楊柳華，王洪江，吳愛祥，李紅，陳輝，霍成月

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絮凝沉降對全尾砂料漿流變特性的影響

楊柳華1, 2，王洪江1, 2，吳愛祥1，李紅1, 2，陳輝1，霍成月3

(1. 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083；2. 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083；3. 北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，北京，100083)

通過研究沉降后料漿流變參數(shù)變化規(guī)律，探索基于料漿流變特性作為全尾砂絮凝沉降參數(shù)優(yōu)化的可行性。以某銅鋅礦全尾砂為實驗材料，通過考察絮凝劑種類、入料體積分?jǐn)?shù)、絮凝劑單耗這3個因素，進行靜態(tài)絮凝沉降及料漿流變測試實驗。實驗結(jié)果表明：在絮凝劑種類篩選實驗中，所選4種絮凝劑沉降效果區(qū)別較小，不同絮凝沉降后料漿屈服應(yīng)力相差不大，添加N123作為絮凝劑時料漿黏度最小，絮團內(nèi)部水分容易被擠出，絮凝沉降效果最佳；在入料體積分?jǐn)?shù)及單耗實驗中，當(dāng)入料體積分?jǐn)?shù)為10%~15%、絮凝劑單耗為25 g/t時，單位面積固體處理量和底流體積分?jǐn)?shù)均較高，并且屈服應(yīng)力及黏度達到極小值，有利于料漿進一步壓密脫水及耙架運行。

絮凝沉降；流變特性；壓密脫水；絮凝劑

近年來，隨著礦山環(huán)保要求的提高，深錐濃密機在我國開始得到廣泛關(guān)注。其工作原理為：低體積分?jǐn)?shù)尾礦漿在機體上部中心進料筒中與絮凝劑溶液混合后，尾砂顆粒形成較大尺寸絮團，絮團沉降至深錐底部，并在重力及攪拌作用下濃密脫水，形成高體積分?jǐn)?shù)的底流[1]。深錐濃密效率及效果主要取決于3個方面：絮凝沉降、床層壓縮、耙架運行。而這3個方面與絮團的大小、結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特性直接相關(guān)，絮團的物理化學(xué)特征決定了料漿的流變特征。王洪江等[2?3]對入料體積分?jǐn)?shù)、停留時間、絮凝劑單耗等多個因素進行了探討，但這些研究都是以單位面積固體處理量和底流體積分?jǐn)?shù)等作為評價指標(biāo)。料漿在深錐中的停留時間及最終底流體積分?jǐn)?shù)受限于壓密脫水過程，單位面積固體處理量和底流體積分?jǐn)?shù)不能全面反映絮凝沉降過程的效果，可能造成后期底流體積分?jǐn)?shù)偏低或者壓耙等事故[4]。料漿的屈服應(yīng)力涉及深錐耙架的穩(wěn)定運行及絮團網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的剪切破壞，而黏度越小，則壓密脫水性能越好[5?6]，通過料漿的流變特性能很好地反映出全尾砂絮凝沉降過程的效果。全尾砂絮凝沉降屬于一個快速沉降過程，尾礦顆粒通過高分子的架橋作用形成大絮團，改變了顆粒表面積及全尾砂內(nèi)部水的分布[7]，減少對水分的吸附，改善全尾砂壓密脫水性能[8]。絮團結(jié)構(gòu)的變化過程與沉降參數(shù)息息相關(guān)，在不同的絮凝劑、入料體積分?jǐn)?shù)[9]及絮凝劑單耗[10?11]作用下引起改變，對料漿的流變特性影響明顯[12]。本文作者從絮凝沉降和流變實驗入手，探索不同絮凝沉降環(huán)境下濃密效果及料漿流變特性，對實驗結(jié)果進行分析，指出兩者之間相互關(guān)系，得到基于料漿流變特性的全尾砂絮凝沉降參數(shù)優(yōu)化方法，以保證一定的深錐底流體積分?jǐn)?shù)，且設(shè)備高效穩(wěn)定運行。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗材料及儀器

1.1.1 全尾砂

實驗以某銅鋅礦全尾砂為材料，采用激光粒度儀和人工濕篩對全尾砂粒級組成進行分析，分析結(jié)果見圖1。備選絮凝劑共有4種，分別為N123，XT9020，Magnafloc336和CB1，各種絮凝劑技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.1.2 實驗儀器及流變特性測試原理

實驗儀器為R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀。其測試原理是四葉槳式轉(zhuǎn)子浸入料漿中，以變化剪切速率旋轉(zhuǎn)，通過控制軟件進行實時監(jiān)測，并輸出剪切應(yīng)力?剪切速率曲線并進一步對其進行處理。

1—激光粒度分析；2—人工濕篩。

表1 絮凝劑技術(shù)指標(biāo)

一般認(rèn)為，全尾砂膏體近似于Bingham體，可以應(yīng)用以下公式對實驗數(shù)據(jù)進行擬合：

式中：為剪切應(yīng)力，Pa；0為動態(tài)屈服應(yīng)力，Pa；為黏度系數(shù)，Pa.s；為剪切速率，s?1。

1.2 絮凝劑篩選實驗

先將每種絮凝劑制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%溶液，實驗具體步驟如下。

1) 按表2取尾礦8份，并編號為A1~A4和B1~B4共2個組，體積分?jǐn)?shù)均配制成15%。其中對A1~A4進行絮凝沉降實驗，固定總質(zhì)量為1 kg；對B1~B4進行流變實驗，為保證底流料漿足夠進行流變測試，固定尾砂量為600 g。

2) 從每種絮凝劑溶液中各取2份，每份3.33 g，絮凝劑單耗固定為20 g/t。

3) 在A1和B1中加入絮凝劑N123，在A2和B2中加入絮凝劑XT9020，在A3和B3中加入絮凝劑Magnafloc336，在A4和B4中加入絮凝劑CB1。這4種絮凝劑均能在15 s內(nèi)完成沉降。

4) 記錄A組中30 min內(nèi)各時間點沉降高度，并作固液分離界面高度與沉降時間關(guān)系曲線。

5) B組靜止沉降30 min后去掉上層清液，取底部料漿并進行流變測試，設(shè)定剪切速率為0~120 s?1。

1.3 不同入料體積分?jǐn)?shù)實驗

固定絮凝劑單耗為20 g/t，采用N123對不同入料體積分?jǐn)?shù)進行對比實驗，尋求最佳入料體積分?jǐn)?shù)。實驗分為C1~ C6和D1~D6共2個組，每組設(shè)定入料體積分?jǐn)?shù)5%~30%遞增的6個水平，實驗配料見表3。其中，C1~ C6固定總質(zhì)量為1 kg。對D1~D6進行流變實驗，固定尾砂質(zhì)量為600 g。

采用自制攪拌裝置對料漿和絮凝劑進行混合。由于粗顆粒相對較多，在混合過程中粗顆粒依靠重力下沉，而絮凝劑的主要作用是使得料漿中的極細(xì)顆粒盡快沉降。料漿絮凝沉降過程很快，一般在10余s內(nèi)就能完成。由于尾砂絮凝沉降是一個勻速下降的過程，因此，可通過記錄C組10 s內(nèi)澄清界面下降的高度來計算沉降速度，結(jié)合入料體積分?jǐn)?shù)求得單位面積處理能力。單位面積處理量計算式為

式中：s為固體單位面積處理量，t/(h·m2)；s為尾砂密度，t/m3；v為入料體積分?jǐn)?shù)，%；為分離界面沉降速度，mm/min。

1.4 絮凝劑單耗實驗

根據(jù)入料體積分?jǐn)?shù)試驗結(jié)果，固定入料體積分?jǐn)?shù)為15%?？疾斐两邓俣?、單位面積處理能力及料漿流變參數(shù)。實驗分為E1~ E6和F1~F6共2組，每組設(shè)定絮凝劑單耗5~30 g/t遞增的6個水平。同理，D1~ D6固定總質(zhì)量為1 kg。對F1~F6進行流變實驗，固定尾砂量為600 g。實驗配料如表4所示。

記錄E組10 s內(nèi)的沉降高度，根據(jù)式(2)計算得不同絮凝劑單耗下單位面積處理能力。F組在30 min末測定其底流料漿流變特性。

表2 絮凝劑篩選實驗結(jié)果

表3 不同入料體積分?jǐn)?shù)實驗結(jié)果

表4 絮凝劑單耗實驗結(jié)果

2 實驗結(jié)果分析及討論

2.1 絮凝劑種類對料漿流變特性影響

實驗結(jié)果絮凝沉降曲線如圖2所示，添加不同種類絮凝劑料漿流變曲線如圖3所示。

絮凝劑：1—CB1；2—Magnafloc336；3—XT9020；4—N123。

絮凝劑：1—Magnafloc336；2—XT9020；3—N123；4—CB1。

從圖1可見：在沉降區(qū)及壓縮區(qū)，4種絮凝劑差異不大。從圖2可見：在不同絮凝劑作用下料漿屈服應(yīng)力相差很小，而在N123作用下黏度僅為0.102 Pa/s；全尾砂在N123絮凝作用下，不但能取得良好的絮凝沉降效果，而且料漿后期濃密脫水容易，耙架運行平穩(wěn)，有利于進一步壓密脫水。在適宜的沉降速度與底流體積分?jǐn)?shù)下，料漿屈服應(yīng)力越小，越有利于后期耙架的穩(wěn)定運行及絮團的剪切破壞；黏度越小，則有利于絮團壓密脫水，提高料漿底料體積分?jǐn)?shù)[13]，故選定N123作為進一步實驗材料。

在不同藥劑的作用下，生成的絮團結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)特性不同，導(dǎo)致料漿的流變特性存在差異[14]。全尾砂顆粒加入絮凝劑后，在帶電基團的靜電作用下形成直徑較小的絮團。在攪拌過程中，絮凝劑高分子鏈上碳基、—NH2—等基團，通過氫鍵力、范德華力、配位鍵力等物理化學(xué)作用與污泥顆粒發(fā)生作用，增強對全尾砂顆粒的吸附能力。在絮凝劑的橋架作用下形成的絮團結(jié)構(gòu)強度較大，不易破碎而有利于結(jié)構(gòu)中自由水脫去。絮凝劑的長鏈狀結(jié)構(gòu)與小絮團相互結(jié)合，小絮團之間形成大絮團。而絮凝劑分子結(jié)構(gòu)上具有的 —CH2—和—NH—等疏水基團，有利于絮團表面附著水轉(zhuǎn)化為游離水，同時降低底流料漿黏度，從而改善料漿的脫水性能。絮凝劑表面化學(xué)特性，既影響高分子絮凝劑與尾砂顆粒之間的相互作用，也決定了絮團的表面特征。實驗所選4種絮凝劑均能到達快速絮凝沉降該全尾砂的效果，而在N123作用下料漿黏度最小，根據(jù)以上分析選定N123為最佳絮凝劑。

2.2 入料體積分?jǐn)?shù)對料漿流變特性影響

進行不同入料體積分?jǐn)?shù)實驗可以看出，當(dāng)入料體積分?jǐn)?shù)小于15%時，料漿上清液澄清；當(dāng)入料體積分?jǐn)?shù)大于20%時，上清液漸顯渾濁。據(jù)實驗結(jié)果及式(2)計算不同入料體積分?jǐn)?shù)下單位面積固體處理量，如表5所示。

D組在沉降30 min后去掉上層清液，取底部料漿并進行流變測試，結(jié)果如圖4所示。

表5 實驗結(jié)果及相應(yīng)單位面積固體處理量

入料體積分?jǐn)?shù)/%：1—5；2—10；3—15；4—20；5—25；6—30。

根據(jù)表5所示實驗結(jié)果及單位面積固體處理量計算結(jié)果，繪制單位面積處理能力與入料體積分?jǐn)?shù)之間關(guān)系曲線，如圖5所示。根據(jù)圖4所示實驗曲線，作出不同入料體積分?jǐn)?shù)作用下料漿流變參數(shù)變化曲線，如圖6所示。

從圖5可知：單位面積處理量隨入料體積分?jǐn)?shù)變化曲線整體呈現(xiàn)先增大后減小規(guī)律，且在10%~15%之間存在最大值。從圖6可見：屈服應(yīng)力總體趨勢增大，在10%~15%之間增長曲線變緩，黏度達到最小。

在絮凝劑單耗不變時，隨著入料體積分?jǐn)?shù)增加，全尾砂絮凝沉降效果開始增強。在接近最佳入料體積分?jǐn)?shù)時，此時體積分?jǐn)?shù)雖然有所增大，但全尾砂絮團結(jié)構(gòu)、強度、間距較適宜，絮團結(jié)構(gòu)易于破壞，屈服應(yīng)力增大速率小，料漿黏度小，絮團之間封閉的水分和絮團內(nèi)部的水分易于擠出。當(dāng)入料體積分?jǐn)?shù)大于15%時，尾砂顆粒間的相互作用力增強，屈服應(yīng)力又開始增大，黏度也大幅度增大。同時，底流體積分?jǐn)?shù)有所增大[15]，但上層清液開始變濁，絮團結(jié)構(gòu)變小。

圖5 不同入料體積分?jǐn)?shù)下單位面積固體處理量

1—屈服應(yīng)力；2—黏度。

2.3 絮凝劑單耗對料漿流變特性影響

記錄E組實驗結(jié)果及單位面積沉降能力，結(jié)果見表6，得到F組流變曲線如圖7所示。

通過表6作出不同單耗下單位面積固體處理量與料漿體積分?jǐn)?shù)之間關(guān)系曲線，見圖8；依據(jù)圖7中F組實驗流變參數(shù)，作出不同絮凝劑單耗作用下料漿流變參數(shù)變化曲線，如圖9所示。

由圖8可知：當(dāng)料漿體積分?jǐn)?shù)為15%時，單位面積固體處理量隨著單耗增加而增加；當(dāng)單耗超過25 g/t時，變化率很小。從圖9可以看出不同單耗作用下料漿流變特性的變化規(guī)律：當(dāng)單耗小于15 g/t時，屈服應(yīng)力增大，這是因為隨著絮凝劑單耗的增加，底流體積分?jǐn)?shù)增大，使得屈服應(yīng)力增大，但黏度幾乎不變；當(dāng)單耗為15~25 g/t時，屈服應(yīng)力和黏度出現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，并在20 g/t附近出現(xiàn)極小值；當(dāng)單耗大于25 g/t后，屈服應(yīng)力和黏度一直增大。其主要原因是過量的絮凝劑導(dǎo)致絮團之間的黏連性增強，同時對絮團表面性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，惡化全尾砂后期壓密脫水過程[16]。這種現(xiàn)象解釋了絮凝劑單耗對深錐底流體積分?jǐn)?shù)的影響機理，在一定范圍內(nèi)底流體積分?jǐn)?shù)與絮凝劑單耗成正相關(guān)；隨絮凝劑的進一步添加，深錐底流體積分?jǐn)?shù)與單耗成負(fù)相關(guān)。

2.4 實驗結(jié)果討論

從對絮凝劑種類、入料體積分?jǐn)?shù)及單耗3個因素實驗結(jié)果分析，不同的絮凝沉降效果下料漿的流變特征變化明顯，并符合后期絮團脫水變化規(guī)律。若絮團結(jié)構(gòu)疏松、不規(guī)則，漿體屈服應(yīng)力與黏度大，則絮團對水的吸附作用強，壓密脫水困難，造成床層整體體積分?jǐn)?shù)較低，耙架運行不穩(wěn)定；若絮團形狀規(guī)則、屈服應(yīng)力及黏度較小，則絮團結(jié)構(gòu)易于剪切破壞，內(nèi)部水容易被擠出，壓密脫水性能好，后期泥層體積分?jǐn)?shù)上升容易。

表6 實驗結(jié)果記錄及相應(yīng)單位面積沉降能力

單耗/(g·t?1)：1—5；2—10；3—15；4—20；5—25；6—30。

圖8 單位面積處理量隨絮凝劑單耗變化曲線

1—屈服應(yīng)力；2—黏度。

全尾砂濃密脫水包括絮凝沉降、壓縮脫水兩大過程，其中絮凝沉降效率影響后期壓密脫水過程，關(guān)系到底流最終體積分?jǐn)?shù)以及攪拌剪切阻力等。實驗結(jié)果表明：基于料漿流變特性的全尾砂絮凝沉降參數(shù)的優(yōu)化方法可行，也可以用作以單位面積固體處理量、底流體積分?jǐn)?shù)作指標(biāo)的方法補充，并且結(jié)果更能體現(xiàn)沉降效果。實驗方法簡單，避免了很多人為誤差。

3 結(jié)論

1) 入料體積分?jǐn)?shù)及單耗對絮團結(jié)構(gòu)影響較大，進而影響料漿屈服應(yīng)力；而絮凝劑種類決定了絮團表面特征，主要影響料漿黏度。實驗選定絮凝劑為N123、入料體積分?jǐn)?shù)為15%、絮凝劑單耗25 g/t時絮凝沉降效果最佳，此時屈服應(yīng)力為15 Pa，黏度為0.1 Pa/s左右，有利于底流料漿后期壓密脫水，進一步提高料漿體積分?jǐn)?shù)。

2) 絮凝劑的化學(xué)特性決定絮團表面特性。全尾砂在不同種類絮凝劑作用下，料漿的黏度差異較大；在入料體積分?jǐn)?shù)實驗中，入料體積分?jǐn)?shù)過低使得底流料漿體積分?jǐn)?shù)偏低，入料體積分?jǐn)?shù)過大造成顆粒間作用力增強，絮團結(jié)構(gòu)較小，不利于全尾砂后期壓密脫水；通過絮凝劑單耗實驗，解釋了絮凝劑單耗對深錐底流體積分?jǐn)?shù)的影響機理，在單耗不足時全尾砂顆粒難以形成蜂窩狀的三維結(jié)構(gòu)，絮凝沉降速度慢，而過量的絮凝劑又容易使料漿的屈服應(yīng)力及黏度增大，深錐底流體積分?jǐn)?shù)低。

3) 絮凝沉降條件影響料漿流變特征，而后期壓密脫水及耙架的運行與料漿流變特性密切相關(guān)。結(jié)合絮凝沉降實驗，基于料漿流變特性對全尾砂絮凝沉降參數(shù)優(yōu)化，以屈服應(yīng)力和黏度評價絮團剪切破壞及壓密脫水性能，有利于深錐耙架運行穩(wěn)定及提高底流體積分?jǐn)?shù)。

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(編輯 陳燦華)

Effect of flocculation settling on rheological characteristics of full tailing slurry

YANG Liuhua1, 2, WANG Hongjiang1, 2, WU Aixiang1, LI Hong1, 2, CHEN Hui1, HUO Chengyue3

(1. School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education, Beijing 100083, China;3. School of Chemistry and Biological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The feasibility of optimizing flocculation settling parameters by analyzing how slurry rheological parameters change was tested. The flocculation settling experiments and the slurry rheological tests were carried out with full tailings from a copper zinc deposit in which three factors (flocculant type, feed slurry concentration and flocculant dosage) were studied. The results show that in the flocculant type screening experiments, there is little difference between the four flocculants and the yield stress of their respective slurries. The slurry has the minimum viscosity when using N123, and the inside water of aggregates can be easily extruded, thus the best flocculation settling results are obtained. The solid flux and the underflow volume fraction are high when the feed slurry concentration is 10%?15% and the flocculant dosage is 25 g/t. Meanwhile, the minimum yield stress and viscosity can be reached, which benefits the consolidation dewatering and rake running.

flocculation settling; rheological characteristics; dewatering; flocculant

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.032

TD853

A

1672?7207(2016)10?3523?07

2015?10?02；

2015?12?22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51374034)；國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAB08B02)(Project(51374034) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012BAB08B02) supported by the National Key Technology Research and Development Program of China)

王洪江，博士，博士生導(dǎo)師，從事充填采礦、溶浸采礦及巖石力學(xué)研究；E-mail: yanghuarong2014@yeah.net