電石渣硅鐵用作重介質懸浮液加重質的研究

王興文，張子軒，趙云良，溫 通，吳慧娟，宋少先

(武漢理工大學資源與環境工程學院，武漢 430070)

0 引 言

電石渣是以電石為原料生產乙炔氣時產生的工業廢渣，主要是由氫氧化鈣和碳酸鈣等含鈣化合物以及少量硅鐵物質組成[1]。這些硅鐵顆粒是工業上利用高爐氧熱法制備電石的副產物，由于硅鐵顆粒不參與電石遇水生成乙炔氣的反應，它會始終保持其合金物相并進入到電石渣中，因此被稱為電石渣硅鐵[2]。隨著乙炔行業的發展，電石渣產量日益增長，因此這類廢渣的資源化利用已經受到廣泛關注。由于干法電石渣含有豐富鈣質以及富含硅和鐵元素的硅鐵顆粒，目前已在水泥等建筑材料的生產工藝中得到運用。然而，硅鐵顆粒易磨性差會增加研磨設備的磨損[3]，這不僅會對水泥的生產造成不利影響，同時也造成了硅鐵資源浪費。因此電石渣硅鐵的分離及高值化應用是固廢處理領域的一個重要研究方向。

在重介質選礦領域中，常常會使用固體加重質來配制重介質懸浮液，利用礦物與伴生雜質沉降速率的差異實現脈石礦物的剔除以獲得高質量精礦產品[4]。目前已有文獻[5]報道的加重質種類包括石英砂、磁鐵礦、重晶石、鈦鐵礦等。其中磁鐵礦粉在重選工藝中的應用最為廣泛且成熟，因為磁鐵礦具有較大的固體密度(4.2～5.5 g/cm3)以及很強的磁性(比磁化系數大于1.0×10-4m3/kg)，相對于其他加重質來說其固相體積較小且更易于凈化回收[6-7]。然而高密度的磁鐵礦在水中也存在著沉降速度快的現象，在實際運用時通常需要搭配黏土、煤泥等非磁性物來共同配制重介質懸浮液，以維持懸浮液體系的相對穩定[8]。與磁鐵礦類似，硅鐵礦同樣具有密度大、磁性較強的特點[9]，滿足固體加重質的需求，但若將電石尾渣中的硅鐵直接用于重選領域，還需要進一步探究其應用的可行性及分選性能。

為了驗證可行性，本文利用電石渣硅鐵與黏土共同配制了系列重介質懸浮液，并探究了懸浮液密度、黏土含量、硅鐵粒度等因素對其穩定性、粘度及分選性能的影響。本研究有望為電石渣硅鐵應用于重介質懸浮液提供理論依據和指導，從而促進工業電石廢渣資源的二次利用。這不僅有助于節省重選工藝成本，還能在一定程度上減少工業廢渣對環境造成的污染，因此具有實際意義。

1 實 驗

1.1 原材料

電石渣硅鐵來源于新疆亙源環保有限公司化工廠產出的干法電石渣(經風選和磁選兩段選別工藝分離制得)，并采用振動磨樣機分別研磨處理5 min、10 min和15 min，從而得到三種不同粒度的硅鐵粉，然后利用激光粒度儀(Mastersizer 2000)測得各硅鐵樣品的粒度分布(如表1所示)。所用黏土為藥用級蒙脫土(比表面積為20～40 m2/g)，購自阿拉丁試劑有限公司。通過排水法測得硅鐵粉的密度約為6.27 g/cm3，黏土的密度約為2.10 g/cm3。試驗所用煤樣粒度為0.45～1.00 mm，灰分質量分數為7.8%左右。為了調控初始煤樣的灰分，本試驗還采用石英砂(上海國藥)作為煤樣的矸石成分，粒度范圍與煤樣相近(0.35～0.70 mm)。通過調整煤與石英砂的比例來配制不同灰分的試驗用樣品。

表1 各硅鐵樣品的粒度分布情況

1.2 試驗方法

首先對研磨后的電石渣硅鐵原料進行各項表征：利用X射線衍射儀(Empyrean)對電石渣硅鐵原料進行物相分析；利用掃描電子顯微鏡(SEM, Phenom G6)觀察該硅鐵樣品的顆粒形貌；然后利用X射線熒光光譜儀(PANalytical Axios)對硅鐵粉的元素組成進行分析。

然后調整硅鐵粉和黏土的用量或配比，以配制系列不同密度及不同黏土質量占比的懸浮液。本試驗中各重介質懸浮液的具體參數如表2所示，其中懸浮液密度在1.25～1.50 g/cm3選取，黏土的質量占比則在15%～30%。各重介懸浮液配制好后，再分別測其粘度及沉降特性。

表2 配制重介質懸浮液的具體參數

粘度測定方法：利用NDJ-5S粘度計測量各懸浮液的粘度，重復測定三次取平均值作為粘度數據。沉降特性測定方法：將配置好的懸浮液倒入100 mL量筒中，攪拌均勻后開始計時，每隔一段時間測量固液界面到懸浮液上液面的距離，即清水層高度，通過記錄清水層高度隨時間的變化來體現該懸浮液的沉降速度。

本研究通過簡易的浮沉試驗來體現不同密度懸浮液的分選性能，浮沉試驗方法參考GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗方法》。各樣品的灰分測定方法參考GB/T 30732—2014《煤的工業分析方法 儀器法》。

2 結果與討論

2.1 電石渣硅鐵的微觀分析

圖1(a)為電石渣硅鐵樣品的X射線衍射(XRD)譜，可以得出該樣品的主要物相為FeSi和Fe5Si3，這兩種物相均屬于硅鐵合金物質[10]。此外該譜中沒有觀察到其他物相的衍射峰，因此通過XRD結果可表明該硅鐵樣品的主要成分即為硅鐵合金，并有著較高的純度。圖1(b)展示了電石渣硅鐵的SEM照片，從圖中可觀察到該硅鐵顆粒經研磨后呈現出較為不規則的塊狀形貌，且整體粒度較細。利用X射線熒光光譜(XRF)測出的硅鐵粉元素組成如表3所示，從XRF結果可知，該硅鐵樣品所含主要元素即為Fe元素和Si元素，二者質量分數合計達到90%。此外還含有少量Ca、Ti、Al等雜質元素，但其質量分數均小于3%，說明硅鐵樣品的純度較高，且雜質含量少。

圖1 電石渣硅鐵的(a)XRD譜和(b)SEM照片

表3 電石渣硅鐵的元素組成

2.2 重介質懸浮液的粘度分析

固定黏土質量分數均為25%，利用中粒度電石渣硅鐵分別配制不同密度的重介質懸浮液，具體選擇1.25 g/cm3、1.30 g/cm3、1.40 g/cm3和1.50 g/cm3四種懸浮液密度，然后用粘度計分別測定這四種懸浮液的粘度，以探究懸浮液密度對其粘度的影響規律，結果如圖2(a)所示。從圖中可以明顯看出，懸浮液的粘度隨著其密度的增大而上升，依次為7 mPa·s、11 mPa·s、29 mPa·s和84 mPa·s。此外，在提高懸浮液密度時，懸浮液粘度的增長速率(即圖線斜率)同樣會增大，即隨著密度的增加，懸浮液的粘度值呈現類似指數式的上升趨勢。

為了探究黏土含量對懸浮液粘度的影響，固定懸浮液密度為1.4 g/cm3，并配制不同黏土用量的重介質懸浮液，且黏土的質量分數控制在15%～30%，然后分別測定其粘度值。測定結果如圖2(b)所示，四種黏土用量下的懸浮液粘度依次為10 mPa·s、17 mPa·s、29 mPa·s和96 mPa·s，可以得出懸浮液的粘度隨其黏土用量的增大而增加，而且同樣呈近指數式的增長趨勢。

此外，在同等懸浮液密度(1.40 g/cm3)及黏土質量分數(25%)條件下，利用不同粒度的硅鐵粉配制的懸浮液粘度情況見圖2(c)。由粗、中及細粒度硅鐵配制的重介質懸浮液粘度分別為24 mPa·s、29 mPa·s和31 mPa·s。該組結果說明，隨著硅鐵重介質粒度的減小，重介懸浮液的粘度逐漸增大。

圖2 (a)懸浮液密度、(b)黏土含量和(c)硅鐵粒度對懸浮液粘度的影響

由此可知，以電石渣硅鐵作為加重質時，懸浮液密度和黏土含量都會顯著影響其粘度特性，且兩組變化趨勢均為正相關。這是因為懸浮液的粘度與固體相的體積濃度有著較大關系，若加重質的體積濃度越大，則懸浮液粘度就越大[11]。在本研究中，提高懸浮液密度或增大黏土用量比例均可有效提高其固相體積濃度，從而使粘度上升。同時，懸浮液粘度也會受到其內部顆粒粒度的影響，當硅鐵粒徑變小時，其比表面積變大，顆粒間作用力增強導致粘度上升[12]。另外由于黏土在水中具有良好的分散性且易發生剝離，其在懸浮液中的粒徑會比硅鐵顆粒小很多[13]，因此這也可以證明增大黏土質量占比會顯著提高懸浮液的粘度值。

2.3 重介質懸浮液的沉降特性

懸浮液的沉降穩定性代表其維持各質點密度恒定的能力，是重介質選礦工藝中需要探究的重要因素。由于重介質懸浮液是一種不穩定的體系，固體顆粒會在重力作用下發生沉降，且其沉降速度會受到很多因素的影響，如加重質的粒度及密度、懸浮液密度和非磁性物含量等[14]。本試驗配制了系列不同密度、不同黏土用量及不同加重質粒度的懸浮液，并分別測定各懸浮液的清水層高度隨沉降時間的變化，以探究三種因素對其沉降穩定性的影響。

圖3為不同懸浮液密度下的沉降曲線，可以明顯看出懸浮液密度越大，其清水層高度就增長得越慢。這表明增大重介質懸浮液的密度會使其沉降速度減緩。在靜置1 h后，界面的沉降距離隨著懸浮液密度的增大而減小。這就說明提高懸浮液密度可以顯著增強其沉降穩定性，即能夠在更長時間內維持密度的相對穩定。圖4為黏土含量對懸浮液沉降性能的影響，在懸浮液密度相同的情況下，黏土質量占比越高，固體顆粒的沉降速度就越慢，最終界面的沉降距離也就越小，這表明黏土的加入同樣可以改善懸浮液的穩定性。圖5展示了不同硅鐵粒度下各懸浮液的沉降情況，可以看出固液界面的沉降速度與硅鐵粉的粒徑基本呈正相關趨勢，即硅鐵顆粒越粗，懸浮液固相的沉降速度就越快，穩定性則越差。

圖3 不同懸浮液密度下的沉降曲線

圖4 不同黏土含量下的沉降曲線

圖5 不同硅鐵粒度下的沉降曲線

通常來說，懸浮液的沉降特性與其粘度有著很大的關系。當懸浮液的粘度越大，加重質顆粒沉降時產生的摩擦阻力就越大，因此顆粒的沉降速度就越慢，懸浮液的穩定性得到提升[11]。由于本懸浮液體系使用的電石渣硅鐵密度略大于磁鐵礦粉等常用加重質，因此該加重質顆粒自身的體積濃度較小且在水中有著更大的沉降速度，而通過添加黏土或減小硅鐵粒度等途徑可以增加懸浮液粘度進而增強其沉降穩定性[15]。對于重介質選礦而言，適當提高粘度確實可以改善懸浮液的穩定性，避免懸浮液過快地出現分層。然而當懸浮液粘度過大時，由于固體顆粒受到的粘滯阻力變大，礦石顆粒的沉降速度會隨之下降，最終會影響到礦物的分選效率及效果。另外，加重質粒度過細也容易造成介質分離回收困難問題[12]。

因此基于上述的粘度及沉降特性研究結果，本懸浮液體系的密度不宜超過1.40 g/cm3且黏土質量占比不宜大于25%，以實現低粘度下較好的沉降穩定性。此外對于中粒度及細粒度的硅鐵加重質而言，由于二者配制的懸浮液粘度及沉降情況差異較小，從研磨設備運行成本及能耗角度考慮選擇中粒度硅鐵用于后續分選試驗。

2.4 重介質懸浮液的分選性能

以煤和石英砂配制的混合煤樣作為分選對象，利用浮沉試驗來測試重介質懸浮液的分選性能。本試驗通過調整石英砂在煤樣中的用量比例，以改變待分選煤樣的灰分含量。具體地，煤樣的灰分質量分數取15%和20%兩種，固定黏土質量分數為25%，并采用1.25 g/cm3、1.30 g/cm3和1.40 g/cm3三種密度的懸浮液分別用于分選各混合煤樣，通過測定每組樣品的浮物產率及灰分、沉物產率及灰分等指標，來體現其分選效果。該部分主要目的是驗證以電石渣硅鐵為加重質的懸浮液用于實際分選的可行性，同時探究懸浮液密度對于煤樣分選效果的影響。

兩種初始煤樣在各懸浮液密度下的分選效果分別如圖6和圖7所示。對于灰分質量分數為15%的煤樣，其在三種懸浮液密度下的浮物產率依次為59.2%、74.9%和86.0%，浮物灰分質量分數依次為3.7%、4.9%和6.3%。而對于灰分質量分數為20%的煤樣，其在三種懸浮液密度下的浮物產率依次為49.8%、69.4%和78.8%，浮物灰分質量分數依次為3.7%、5.1%和9.2%。結合這幾組數據可以說明，電石渣硅鐵確實具有作為懸浮液加重質的可行性。當用于分選煤和石英時，利用該硅鐵粉配制的重介質懸浮液能夠起到分離作用，且能在保證產率的情況下有效降低煤樣的灰分含量，分選性能良好。

圖6 灰分質量分數為15%的煤樣在不同懸浮液密度下的分選結果

圖7 灰分質量分數為20%的煤樣在不同懸浮液密度下的分選結果

從上述數據可以得出，浮物產率隨著懸浮液密度的增加而增大，沉物產率則呈現相反的趨勢。這是因為較大密度的懸浮液具有更高的粘度和更好的沉降穩定性，使得顆粒受到更強的粘滯阻力而不易下沉[16]，因此密度越大的懸浮液用于分選時上浮的固體量越多，下沉的顆粒越少。此外從灰分數據可以看出，浮物的灰分含量隨著懸浮液密度的增大而逐漸上升。這是因為懸浮液的密度越大，其結構化現象就越明顯，此時的粘度和介質阻力升高從而導致部分脈石顆粒難以沉降，最終影響了浮煤的灰分指標[17]。因此用于分選煤的重介質懸浮液需要處在合適的密度范圍。綜合上述試驗結果得出，本研究的重介質懸浮液密度宜控制在1.30～1.40 g/cm3，而黏土的質量分數宜控制在25%以內，以實現較好的分選效果。

3 結 論

(1)對于電石渣硅鐵和黏土共同配制的懸浮液，增大懸浮液密度、提高黏土用量以及減小加重質粒度均會使懸浮液粘度上升。懸浮液固相的沉降速度也會受到懸浮液密度、黏土含量和硅鐵粒度等因素的影響，當懸浮液密度越大、黏土質量占比越高或者硅鐵粒徑越小時，其沉降穩定性越好。因此可表明粘度是懸浮液沉降特性的主要影響因素，通過增大粘度可以有效提升懸浮液的穩定性。

(2)利用電石渣硅鐵和黏土配制的重介質懸浮液可以用于重選選煤，且浮煤的灰分含量較初始煤樣大幅降低，具有良好的分選性能。精礦的產率及灰分含量會受懸浮液本身性質的影響，因此懸浮液密度及黏土用量需要控制在適宜范圍。在本研究中，懸浮液密度宜處于1.30～1.40 g/cm3，黏土質量分數不宜超過25%。