型之一，其表達式見公式(2)：

τ=τ0+Kγn

(2)

式中τ—剪切應力，Pa；τ0—屈服應力，Pa；K—粘度系數，Pa·sn；γ—剪切速率，s-1；n—流變特性指數[6]。

(3)Casson模型

Casson模型適用于存在屈服應力的非牛頓流體，其表達式見公式(3)：

(3)

式中τ—剪切應力，Pa；τ0—屈服應力，Pa；γ—剪切速率，s-1；μ*—常數，Pa·s。

2 實驗材料及實驗過程

2.1 實驗材料和設備

實驗樣品采用氧化鋁尾礦，其比重為2.33g/mL，所用的絮凝劑為MF919。沉降實驗使用2L的量筒，流變學實驗使用型號為HAAKEVT550的粘度計，并采用PL100葉片轉子以及其他的輔助工具。

(1)尾礦的物料分析

對所采用的尾礦物料進行XRD物相分析，可知尾礦樣品中主要含有Al(OH)3，Fe2O3以及SiO2，具體成分分析如圖1所示。

圖1 尾礦物料成分分析圖

(2)尾礦的粒度分析

利用Bettersize2000激光粒度分布儀對尾礦進行粒度分布實驗，樣品的粒徑分布曲線如圖2所示：

圖2 粒度分布情況

2.2 實驗過程

(1)沉降實驗

稱取210g尾礦樣品于2L的量筒中，加水配制成為質量濃度為10%的漿液，使用攪拌器，對量筒內的礦漿進行攪拌，使之保持濃度均勻，加入8.5mL的高分子絮凝劑MF919繼續進行攪拌，使礦漿與絮凝劑進行充分均勻的接觸。停止攪拌的同時開始計時，并在一定時刻讀取沉降液面的高度并記錄。待液面高度不再發生變化，則靜態沉降實驗完成。

(2)流變學實驗

稱取635g的尾礦樣品于6L大容器中，加水配置成質量濃度為10%的漿液，并加入25.5mL劑量的高分子絮凝劑MF919進行充分的攪拌，使固體顆粒與絮凝劑充分接觸，完成絮凝反應。待反應充分進行，靜置24小時后倒去上清液，得到滿足粘度計測試實驗所需濃度的污泥樣品。

粘度計實驗前稱取少量污泥樣品于容器中，測得污泥樣品的初始固體濃度為73.76%，實驗過程中，對樣品進行不斷稀釋得到不同濃度的樣品進行測量。

利用HAAKVT550粘度計測定污泥樣品的流變學參數。分別對不同濃度的樣品進行測量，并利用Rheo Win軟件對所得數據進行處理得到所需要的結果。

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 沉降實驗結果與分析

記錄沉降實驗數據，整理可以得到沉降時間與界面高度讀數的關系曲線如圖3所示：

圖3 沉降時間與界面高度關系曲線

實驗結果表明：靜態沉降過程在實驗開始的最初10min內比較顯著，沉降速度大，界面高度變化明顯。在后續沉降過程中沉降速度逐漸變小，主要表現為壓實現象。

2.3.2 結果與分析

實驗共有七組樣品，樣品的濃度分別為：73.8%，72.7%，71.6%，70.5%，69.5%，68.5%，67.6%。分別利用HAAKVT550粘度計進行屈服應力的測點，并用不同的模型進行數據的處理，可以得到不同濃度時對應的屈服應力，并進行數值擬合從而建立不同模型下屈服應力與固體濃度之間的關系曲線。

分別利用Bingham模型，Herschel-Bulkly模型，Casson模型進行數據處理，可得到不同濃度樣品的屈服應力曲線如圖4所示：

圖4 處理結果

對上述數據進行數值擬合，由于屈服應力會隨著固體濃度的增加呈指數型增長[8]，所以選用指數函數進行曲線擬合，可得到三種不同模型下的屈服應力與固體濃度之間的關系曲線。所采用的擬合公式為：f(x)=a×exp(b×x)，得到滿足Bingham模型的a=2.433×10-6，b=0.2529，擬合度R-square為0.992 9,滿足Herschel-Bulkly模型的a=2.088×10-12，b=0.449，擬合度R-square為0.949 7，滿足Casson模型的a=4.136×10-7，b=0.276 3，擬合度R-square為0.991 7。數值擬合得到的關系曲線如圖5所示：

圖5 應力與固體濃度關系曲線

通過以上數據及擬合屈服應力與固體濃度的關系曲線，可以得出以下結果：

(1)加入絮凝劑的尾礦樣品，存在明顯的屈服應力。

(2)樣品隨著固體濃度的增加，屈服應力不斷增大。這是因為隨著固體濃度的增加，流體中的顆粒數目增加導致其流動阻力增大，所以尾礦的剪切粘度也會增大，相對應的屈服應力也就變大[9]。

(3)對于所用的尾礦樣品，利用不同的模型進行數據的處理分析得到的屈服應力并不完全相同。在固體濃度低時三種模型所得到的屈服應力值相近，而高濃度時Bingham模型與Casson模型的屈服應力值相近。

3 結論

沉降實驗的進行可以得知，加入了絮凝劑的尾礦樣品具有很明顯的沉降特性，能夠短時間內完成沉降過程，進入到壓實階段。

尾礦樣品的屈服應力隨著固體濃度的增加而增大，并且滿足指數型增長關系。同時，相同函數對于

不同模型的擬合也是有差別的，在實際應用中，需要選擇更加符合實際工業情況的模型來進行生產操作。

尾礦樣品的沉降特性和流變學特性對于尾礦的后續處理與處置有著相當重要的意義。尾礦樣品的沉降特性還會受到絮凝劑種類的影響，其流變學特性除與固體濃度有關系，還與剪切速率、溫度、組成成分、粒徑等因素有關系，這些都有待于進一步的探討與研究。

[1] Frost R，Halliday J， Dee A. Continuous consolidation of sludge in large scale gravity thickeners [J]. Water Science & Technology, 1993(28)：77-86.

[2] Rudman M， Simic K，Paterson D，et al. Raking in gravity thickeners[J]. International Journal of Mineral Processing, 2008(86)： 114-130.

[3] Mohanarangam K，Stephens D. CFD modelling of floating and settling phases in settling tanks[R]. 2009.

[4] Rushton，A，Ward，A S, Holdich，R G. 固液兩相過濾及分離技術[M]. 北京：化學工業出版社，2005：6.

[5] 郭亞兵，胡鈺賢，王守信. 沉降- 濃縮理論及數學模型[M]. 北京：化學工業出版社，2014:64-66.

[6] 曹秀芹，崔偉莎，王洪臣，等. 污泥流變特性及其變化規律的研究進展[J]. 環境工程, 2014,32(10):9-12.

[7] 喻有理，王小力. 毛細管粘度計測casson流體流變特性方法研究[J]. 物理與工程, 2000(5):24-25.

[8] 吳愛祥，焦華喆，王洪江，等. 膏體尾礦屈服應力檢測及其優化[J]. 中南大學學報, 2013,44(8):3370-3376.

[9] 王麗華，徐繼潤. 絮凝污泥懸浮液流變性質研究[J]. 流體機械, 2007,35(6):1-4.

Analysis of Settling Characteristics and Rheological Characteristics of Mine Tailings

YANG Juan， GUO Ya-bing

To understand the settlement characteristics and rheological properties of tailings better, sedimentation experiments and rheological experiments are carried out. We can obtain the law of tailings settlement and the relationship between the yield stress of tailing and its solid concentration, and get a custom model of solid concentration and yield stress by using numerical fitting technology. Results show that the initial stage of tailings deposition sedimentation velocity is larger and the subsidence is obvious, the yield stress increases with the increasing of tailings solid concentration.

tailings；settlement characteristics；yield stress；rheology

2015-09-06

山西省科技攻關項目(20130313006-1)；山西省特色、重點學科建設項目(201214505)

楊 娟(1990-)，女，山西晉中人，在讀研究生，研究方向為尾礦處理模擬仿真。

TD982

A

1003-8884(2015)06-0009-04