鄧 旭, 孫剛臣, 張喜偉

1. 桂林理工大學 土木與建筑工程學院, 廣西 桂林 541004; 2. 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室, 廣西 桂林 541004

1 研究背景

中國是一個礦產(chǎn)資源大國, 鋁土資源的儲量位居世界第4, 隨著中國氧化鋁工業(yè)的高速發(fā)展, 氧化鋁產(chǎn)量逐年增高, 而氧化鋁生產(chǎn)時需要用到大量的水來沖洗原礦, 洗礦后的廢水經(jīng)過沉降, 形成的高含水量泥漿稱之為礦泥, 據(jù)統(tǒng)計, 每生產(chǎn)1 t 氧化鋁需要排出礦泥1～2.5 t[1]。 僅2015 年中國的礦泥排放量就超過8 000 萬t[2], 截至2016 年, 中國礦泥累計存量超過3.5 億t[3], 如此大量的尾礦堆積, 不僅浪費了大量的土地資源, 還給自然環(huán)境與人類造成大量污染及巨大危害。

尾礦泥在工業(yè)生產(chǎn)中的回收方式主要為露天堆存使其自由沉降, 使礦泥顆粒自由遷移后脫水回收, 在自由沉降中, 顆粒主要受到顆粒自身的重力、 介質浮力和顆粒粒徑組成的影響[4]。 根據(jù)廣西冶金研究所《那豆礦區(qū)堆積鋁土礦洗礦工業(yè)試驗報告》 提供的礦泥粒度組成分析: “礦泥很細, 尤以粘、 膠粒含量高,其中小于75 μm 的細微顆粒平均質量占比超過90%,按照土工試驗規(guī)程中的土的分類方法, 其屬于高液限粉土。” 梁越等[5]認為在反濾試驗中基料顆粒粒徑越小, 試驗過程中水力梯度從顆粒起動臨界水力梯度值到整體破壞水力梯度值的變化量更小, 整體破壞發(fā)生得越突然; 反之粒徑越大, 顆粒起動水力梯度至整體破壞水力梯度的變化量更大, 整體破壞所需時間越長。

梁越等[5]研究發(fā)現(xiàn)均勻土基料級配相同情況下,顆粒臨界水力梯度與破壞水力梯度與濾層顆粒粒徑呈線性關系。 減小濾層顆粒粒徑一定程度上可以提高基料顆粒起動臨界水力梯度, 但減少達到一定值后繼續(xù)減小濾層顆粒粒徑臨界水力梯度反而減小。 濾層顆粒級配與基料顆粒級配之間存在最佳級配。 使濾層反濾效果達到最大, 基料不均勻系數(shù)Cu=d60/d10 較小時, 基料顆粒越均勻, 顆粒級配越單一, 顆粒反而越不容易起動。 當顆粒不均勻系數(shù)達到1.86 以后, 基料顆粒起動臨界水力梯度隨不均勻系數(shù)增大基本保持不變。 肖芳玲、 張愛軍指出, 易流失土顆粒主要是小顆粒, 皆小于被保護土中值粒徑d50[6]。 張升等[7]在研究砂—粉土混合料在列車荷載作用下細顆粒遷移機制時發(fā)現(xiàn), 細顆粒遷移現(xiàn)象試樣淺層區(qū)較為顯著, 且顆粒粒徑越細, 遷移量總體越明顯。 隨著時間的推移, 細顆粒遷移促使試樣軸向顆粒級配的差異性逐漸增強, 試樣軸向水力性質的改變進一步加劇孔隙水和細顆粒發(fā)生遷移。 陳輪[8]和顏永國等[9]認為, 在應力條件和土顆粒屬性條件一定的情況下, 濾層表面土顆粒拱結構的形成受顆粒級配的影響。 而土拱結構或團聚體的形成也會反作用于土顆粒的遷移過程。Chang[10]指出, 細粒含量多、 級配差、 粘聚力小、內部不穩(wěn)定的土, 在相同情況下更容易遷移。

由上可知, 國內外對礦泥漿懸浮顆粒的遷移已經(jīng)進行了一些有益的研究, 但主要集中于較大顆粒(大于75 μm) 之間的規(guī)律, 而對顆粒較細的礦泥漿(小于75 微米級細顆粒占比70%～90%) 研究尚不完善; 且大多研究的是懸浮狀態(tài)下的大顆粒遷移現(xiàn)象, 而對鋁礦泥漿這種近流塑狀態(tài)的土顆粒遷移情況研究較少。 因此, 有必要進一步研究微米級細顆粒顆粒級配、 內部結構性質對礦泥漿顆粒遷移影響規(guī)律, 以揭示礦泥漿內部顆粒遷移形成過程和發(fā)展的機理。 故研究尾礦泥顆粒中小于75 μm 的粒徑組成規(guī)律是研究礦泥顆粒遷移規(guī)律的關鍵點之一。 目前, 由于傳統(tǒng)土工試驗測量中測試小于75 μm 細顆粒粒徑的方法如密度計法、 移液管法受人為操作因素影響較大, 激光粒度儀的動態(tài)光散射測量被廣泛用于測量顆粒級配的分析中[11], 動態(tài)光散射(DLS) 測量布朗運動, 并將此運動與粒徑相關, 這是通過激光照射粒子, 分析散射光的光強波動實現(xiàn)的。 其基于米氏光散射理論, 其基本原理是: 激光被顆粒散射后, 其散射角與顆粒的直徑呈反比, 通過探測器接收散射光的分布, 利用合適的光學模型和數(shù)學程序來獲得待測顆粒的粒度分布[12], 例如丹東百特公司的Bettersize2600、 Bettersize3000 激光粒度分布儀等設備, 其顆粒粒徑測量范圍在0.02～2 600 μm, 基本滿足小于75 μm 顆粒的測量要求。 本文依托于廣西基金, 研究鋁尾礦泥漿中微米級細顆粒的自然沉降規(guī)律, 為進一步研究顆粒遷移規(guī)律提供了一定的理論依據(jù)。

2 試驗材料

試驗礦泥取自平果鋁廠洗礦車間排出后進入濃縮池之經(jīng)初步沉淀的礦泥, 取回后利用軟管排出上部析出水分后靜置2～3 個月, 以模擬現(xiàn)場尾礦庫的自然沉降情況, 經(jīng)土工試驗測得礦泥比重為2.628, 塑限為49.57%, 液限為73.15%, 塑性指數(shù)為25.56, 液性指數(shù)為33.76, 故該原狀礦泥處于流塑狀態(tài), 礦泥如圖1 所示。

圖1 礦泥示意圖Fig.1 Picture of slime

3 試驗方法

3.1 桶內取樣

由于礦泥漿呈流塑狀態(tài), 為了防止礦泥漿在取出時受擾動, 設計特制新型取樣器, 取樣器由推拉式活塞和兩端開口的有機玻璃管組成, 有機玻璃管長40 cm, 直徑15 mm, 表面粘貼刻度條以控制樣品推出的量, 如圖2 所示:

圖2 礦泥取樣Fig.2 Slime sampling

利用自制取樣器進行連續(xù)取樣, 并以每5 cm 劃分緩緩將樣品推出至不同的樣品盒或燒杯備用。

3.2 含水率測試

含水率是礦泥的基本物理指標之一, 它反映礦泥的物理狀態(tài), 含水率的變化將使礦泥的一系列力學性質發(fā)生變化[13], 它是影響顆粒沉降、 遷移過程的重要指標之一, 礦泥漿經(jīng)取樣管取出后烘干、 計算得其含水率與深度關系如表1 所示。

3.3 礦泥預處理

向取出的礦泥中分別加入足量(1 000 mL 左右)的蒸餾水, 并向每組中分別加入4%的六偏磷酸鈉(分散劑) 10 mL, 充分混合后按取樣深度命名為7 組, 如表1 所示。 試驗前, 利用電動攪拌機以1 500 r/min 攪拌10 min 后, 將混合液過75 μm 洗篩漏斗后進入燒杯, 并從燒杯中取少量懸濁液放入激光粒度儀進行測試。

表1 礦泥樣品及含水率變化Table 1 Slime sample and moisture content change

4 試驗結果與分析

4.1 激光粒度儀試驗結果

將激光粒度儀的測試結果匯總, 畫出顆粒級配曲線如圖3, 對比2-1、 2-4、 2-5、 2-6、 2-7 可見, 在小于75 μm 粒徑中, 礦泥中較大顆粒所占百分比隨著深度降低而逐漸減小, 對比較底層礦泥2-1、 2-2,礦泥的級配曲線分別在較大粒徑4.783 μm、 較小粒徑0.078 μm 處相交, 在對比2-1、 2-3 可見, 礦泥的級配曲線分別在較大粒徑2.360 μm、 較小粒徑0.078 μm 處相交。

圖3 礦泥漿顆粒級配曲線Fig.3 Slime particle grading curve

4.2 礦泥顆粒特征粒徑與深度的相關性

由于礦泥取樣為連續(xù)取樣且取樣段較短(5 cm),故可假定每組樣內礦泥粒徑組成均勻變化, 根據(jù)激光粒度儀試驗結果, 將各深度礦泥的特征粒徑統(tǒng)計如下圖4 所示。 可見, 隨著深度逐漸變大, 其有效粒徑d10、 中值粒徑d50、 及d90均呈現(xiàn)增大趨勢, 其特征粒徑和深度具有較好的正相關性且有效粒徑d10在較深20～30 cm 處隨著深度加深迅速增大, 而中位粒徑d50在深度5～10 cm 段隨著深度增加而有所減小。

圖4 礦泥顆粒特征粒徑-深度變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of characteristic size-depth variation of slime particles

4.3 礦泥含水率、 體積平均粒徑與深度的關系

將不同深度的各組樣品的含水率與其對應的體積平均粒徑線性擬合可見, 礦泥漿含水率隨深度加深逐漸降低, 由趨勢線可見兩者呈負線性相關, 線性擬合公式為y=-0.869 1x+136.84, 擬合度R2=0.732 2;而顆粒體積平均直徑隨深度逐漸上升, 由趨勢線可見兩者呈正線性相關, 線性擬合公式為y=0.156 2x+2.971 2, 擬合度R2=0.939 6, 如下圖5 所示。

圖5 含水率-體積平均徑與深度擬合示意圖Fig.5 Fitting diagram of water content-volume mean diameter and depth

4.4 顆粒沉降及礦泥分層討論

為了便于計算, 假定礦泥顆粒為規(guī)則球體, 由于礦泥取回后靜置數(shù)月, 桶內顆粒受重力、 介質濃度及機械阻力的影響。 由于礦粒的沉降末速同顆粒密度、形狀有密切關系, 因此假定顆粒在流體中受到的力F, 則有:

其中:V為顆粒的體積;ρ和ρ0分別為顆粒和介質的密度;g為重力加速度。

當ρ ＞ρ0時, 顆粒下沉運動。 然而顆粒下沉時必會受到介質摩擦阻力, 隨著顆粒不斷運動, 其受到的阻力最終將等于F, 達到平衡, 即:

其中:v為顆粒的沉降速度;f為阻力系數(shù)。

對于球形顆粒, 由Stokes 定律可知, 阻力系數(shù)和介質黏度、 球體半徑有關:

由球體體積計算公式:

簡化得:

即為重力場中的沉降公式, 從式中可以看出: 沉降速度與顆粒半徑的平方成正比, 與介質的黏度成反比, 顆粒的大小對沉降的速度影響較大, 在靜置過程中, 相對較大的顆粒沉降速度更快, 聚集在底部[14](25～35 cm), 而更細的顆粒則懸浮在桶中層(15 ～25 cm) 或漂浮在表層(0～15 cm)。 桶體較下層由于顆粒的不斷沉降, 其顆粒濃度不斷增加, 相當于增加了介質的濃度, 由于顆粒間帶電, 根據(jù)雙電層理論,由于礦泥顆粒表面帶電, 顆粒與顆粒之間受到靜電斥力的作用而相互排斥, 而其之間又存在范德華力導致其存在吸引力, 當吸力大于斥力時, 顆粒間相互吸引, 團聚形成顆粒團, 反之則阻止顆粒團的形成, 阻止顆粒團沉降[15]。

而礦泥漿中富含大量的Al (OH)3, 在含水率高的泥漿中Al (OH)3可發(fā)生如下水解反應[16]:

其中:h為水解度,Kw為水的離子積,Kb為鹽的電離常數(shù),C為摩爾濃度。

由上文可知, 由于下層顆粒濃度不斷增加, 相當于增加了介質的濃度, 即式(7) 中摩爾濃度C上升,而在一定溫度下, 水的離子積常數(shù)和鹽的電離常數(shù)為固定值, 則式(6) 反應向左移動, 生成的負電荷膠粒濃度降低, 從而減少顆粒與顆粒之間的靜電斥力,則顆粒相互吸引、 團聚, 促使顆粒團體積變大, 因此底部(25～35 cm) 處其有效粒徑迅速增大。

漂浮在表層的礦泥顆粒由于含水率較高, 細小礦泥顆粒間易受取樣、 振動等因素擾動, 故表層區(qū)域0～5 cm 處中粒徑存在一段減小的波動段, 而中間段過渡層, 礦泥顆粒介于表層段與沉降凝聚段之間, 受重力作用下, 礦泥顆粒呈較規(guī)律的隨深度線性變化段, 符合Stokes 定律。

故可根據(jù)礦泥的沉降, 可將桶內的礦泥分為3層: 表層、 過渡層及沉降團聚層。

表層(0～15 cm): 顆粒粒徑最小, 顆粒間距大,受擾動程度高。

過渡層(15～25 cm): 顆粒大小隨深度呈正線性相關關系。

沉降團聚層(25～35 cm): 顆粒較大, 由于顆粒間距小、 濃度高, 影響帶電粒子水解, 顆粒間斥力減小, 團聚沉降。

5 結論

本文從Stokes 定律及礦物顆粒水解的電平衡角度進行分析, 研究了自然沉降條件下微米級礦泥顆粒的沉降規(guī)律, 得出以下結論:

(1) 微米級礦泥顆粒的體積平均徑與礦泥所處深度呈線性相關, 隨深度增加礦泥顆粒的體積平均徑呈線性增加, 其擬合度較高, 達R2=0.939 6, 故深度從一定程度上能夠反映礦泥顆粒的變化情況。

(2) 根據(jù)雙電層理論, 在較底層區(qū)域, 礦泥漿中由于微米級顆粒濃度的增加, Al (OH)3的水解反應向左移動, 使生成的帶電膠粒濃度降低, 促進了礦泥顆粒間的團聚作用, 故底層相對于上部其有效粒徑迅速增大。

(3) 由于在沉降過程中, 顆粒逐漸向下移動, 上部顆粒少, 含水率高, 故表層處顆粒易受擾動, 規(guī)律性較差, 而中間段, 礦泥顆粒呈較規(guī)律的隨深度正線性相關, 因此將微米級鋁尾礦泥顆粒受自然沉降過程中分為表層、 過渡層、 沉降團聚層3 層, 此分層可以一定程度上作為尾礦庫中現(xiàn)場研究礦泥自然沉降情況的理論依據(jù)。