非離子絮凝劑對微細粒尾礦絮凝沉降的影響

韓　瑞，呂憲俊，李　琳，朱成志

(1.青島科技大學，山東 高密 261500；2.山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590)

非離子絮凝劑對微細粒尾礦絮凝沉降的影響

韓瑞1，呂憲俊2，李琳2，朱成志2

(1.青島科技大學，山東 高密 261500；2.山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590)

摘要：以d90約為20μm的微細粒難沉降尾礦為試驗對象，研究了非離子型絮凝劑的分子量和用量對微細粒尾礦沉降性能的影響。結果表明：隨著非離子型絮凝劑分子量的增加，尾礦的沉降速度逐漸增加，壓縮區(qū)濃度有所下降；絮凝劑的用量對細粒尾礦絮凝沉降的作用是分階段的，用量較低時，沉降速度慢且漲幅小，用量適中時，沉降速度大且漲幅較大，用量較高時，沉降速度基本穩(wěn)定，沒有大幅度增長；而壓縮區(qū)濃度在前兩個階段都是逐漸降低，最后也基本穩(wěn)定。選用N1500絮凝劑，用量為200g/t時，可以獲得較好的沉降效果，沉降速度為5.46cm/min，壓縮區(qū)濃度為38.46%。

關鍵詞：非離子型絮凝劑；微細粒尾礦；沉降速度；壓縮區(qū)濃度

目前尾礦處理方面應用最廣的當屬有機高分子絮凝劑。根據(jù)絮凝劑官能團的類型以及官能團在水中離解后所帶電荷的性質(zhì)，又可以將有機絮凝劑分成陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性有機高分子絮凝劑[1]。

非離子絮凝劑中所含有的官能團主要有羥基、氨基、酰胺基等，非離子絮凝劑的作用主要是通過這些非離子型官能團基團與顆粒表面形成氫鍵來使顆粒粘附到絮凝劑分子鏈上，再通過分子鏈的“架橋”作用形成絮團，由于非離子絮凝劑中的官能團基團水解不帶電荷，所以本身也不受礦漿pH等的影響。此外，氫鍵作用容易形成也容易斷裂，所以對尾礦的后續(xù)處理影響較小。

通常絮凝劑的絮凝沉降特性受很多因素的影響，例如：絮凝劑的種類、用量、濃度以及礦漿的粒度組成、濃度、溫度、pH等[2-4]，然而對于非離子型絮凝劑的分子量和用量等因素對絮凝沉降，尤其是微細粒尾礦絮凝沉降的影響研究較少，還需要進一步探討。

本文重點研究非離子型絮凝劑的分子量和用量對微細粒尾礦沉降特性的影響，從而為該類絮凝劑的推廣應用提供科學依據(jù)。

1試驗部分

1.1試驗原料

1.1.1尾礦

試驗尾礦試樣來自南京梅山某鐵礦選礦廠，對試驗原料礦漿進行基本物理性質(zhì)檢測，用比重瓶法進行了密度的測定，測得尾礦的密度為3.21g/cm3，用激光粒度分析等方法進行了測試，粒度分析結果見表1。通過激光粒度分析儀測試得出d95約為35μm、d90約為20μm、d70約為10μm，從表2也可以看出，該尾礦-20μm細顆粒達到89.08%，-2μm含量24.46%，這說明該樣品屬于微細粒尾礦[5-7]。

1.1.2絮凝劑

采用的非離子絮凝劑是河南省臺前縣中原化工有限公司提供的粉末狀非離子型聚丙烯酰胺，并依據(jù)GB/T12005.10-89和GB/17514-1998測定并計算樣品固含量和分子量見表2。

表1　尾礦粒度組成

表2　聚丙烯酰胺分子量測定結果

1.2試驗方法

試驗研究采用傳統(tǒng)的絮凝沉降實驗方法，所用的實驗設備有：1000mL量筒、秒表、天平、燒杯。

1.2.1試驗原料的制備

準確配制濃度為0.1%的非離子型聚丙烯酰胺絮凝劑：準確稱取100g去離子水，然后邊攪拌邊向水中加入0.1g非離子聚丙烯酰胺，攪拌速度在50 rpm以下，直至絮凝劑全部溶解完全，現(xiàn)配現(xiàn)用。

尾礦的濃度是影響微細粒尾礦沉降的重要因素之一，由于取樣時，測定現(xiàn)場微細粒尾礦的平均濃度為10%，所以，在濃度為10%的尾礦條件下，考察非離子型絮凝劑對微細粒尾礦沉降性能影響。

配置濃度為10%的礦漿：準確稱取100g干礦加入900g水中，并攪拌5min，放置10min，再攪拌5min，使礦漿充分混合形成濃度為10%的礦漿懸浮液。

1.2.2沉降試驗方法

進行絮凝實驗時，在帶有刻度的1000mL量筒中加入1000g10%的礦漿，并攪拌均勻，再加入絮凝劑，封住量筒的上口，來回倒轉(zhuǎn)震蕩3次，使礦漿和絮凝劑混合均勻，然后放在水平的臺面上，同時用秒表開始記錄沉降時間和澄清層高度，澄清層每下降1cm記錄沉降時間，并觀察澄清層的澄清度，記錄沉降時間直到壓縮區(qū)高度不再變化，一般持續(xù)24h。

1.2.3評價指標

在沉降過程中分為澄清區(qū)、自由沉降區(qū)、過渡區(qū)和壓縮區(qū)，根據(jù)科-克萊文杰靜態(tài)沉降模型，在自由沉降區(qū)中，尾礦顆粒是區(qū)域沉降狀態(tài)，沉降速度基本相同。并且此區(qū)域沉降速度越快，沉降過程所需的沉降時間也就越短，對整個沉降過程越有利[8]。而對于壓縮區(qū)，我們沉降濃縮的目的就是得到高濃度的產(chǎn)物和澄清的上清液，并且壓縮區(qū)濃度越高，說明濃縮效果越好，對尾礦的后續(xù)處理越有利。所以綜合考慮多方面的因素，最終以自由沉降區(qū)的沉降速度和壓縮區(qū)的濃度來作為評價指標，沉降速度越快越好，壓縮區(qū)濃度越高越好。最后絮凝效果的評價要綜合考慮這兩個方面。根據(jù)如圖1所示的沉降曲線，平均沉降速度和壓縮區(qū)濃度的公式計算分別見式(1)、式(2)。[8]

(1)

式中：dH為沉降曲線中AB兩點間的澄清層高度；dt為沉降曲線中AB兩點間的沉降時間。

(2)

式中：m干礦為干礦質(zhì)量；m總為總礦漿質(zhì)量；V水為澄清層水的體積。

2試驗結果與討論

2.1自然沉降

礦漿濃度為10%的尾礦的自然沉降曲線如圖2所示，橫坐標為絮凝沉降時間，縱坐標為澄清區(qū)高度。通過自然沉降曲線計算出：自由沉降區(qū)的平均沉降速度為0.28cm/min，壓縮區(qū)濃度為44.45%。這表明，微細粒尾礦的自然沉降效果并不好，沉降速度很慢，需要加入絮凝劑來提高沉降速度。

圖1沉降曲線

圖2自然沉降曲線

2.2絮凝沉降

為了加快尾礦的沉降速度，進行了添加非離子聚丙烯酰胺絮凝劑的絮凝沉降試驗。同時考察非離子絮凝劑分子量和用量對微細粒尾礦的影響。

2.2.1非離子聚丙烯酰胺分子量對微細粒尾礦沉降的影響

非離子型聚丙烯酰胺的分子量對微細粒尾礦絮凝沉降實驗，選用的分子量從低到高的非離子型絮凝劑；經(jīng)過初步實驗后選定實驗的絮凝劑添加量為100g/t，其沉降曲線如圖3所示，根據(jù)沉降曲線計算的沉降速度和壓縮區(qū)濃度見表3。

由圖3和表3可以看出，添加非離子型聚丙烯酰胺后，對微細粒尾礦的沉降都是有利的，加入絮凝劑后絮團的產(chǎn)生，使得微細粒尾礦的沉降速度提高，壓縮區(qū)濃度略有降低。在添加N300絮凝劑時，沉降速度為0.53cm/min，是自然沉降的2倍，對尾礦的沉降有所改善，但是沉降速度依然很慢，同時，其壓縮區(qū)的濃度為42.82%，比自然沉降略有下降。添加N1500絮凝劑后的絮凝沉降速度為2.61cm/min，壓縮區(qū)濃度為40.0%。

圖3添加不同分子量的非離子聚丙烯酰胺的沉降曲線

表3不同分子量聚丙烯酰胺的絮凝沉降

的沉降速度和壓縮區(qū)濃度

絮凝劑名稱沉降速度/(cm/min)壓縮區(qū)濃度/%-0.2844.45N3000.5342.82N5001.0441.67N8001.2741.32N10001.2940.98N12001.5240.82N15002.6140.00

通過比較添加不同分子量的聚丙烯酰胺后尾礦的沉降情況發(fā)現(xiàn)：尾礦的沉降速度隨著分子量的增加而提高。表明分子量對絮凝沉降速度的影響要大于對壓縮區(qū)濃度的影響。這主要是非離子型聚丙烯酰胺分子量的大小與分子鏈的長短有關，分子量越大，其分子鏈越長，其通過“架橋”作用形成的絮團越大，在沉降過程中，沉降速度也就越快，同時絮團間和絮團內(nèi)包裹的水也就越多，因此壓縮區(qū)濃度會降低。在試驗時也可以觀察到，隨著分子量的增加，尾礦所形成的絮團也變大，壓縮區(qū)變的更松散，這些現(xiàn)象也驗證了這一理論依據(jù)。因此，N1500絮凝劑是微細粒尾礦的最佳絮凝劑。

2.2.2非離子聚丙烯酰胺用量對微細粒尾礦沉降的影響

為了考察非離子聚丙烯酰胺的用量對微細粒尾礦的影響，通過初步試驗，選用N1500非離子型聚丙烯酰胺來進行絮凝沉降試驗，添加的絮凝劑用量依次是：50g/t、100g/t、150g/t、200g/t、250g/t、300g/t、350g/t、400g/t、500g/t。其沉降實驗曲線如圖4所示，根據(jù)沉降曲線計算出非離子聚丙烯酰胺不同用量的絮凝沉降速度和壓縮區(qū)濃度見表4。

圖4添加不同用量非離子型聚丙烯酰胺時的沉降曲線

圖5非離子聚丙烯酰胺用量對微細粒
尾礦沉降性能的影響

表4添加不同用量非離子型聚丙烯酰胺的絮凝沉降

的沉降速度和壓縮區(qū)濃度

用量沉降速度/(cm/min)壓縮區(qū)濃度/%0g/t0.2844.4550g/t1.1241.67100g/t2.6140.00150g/t3.0538.91200g/t5.4638.46250g/t10.9737.74300g/t16.9837.17350g/t17.2236.91400g/t17.5036.82500g/t17.8236.74

由圖4、圖5可以看出，隨著絮凝劑添加量的增加，沉降速度呈現(xiàn)先緩慢增長再快速提高、最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。當用量在0～150g/t時，尾礦的沉降速度較小，且增長緩慢，150g/t時平均沉降速度為3.05cm/min，壓縮區(qū)濃度從41.67%逐漸降低到38.91%；當用量為150～300g/t時，沉降速度較快，并且速度增長幅度較大，平均沉降速度從3.05cm/min增長到16.98cm/min，然而壓縮區(qū)濃度逐漸降低至37.17%；當用量超過300g/t時，沉降速度不再無限增長，逐漸穩(wěn)定在17cm/min左右，同時壓縮區(qū)濃度逐漸穩(wěn)定在37%左右。

絮凝劑的絮凝作用實質(zhì)是在溶液中通過分子間的架橋作用，形成顆粒絮團，從而增加絮團自身的重力，增加礦物顆粒的沉降速度。根據(jù)王勇等[3]的研究，絮凝劑添加量可以分為四個區(qū)，分別是低含量階段、合適含量階段、高含量階段和超高含量階段。當非離子型聚丙烯酰胺用量為0～150g/t時，微細粒尾礦絮凝沉降速度變化不大，壓縮區(qū)濃度逐漸降低，主要是因為吸附在礦物顆粒表面的絮凝劑分子較少，相互之間形成的“橋鏈”少，不能形成較大的絮團，絮團內(nèi)和絮團間的水也少，所以尾礦沉降速度較慢，壓縮區(qū)濃度略微降低。通過試驗現(xiàn)象也可以觀察到絮團很小、壓縮區(qū)濃度比較均勻，裂隙也較少，所以這個階段是部分吸附階段。當用量在150～300g/t時，尾礦的沉降速度迅速增加，從3.05cm/min增長到16.98cm/min，這主要是因為絮凝劑含量達到一定量后，絮凝劑分子鏈之間形成橋鏈，進而形成了絮凝分子網(wǎng)，來網(wǎng)捕微細顆粒，使絮團重力增加、體積增加，從而加快了絮團的沉降速度，絮團內(nèi)和絮團間的水分也增加，降低了壓縮區(qū)濃度，此階段是合適用量階段，表現(xiàn)為吸附架橋作用。當用量高于300g/t時，沉降速度并沒有無限增加，而是穩(wěn)定在17cm/min左右，這主要是大量的絮凝劑分子將顆粒表面覆蓋，不能再通過架橋作用而絮凝，形成的絮團不會無限增大，沉降速度也不會無限增加，而是逐漸穩(wěn)定在17cm/min左右，壓縮區(qū)濃度同樣也逐漸穩(wěn)定37%左右，此時絮凝劑起到的是保護作用，所以此階段為過量保護階段。

通過對非離子聚丙烯酰胺用量對微細粒尾礦沉降性能的影響的分析，對圖5中的兩條曲線分別進行擬合，得到微細粒尾礦的沉降速度以及壓縮區(qū)濃度與絮凝劑用量的關系式見式(3)、式(4)。

(3)

C=-6×10-8x3+9×10-5x2-0.0417x+43.469，0≤x≤500

(4)

式中：V為沉降速度，cm/min；C為壓縮區(qū)濃度，%；x為非離子聚丙烯酰胺用量，g/t。

式(3)、式(4)與實際試驗值的相關系數(shù)平方R2均在0.995以上，具有良好的可信度和實用性。當絮凝劑用量在0～500g/t范圍內(nèi)時，可根據(jù)上式計算微細粒尾礦礦漿的理論沉降速度和壓縮區(qū)濃度，可以為更深入的試驗以及工業(yè)生產(chǎn)起到指導作用。

由于工業(yè)條件和要求不同，并不能一味的追求高的沉降速度，還要考慮壓縮區(qū)濃度。因此，綜合考慮沉降速度和壓縮區(qū)濃度的情況下，選出最合適的絮凝劑用量是200g/t。

3結論

1)微細粒尾礦的自然沉降速度在濃度為10%時只有0.28cm/min，壓縮區(qū)濃度為44.45%，沉降速度慢，濃縮效率低，需要加入絮凝劑來提高沉降速度。

2)非離子型聚丙烯酰胺對微細粒尾礦的沉降是有利的，并且隨著絮凝劑分子量的增加，尾礦的沉降速度從0.53cm/min逐漸增加到2.61cm/min，壓縮區(qū)濃度卻有所減小，從42.82%降低至40.00%；非離子絮凝劑的分子量對沉降速度的影響大于對壓縮區(qū)濃度的影響。

3)當用量為0～150g/t時，是部分吸附階段，微細粒尾礦的沉降速度小且增長緩慢，壓縮區(qū)濃度降低；當用量為150～300g/t時，是合適用量階段，非離子型絮凝劑能夠充分發(fā)揮了架橋作用，沉降速度較大且增長快，壓縮區(qū)濃度降低。當用量超過300g/t時，是過量保護階段，沉降速度逐漸穩(wěn)定在17cm/min左右，同時壓縮區(qū)濃度也逐漸穩(wěn)定在37%左右。

4)當絮凝劑用量在0～500g/t范圍內(nèi)時，微細粒尾礦的沉降模型為式(3)和式(4)。

5)綜合考慮沉降速度和壓縮區(qū)濃度的情況下，選出最合適的非離子絮凝劑是用量為200g/t的非離子型聚丙烯酰胺N1500。

參考文獻

[1]徐曉軍.化學絮凝劑作用原理[M].北京:科學出版社，2005:16-18.

[2]王星，瞿圓媛，胡偉偉，等.尾礦漿絮凝沉降影響因素的試驗研究[J].金屬礦山，2008(5):149-151.

[3]王勇，吳愛祥，王洪江，等.絮凝劑用量對尾礦濃密的影響機理[J].北京科技大學學報，2013，35(11):1419-1423.

[4]王勇，王洪江，吳愛祥，等.細粒全尾礦絮凝沉降特性研究[J].黃金，2012，33(1):48-51.

[5]蔡清，程江濤，于沉香.細粒尾礦的定義及分類方法探討[J].土工基礎，2014，28(1):91-93.

[6]《中國有色金屬尾礦庫概論》編輯委員會.中國有色金屬尾礦庫概論[R].中國有色金屬工業(yè)總公司，1992.

[7]中華人民共和國建設部.ZBJ1-90 選礦廠尾礦設施設計規(guī)范[S].北京:煤炭出版社，1990.

[8]謝廣元.選礦學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2010：558-563．

The impact of non-ionic flocculant on the settling performance of micro-fine tailings

HAN Rui1，LV Xian-jun2，LI Lin2，ZHU Cheng-zhi2

(1.Qingdao University of Scence & Technology,Gaomi 261500,China；2.Chemical and Environmental Engineering College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:With the micro-fine tailings in which the particle content of -20μm accounted for 90% as test object，the impact of the molecular weight and dosage of non-ionic flocculant on the settling performance of micro-fine tailings was studied.The results showed that with the increase in molecular of non-ionic flocculant，the settling velocity of tailings increased and the concentration of compression zone decreased.The affect of the flocculant dosage on the settlement of fine tailings is phased：at low dosage，the sedimentation rate is slow and the amplification is little；at moderate dosage，the sedimentation rate is fast and the amplification is large；at higher dosage，the sedimentation rate is basically stable and there is no significant increase；the concentrations of compression zone are decreased at first two stages and finally stable.When flocculant selection to be N1500 and the dose is 200g/t，a better settlement results of 5.46cm/min sedimentation rate and 38.46% compression zone concentration can be obtained.

Key words：non-ionic flocculant；micro-fine tailings；the settling velocity；the concentrations of compression zone

收稿日期：2015-07-15

基金項目：山東科技大學科研創(chuàng)新團隊支持計劃項目資助(編號：2012KYTD102)；國家自然科學基金項目資助(編號：51474140)

作者簡介：韓瑞(1988-)，女，山東菏澤人，碩士，主要研究方向為礦物資源綜合利用。E-mail：hanrui0929@163.com。

中圖分類號：TD926

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0097-05