十六烷基三甲基溴化銨對磷尾礦基充填材料輸送特性的影響研究①

陳九艷，張 覃，程 偉，3，4

（1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州科學院，貴州 貴陽 550001；3.喀斯特地區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，貴州 貴陽 550025；4.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

磷尾礦是磷礦選礦作業中的固體廢棄物，我國每 年產出磷尾礦約700萬噸［1］。目前磷尾礦利用率僅5%，其余大量堆存，不利于環境友好［2］，磷尾礦綜合利用迫在眉睫。

以固體廢棄物為集料，輔以膠凝材料制備高濃度料漿充填采空區能有效解決尾礦堆存和采空區塌陷問題［3－4］。料漿高濃度管道輸送直接關系到充填系統能否正常運行［5］，為防止管道堵塞，料漿應具有一定的流動性［6］，研究充填料漿的流變特性對于管道輸送設計尤為重要［7］。料漿中細顆粒物質的性質是影響料漿流變行為的主要因素［8］；控制顆粒的表面化學性能可以改變流體的流變性能，這可通過使用低分子量帶電聚合物改變它們所吸附的礦物表面性質來實現［9］。

十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）是一種常用的陽離子表面活性劑，可用于改變材料的表面性能［10］。本文以貴州某磷尾礦為主要集料，通過添加粉煤灰和水泥配制成充填料漿，向其中添加一定量的CTAB，研究料漿在管道內的輸送效果及影響機理，對降低高濃度料漿管道輸送過程中的流動阻力、管道磨損、輸送能耗具有重要意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料和藥劑

試驗所用磷尾礦取自貴州某磷礦經浮選后的尾礦，用其作為膠結充填的骨料，與水泥、粉煤灰按一定比例配制成充填料漿。粉煤灰取自貴州某電廠。水泥為貴州麟山水泥公司新型干法生產的袋裝復合硅酸鹽水泥P·C32.5R。減阻劑為十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）。試驗用水為自制去離子水。

采用激光粒度儀對粉煤灰和磷尾礦進行了粒度分析，結果見圖1。由圖1可見，粉煤灰和磷尾礦整體粒度較細，其中磷尾礦－52.62μm粒級占比64.75%、－150μm粒級占比接近100%，粉煤灰－52.62μm粒級占比78.03%、－150μm粒級占比接近100%。

圖1 粉煤灰和磷尾礦粒度分析結果

采用X射線衍射儀對粉煤灰和磷尾礦進行了礦物組成分析，結果見圖2。可見磷尾礦主要含白云石、氟磷灰石、方解石、石英等成分，粉煤灰主要含石英、莫來石、赤鐵礦等成分。

圖2 磷尾礦和粉煤灰X射線衍射圖譜

1.2 試驗方法

使用實驗室自制輸送裝置（見圖3）進行輸送量的測定。

圖3 輸送裝置示意圖

磷尾礦基充填材料（PTFM）的制備：按質量比6∶2∶1稱取磷尾礦、粉煤灰和水泥，量取去離子水，將已稱好的磷尾礦、粉煤灰和水泥添加至攪拌機內干式攪拌2 min，將減阻劑添加至去離子水中溶解，隨后將減阻劑溶液添加至混凝土攪拌機再次攪拌5 min。磷尾礦料漿指單一添加磷尾礦的料漿。分別將以上2種料漿添加至給料桶，啟動灌漿機，管道內料漿流動基本均勻，記下料漿流出一定體積所需要的時間，再計算相應的輸送量。

使用輸送量測定中的料漿配制方法配制備用料漿，在20℃的室溫條件下，采用數字黏度儀測量各因素下料漿的動力黏度。

沉降試驗在500 mL沉降量筒中進行，5 g礦物和500 mL去離子水在一個帶有擋板的攪拌槽中混合，添加一定量減阻劑，在1 992 r／min下強烈攪拌10 min使其充分分散，全部轉移到500 mL的玻璃沉降量筒里，用攪拌棒上下攪動10次后，立即放置在沉降顆粒分析儀上測定沉降質量隨時間的變化，沉降高度21 cm。在攪拌機中調漿后轉移至沉降量筒中，沉淀一定時間，抽取上部20 mL懸浮液，在哈希2100Q濁度儀中測量濁度。每組試驗測量3次濁度，取平均值。

用沉降試驗中的料漿配制方法配制備用料漿，攪拌完成后，靜置10 min，隨后用針管吸取3 mL左右懸浮液測定其Zeta電位值。參考混凝土試模標準JG 237—2008制備充填體試樣，分別測定試樣7 d、14 d和28 d的抗壓強度。

2 試驗結果與討論

2.1 CTAB添加量對料漿輸送量和黏度的影響

輸送設備的輸送量是衡量輸送效率的重要參數，輸送量越大，輸送設備的輸送效果越好。CTAB添加量對PTFM（74%）和磷尾礦（80%）輸送量的影響見圖4。由圖4可見，隨著CTAB添加量增加，PTFM輸送量先迅速增加而后緩慢增加。CTAB的加入可有效提高PTFM料漿流動性，提高輸送效率。試驗過程中發現，未添加CTAB時，磷尾礦料漿加入輸送裝置后，管道堵塞；加入CTAB后，磷尾礦可以輸送，輸送量隨著CTAB添加量增加而增大。從輸送量的增加速率和經濟成本考慮，CTAB的合適添加量為600 g／t。

圖4 CTAB添加量對PTFM和磷尾礦料漿輸送量的影響

CTAB添加量對PTFM和磷尾礦料漿黏度的影響見圖5。無論低濃度還是高濃度，CTAB的添加都對PTFM充填材料的流變性產生影響，隨著CTAB添加量增加，PTFM黏度整體呈減小趨勢。在試驗中觀察到，未加CTAB時，輸送濃度太高會影響黏度計的測量結果，所以選擇接近輸送的濃度。當輸送濃度為72%時，隨著CTAB添加量增加，PTFM料漿黏度先迅速減小，而后緩慢減小。隨著CTAB添加量增加，磷尾礦料漿黏度表現出與PTFM相同的變化規律。在料漿輸送過程中，料漿的運動受顆粒間阻力的影響，黏度減小，說明料漿運動時所受阻力減小，會進一步提高料漿輸送效率。

圖5 CTAB添加量對PTFM和磷尾礦料漿黏度的影響

2.2 CTAB添加量對料漿Zeta電位的影響

料漿的流變性不僅受固體含量的控制，還受顆粒和溶液性質的控制，流變性能的改變可能與減阻劑對漿體表面性質的影響有關［4］。為了進一步研究CTAB對料漿流變性影響機理，測定料漿懸浮液的Zeta電位與CTAB添加量的關系如圖6所示。由圖6可見，隨著CTAB添加量增加，PTFM和磷尾礦料漿懸浮液Zeta電位逐漸增加，說明添加CTAB使得料漿顆粒之間的靜電斥力增大，料漿分散性增強。

圖6 CTAB添加量對PTFM和磷尾礦懸浮液Zeta電位的影響

PTFM含有硅酸鹽和鋁酸鹽，表面有SiO32－和AlO32－，水中帶有正電離子H＋，料漿吸附水中的H＋，使得水分子發生極化，從而使料漿與水產生電勢差，所以料漿懸浮液中存在Zeta電位。CTAB為陽離子型活性劑，溶于水中呈正電性，將CTAB添加至PTFM中可能產生靜電引力使CTAB吸附在PTFM上。相同的帶電基面和邊緣可能通過粒子間靜電相互作用而發生分散，PTFM料漿黏度減小。這與文獻［11］研究充填材料流變性改變機理時得出的分子間靜電斥力和空間力改變可以導致粒子分散的結論一致。

2.3 CTAB添加量對沉降質量的影響

濁度和沉降質量可以表征顆粒在料漿中的分散行為，濁度越大且沉降質量越小，顆粒越容易在料漿中分散形成穩定的懸浮液，礦物顆粒之間的分散效果越好。圖7為不同沉降時間下，料漿上清液的濁度與CTAB添加量的關系。由圖7可見，在PTFM和磷尾礦中添加CTAB后，隨著CTAB添加量增加，上清液濁度逐漸增大，說明CTAB的添加能增強固體顆粒之間的分散作用。

圖7 CTAB添加量對PTFM和磷尾礦料漿濁度的影響

圖8為CTAB添加量對PTFM、磷尾礦、粉煤灰和水泥沉降質量的影響。由圖8可見，隨著CTAB添加量增加，PTFM沉降質量逐漸增大；CTAB添加量從0 g／t增至400 g／t時，磷尾礦沉降質量變化趨勢不明顯，CTAB添加量從400 g／t增至600 g／t時，磷尾礦沉降質量增大趨勢較為顯著，再繼續增加CTAB添加量，磷尾礦沉降質量增加幅度變小。CTAB添加量的變化對粉煤灰沉降質量的影響沒有對其他組分的影響明顯。隨著CTAB添加量增加，水泥沉降質量逐漸增大。綜上可知，添加CTAB導致顆粒的分散效果增大，這種分散效果在磷尾礦中較為明顯，粉煤灰次之，而在水泥中表現為抑制顆粒分散。

圖8 CTAB添加量對PTFM及各主要成分沉降質量的影響

2.4 CTAB添加量對PTFM抗壓強度的影響

磷尾礦、粉煤灰、水泥質量比6∶2∶1，PTFM料漿濃度74%，不同養護時間下CTAB添加量對PTFM抗壓強度的影響見圖9。由圖9可見，隨著CTAB添加量增加，PTFM養護后的抗壓強度先減小后增大，合理控制CTAB添加量，對PTFM抗壓強度有改善效果，養護28 d后PTFM最大抗壓強度為2.66 MPa。

圖9 CTAB添加量對PTFM抗壓強度的影響

3 結 論

以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為減阻劑，研究了磷尾礦基充填材料PTFM的輸送特性。輸送試驗結果表明，添加減阻劑CTAB可使PTFM輸送量逐漸增大。Zeta電位測定結果表明，隨著CTAB添加量增加，PTFM料漿懸浮液動電位逐漸增大。添加CTAB后，相同的帶電基面和邊緣通過粒子間靜電相互作用而發生分散，PTFM黏度減小。抗壓強度測量結果表明，當磷尾礦、粉煤灰、水泥質量比6∶2∶1、PTFM濃度74%時，CTAB的添加對PTFM養護后的抗壓強度有改善效果，養護28 d后PTFM最大抗壓強度為2.66 MPa。綜合考慮PTFM料漿的輸送量和養護后的抗壓強度，CTAB的合適添加量為600 g／t。