梁 效 王勇海,3 吳天驕 趙笑益
(1.西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司,陜西西安710054;2.陜西省礦產(chǎn)資源綜合利用工程技術(shù)研究中心,陜西西安710054;3.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院,湖南長沙410083)
我國鐵礦石大多是貧、細(xì)礦,在分選的過程中多通過細(xì)磨提高鐵礦物與脈石的解離度,從而提高其分選指標(biāo)。但這也造成了選礦后尾礦粒度細(xì)、沉降難度大、尾礦水濁度高等問題[1-3]。如果尾礦水回用,會惡化浮選過程;尾礦水直接排放,又會對周邊水體造成污染。因此,尾礦絮凝沉降對提高尾礦水水質(zhì)、加強(qiáng)尾礦水的回用至關(guān)重要。目前,對尾礦絮凝沉降的研究和應(yīng)用廣泛,多數(shù)尾礦通過添加高分子絮凝劑即可加速沉降、凈化回水[4-7]。但由于礦山生產(chǎn)技術(shù)提高、尾礦性質(zhì)變差等原因,常規(guī)絮凝劑對尾礦的沉降效果可能無法滿足實際生產(chǎn)的需要。近年來,研發(fā)新型絮凝劑及采用絮凝劑復(fù)配來提高尾礦的絮凝沉降效果成為研究的新方向[8-10]。如TLT8626[11]、FS3802[12]、BSF8140[1]、N1500[13]、AL9020[14]等新型高分子絮凝劑在鋁土礦、金礦、鐵礦尾礦及煤泥水沉降中表現(xiàn)出較好的性能,聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺[15]、水合硫酸亞鐵+聚丙烯酰胺[16]、氯化鎂+AL9020[17]、TLT8626+AS3318[11]等絮凝劑復(fù)配能夠提高含泥量高的尾礦的沉降效果,這些新型絮凝劑及絮凝劑復(fù)配的研究與應(yīng)用對選廠尾礦沉降及與之相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)起著重要的作用。
陜西某鐵礦選礦廠處理量為30萬t/a,尾礦沉降速度慢、尾水濁度高、質(zhì)量差,一直未回用。為了提高尾礦的沉降效果,促進(jìn)尾水回用,通過單獨使用聚合氯化鋁、明礬、氯化鐵無機(jī)絮凝劑和陽離子50#、陰離子聚丙烯酰胺、新型AL9020有機(jī)高分子絮凝劑以及采用絮凝劑復(fù)配的方式對尾礦進(jìn)行沉降試驗研究,分析了無機(jī)和有機(jī)絮凝劑復(fù)配對尾礦沉降的作用機(jī)理,為選廠尾礦快速沉降,提高尾水質(zhì)量,加強(qiáng)尾水回用提供依據(jù)。
試驗用鐵尾礦采自陜西某鐵礦選礦廠,測得礦漿質(zhì)量濃度為16.4%,pH為7.04。使用激光粒度分析儀對尾礦進(jìn)行粒度分析,結(jié)果見表1。由表1結(jié)果可知,尾礦樣粒度很細(xì),-75 μm粒級產(chǎn)率為79.37%,-10 μm粒級產(chǎn)率為33.35%,因此,在自然狀態(tài)下尾礦沉降困難,尾礦水質(zhì)量較差,需要進(jìn)行絮凝沉降以提高尾礦的沉降效率。
試驗藥劑主要為3種常規(guī)的無機(jī)絮凝劑:聚合氯化鋁(PAC)、明礬和氯化鐵(FeCl3);3種有機(jī)絮凝劑:陽離子50#絮凝劑(Y-50#)、分子量為1 200萬的陰離子聚丙烯酰胺(APAM-1200)和新型AL9020絮凝劑。各絮凝劑來源及純度見表2。
試驗過程中使用絮凝劑時,將無機(jī)絮凝劑配制成濃度為3%的溶液,有機(jī)絮凝劑配制成濃度為1‰的溶液。
將絮凝劑配制成溶液,每次量取等量的尾礦漿置入1 L量筒中,用注射器加入絮凝劑。量筒加蓋并上下翻轉(zhuǎn)10次,使絮凝劑與礦物顆粒充分作用。靜置后開始計時,并記錄澄清層的下降距離,按公式(1)計算沉降速度。20 min時測定澄清層的濁度,最后以尾礦的沉降速度和澄清層的濁度來評價沉降效果。沉降速度計算公式:
式中:v為沉降速度,m/d;H為臨界點澄清層高度,米;t為到達(dá)臨界點的澄清時間,h。
對尾礦進(jìn)行自然沉降,并使用3種無機(jī)絮凝劑和3種有機(jī)絮凝劑分別對尾礦進(jìn)行絮凝沉降試驗。無機(jī)絮凝劑加入量為300 g/m3;有機(jī)絮凝劑加入量為15 g/m3。自然沉降及不同絮凝劑對尾礦的沉降曲線見圖1,沉降速度和澄清層濁度結(jié)果見表3。
從圖1和表3結(jié)果可以看出,尾礦自然沉降速度慢,需要進(jìn)行絮凝加快沉降速度。使用有機(jī)絮凝劑時,尾礦的絮凝沉降速度遠(yuǎn)大于使用無機(jī)絮凝劑時,在有機(jī)絮凝劑中,使用APAM-1200和AL9020尾礦絮凝沉降速度快,而使用Y-50#絮凝劑時尾礦沉降速度相對較慢;在無機(jī)絮凝劑中,使用FeCl3時尾礦絮凝沉降速度優(yōu)于使用PAC和明礬絮凝沉降的尾礦。
從試驗現(xiàn)象及濁度結(jié)果來看,尾礦自然沉降澄清層渾濁,濁度最大。使用有機(jī)絮凝劑絮凝沉降時澄清層較渾濁,其中Y-50#澄清層的濁度最大,APAM-1200和AL9020澄清層濁度相差不大。使用無機(jī)絮凝劑絮凝時澄清層透明,濁度均很小。無機(jī)絮凝劑絮凝后尾礦顆粒形成的絮團(tuán)小且松散,堆積體積大,而有機(jī)絮凝劑絮凝后形成的絮團(tuán)大,很快沉降,堆積后的體積小。
綜合來看,AL9020對尾礦的絮凝沉降速度最大,但澄清層較渾濁;3種無機(jī)絮凝劑絮凝沉降速度較有機(jī)絮凝劑慢很多,但澄清層透亮,因此,無機(jī)和有機(jī)絮凝劑配合使用效果可能會更好。3種無機(jī)絮凝劑中FeCl3對尾礦的沉降效果最好,因此選擇FeCl3與新型AL9020有機(jī)絮凝劑復(fù)配對尾礦進(jìn)行沉降試驗研究。
FeCl3的用量選擇分別為 150、200、250、300 g/m3,并以FeCl3每次的用量為定量,分別加入5、10、15、20 g/m3的AL9020。兩種絮凝劑配合使用時尾礦的沉降曲線見圖2~圖5,沉降速度和澄清層濁度結(jié)果見表4。
從圖2~圖5以及表4的結(jié)果可知,隨著FeCl3和AL9020用量的增大,尾礦的絮凝沉降速度均有增大的趨勢。但沉降速度增大的主要原因是AL9020用量的增大,當(dāng)AL9020用量從5 g/m3增大到15 g/m3時,尾礦的沉降速度呈線性增大;當(dāng)AL9020用量≥15 g/m3時,尾礦的沉降速度增幅不明顯。加入FeCl3后,澄清層濁度均很低,在21~27NTU之間。FeCl3和AL9020配合使用時,既提高了尾礦的沉降速度,又降低了澄清層濁度,發(fā)揮了兩者各自的優(yōu)勢。
試驗中發(fā)現(xiàn)FeCl3用量為300 g/m3,AL9020用量≥15 g/m3時,產(chǎn)生大量棉狀絮團(tuán),導(dǎo)致尾礦沉降后體積蓬松,需要很長時間才能自然壓實。綜合考慮藥劑成本,選擇FeCl3和AL9020的用量分別為200 g/m3和15 g/m3比較適宜,此時尾礦的沉降速度為301.68 m/d,澄清層濁度為23NTU,沉降效率較兩者單獨使用時大幅提高。
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。測得尾礦自然狀態(tài)下的Zeta電位為-18.26 mV,說明尾礦中顆粒表面帶有負(fù)電荷。不同F(xiàn)eCl3用量下礦漿的Zeta電位變化情況見圖6。
由圖6可以看出,隨著FeCl3用量的增大,尾礦的Zeta電位逐漸增大,并趨近于0。這說明添加無機(jī)絮凝劑可以降低尾礦顆粒表面的負(fù)電荷,從而減弱顆粒間的靜電斥力,增加范德華引力,提高顆粒之間相互碰撞的幾率,進(jìn)而促進(jìn)微細(xì)顆粒凝聚成較大的顆粒而沉淀。有機(jī)高分子絮凝劑分子量大、分子結(jié)構(gòu)鏈長,能夠通過架橋作用使凝聚的顆粒迅速聚連成較大的絮團(tuán)而沉淀下來。無機(jī)絮凝劑和有機(jī)高分子絮凝劑之間的協(xié)同效應(yīng)過程見圖7。
如圖7所示,將無機(jī)絮凝劑和有機(jī)高分子絮凝劑配合使用,先利用無機(jī)絮凝劑中和電荷,使微細(xì)顆粒凝聚成較大的顆粒,再通過有機(jī)高分子絮凝劑的橋聯(lián)作用使顆??焖傩纬审w積大的絮凝物,能夠加快細(xì)顆粒的沉降速度,最終提高尾礦的沉降效果。
(1)鐵尾礦粒度細(xì),小于74 μm的含量近80%。尾礦自然沉降速度慢,為6.60 m/d,且澄清層渾濁,濁度為237NTU,需要加入絮凝劑加速沉降。
(2)有機(jī)高分子絮凝劑能夠顯著提高鐵尾礦的沉降速度,且AL9020對尾礦的絮凝沉降效果優(yōu)于Y-50#和APAM-1200。無機(jī)絮凝劑對降低澄清層濁度作用明顯,但在提高尾礦的絮凝沉降速度方面不如有機(jī)絮凝劑,3種無機(jī)絮凝劑的沉降效果為:FeCl3>PAC>明礬。
(3)無機(jī)和有機(jī)絮凝劑配合使用,一方面通過無機(jī)絮凝劑消除尾礦顆粒間的靜電斥力,另一方面通過有機(jī)高分子絮凝劑的橋連作用使得顆粒形成大絮團(tuán),既能降低澄清層的濁度,又能加快尾礦的沉降速度。當(dāng)FeCl3用量為200 g/m3、AL9020用量為15 g/m3時,尾礦的沉降速度為301.68 m/d,澄清層濁度為23NTU,沉降速度較自然沉降提高了45倍,澄清層濁度降低了10倍。