彭喜曦

（中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120）

1 引言

鋁是地球上含量最豐富的金屬元素，是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，鋁在自然界主要是以鋁土礦的形式存在，我國鋁土礦石儲(chǔ)量現(xiàn)已探明的為23億t。

目前世界上氧化鋁的生產(chǎn)90%以上采用拜耳法，只有俄羅斯與我國主要采用燒結(jié)法和聯(lián)合法。與燒結(jié)法或聯(lián)合法相比，拜耳法具有工藝簡單、能耗較低的特點(diǎn)，采用拜耳法生產(chǎn)工藝，建設(shè)投資可以節(jié)省15%～20%，生產(chǎn)成本可以降低10%，能耗可以降低50%。但是，我國80%以上的鋁土礦的硅含量較高，鋁硅比均小于8，不能直接作為拜耳法工藝的生產(chǎn)原料，而只能采用聯(lián)合法或燒結(jié)法工藝。若要轉(zhuǎn)變這種現(xiàn)狀，采用先進(jìn)的拜耳法生產(chǎn)工藝，就需要對(duì)我國現(xiàn)有的鋁土礦進(jìn)行預(yù)脫硅處理，提高鋁土礦的鋁硅比，來滿足對(duì)拜耳法生產(chǎn)氧化鋁原料的要求[1]。

鋁土礦正浮選脫硅是目前比較常用的脫硅方法，正浮選的基本原理為抑制脈石礦物 （鋁硅酸鹽），而利用捕收劑來浮選其中的有用礦物（一水鋁石和三水鋁石）。鋁土礦通過正浮選獲得了適用于拜耳法生產(chǎn)氧化鋁，鋁硅比為10～11的精礦產(chǎn)品之外，也同時(shí)不可避免的產(chǎn)生了少量鋁硅比為1.5左右的尾礦漿，精礦與尾礦的產(chǎn)出比一般為3:1左右，其中精礦漿在濃密機(jī)脫水后用拜爾法溶出，而尾礦漿在濃密機(jī)脫水后送至大壩堆存處理[2]。隨著我國氧化鋁產(chǎn)量不斷增高，選礦產(chǎn)生的尾礦漿也逐年增長，2010年我國鋁土礦選礦產(chǎn)生尾礦漿達(dá)到 1.38×106m3/d[3]。

而廣義上的尾礦除了浮選工藝中的尾礦漿外，還包括了：破碎球磨排水、洗礦廢水、設(shè)備冷卻用水、藥劑車間地面和設(shè)備的沖洗水。

鋁土礦的礦物組成、鋁土礦的破碎、球磨工藝、鋁土礦浮選所選用的藥劑制度等諸多因素，都會(huì)對(duì)尾礦的性質(zhì)(如所含雜質(zhì)數(shù)量與種類)產(chǎn)生比較大的影響。這些影響的存在使得鋁土礦選礦尾礦成為一種成分復(fù)雜的廢水，它具有以下特征[4]：

(1)鋁土礦選礦尾礦礦物組成復(fù)雜；

(2)鋁土礦選礦尾礦含有大量泥沙及尾礦粉末組成的粒度很細(xì)的懸浮物顆粒，使得尾礦在分散系中不易自然沉降；

(3)鋁土礦選礦尾礦化學(xué)成分復(fù)雜，所含的有毒有害成分較多；

(4)水質(zhì)偏堿性，而過高的pH會(huì)造成ZETA電位絕對(duì)值的增高，使得整個(gè)膠體體系趨于穩(wěn)定[5]。從鋁土礦選礦尾礦的來源及特征來看，它是一種包括固體雜質(zhì)、液體雜質(zhì)、溶解氣體和溶解鹽類的復(fù)雜多項(xiàng)體系，若這些數(shù)量龐大的尾礦漿不經(jīng)處理便直接排放，則會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害[6]。

針對(duì)鋁土礦尾礦，本文考察了絮凝劑種類及用量、助凝劑種類對(duì)鋁土礦正浮選尾礦礦漿沉降行為的影響，以期尋找尾礦漿高效沉降的技術(shù)路線。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及主要儀器

主要試劑：聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚合硫酸鐵(PFS)、鹽酸及氫氧化鈉溶液。

主要儀器：WZS-185型循環(huán)水式多用真空泵、ZetaPALS型ZETA電位分析儀、pHS-3CA型精密酸度計(jì)、DHG-9140A型恒溫鼓風(fēng)干燥箱、SC965型增力攪拌儀等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

量筒量取1 L尾礦樣品，轉(zhuǎn)入燒杯，用HCl及NaOH調(diào)節(jié)樣品pH，在攪拌儀下于300 r/min的速度下快速攪拌，在攪拌過程中加入絮凝劑，3 min后轉(zhuǎn)變成以50 r/min的速度進(jìn)行慢速攪拌，10 min后靜置，每隔0.5 h讀取上清液高度值，1.5 h時(shí)取上清液測(cè)pH與SS，試驗(yàn)流程如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 絮凝劑篩選試驗(yàn)

比較工業(yè)上常用四種絮凝劑：PAC（聚合氯化鋁）、PFS（聚合硫酸鐵）、PAFC （聚合氯化鋁鐵）、PAM （聚丙烯酰胺）對(duì)鋁土礦選礦尾礦的絮凝效果。

(1)絮凝劑種類對(duì)澄清液面高度的影響，如圖2～圖5所示。

由圖可看出，使用PAC作為絮凝劑時(shí)，隨著加藥量的增大，澄清液面高度呈上升趨勢(shì)，當(dāng)PAC用量達(dá)到800 mg/L時(shí)，澄清液面高度不再隨之變化。澄清液面高度較低，最高水平時(shí)，0.5、1、1.5 h澄清液面高度分別為：1.5、3.6、4.4 cm。沉降速度一般，主要沉降作用發(fā)生在0.5～1 h階段；使用PFS作為絮凝劑時(shí)，隨著加藥量的增大，澄清液高度呈上升趨勢(shì)，在600 mg/L時(shí)達(dá)到頂峰，隨后出現(xiàn)略微下降。澄清液面高度較低，最高水平時(shí)，0.5、1、1.5 h 澄清液 面高 度 分 別 為 ：1.7、4.1、4.7 cm。沉降速度一般，主要沉降作用發(fā)生在0.5～1 h階段；使用PAFC作為絮凝劑時(shí)，隨著加藥量的增大，澄清液面高度呈上升趨勢(shì)，在400 mg/L時(shí)達(dá)到頂峰后保持平穩(wěn)。澄清液面高度較低，最高水平時(shí)，0.5、1、1.5 h 澄清液面高度分別為：1.5、4.1、4.5 cm。沉降速度一般，主要沉降作用發(fā)生在0.5～1 h階段。

當(dāng)使用PAM作為絮凝劑時(shí)，澄清液面高，沉降速度快。隨著 PAM加藥量的增大，澄清液面高度呈先上升后保持平穩(wěn)的趨勢(shì)，在30 mg/L時(shí)達(dá)到頂峰時(shí)，0.5、1、1.5 h 澄清液面高度分別為：7.2、7.5、7.7 cm。主要沉降作用發(fā)生在0～0.5 h階段，并隨著PAM加藥量的增大，這一階段增長的澄清液高度所占0～1.5 h內(nèi)總澄清液高度的比例不斷升高，當(dāng)PAM用量為30 mg/L時(shí)，比例已達(dá)到90%以上。

從以上數(shù)據(jù)可以得到，使用PAM作為絮凝劑時(shí)，澄清液面高度最高。

（2）絮凝劑種類對(duì)出水SS的影響，如圖6、圖7所示。

使用PAC作為絮凝劑時(shí)，出水比較澄清，SS的濃度維持在一個(gè)很低的水平，且隨著PAC濃度的上升SS逐漸降低。當(dāng)PAC的用量由100 mg/L增至1000 mg/L的時(shí)候，SS由155 mg/L降至88 mg/L；

使用PFS作為絮凝劑時(shí)，出水比較澄清，SS的濃度維持在一個(gè)很低的水平，且隨著PFS濃度的上升逐漸降低。當(dāng)PFS的用量由100 mg/L增至2000 mg/L的時(shí)候，SS由236 mg/L降至116 mg/L。

使用PAFC作為絮凝劑時(shí)，出水比較澄清，SS的濃度維持在一個(gè)很低的水平，且隨著PAFC濃度的上升呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢(shì)，在800mg/L時(shí)達(dá)到低谷，PAFC的用量由100mg/L增至800mg/L的時(shí)候，SS由155mg/L降至96mg/L。

使用PAM作為絮凝劑時(shí)，出水相當(dāng)渾濁，SS的濃度維持在一個(gè)很高的水平，最低值也為466 mg/L，且SS的變化毫無規(guī)律?？梢钥闯?，PAM對(duì)于對(duì)于細(xì)小顆粒物捕捉能力較弱，即使增大用量也對(duì)細(xì)小顆粒物的捕捉能力也很有限。

從以上數(shù)據(jù)可以得到，使用PAFC作為絮凝劑時(shí)SS最低，而使用PAM作為絮凝劑時(shí)SS最高。

（3）絮凝劑種類對(duì)出水pH的影響，如圖8、圖9所示。

使用PAC作為絮凝劑時(shí)，出水的pH隨著PAC用量的加大，呈略微降低趨勢(shì)，當(dāng) PAC的用量由100 mg/L增至1000 mg/L的時(shí)候，pH由8.43降至7.81；使用PFS作為絮凝劑時(shí)，出水的pH隨著PFS用量的加大，呈降低趨勢(shì)，當(dāng)PFS的用量由100 mg/L增至2000 mg/L的時(shí)候，pH由8.38降低至6.83；使用PAFC作為絮凝劑時(shí)，隨著PAFC用量的加大，出水的pH呈顯著變化，PAFC的用量由100 mg/L增至1000 mg/L的時(shí)候，pH由8.38降低至6.33；當(dāng)使用PAM作為絮凝劑時(shí)，隨著PAM用量的增加，出水的pH呈下降趨勢(shì)，當(dāng)PAM的用量由5 mg/L增至50 mg/L，pH由8.01下降至7.85。

從以上數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)使用PFS作為絮凝劑時(shí)的出水pH低于PAC、PAFC作為絮凝劑時(shí)的出水pH，PFS對(duì)于pH的調(diào)節(jié)作用最好。

3.2 絮凝劑篩選結(jié)果

PAC（聚合氯化鋁）、PFS（聚合硫酸鐵）、PAFC（聚合氯化鋁鐵）以及陰離子型PAM （聚丙烯酰胺）四種絮凝劑都是工業(yè)上較為常用的絮凝劑，通過以上四種絮凝劑的絮凝效果，澄清液面高度、出水SS、pH三個(gè)指標(biāo)的比較發(fā)現(xiàn)，通過鋁、鐵離子的作用來增強(qiáng)尾礦的沉降是有限的，雖然可以壓縮顆粒表面雙電層的厚度，降低表面ζ電位，使尾礦漿比其自然pH時(shí)的沉降速度加快，但是通過無機(jī)絮凝劑來調(diào)節(jié)pH作用依然很有限，使用無機(jī)絮凝劑沉降速度慢，一般需要在30～60 min時(shí)才進(jìn)入壓縮階段。單一采用無機(jī)凝聚劑，難于實(shí)現(xiàn)鋁土礦正浮選尾礦漿的快速沉降[7]。

嚴(yán)格的來說，PAC、PFS、PAFC應(yīng)當(dāng)分類為凝聚劑，所產(chǎn)生的為凝聚作用，凝聚作用是在分散體系中添加無機(jī)凝聚劑，中和微粒表面的電性，壓縮雙電層，降低動(dòng)電電位，減少微細(xì)顆粒間的排斥能，達(dá)到凝聚的目的。而PAM為絮凝劑，所產(chǎn)生的為絮凝作用，PAM作為高分子化合物，具有長碳鏈及作用強(qiáng)大的活性官能團(tuán)，可以強(qiáng)烈吸附細(xì)微顆粒，并通過長碳鏈的纏繞在兩個(gè)帶負(fù)電膠體顆粒間，越過其勢(shì)能峰形成架橋作用，生成較大絮團(tuán)，從而提高沉降速度，但是其缺點(diǎn)為不能捕獲較小顆粒，導(dǎo)致出水渾濁。

而由于鋁土礦高濃度的特性，雖然PAM的出水較渾濁，但是它對(duì)于具有很強(qiáng)的沉降能力、很快的沉降速度。因此，PAM更適用于鋁土礦尾礦的沉降，而試驗(yàn)決定使用PAM為后續(xù)試驗(yàn)所用絮凝劑[8]。

3.3 助凝劑篩選實(shí)驗(yàn)

通過絮凝沉降試驗(yàn)比較三種常見無機(jī)凝聚劑（PAC、PFS、PAFC）與PAM配合使用后對(duì)鋁土礦選礦尾礦的絮凝效果，主要考察的指標(biāo)為：0.5、1、1.5 h澄清液面高度，出水的SS。

(1)助凝劑種類對(duì)澄清液面高度的影響，如圖10～圖12所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)PAC與PAM配合使用時(shí)，隨著PAC用量的增加，澄清水位高度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在PAC用量250 mg/L時(shí)達(dá)到高峰，最高水平時(shí)，0.5、1、1.5 h澄清水位高分別為2.8、4.2、5.3 cm。沉降速度較快，主要沉降作用發(fā)生在0～0.5 h階段。與單獨(dú)使用PAM10 mg/L相比，澄清水位高度略微增長，沉降速度不變；與單獨(dú)使用PAC相比，1.5 h澄清液面高度增長1 cm左右，沉降速度加快，0～0.5 h壓縮液面高度所占總壓縮液面高度比例大大增加。

當(dāng)PFS與PAM配合使用時(shí)，隨著PFS用量的增加，澄清水位高度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在PFS用量200 mg/L時(shí)達(dá)到高峰，最高水平時(shí)，0.5、1、1.5 h 澄清水位高分別為 3.5、5.1、5.6 cm。沉降速度較快，主要沉降作用發(fā)生在0～0.5 h階段。與單獨(dú)使用PAM10 mg/L相比，澄清水位高度略微增長，沉降速度不變；與單獨(dú)使用PFS相比，1.5 h澄清液面高度增長1 cm左右，沉降速度加快，0～0.5 h壓縮液面高度所占總壓縮液面高度比例大大增加。

當(dāng)PAFC與PAM配合使用時(shí)，隨著PAFC用量的增加，澄清水位高度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在PAFC用量200 mg/L時(shí)達(dá)到高峰，最高水平時(shí)，0.5、1、1.5 h 澄清水位高分別為 3.3、4.9、5.3 cm。沉降速度較快，主要沉降作用發(fā)生在0～0.5 h階段。與單獨(dú)使用PAM10 mg/L相比，澄清水位高度略微增長，沉降速度不變；與單獨(dú)使用PAFC相比，1.5 h澄清液面高度增長0.8 cm左右，沉降速度加快，0～0.5 h壓縮液面高度所占總壓縮液面高度比例大大增加。

從以上數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)PFS與PAM配合使用時(shí)，澄清液面高度最高。

（2）助凝劑種類對(duì)澄清液面高度的影響，如圖13所示。

試驗(yàn)表明：助凝劑為PAC時(shí)，隨著藥劑用量的增加，SS呈現(xiàn)先減少后保持平穩(wěn)的趨勢(shì)，當(dāng)PAC用量為400 mg/L的時(shí)候，SS為最小值309 mg/L。與單獨(dú)使用PAM10 mg/L相比，SS呈顯著下降，當(dāng)PAC用量為300 mg/L時(shí)；助凝劑為PFS時(shí)，隨著藥劑用量的增加，SS呈現(xiàn)先減少后保持平穩(wěn)的趨勢(shì)，當(dāng)PFS用量為300 mg/L的時(shí)候，SS為最小值265 mg/L。與單獨(dú)使用PAM10 mg/L相比，SS呈顯著下降，當(dāng)PFS用量為300 mg/L時(shí)，SS下降了約180 mg/L；助凝劑為PAFC時(shí)，隨著藥劑用量的增加，SS呈遞減趨勢(shì)，當(dāng)PAFC用量為400mg/L的時(shí)候，SS為最小值303 mg/L。與單獨(dú)使用 PAM10 mg/L相比，SS呈顯著下降，當(dāng)PAFC用量為300 mg/L時(shí)，SS下降了約120 mg/L。

以上數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)PFS與PAM配合使用時(shí)，出水的SS最低。

3.4 助凝劑篩選結(jié)果

通過以上三種無機(jī)絮凝劑與PAM的配合絮凝效果，發(fā)現(xiàn)PAC、PFS、PAFC這三種藥劑與PAM配合使用可以起到相互彌補(bǔ)缺點(diǎn)的作用，配合使用后澄清液面高，沉降速度快而SS一直控制在200 mg/L以內(nèi)。

助凝劑通過電性中和降低顆粒間的靜電斥力，使雙電層得到壓縮，作用能減小。而絮凝劑通過橋鍵作用，在微粒間實(shí)現(xiàn)吸附架橋，形成絮團(tuán)，加快沉降速度，利用吸附卷掃作用使顆粒共同沉降[9]。

而當(dāng)PFS與PAM配合使用的時(shí)候，pH降低幅度最大，澄清液面高度最高，其中的主要原因可能為PFS通過降低pH以及鐵離子中和了微粒表面的電負(fù)性，壓縮了雙電層，而PAM在起到了吸附架橋作用同時(shí)，還可能與微粒表面吸附的鐵離子作用，增強(qiáng)了顆粒的沉降。由于三種助凝劑助凝效果差距不大，考慮用正交試驗(yàn)繼續(xù)篩選較優(yōu)的助凝劑[10]。

4 結(jié)論

（1）PAC、PAFC、PFS 作為絮凝劑使用時(shí)，雖然出水較為澄清，但是沉降速度過慢；而PAM作為絮凝劑使用時(shí)，雖然出水較為渾濁，但是沉降速度快，絮團(tuán)緊實(shí)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用性。

（2）PAC、PAFC、PFS 作為助凝劑與 PAM 配合使用時(shí)，具有較好的絮凝效果，能互相彌補(bǔ)彼此缺點(diǎn)，其中PFS助凝效果最好。

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