張欽禮，王 石，王新民

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絮凝劑單耗對(duì)全尾砂漿渾液面沉速的影響規(guī)律

張欽禮，王 石，王新民

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

以某鉛鋅銀礦全尾砂沉降試驗(yàn)為例，分析添加不同絮凝劑單耗時(shí)，全尾砂漿渾液面沉速的變化規(guī)律，旨在探究3個(gè)不同沉降階段的機(jī)理。結(jié)果表明：隨添加相對(duì)分子質(zhì)量為8×106的陰離子聚丙烯酰胺(APAM)單耗的增加，1 min內(nèi)全尾砂漿的渾液面沉速先增加后減?。辉诩铀僮杂沙两刀?，游離的“細(xì)”顆粒尾砂及過(guò)多的絮團(tuán)水影響了渾液面沉速；在干涉沉降段，空間位阻效應(yīng)導(dǎo)致的尾砂顆粒間互相排斥降低了渾液面沉速；在壓縮沉降段，孔隙水減少及絮團(tuán)水增加改變界面沉速；絮凝劑單耗0、10、20、30和40 g/t分別表示無(wú)、低、合理、高和超量。

APAM；全尾砂；絮凝體；沉速；作用機(jī)理

隨著對(duì)充填質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)、節(jié)約資源和降低成本越來(lái)越高的要求，添加絮凝劑對(duì)全尾砂漿進(jìn)行快速絮凝濃縮已成為礦山充填的重點(diǎn)[1?2]。該措施能保證放砂濃度和流量，提高尾砂利用率，降低溢流水含砂量，節(jié)約充填站基建和尾礦庫(kù)維護(hù)費(fèi)用[3?4]。其中，全尾砂漿渾液面沉速更是直接關(guān)系到濃密設(shè)備選型和充填效率[5]。作為影響渾液面沉速大小的關(guān)鍵因素之一—絮凝劑添加單耗，加強(qiáng)其研究是保證充填技術(shù)和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的基礎(chǔ)。

有關(guān)絮凝劑及其對(duì)砂漿沉降的影響，諸多國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家已進(jìn)行了廣泛的研究。ESWARAIAH等[6]發(fā)現(xiàn)對(duì)于超細(xì)鐵礦砂漿，陰離子型絮凝劑的絮凝效果遠(yuǎn)好于陽(yáng)離子型和非離子型；SELOMUYA等[7]利用光學(xué)顯微鏡和X射線衍射，對(duì)絮團(tuán)顆粒和沉淀層微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可視化研究；TAO等[8]研究了量筒內(nèi)砂漿絮凝沉降規(guī)律，認(rèn)為在沉降過(guò)程中存在擾動(dòng)區(qū)、沉降區(qū)和壓密區(qū)；焦華喆等[9]研究了給料濃度和絮凝劑單耗，對(duì)尾礦最大沉速和靜止沉降極限濃度的影響；王勇等[10]分析了絮凝劑用量對(duì)尾礦濃密的影響機(jī)理，將絮凝劑添加量劃分為低、合適、高及超高4個(gè)區(qū)間；吳愛(ài)祥 等[11]用Design-Expert軟件分析篩選了影響全尾砂絮凝沉降的因素，并給出了各因素最優(yōu)值。上述研究包涵絮凝劑種類(lèi)與用量、料漿濃度、絮凝沉降微觀現(xiàn)象等對(duì)絮凝沉降的影響機(jī)理，但未涉及絮凝劑單耗對(duì)渾液面沉速變化規(guī)律的影響。

本文作者以某鉛鋅銀礦全尾砂漿渾液面沉速的變化規(guī)律為基礎(chǔ)，獲取沉降時(shí)間、絮凝劑單耗及渾液面沉速三者的關(guān)系信息，結(jié)合全尾砂漿在量筒內(nèi)的沉降階段理論，最終探討在不同沉降階段內(nèi)絮凝劑單耗對(duì)渾液面沉速的作用機(jī)理。

1 絮凝機(jī)理與沉降假設(shè)

1.1 不同單耗APAM的絮凝機(jī)理

APAM作為一種陰離子型高分子絮凝劑，其高分子長(zhǎng)鏈就像梁橋一樣，搭在兩個(gè)或多個(gè)尾砂顆粒上，并以自己的活性基團(tuán)與尾砂顆粒表面起作用，將尾砂顆粒連接形成絮凝團(tuán)，即“橋連作用”[12?13]。該機(jī)理發(fā)生必要的條件是：1) 高分子絮凝劑在表面的吸附不緊密，有足夠數(shù)量的鏈環(huán)、鏈尾向尾砂顆粒周?chē)杂缮斐觯?) 高分子絮凝劑在表面的吸附比較稀松，尾砂顆粒表面有足夠的可供進(jìn)一步吸附的空位[14]。當(dāng)絮凝劑單耗不同時(shí)，高分子鏈與尾礦顆粒的橋連機(jī)理不同，根據(jù)絮凝劑單耗的橋連情況，將其分為低單耗、合理單耗和高單耗3種。這3種情況的橋連機(jī)理如圖1所示。

一個(gè)高分子絮凝劑分子與一個(gè)尾砂顆粒相互碰撞時(shí)，高分子絮凝劑分子中的某些基團(tuán)就會(huì)吸附在尾砂顆粒表面上，而其余部分就朝外伸向溶液中，捕獲具有吸附空位的尾砂顆粒，橋連形成絮凝體[12]。添加的絮凝劑單耗較低時(shí)，砂漿中沒(méi)有足夠多的高分子絮凝分子，存在一些同樣具備吸附空位的尾砂顆粒無(wú)法被吸附，而游離在砂漿中(見(jiàn)圖1中Ⅰ)；添加的絮凝劑單耗合理時(shí)，砂漿中的高分子絮凝分子量足以吸附可被捕獲的所有尾礦顆粒，沒(méi)有過(guò)多的高分子絮凝分子和游離的尾礦顆粒存在(見(jiàn)圖1中Ⅱ)；添加的絮凝劑單耗較高時(shí)，尾砂顆粒表面被高分子絮凝劑分子所飽和，尾砂顆粒表面已無(wú)吸附空位而使高分子絮凝劑失去架橋作用(見(jiàn)圖1中Ⅲ)。

1.2 “粗”與“細(xì)”顆粒的假定與沉速

全尾砂是一種非均勻群體顆粒，具有較廣的粒徑范圍。高分子絮凝劑的“橋連作用”一般針對(duì)粒徑較細(xì)的尾礦顆粒，當(dāng)尾礦顆粒粒徑增大到一定值就很難參與橋連。試驗(yàn)中，為了便于分析，將能參與“橋連作用”的尾礦顆粒稱(chēng)為“細(xì)”顆粒，反之稱(chēng)為“粗”顆粒。砂漿中，“粗”顆粒的沉速取決于自身重力克服黏性阻力和形狀阻力的程度[15]?！凹?xì)”顆粒與高分子絮凝劑橋連而形成較大的絮凝體，這些絮凝體的結(jié)構(gòu)松散、無(wú)定形，互相連結(jié)但不很穩(wěn)固，內(nèi)部有很多空間和很多微細(xì)的網(wǎng)絡(luò)，包藏著大量液體，因而絮凝體的密度頗接近它所存在的液體本身，因而沉速較 小[16]。兩種顆粒在砂漿中的沉速不同。

1.3 試驗(yàn)用絮凝劑量的折算

絮凝劑單耗指每噸全尾砂絮凝劑固體的添加質(zhì)量。試驗(yàn)前，全尾砂會(huì)按試驗(yàn)需要配置成全砂漿，為使絮凝劑更好的滿足與“細(xì)”顆粒的橋連，需將其配置成低濃度溶液。試驗(yàn)中，在全尾砂漿中根據(jù)需要添加適量經(jīng)折算的絮凝劑溶液。絮凝劑單耗J(g/t)與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)絮凝劑溶液添加量M(mL)的關(guān)系式[15]為

式中：w為全尾砂漿質(zhì)量濃度，%；為試驗(yàn)用全尾砂漿體積，mL；為絮凝劑濃度，%；v為全尾砂漿體積濃度，%；及為全尾砂和水的密度，t/m3。

2 絮凝沉降試驗(yàn)

2.1 材料性能

試驗(yàn)物料為某鉛鋅銀礦選廠綜試基地排出的全尾砂，密度2.83 t/m3，6＜pH＜7，屬中性偏酸性。全尾砂的粒徑組成見(jiàn)表1。從表1可知，全尾砂粒度偏細(xì)，0.050 mm以下顆粒所占比例51 %，中值粒徑50僅為0.049 mm，且不均勻系數(shù)較大(12.7)。

圖1 不同絮凝劑單耗的橋連機(jī)理

表1 某礦全尾砂粒徑組成

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

選取多種絮凝劑進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，得沉降效果最好的絮凝劑為相對(duì)分子質(zhì)量為8×106的APAM。進(jìn)行添加不同絮凝劑單耗的全尾砂漿沉降試驗(yàn)：

1) 用精度為0.01 g的電子稱(chēng)稱(chēng)取1 g相對(duì)分子質(zhì)量為8×106的APAM，將其移至裝有1000 mL水的量筒中，用攪拌器以40 r/min的速度持續(xù)攪拌60 min，制成濃度為0.001的絮凝劑溶液備用。

2) 用精度為0.1 g的電子稱(chēng)稱(chēng)取適量的全尾砂和水，分別在5個(gè)不同的1000 mL量筒中配置體積濃度為0.12的全尾砂漿。

3) 用移液管按噸礦絮凝劑單耗0、10、20、30和40 g分別向5個(gè)量筒中轉(zhuǎn)移絮凝劑溶液0、2.78、5.56、8.34和11.12 mL。

4) 玻璃棒攪拌30s后立刻停止，按連續(xù)間隔時(shí)間0.5、1、2、5、8、10、15、20和60 min記錄全尾砂漿固液分界面高度的變化值。

2.3 結(jié)果與分析

繪制不同絮凝劑單耗情況下，固液分界面高度與時(shí)間的關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 不同絮凝劑單耗砂漿的沉降曲線

對(duì)圖2進(jìn)行處理，繪制不同絮凝劑單耗情況下，不同沉降時(shí)間段內(nèi)的渾液面沉速變化圖，如圖3所示。

由圖3可知，沉降時(shí)間為0.5 min時(shí)，APAM的絮凝效果明顯，絮凝劑單耗為20 g/t的渾液面沉速是不添加絮凝劑的25.6倍。沉降時(shí)間為1 min內(nèi)時(shí)，絮凝劑單耗為20 g/t的渾液面沉速最快，最高可達(dá)28.64 cm/min，30 g/t和40 g/t的渾液面沉速次之，10 g/t的渾液面沉速最小。1 min后各砂漿渾液面沉速均迅速降低，沉降時(shí)間為1~5 min時(shí)，由于具有較多的沉降空間，絮凝劑單耗為10 g/t的渾液面沉速最大，而20 g/t的渾液面沉速最小，僅有1 min內(nèi)的2%~9%。沉降時(shí)間5~10 min時(shí)，各砂漿的渾液面沉速緩慢降低至0.5~0.6 cm/min。沉降時(shí)間10 min之后，沉降已極不明顯，渾液面沉速逐漸趨于零。

圖3 不同時(shí)間段內(nèi)的渾液面沉速

對(duì)比相同絮凝劑單耗下，渾液面沉速與時(shí)間的關(guān)系，繪制絮凝劑單耗與沉降速度的關(guān)系圖，如圖4所示。

由圖4可知，絮凝劑單耗為0 g/t時(shí)，不同時(shí)間段內(nèi)的渾液面沉速相差不大；絮凝劑單耗為10 g/t時(shí)，前2 min渾液面沉速較快，渾液面的沉速比0.5 min:1 min:2 min為3:1.5:1，5~10 min時(shí)渾液面沉速迅速降低為0.5~0.6 cm/min，0.5 min時(shí)的渾液面沉速是10 min的30倍；絮凝劑單耗為20 g/t時(shí)，前1 min的渾液面沉速較快，1 min后渾液面沉速迅速變小并緩慢降低，10 min時(shí)的渾液面沉速僅是0.5 min的2%；絮凝劑單耗為30 g/t和40 g/t時(shí)，均表現(xiàn)出與20 g/t相似的沉降速度。

圖4 不同絮凝劑單耗的渾液面沉速

3 絮凝劑單耗對(duì)渾液面沉速的作用機(jī)理分析

全尾砂漿在量筒內(nèi)的沉降過(guò)程主要分4個(gè)階段：加速沉降段、自由沉降段、干涉沉降段和壓縮沉降 段[15]。在各個(gè)階段內(nèi)，不同絮凝劑單耗對(duì)砂漿渾液面沉速的作用機(jī)理不同。由于在加速沉降段和自由沉降段內(nèi)，絮凝體和“粗”顆粒尾砂均在水溶液中自由沉降，未受到筒底淤積層的影響，兩者的沉降機(jī)理基本相同，因此，將這兩個(gè)沉降階段稱(chēng)為加速自由沉降段進(jìn)行機(jī)理分析。

3.1 加速自由沉降段的機(jī)理分析

在試驗(yàn)的攪拌過(guò)程中，“細(xì)”顆粒尾砂與高分子絮凝劑分子逐步結(jié)合形成了絮凝體。攪拌結(jié)束后，“粗”顆粒尾砂在重力的作用下迅速下沉，由于絮凝體存在松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)“粗”顆粒尾砂撞上這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后，便被“網(wǎng)住”，進(jìn)而帶動(dòng)絮凝體一起下沉。在加速自由沉降段，不同絮凝劑單耗對(duì)渾液面沉速的影響情況如圖5所示。

添加的絮凝劑單耗低時(shí)，部分“粗”顆粒尾砂被“網(wǎng)住”與絮凝體一同下沉，還有一部分“粗”顆粒尾砂未被“網(wǎng)住”而直接沉降到筒底，因此，添加APAM后砂漿渾液面沉速較快。然而，此時(shí)砂漿中仍然存在一些游離的“細(xì)”顆粒尾砂，這些尾砂顆粒難以下沉，砂漿的渾液面沉速低于添加絮凝劑單耗更高的砂漿(見(jiàn)圖5中Ⅰ)。添加的絮凝劑單耗合理時(shí)，幾乎全部“粗”顆粒尾砂均參與到與絮凝體的共同下沉，此時(shí)砂漿的渾液面沉速最快(見(jiàn)圖5中Ⅱ)。添加的絮凝劑單耗高時(shí)，“細(xì)”顆粒尾砂表面吸附著過(guò)量的高分子絮凝劑分子，在兩者之間會(huì)產(chǎn)生更多的絮團(tuán)水[17]，造成“細(xì)”顆粒尾砂粒徑增大，絮凝體密度更接近水而沉速更慢，“粗”顆粒尾砂的帶動(dòng)沉降效果變差(見(jiàn)圖5中Ⅲ)。

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)況和圖2可得，該沉降階段分別體現(xiàn)在各砂漿0~15 min(0 g/t)，0~1 min(10 g/t)，0~0.5 min(20 g/t)，0~1 min(30 g/t)和0~2 min(40 g/t)的沉降時(shí)間段內(nèi)。此時(shí)，渾液面距筒底的距離均約為11 cm，絮凝劑單耗20 g/t的平均渾液面沉速為10 g/t的2.2倍，而30 g/t的平均渾液面沉速為20 g/t的52 %，40 g/t的平均渾液面沉速僅為20 g/t的26%。因此，機(jī)理分析與試驗(yàn)過(guò)程相符，0、10、20、30和40 g/t的絮凝劑單耗分別表示無(wú)、低、合理、高和超量。

3.2 干涉沉降段的機(jī)理分析

在該階段，筒底淤積層會(huì)影響渾液面的沉速。此時(shí)，不同絮凝劑單耗對(duì)渾液面沉速的影響情況如圖6所示。

圖5 加速自由沉降段渾液面沉速的作用機(jī)理

圖6 干涉沉降段渾液面沉速的作用機(jī)理

添加的絮凝劑單耗低或合理時(shí)，筒底淤積層會(huì)阻止絮凝體、游離的“粗”顆粒及“細(xì)”顆粒尾砂的沉降，且這些顆粒不會(huì)對(duì)其它顆粒的沉降產(chǎn)生影響(見(jiàn)圖6中Ⅰ和Ⅱ)。添加的絮凝劑單耗高時(shí)，高分子吸附膜的空間位阻效應(yīng)會(huì)使尾砂顆粒間互相排斥[18]，筒底淤積層阻擋絮凝體的下沉，隨時(shí)間的延長(zhǎng)在淤積層上絮凝體的“濃度”會(huì)逐漸增加，排斥效果會(huì)更加明顯，渾液面沉速會(huì)極大地降低(見(jiàn)圖6中Ⅲ)。

該沉降階段分別體現(xiàn)在各砂漿15~20 min(0 g/t)，1~2 min(10 g/t)，0.5~1 min(20 g/t)，1~8 min(30 g/t)和2~10 min(40 g/t)的沉降時(shí)間段內(nèi)。此時(shí)，渾液面距筒底的距離均約為9 cm，絮凝劑單耗為20 g/t的平均渾液面沉速與10 g/t大致相同，是不添加絮凝劑的7倍，而30 g/t的平均渾液面沉速僅為20 g/t的10%，40 g/t的渾液面沉速更慢。機(jī)理分析與試驗(yàn)過(guò)程相符。

3.3 壓縮沉降段的機(jī)理分析

在該階段，渾液面與筒底淤積層重合為一個(gè)界面，而后此界面緩慢下降。此時(shí)，不同絮凝劑單耗對(duì)沉速的影響情況如圖7所示。

添加的絮凝劑單耗低時(shí)，“粗”顆粒尾砂與“細(xì)”顆粒尾砂之間主要充斥著孔隙水，在重力的作用下，部分孔隙水可被慢慢擠出，界面呈現(xiàn)出一定的沉速(圖7中Ⅰ)。添加的絮凝劑單耗合理時(shí)，尾砂顆粒之間不僅存在孔隙水，還有絮團(tuán)之間的絮團(tuán)水，絮團(tuán)水難以擠出，界面沉降速度略低[19](見(jiàn)圖7中Ⅱ)。添加的絮凝劑單耗高時(shí)，尾砂顆粒之間主要為絮團(tuán)水，在絮團(tuán)水的保護(hù)和包裹作用下，界面沉降速度很小(見(jiàn)圖7中Ⅲ)。

該沉降階段分別體現(xiàn)在各砂漿大于20 min(0 g/t)，大于2 min(10 g/t)，大于1 min(20 g/t)，大于8 min(30 g/t)和大于10 min(40 g/t)的沉降時(shí)間段內(nèi)。此時(shí)，在20~60 min的沉降時(shí)間段內(nèi)，絮凝劑單耗為10 g/t的界面平均沉速是不添加絮凝劑的1/9，是20 g/t的2倍，而30 g/t和40 g/t的界面平均沉速僅為10 g/t的25 %左右。

工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要選擇合理單耗的絮凝劑，既要保證技術(shù)要求，又要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益。此外，為保證全砂漿有較高的底流濃度，以制備出較高濃度的料漿，可用耙架結(jié)構(gòu)打破絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，擠出水分，使顆粒重排。

4 結(jié)論

1) 添加不同單耗相對(duì)分子量為8×106的APAM，做某鉛鋅銀礦的全尾砂漿沉降試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨添加絮凝劑單耗的增加，1 min內(nèi)全尾砂漿的渾液面沉速先增加后減小，之后逐漸變慢，10 min后沉速已極不明顯。

2) 在加速自由沉降段，“粗”顆粒尾砂在自重下，帶動(dòng)具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絮凝體一同下沉。添加絮凝劑單耗低和高的砂漿中分別存在游離的“細(xì)”顆粒尾砂和過(guò)多的絮團(tuán)水，使其渾液面沉速低于絮凝劑單耗合理的砂漿。

3) 在干涉沉降段，添加絮凝劑單耗高的砂漿中存在空間位阻效應(yīng)，使尾砂顆粒間互相排斥，其渾液面沉速低于絮凝劑單耗低和合理的砂漿。

4) 在壓縮沉降段，隨著絮凝劑單耗的增加，尾砂顆粒間的孔隙水減少，絮團(tuán)之間的絮團(tuán)水增加，絮團(tuán)水難以擠出，界面沉降速度逐漸變小。

圖7 壓縮沉降段沉速的作用機(jī)理

5) 機(jī)理分析與試驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)象相符，絮凝劑單耗0、10、20、30和40 g/t分別表示無(wú)、低、合理、高和超量。

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Influence rules of unit consumptions of flocculants on interface sedimentation velocity of unclassified tailings slurry

ZHANG Qin-li, WANG Shi, WANG Xin-min

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Taking sedimentation tests of all tailings of a Pb-Zn-Ag mine as an example, change laws of interface sedimentation velocity of added different unit consumptions of flocculants were analyzed, which was in order to explore mechanism of three different sedimentation periods. The results show that interface sedimentation velocity of unclassified tailings slurry firstly increases and then decreases in one minute, as the increase of added anionic polyacrylamide (APAM) whose relative molecular weight is 8×106. At the accelerating and free sedimentation period, interface sedimentation velocity is influenced by dissociative fine particle tailings and more flocculent water. At the interfering sedimentation period, interface sedimentation velocity is decreased by repulsive force between tailing particles, which is caused by steric effect. At the compressing sedimentation period, interface sedimentation velocity is changed by reducing void water and adding flocculent water. The unit consumptions of flocculants 0, 10, 20, 30 and 40 g/t, represent no, low, reasonable, high and excess, respectively.

APAM; unclassified tailings; flocs; sedimentation velocity; action mechanism

(編輯 何學(xué)鋒)

Project(2013BAB02B05) supported by the National Science and Technology Pillar Program of China

2015-12-28; Accepted date:2016-03-28

ZHANG Qin-li; Tel: +86-13170310448; E-mail: zhangqinlicn@126.com

1004-0609(2017)-02-0318-07

TD85

A

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAB02B05)

2015-12-28；

2016-03-28

張欽禮，教授，博士；電話：13170310448；E-mail: zhangqinlicn@126.com