某鐵礦尾礦漿絮凝沉降實(shí)驗(yàn)研究

徐玉萍，王 欣，邱 嬋，文 可，王星月，王春柳

(1.武漢工商學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院，湖北 武漢 430065 ；2.武漢華正檢測(cè)有限公司，湖北 武漢 430200)

1 引言

隨著選礦工藝和技術(shù)的發(fā)展，目前精礦、尾礦顆粒越來越細(xì)，在提高選礦回收率的同時(shí)，也對(duì)尾礦漿的處理方式及水、渣的處置提出了新的要求，處理不當(dāng)時(shí)將影響到選礦廠的安全環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。尾礦漿處理首要環(huán)節(jié)是進(jìn)行濃縮，澄清液可回流至選礦流程循環(huán)使用，達(dá)到以充分利用水資源、節(jié)約新水用量和減少排放；此外，經(jīng)過濃縮沉降后高濃度尾礦更便于集中堆存或綜合開發(fā)利用，更有利于資源回收和環(huán)境保護(hù)。固液分離技術(shù)中的絮凝劑是一種高效分離添加劑，目前已廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、選礦等工業(yè)生產(chǎn)過程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)不同行業(yè)的選礦浸出礦漿進(jìn)行絮凝沉降研究，如吳愛祥課題組對(duì)凝劑用量對(duì)尾砂絮凝沉降的機(jī)理、沉降效果及工程應(yīng)用做了全面系統(tǒng)的研究[1～8]。隋璨[9]、郭佳賓[10]等在尾礦砂絮凝沉降機(jī)理方向進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；王海軍[11]對(duì)全國(guó)礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用情況進(jìn)行了全面研究。焦華喆[12]、張欽禮[13]、韓亮[14]、董培鑫[15]等對(duì)全尾砂絮凝沉降規(guī)律和效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究。另外許多學(xué)者對(duì)超細(xì)尾砂絮凝沉降規(guī)律開展了相關(guān)的研究[16，17]。孫浩，李茂林等采用無機(jī)有機(jī)復(fù)合絮凝劑對(duì)鉛鋅尾礦絮凝沉降[18]；梁效、王勇海等在無機(jī)和有機(jī)絮凝劑復(fù)配沉降鐵尾礦開展了實(shí)驗(yàn)研究[19]。

選取某鐵礦尾礦漿為研究對(duì)象，通過尾礦漿絮凝沉降實(shí)驗(yàn)研究無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑及二者復(fù)配對(duì)鐵礦尾礦漿沉降速率及澄清液濁度的影響，篩選絮凝劑并優(yōu)選出最佳投配方案，旨在為鐵尾礦漿提供一種加快尾礦沉降、濃縮，提高尾礦漿固液分離效率的方法。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)尾礦為某鐵礦細(xì)粒尾礦和粗粒尾礦混合礦漿，其中粗粒尾礦量655 t/d，濃度11.52%，粒度0～0.5 mm；細(xì)粒尾礦量2695.98 t/d，濃度為27.69%，粒度-0.074 mm占60%；混合后礦漿濃度為21.73%，尾礦比重2.65 t/m3，粒度組成見表1。尾礦成分以SiO2、CaO、MgO、Al2O3及赤褐鐵為主，同時(shí)還含有鈉、鉀、硫等元素，鐵尾砂物相組成見表2。

表1 尾礦粒度分析結(jié)果

表2 尾礦物相組成

2.2 實(shí)驗(yàn)藥劑

實(shí)驗(yàn)選用5種常規(guī)絮凝劑：聚丙烯酰胺(APAM-800)、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)、聚磷硫酸鐵(PPFS)、聚硅酸鋅(PZSi)。PPFS和PZSi為自制絮凝劑，其它為分析純，實(shí)驗(yàn)中將絮凝劑配成一定濃度溶液使用，實(shí)驗(yàn)用藥劑見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)藥劑

2.3 實(shí)驗(yàn)原理及方法

2.3.1 尾礦漿礦漿絮凝沉淀原理及方法

尾礦漿礦漿絮凝沉降符合“間歇沉降”規(guī)律：混合均勻的礦漿幾秒后出現(xiàn)澄清層，一段時(shí)間內(nèi)界面等速向下移動(dòng)，即勻降段，沉降高度與時(shí)間曲線近似直線，其斜率即“表觀沉降速度”，該過程未添加絮凝劑的礦漿需要持續(xù)15 min左右，添加絮凝劑的礦漿僅需2～3 min；隨著絮團(tuán)不斷增大，進(jìn)入減速沉降段，絮體之間產(chǎn)生干擾，達(dá)到臨界點(diǎn)，隨后進(jìn)入壓縮沉降段，使礦漿濃度上升。

采用六聯(lián)攪拌機(jī)(上海島津公司ZR 4-6)進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，6個(gè)燒杯中取等量的尾礦漿礦漿礦漿，將絮凝劑配制成一定濃度的溶液，加入一定量的絮凝劑后先快速攪拌然后慢速攪拌，攪拌結(jié)束后，立即將燒杯里的尾礦漿倒入量筒內(nèi)，開始靜置并計(jì)時(shí)，記錄固液分離界面高度，并繪制沉降曲線，計(jì)算表觀沉降速度，沉降結(jié)束后取上清液測(cè)定濁度(北京九州晟欣科技便攜式濁度儀WZB-175)，表觀沉降速度計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：v為表觀沉降速度，mm/min；H為澄清層高度，mm；t為沉降時(shí)間，min。

2.3.2 絮凝劑復(fù)配原理及方法

絮凝劑“復(fù)配”即兩種或兩種以上絮凝劑復(fù)合使用，在實(shí)際使用過程中，按照一定的投加順序和方法混合使用[20,21]。因不同絮凝劑有不同的應(yīng)用對(duì)象和最適工況，單一品種絮凝劑的使用往往存在效果不理想，用量大，成本高，或是操作條件受限等問題。因而采用兩種或兩種以上絮凝劑搭配使用，利用其協(xié)同作用取得增效效應(yīng)，可以降低投藥量，增強(qiáng)抗沖擊負(fù)荷能力，提高絮凝沉降效果。實(shí)驗(yàn)采用幾種常用絮凝劑，先通過投加單一絮凝劑對(duì)尾礦漿進(jìn)行絮凝沉淀，篩選出沉降速率快、澄清液濁度低、效果最好的兩種絮凝劑。然后通過實(shí)驗(yàn)確定兩種絮凝劑最佳復(fù)配方案，確定絮凝劑復(fù)配方案對(duì)尾礦漿礦漿沉降速率及澄清液濁度的影響，探討絮凝劑復(fù)配原理。

3 結(jié)果與討論

3.1 絮凝劑篩選實(shí)驗(yàn)

采用5種絮凝劑分別對(duì)尾礦漿進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，投加相同量絮凝劑，測(cè)得不同沉降時(shí)間對(duì)應(yīng)沉降高度，得到沉降曲線。自然沉降及不同絮凝劑的尾礦沉降曲線如圖1，表觀沉降速度和澄清層濁度結(jié)果見表4。

圖1 尾礦漿自然沉降及絮凝沉降曲線

表4 尾礦漿自然沉降及絮凝劑作用下的表觀沉降速度和澄清液濁度

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，加入絮凝劑后尾礦沉降速度大大提高，澄清層濁度大大降低。投加有機(jī)高分子絮凝劑聚丙烯酰胺APAM-800沉降速度遠(yuǎn)高于投加無機(jī)高分子絮凝劑，但澄清液濁度方面，投加無機(jī)高分子絮凝劑效果普遍更好。4種無機(jī)高分子絮凝劑中鐵系絮凝劑(PFS、PPFS)比鋁系絮凝劑(PAC)及聚硅酸鋅沉降速度快、濁度低、絮凝效果更佳。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察，投加APAM-800時(shí)礬花明顯大于其他幾種絮凝劑，根據(jù)斯托克斯沉降公式，顆粒尺寸越大沉降速度越快，因而投加APAM-800時(shí)沉降速度可達(dá)23mm/min，遠(yuǎn)高于其他幾種絮凝劑。無機(jī)高分子絮凝劑中，因鐵系絮凝劑分子量高于鋁系絮凝劑，因而礬花更加密實(shí)，比重更大，沉降速度更快。5種絮凝劑中APAM-800和PFS效果顯著，因此實(shí)驗(yàn)選取這兩種絮凝劑復(fù)配使用，以達(dá)到更好的絮凝效果。

3.2 PFS、APAM-800最佳投加量實(shí)驗(yàn)

取一定量尾礦漿邊攪拌加入絮凝劑，每次增加0.5mL，同時(shí)觀察燒杯中礬花產(chǎn)生情況，直到產(chǎn)生明顯礬花此時(shí)投加量為絮凝劑最小投加量。以最小投加量為基礎(chǔ)，分別進(jìn)行PFS、APAM-800投加量實(shí)驗(yàn)，找到尾礦漿絮凝沉降的最佳投加量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3及表5。

圖2 PFS最佳投加量實(shí)驗(yàn)

圖3 APAM-800不同投加量實(shí)驗(yàn)

表5 PFS、APAM-800不同投加量的澄清液體積和濁度

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著PFS投加量增加，澄清液體積先增大后減小，投加量1.2 g/L時(shí)澄清液體積最大為98 mL，此時(shí)澄清液濁度最低為32.4NTU，實(shí)驗(yàn)中觀察到此時(shí)產(chǎn)生的絮體顆粒大，且沉降快。單獨(dú)使用APAM-800絮凝沉降時(shí)，伴隨投加量增大澄清層體積先增后減，投加量0.2 g/L時(shí)澄清液體積最大為132 mL，投加量為0.25 g/L時(shí)，濁度最低為44.6NTU。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PFS、APAM-800在最佳投加量時(shí)，沉降速度最快，澄清液濁度最低，其原因主要是：

鐵尾礦漿化學(xué)成分主要為金屬氧化物和二氧化硅，料漿pH值約為7，在水中分別形成帶正電和負(fù)電的膠粒，投加絮凝劑PFS通過電離和水解可形成帶正電的絡(luò)離子，這些離子能通過膠粒外圍進(jìn)入固液界面，中和膠粒電位離子所帶的負(fù)電，使總電位φ降低，電動(dòng)電位ζ也隨之減小，PFS投加量增大，膠粒表面ζ電位越低，膠粒間靜電斥力減小，膠粒脫穩(wěn)凝聚產(chǎn)生的絮體越大，當(dāng)投加量繼續(xù)增大，膠粒表面電性逆反，重新穩(wěn)定分散在分散系中，因而隨投加量增加，澄清液體積先增后減。

APAM-800絮凝機(jī)理主要通過電中和及吸附架橋作用，分子鏈上帶有負(fù)電荷活性基團(tuán)，可與尾礦漿中帶正電的金屬氧化物發(fā)生電中和使其脫穩(wěn)，另外分子鏈線性度大可吸附不同膠粒形成大的絮體，從而加快尾礦漿的沉降。投加量過低時(shí)游離的顆粒無法被全部吸附，導(dǎo)致這些顆粒不能沉降去除，因此澄清液體積大沉降慢，澄清液濁度高；當(dāng)投加量過大會(huì)出現(xiàn)“膠體保護(hù)”，顆粒表面被絮凝劑高分子包裹，不能發(fā)揮吸附架橋作用，導(dǎo)致絮體細(xì)小沉降速度慢，濁度高。因此可通過投加量實(shí)驗(yàn)確定最佳絮凝劑用量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示單獨(dú)投加APAM-800時(shí)礬花顆粒較投加PFS時(shí)更大，沉降速度更快，但澄清層濁度高于投加PFS。因此采用PFS、APAM-800配合使用，對(duì)尾礦漿中各類膠粒都能發(fā)揮絮凝作用，提高沉降速度同時(shí)降低澄清層濁度。

3.3 PFS與APAM-800復(fù)配絮凝沉降實(shí)驗(yàn)

依據(jù)投加量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，制定復(fù)配投加方案：PFS的用量分別取0.6、0.9、1.2、1.5 g/L，以PFS用量為定量，分別加入0.10、0.15、0.20、0.25 g/L的APAM-800，兩種絮凝劑復(fù)配使用時(shí)尾礦漿的沉降曲線如圖4～圖7，沉降速度和澄清層濁度見表6。

圖4 PFS0.6g/L、APAM-800不同投加量時(shí)尾礦漿沉降曲線

圖5 PFS0.9g/L、APAM-800不同投加量時(shí)尾礦漿沉降曲線

圖6 PFS1.2g/L、APAM-800不同投加量時(shí)尾礦漿沉降曲線

圖7 PFS1.5g/L、APAM-800不同投加量時(shí)尾礦漿沉降曲線

表6 PFS和APAM-800復(fù)配下尾礦漿的沉降速率和濁度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PFS投加量由0.6 g/L增加到1.5 g/L時(shí)，尾礦沉降速度均出現(xiàn)增后減的趨勢(shì)，投加量1.2 g/L時(shí)沉降速度達(dá)最大值。APAM-800投加量由0.10 g/L增加到0.25 g/L時(shí)，尾礦沉降速率均出現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，當(dāng)投加量0.2 g/L時(shí)，沉降速度最大。兩者復(fù)配使用時(shí)相較單獨(dú)使用時(shí)澄清液濁度亦更低，當(dāng)PFS投加量0.9～1.2 g/L、APAM-800用量0.20 g/L時(shí)，澄清層濁度最低，可達(dá)15.05NTU。由此得出最佳投配方案為PFS用量1.2 g/L，APAM-800用量0.2 g/L。兩者配合使用時(shí)，既提高了尾礦漿的沉降速度，又降低了澄清層濁度，發(fā)揮了兩者各自的優(yōu)勢(shì)，說明復(fù)配使用產(chǎn)生了協(xié)同作用。

3.4 復(fù)配絮凝沉降機(jī)理分析

對(duì)原尾礦、單獨(dú)加PFS、單獨(dú)加APAM-800、PFS與APAM-800配合使用所產(chǎn)生的礬花大小進(jìn)行測(cè)定，如圖8所示，原尾礦顆粒細(xì)小，加PFS后產(chǎn)生礬花粒徑明顯增大，約1～2 μm，礬花較密集，可推測(cè)其絮體密實(shí)因而沉降速率較快；投APAM-800相較投加PFS產(chǎn)生的礬花顆粒更大，約4～6 μm，可觀察到細(xì)小絮體吸附在大絮體周圍，通過絮凝劑分子鏈吸附架橋而相連，但結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，存在細(xì)小顆粒，因而濁度略高；PFS與APAM-800配合使用產(chǎn)生的礬花顆粒增大較多，測(cè)得粒徑約100～110 μm，根據(jù)斯托克斯方程理論上粒徑越大沉降速度越大，可觀察到細(xì)小絮團(tuán)凝聚成了大絮團(tuán)，絮體比較密實(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩者復(fù)配，沉降速度增大，澄清層濁度更低。

圖8 顯微鏡下絮體大小測(cè)定

尾礦漿中的粗顆粒沉降后，微細(xì)顆粒在水中呈懸浮狀態(tài)，很難沉降。單獨(dú)投加PFS時(shí)通過電中和作用可使膠粒和細(xì)小顆粒脫穩(wěn)凝聚成大的絮體，加快其沉降，降低澄清液濁度。投加APAM-800時(shí)通過吸附架橋作用使游離膠粒凝聚成大的絮體而沉降。兩者復(fù)配時(shí)，先通過PFS電中和，減弱顆粒間靜電斥力，增加范德華引力，提高顆粒間碰撞的幾率，促進(jìn)細(xì)小顆粒凝聚，再通過有機(jī)高分子絮凝劑的橋梁作用，使脫穩(wěn)顆粒快速形成更大的絮體，這與絮體大小測(cè)定結(jié)果一致，顆粒越大則沉降速度越快。并且兩者復(fù)配使用對(duì)礦漿中帶正電、負(fù)電的顆粒均會(huì)產(chǎn)生作用，減少了游離顆粒，澄清層濁度更低。相較單獨(dú)投加絮凝劑時(shí)濁度降低了50%。兩者復(fù)配能夠大幅度地加快細(xì)顆粒的沉降速度，最終達(dá)到提高尾礦沉降率的效果。

3.5 鐵礦尾礦漿絮凝沉降用藥經(jīng)濟(jì)性分析

針對(duì)鐵礦尾礦漿進(jìn)行大量絮凝實(shí)驗(yàn)，得出最佳絮凝劑的復(fù)配方案，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用APAM-800并且投加量為0.5 g/L時(shí)，尾礦漿沉降效果效果和PAM與PFS復(fù)配的沉降速率相差不大，對(duì)以上兩種絮凝劑投加方案的藥劑投加量進(jìn)行成本核算，分析尾礦漿絮凝沉降的經(jīng)濟(jì)性，以該鐵礦總尾礦庫(kù)的產(chǎn)量為3350.98 t/d，年工作日為360 d。藥劑成本核算如表7。

表7 絮凝劑投加成本核算

由表7可知，絮凝劑APAM-800的市場(chǎng)價(jià)格約是PFS的6倍，單獨(dú)投加APAM-800的成本較高，每年可達(dá)349.84萬元。若將兩種絮凝劑合理復(fù)配使用，每年的藥劑費(fèi)用不僅可節(jié)省64萬元，而且對(duì)尾礦漿的處理能達(dá)到更為理想效果，因而對(duì)鐵尾礦礦漿采用絮凝劑復(fù)配(PFS+APAM-800)方式進(jìn)行絮凝沉降具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)尾礦濃密技術(shù)是尾礦堆存和資源循環(huán)綜合利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為提高濃密效率，進(jìn)行尾礦漿絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明添加絮凝劑能大幅提高尾礦砂漿沉降速度，2～3 min即能達(dá)到臨界沉降點(diǎn)，未添加絮凝劑的尾礦漿需要十幾分鐘以上。

(2)鐵尾礦粒度細(xì)，-0.074 mm的含量占60%，自然沉降速度慢，澄清層濁度高，為222.7NTU，需要加入絮凝劑加速沉降。有機(jī)高分子絮凝劑APAM-800可顯著提高鐵尾礦的沉降速度，但澄清液濁度較高；無機(jī)高分子絮凝劑PFS對(duì)降低鐵尾礦澄清液濁度作用明顯，但對(duì)降低沉降速度方面不如有機(jī)絮凝劑APAM-800。

(3)無機(jī)和有機(jī)絮凝劑配合使用，一方面可通過無機(jī)絮凝劑電中和作用消除尾礦顆粒間靜電斥力，另一方面通過有機(jī)高分子絮凝劑架橋作用而形成尺寸更大的絮體，加快礦漿的沉降，PFS和APAM-800分別對(duì)帶正電和負(fù)電的顆粒均會(huì)產(chǎn)生作用，減少游離顆粒，亦大幅度降低澄清液濁度。

(4)鐵礦尾礦漿采用絮凝劑復(fù)配方案進(jìn)行絮凝沉降，可大大提高沉降速率，降低澄清液濁度，從而提高底流濃度實(shí)現(xiàn)尾礦濃密技術(shù)，通過成本核算，復(fù)配方案具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。