高水玻璃含量全尾砂絮凝沉降試驗研究

葉燕斌

(古田縣自然資源局， 福建 寧德市 352200)

0 引言

尾砂是各類礦石經破碎、磨礦、分選后產生的一種細粒固體廢棄物，目前主要堆放在地表的尾礦庫。隨著國家出臺一系列的環保政策，采取尾砂為主原料進行空區充填的膠結充填采礦法成為尾砂大宗利用的有效手段，在提高礦石資源回收率的同時還具有“一廢（尾砂）治兩害（尾礦庫、采空區）”的獨特優勢[1]。其中膏體充填技術因具有管道輸送不離析、采場內不脫水、料漿硬化后接頂率高的優點而受到國內外礦山的青睞[2-3]，膏體充填工藝主要包括尾砂濃密脫水，膠凝材料倉儲、計量，以及充填料漿制備及輸送3個模塊，其中尾砂濃密脫水環節是實現充填站穩定高效運行的前提條件。國內外研究者以絮凝沉降理論為基礎，通過向尾砂漿體中添加高分子絮凝劑來提升濃縮效率[4]，對尾砂濃密脫水性能的影響因素除了尾砂自身粒度分布、選廠排尾濃度有關外，還與絮凝劑單耗、絮凝劑種類和選廠藥劑使用情況等有關[5-6]。因此項目前期必須通過室內試驗來確定最優沉降參數，為濃密設備選型和充填運營成本提供技術指導。

近年來，國內外大量的充填工作者針對尾砂的絮凝沉降展開了廣泛研究。王新民等[6]利用BP神經網絡對絮凝沉降參數進行優化選擇，并成功運用到礦山實際生產中，降低了生產成本；郭佳賓等通過室內靜態沉降試驗研究了不同絮凝劑種類對超細鉛鋅尾砂沉降特性的影響，認為尾砂的沉降速度與絮凝劑的分子量呈先增加后降低的特性；華娟 娟[8]從黏度出發分析了絮凝劑溶液配制濃度對尾砂絮凝沉降特性的影響；諸利一等[9-10]通過方差分析得出影響尾砂沉降速率的顯著性順序依次為入料濃度、絮凝劑分子量和絮凝劑單耗；史采星等[11-12]研究認為，相較于靜態絮凝沉降試驗，動態絮凝沉降可大幅提高底流質量分數；高軒等[13]以礦漿質量分數和礦漿溫度為研究對象，通過正交試驗和耦合試驗分析了絮凝劑種類、礦漿pH值和絮凝劑用量對礦漿絮凝沉降速度和溢流水濁度影響的主次順序；Dwari等[14]研究發現絮凝劑的離子度和分子量對尾礦的沉降速率有顯著影響，表明離子強度和分子量低的陰離子絮凝劑表現出較高的沉降效率，而離子強度和分子量高的陽離子絮凝劑也表現出較高的沉降效率。

以上研究成果大多針對有機絮凝劑進行沉降試驗，而大多礦山浮選為了得到較高的精礦回收率，往往會使用大量的分散劑，例如選礦廠廣泛應用的水玻璃，其帶負電的硅酸膠粒能夠吸附在細礦泥表面而使礦泥處于穩定分散狀態[15]，特別是對 于-5 μm以下的尾砂顆粒，由于其具有良好的分散性[16]，在水玻璃的幫助下，如果只是單獨采用有機絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）很難沉積下來，這勢必[7]會影響尾砂的濃縮沉降效率和造成溢流水含固量高而影響選廠回用。本文基于無機絮凝劑的壓縮雙電層作用和有機絮凝劑吸附架橋作用，以某螢石礦山高水玻璃含量的尾砂漿為研究對象，通過尾礦靜態絮凝沉降試驗探索無機絮凝劑和有機絮凝劑最優搭配使用比例，為下一步礦山充填站的建設提供一定技術指導。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 尾砂

試驗用尾砂取自江西某螢石礦選礦廠，靜置沉淀后將上部清液留取待用，并測定pH值為10.5；然后將尾砂漿烘干至恒重，將結塊的尾砂壓碎，混合均勻。用Master3000激光粒度儀對尾砂粒徑分布進行分析，結果如圖1所示。從圖1中可以發現，全尾砂中值粒徑d50為44.95 μm，-20 μm含量達到30%，-74 μm約68%，屬于中細尾砂。不均勻系數和曲率系數分別為13.92，1.80，屬于級配較均勻，連續性好的尾砂。

圖1 尾砂粒徑分布

1.1.2 絮凝劑

試驗中用到的絮凝劑為礦山領域應用較為廣泛的陰離子絮凝劑和非離子絮凝劑，均為聚丙烯酰胺，各絮凝劑種類及分子量見表1。

表1 絮凝劑種類及分子量

1.1.3 聚合氯化鋁（PAC）

試驗中使用的聚合氯化鋁外觀為棕褐色顆粒，有效含量為26%。

1.2 試驗儀器

試驗過程中所需的設備和儀器主要有電動攪拌器、1000 mL玻璃量筒、精度0.01 g的電子秤、秒表、移液管等。

1.3 試驗方法

為了比較絮凝劑種類、絮凝劑摻量、聚合氯化鋁摻量及給料質量濃度對絮凝沉降效果的影響，采用單因素變量法進行試驗。陰離子絮凝劑配置溶液質量濃度為0.05%，非離子絮凝劑配置溶液質量濃度為0.1%，PAC溶液配置質量濃度為5%。

根據試驗方案，稱取烘干后的尾砂置于1000 mL量筒中，在稱取相應的尾砂漿上清液置于量筒中，在量筒頂端覆蓋塑料薄膜，反復倒置量筒10次，使尾砂與水充分混合，靜置侵泡1 h；在將配制好的絮凝劑溶液加入量筒前，同樣反復倒置量筒，加入后，再反復倒置量筒5次，然后用秒表計時，并記錄10 min內固液分界面高度。將配制好的PAC溶液加入量筒后，反復倒置量筒5次，并等其反應3 min后再加入絮凝劑。以一定時間內的沉降速率和固體通量為評價指標。

根據沉降曲線計算尾砂沉降速率的方法如圖2所示，則不同條件下尾砂的沉降速率為[3,17]：

圖2 絮凝沉降曲線

式中，Hp為澄清層高度，mm；Tp為沉降時間，min；vp為沉降速度，mm/min。

固體通量是指單位時間內垂直通過單位面積所傳遞的某種固體物理量，可采用下式進行計算[3]：

式中，Q為固體通量，t/(h·m2)；ρs為全尾砂漿密度，t/m3；φv為全尾砂漿體積分數，%；v為沉降速度，cm/min。

2 試驗結果與討論

2.1 絮凝劑種類對尾砂沉降性能的影響

作為尾砂高效濃縮試驗的一部分，絮凝劑篩選是首要工作。因此，選擇不同型號絮凝劑開展靜態絮凝沉降試驗，篩選與該螢石礦全尾砂匹配性最優的絮凝劑。試驗參數見表2。

表2 絮凝劑優選試驗參數

試驗結果如圖3所示，從圖3中可以發現，尾砂在絮凝劑作用下快速沉降，在2 min內基本完成沉降，這主要是因為陰離子絮凝劑水解反應產生帶負電荷的離子基 COO-，依靠陰離子基團間的靜電排斥作用使分子鏈伸展，實現架橋絮凝，而非離子型絮凝劑分子鏈上的—CONH2基彼此間靠氫鍵與帶負電荷的尾砂顆粒相吸引，與顆粒間呈環狀吸附而形成絮團[1,3]，在內聚力和絮凝劑共同作用下，尾砂顆粒聚集形成較大絮凝團，重力增大，從而使得尾砂顆粒沉降速度迅速加快。從表3計算結果可以發現，添加2#非離子絮凝劑和4#陰離子絮凝劑的尾砂沉降速度更快，分別達到了356.92 mm/min和393.93 mm/min，對應的固體通量也達到了最大值，但4#陰離子絮凝劑的底流質量濃度僅為48.78%，比2#非離子絮凝劑低了10.39個百分點，這可能是因為陰離子形成的絮團比非離子更大（試驗過程中觀察發現），絮團之間包裹著大量水分子原因造成的，同時量筒中沉積層薄，無明顯的擠壓力，形成的絮凝物呈疏松狀態，實際生產過程中，濃密機內需要更高的泥層才能提高底流質量濃度。因此，綜合試 驗結果，選用2#非離子絮凝劑作為本文后續試驗所用絮凝劑。

圖3 不同絮凝劑類型隨時間沉降結果

表3 不同類型絮凝劑評價指標計算結果

2.2 PAC摻量對尾砂沉降性能的影響

在尾砂沉降試驗中，尾砂顆粒在絮凝劑的作用下雖然能夠快速沉降，但受選礦藥劑水玻璃分散作用的影響，極細尾砂顆粒懸浮在水中，導致選廠水循環利用困難，選礦成本增加。聚合氯化鋁（PAC）的水解產物可以消除這部分細顆粒間的排斥力，而后通過羥橋和氧橋聯接產生架橋和卷掃沉淀作用，起到優異的混凝效果。2#絮凝劑摻量為30 g/t，尾砂質量漿濃度為10%，根據工程經驗，PAC摻量分別設定為2，4，6，8，10 kg/t，試驗結果如圖4所示。從圖4中可以發現，隨著PAC摻量的增加，上清液澄清度也逐漸增加，但尾砂的沉降速度和固體通量也隨之降低，這可能是已被中和的帶負電的膠體粒子因吸附作用而重新帶正電，促使顆粒間排斥力變大，吸附架橋作用降低導致系統重新獲得穩定性，當PAC摻量持續增大到一定情況，甚至會出現返混現象[18]。根據試驗結果，推薦PAC摻量為6 kg/t。

圖4 不同PAC摻量下絮凝沉降試驗結果

2.3 絮凝劑摻量和給料質量濃度對尾砂沉降性能的影響

保持PAC摻量為6 kg/t、尾砂漿質量濃度為10%，得到絮凝劑摻量30 g/t、50 g/t和70 g/t情況下尾砂隨時間變化的沉降曲線，如圖5所示。從圖5中可以看出，尾砂沉降速度隨絮凝劑摻量增加而增大，30～70 g/t的沉降速度增長了33.02%，但50～70 g/t沉降速度只增長了3.7%，這是因為添加的絮凝劑單耗較高時，尾砂顆粒表面吸附著過量的高分子絮凝劑分子，在兩者之間會產生更多的絮團水，絮凝體密度更接近水而導致沉降速度降低[19]，因此從經濟角度出發，2#絮凝劑的適宜摻量為50 g/t。

圖5 絮凝劑摻量對尾砂沉降性能的影響

選廠排出的尾礦漿質量濃度為15%～20%，由 于尾砂漿給料質量濃度對絮凝沉降效果有顯著影響[5-7]，尾砂給料質量濃度過高，會導致尾砂顆粒難以快速與絮凝劑溶液充分混合，不易達到良好的絮凝效果，反之過低，顆粒之間則難以形成結構密實的絮團[13]，對后續要求的高濃度充填不利，因此在實際生產過程中，尾砂漿進入濃密機前需要強制稀釋成最佳濃度。

表4 不同PAC摻量評價指標計算結果

保持PAC摻量為6 kg/t、2#絮凝劑摻量為50 g/t，以不同尾砂給料質量濃度為變量，得到試驗結果如圖6所示。從圖6中可以發現，尾砂絮團的沉降速度和固體通量均隨給料質量濃度的增加表現出先增加后減小的趨勢，本文試驗所用的尾砂最佳給料質量濃度為15%～17.5%，對應的固體通量在1.77～2.24 t/(m2·h)之間。

圖6 尾砂給料質量濃度對尾砂沉降性能的影響

3 結論

（1）高分子量的陰離子絮凝劑和非離子絮凝劑相較于低分子量絮凝劑均表現出更優的沉降性能， 4#陰離子絮凝劑形成的絮團比2#非離子絮凝劑更大，絮團內部包裹著大量水，同時量筒中沉積層薄，無明顯的擠壓力，形成的絮凝物呈疏松狀態，底流濃度僅為48.78%，比2#非離子絮凝劑低了10.39個百分點；

（2）PAC的水解產物可以消除極細尾砂顆粒間的排斥力，而后通過羥橋和氧橋聯接產生架橋和卷掃沉淀作用，溢流水的澄清度隨PAC的用量增加而增加，但尾砂絮團的沉降速度隨之降低，可能是已被中和的帶負電的膠體粒子因吸附作用而重新帶正電，促使顆粒間排斥力變大；

（3）本試驗中全尾砂最佳絮凝沉降條件為：尾砂給料質量濃度15%～17.5%，2#非離子絮凝劑摻量50 g/t，PAC摻量6 kg/t，此時對應固體通量為1.77～2.24 t/(m2·h)。