鄭銀珠

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司, 湖北 黃石 435005)

1 前言

隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,礦產(chǎn)資源開發(fā)的步伐也在加快,嵌布粒度粗、品位較高的富礦和易選礦越來越少,嵌布粒度細(xì)的貧礦和有回收利用價(jià)值的尾礦也已成為重要的資源來源[1]。為了使這類礦石中有用礦物能夠充分解離,選礦過程中需要將礦石細(xì)磨,而細(xì)磨分選后的尾礦顆粒難以在短時(shí)間內(nèi)沉降,一方面造成尾礦濃密設(shè)備溢流水容易跑渾,影響選礦回水循環(huán)利用質(zhì)量和回水利用率;另一方面難以形成高濃度尾礦,增加了尾礦運(yùn)輸成本,也不利于提升膠結(jié)或膏體充填質(zhì)量,降低尾礦利用率[2]。

鑒于此,一些研究單位和礦山企業(yè)針對(duì)選礦尾礦中細(xì)粒尾礦難以沉降的問題開展了大量研究,最終將廢水處理中用到的絮凝劑引入到選礦尾礦處理中。絮凝劑因具有很大的比表面積,可以將水體中的多種金屬離子、顆粒物等吸附穩(wěn)定下來,絮凝機(jī)理包括吸附電荷中和、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃等[3]。通過這些作用機(jī)理,絮凝劑可以將懸浮的膠體粒子聚集,形成微小的絮體,這些絮體進(jìn)一步碰撞生長,最后形成體積較大的絮團(tuán),通過重力作用加速沉淀,從而達(dá)到快速固液分離的目的,有效解決了細(xì)粒尾礦沉降速度慢的難題[4]。

近些年,關(guān)于絮凝劑的研究越來越多樣化,根據(jù)其化學(xué)成分和作用機(jī)理的不同,絮凝劑主要分為無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑和生物絮凝劑三大類。無機(jī)絮凝劑雖然價(jià)格低廉,但使用條件較苛刻,易受pH值和水溫等影響,對(duì)極細(xì)顆粒絮凝效率低,且使用中會(huì)引入新的雜質(zhì),生產(chǎn)應(yīng)用受限。有機(jī)高分子絮凝劑雖價(jià)格偏高,但因其簡單易合成、吸附架橋能力強(qiáng)、用量少、絮凝效果好等優(yōu)勢(shì),而得到越來越廣泛的應(yīng)用。生物絮凝劑相比無機(jī)和有機(jī)絮凝劑具有高效且能自然降解、無二次污染等特點(diǎn),但其具有生物活性要求,難保存,并且需要大劑量才能達(dá)到較好的絮凝效果[5]。由于各類絮凝劑都有自身的優(yōu)缺點(diǎn),因而高分子化、復(fù)合化、多功能化是絮凝劑研究的重要發(fā)展方向,其可充分發(fā)揮無機(jī)和有機(jī)組分的協(xié)同增效作用,提升絮凝沉降效果[6]。

2 銅綠山礦尾礦處理工藝

銅綠山礦選礦新系統(tǒng)尾礦處理工藝流程于2015年投產(chǎn),生產(chǎn)一段時(shí)間內(nèi),因發(fā)現(xiàn)尾礦濃密機(jī)和砂倉溢流跑渾嚴(yán)重,固體微細(xì)顆粒含量高達(dá)3%左右,經(jīng)2016年、2018年兩次升級(jí)改造,引進(jìn)了有機(jī)高分子絮凝劑及其添加設(shè)備,并將砂倉用φ18 m深錐濃密機(jī)替代,即成為現(xiàn)有生產(chǎn)流程。該流程為:選礦車間13%～17%濃度的尾礦經(jīng)過φ53 m周邊傳動(dòng)濃密機(jī)濃縮后,底流濃度達(dá)到30%～35%,底流經(jīng)渣漿泵送至采礦車間充填工序φ18 m深錐濃密機(jī)進(jìn)行二次濃縮,深錐濃密機(jī)濃縮后的底流用于膠結(jié)或膏體充填,φ53 m周邊傳動(dòng)濃密機(jī)和φ18 m深錐濃密機(jī)溢流水通過管道自流至選礦生產(chǎn)水池循環(huán)利用,工藝流程如圖1所示。

圖1 銅綠山礦尾礦處理工藝流程

自2016年至今,有機(jī)高分子絮凝劑已在銅綠山礦使用多年,但由于目前市場上絮凝劑的生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品種類多,且不同種類絮凝劑對(duì)同一尾礦的絮凝沉降效果各不相同,采購價(jià)格也存在差異,為篩選出適合銅綠山礦全尾礦沉降的絮凝劑類型,并在不影響尾礦沉降效果的前提下,降低絮凝劑成本消耗,礦山單位組織開展了相關(guān)試驗(yàn)研究工作,為絮凝劑選型及生產(chǎn)采購應(yīng)用提供依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)室沉降試驗(yàn)原料及方法

3.1 試驗(yàn)原料

3.1.1 試驗(yàn)礦樣

本次試驗(yàn)尾礦礦漿樣品取自于選礦車間φ53 m尾礦濃密機(jī)進(jìn)料溜槽,采用截流法抽取尾礦樣品后,分出部分樣品分別檢測(cè)礦漿濃度、pH值,尾礦密度和尾礦固體顆粒粒度組成等參數(shù)。測(cè)得尾礦濃度為13.5%、pH值為7、尾礦密度為3×103kg/m3,該尾礦粒度組成檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 尾礦固體顆粒粒度組成

從尾礦固體顆粒粒度組成分布來看,粗粒級(jí)分布少,+96 μm僅占19.88%,細(xì)粒級(jí)分布多,其中-45 μm占58.96%,-10 μm占23.26%,尾礦粒級(jí)總體偏細(xì)。

3.1.2 試驗(yàn)絮凝劑

將市場上4種暢銷品牌的高分子絮凝劑各選擇一種型號(hào)與生產(chǎn)現(xiàn)場用絮凝劑開展選型對(duì)比試驗(yàn),絮凝劑試驗(yàn)代號(hào)分別為A345、A556、3660DF、JC186、YD-6,其中A556為目前生產(chǎn)現(xiàn)場用絮凝劑。

3.2 試驗(yàn)方案及方法

試驗(yàn)方案見表2。

表2 絮凝劑優(yōu)化選型試驗(yàn)方案

3.2.1 試驗(yàn)儀器

天平(精度為千分之一)、燒杯、玻璃棒、電動(dòng)攪拌器、1 000 mL量筒、秒表、溫度計(jì)、冰塊、水浴加熱器、塑料桶、烘箱等。

3.2.2 試驗(yàn)方法

1)絮凝劑溶解試驗(yàn)

將五種試驗(yàn)用高分子絮凝劑各用天平準(zhǔn)確稱量0.200 g(±0.001 g),在不同的水溫條件下,緩慢加入到裝有400 mL水的燒杯中,均配制成萬分之五的濃度,用攪拌器攪拌,并控制攪拌器的轉(zhuǎn)速在60 r/min,觀察絮凝劑溶解情況,至絮凝劑完全溶解成透明膠質(zhì)狀態(tài)。

2)尾礦沉降試驗(yàn)

(1)將現(xiàn)場截取的尾礦礦漿樣品進(jìn)行攪拌,使礦漿呈均勻分散狀態(tài),然后快速取混勻的礦漿轉(zhuǎn)移到1 000 mL量筒中,定容至滿刻度。

(2)首先進(jìn)行全尾礦礦漿自然沉降試驗(yàn)。將裝有礦漿樣品的量筒口用橡膠皮蓋住,并翻轉(zhuǎn)量筒,來回?fù)u勻6次,使礦漿充分混勻,然后將量筒平穩(wěn)放置于試驗(yàn)臺(tái)上后,此時(shí)作為計(jì)時(shí)零點(diǎn),每隔一段時(shí)間記錄澄清層高度,觀察最終沉降高度,至沉降過程基本結(jié)束,并測(cè)定自然沉降濃度。

(3)然后進(jìn)行絮凝劑沉降試驗(yàn)。向裝有礦漿樣品的量筒中加入一定量26 ℃室溫下溶解好的絮凝劑,迅速用橡膠皮蓋住量筒口,并翻轉(zhuǎn)量筒,來回?fù)u勻6次,使絮凝劑與礦漿充分混合,然后將量筒平穩(wěn)放置于試驗(yàn)臺(tái)上后,同樣將此時(shí)作為計(jì)時(shí)的零點(diǎn),每隔一定時(shí)間記錄一次澄清層高度,觀察最終沉降高度,至沉降過程基本結(jié)束,并測(cè)定絮凝沉降濃度。

(4)統(tǒng)計(jì)沉降時(shí)間與澄清層高度及平均沉降速度數(shù)據(jù),并繪制試驗(yàn)尾礦固液分離界面高度與時(shí)間關(guān)系圖。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 尾礦自然沉降試驗(yàn)

通過觀察尾礦自然沉降試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn),前25 min平均沉降速度僅有0.19 cm/min,之后沉降速度進(jìn)一步變慢,沉降時(shí)間超過180 min時(shí),沉降壓縮過程基本趨于穩(wěn)定,沉降需要近9 h才能完成,此時(shí)底流濃度為23.31%,難以滿足生產(chǎn)要求,沉降試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 尾礦自然沉降試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知,由于該尾礦中-10 μm占23.26%,-45 μm占58.96%,粒級(jí)分布偏細(xì),所以其自然沉降速度緩慢。因此,生產(chǎn)過程中,要加快細(xì)粒級(jí)尾礦沉降,保證溢流水澄清,提高濃密機(jī)底流濃度,必須添加絮凝劑來加速沉降過程[7]。

4.2 絮凝劑溶解試驗(yàn)

高分子絮凝劑能否快速溶解,影響生產(chǎn)中絮凝沉降作用的有效發(fā)揮,特別是因絮凝劑一年四季都在使用,需要考慮氣溫對(duì)其溶解過程的影響[8]。結(jié)合本地區(qū)氣溫狀況,本試驗(yàn)分別在35 ℃、20 ℃、8 ℃水溫條件下進(jìn)行,比較五種絮凝劑在萬分之五濃度下的溶解情況。

觀察溶解過程發(fā)現(xiàn),五種絮凝劑在不同水溫條件下溶解時(shí),均呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律,即隨溶解水溫的降低,其溶解速度變慢,完全溶解需要的時(shí)間更長,完全溶解后成透明膠質(zhì)狀態(tài)。其中35 ℃時(shí),絮凝劑溶解速度最快,基本在攪拌40～44 min即可全部溶解,在20 ℃時(shí)需要43～48 min左右,在8 ℃時(shí)需要64～75 min。且在35 ℃、20 ℃水溫時(shí)五種絮凝劑之間溶解速度差異不大,在8 ℃時(shí)差異已比較明顯。

經(jīng)過比較,A556、YD-6、JC-186三種絮凝劑溶解情況基本相近,A345、3660DF在8 ℃時(shí)溶解情況要差一些,其在相同溶解時(shí)間內(nèi),燒杯中殘余未溶解顆粒比其它絮凝劑稍多,溶解速度偏慢。因該溶解試驗(yàn)過程為靜態(tài)試驗(yàn),未連續(xù)加藥,試驗(yàn)過程中暫未發(fā)現(xiàn)絮凝劑溶解結(jié)塊情況。

4.3 不同種類絮凝劑沉降對(duì)比試驗(yàn)

因生產(chǎn)現(xiàn)場絮凝劑用量在18 g/t左右,本次開展不同種類絮凝劑沉降對(duì)比試驗(yàn)的絮凝劑添加量也選取18 g/t,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 五種絮凝劑沉降對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明:在全尾礦樣品中添加幾種絮凝劑后,沉降效果均較好,尾礦沉降速度相比自然沉降得到大幅提升,試驗(yàn)進(jìn)行10 min左右,尾礦沉縮界面基本趨于穩(wěn)定,得到的上層清液干凈、清澈。并且從圖2中發(fā)現(xiàn),絮凝沉降并不是勻速沉降,整個(gè)沉降過程表現(xiàn)出開始階段沉降速度很快,隨著沉降的持續(xù)進(jìn)行,沉降速度逐漸變緩慢,直至結(jié)束。

同時(shí),從絮凝劑沉降效果對(duì)比中發(fā)現(xiàn),五種絮凝劑對(duì)尾礦沉降速度的影響存在差異,添加YD-6沉降效果最好,添加3660DF沉降速度最慢,沉降快慢順序?yàn)?YD-6>A556>A345>JC186>3660DF。且選用不同的絮凝劑,沉降層尾礦壓縮密實(shí)情況和濃度也不同,沉降速度快的,其沉降層尾礦越密實(shí),濃度也越高,其中25 min時(shí)YD-6沉降層尾礦濃度最高,達(dá)到31.98%,比3660DF沉降層尾礦濃度27.89%高4.09%。

4.4 不同用量絮凝劑沉降對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)不同種類絮凝劑沉降對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,選取A345、A556、YD-6三種沉降效果較好的絮凝劑開展不同用量對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場效果對(duì)比如圖3,試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 不同用量絮凝劑沉降對(duì)比試驗(yàn)效果

圖4 A345絮凝劑用量對(duì)比試驗(yàn)

圖5 A556絮凝劑用量對(duì)比試驗(yàn)

圖6 YD-6絮凝劑用量對(duì)比試驗(yàn)

從圖4至圖6絮凝劑用量對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),尾礦沉降速度均隨著三種絮凝劑添加量的增加而加快,這從圖3中試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察也可得到驗(yàn)證,即隨絮凝劑添加量的增加,現(xiàn)場觀察到尾礦形成的絮團(tuán)也明顯增大,絮團(tuán)下沉速度及液面澄清速度也越快,沉降過程進(jìn)行的也越快,且在同一時(shí)刻,尾礦沉降層壓縮的越密實(shí),濃度也越高。

針對(duì)圖4中A345絮凝劑試驗(yàn)結(jié)果展開分析,當(dāng)用量從15 g/t增加至21 g/t時(shí),尾礦沉降速度隨用量增加逐步提升,且提升幅度較大,繼續(xù)增加用量至24 g/t時(shí),沉降速度雖有加快,但提升幅度已不太明顯。綜合考慮沉降效果和絮凝劑單耗成本,絮凝劑A345在現(xiàn)有尾礦條件下,用量選擇21 g/t比較合適,此時(shí)沉降層尾礦濃度31.88%,滿足生產(chǎn)要求。

同時(shí),針對(duì)圖5中現(xiàn)場絮凝劑A556試驗(yàn)結(jié)果展開分析可知,當(dāng)用量從15 g/t增加至18 g/t時(shí),尾礦沉降速度有大幅提升,繼續(xù)增加用量至21 g/t、24 g/t時(shí),沉降速度雖有加快,但提升幅度減緩,速度差異已不太明顯。綜合考慮沉降效果和絮凝劑單耗成本,絮凝劑A556在現(xiàn)有尾礦條件下,用量選擇18 g/t是比較合適的,這與現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用情況相吻合,但若尾礦條件發(fā)生變化,可考慮適當(dāng)增加用量。此時(shí)沉降層尾礦濃度31.59%,滿足生產(chǎn)要求。

針對(duì)圖6中YD-6絮凝劑試驗(yàn)結(jié)果展開分析,當(dāng)用量從15 g/t增加至18 g/t時(shí),尾礦沉降速度隨用量增加逐步提升,且提升幅度較大,繼續(xù)增加用量至21 g/t、24 g/t時(shí),沉降速度雖有加快,但速度增加幅度已不大,相比A556更小。綜合考慮沉降效果和絮凝劑單耗成本,絮凝劑YD-6在現(xiàn)有尾礦條件下,用量選擇18 g/t比較合適,此時(shí)沉降層尾礦濃度31.98%,滿足生產(chǎn)要求。

4.5 最佳絮凝劑及其用量選擇

將A345、A556、YD-6三種絮凝劑最佳用量21 g/t、18 g/t、18 g/t進(jìn)行比較,對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 A345、A556、YD-6絮凝劑最佳用量對(duì)比

由圖7可見,三條曲線重合度比較高,說明選出的三種絮凝劑在最佳用量時(shí),沉降效果比較接近,與現(xiàn)場A556絮凝劑相比,在同一時(shí)刻沉降速度和最終沉降層尾礦濃度都相差不大。但深入對(duì)比分析,還是存在些許差異,在相同用量條件下,YD-6絮凝劑沉降效果還是略優(yōu)于現(xiàn)場A556絮凝劑;A345絮凝劑沉降效果也略優(yōu)于現(xiàn)場A556絮凝劑,但A345絮凝劑用量要高。

5 生產(chǎn)成本比較

將A345、A556、YD-6三種絮凝劑試驗(yàn)及成本指標(biāo)進(jìn)行綜合對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 不同種類絮凝劑最佳用量試驗(yàn)及成本指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

由表4可知,雖然絮凝劑A345采購單價(jià)低,但單耗高,單位生產(chǎn)成本為0.252元/t尾礦,絮凝劑A556、YD-6雖然單耗相同,但YD-6采購單價(jià)略低,兩者的單位生產(chǎn)成本分別為0.243元/t尾礦、0.234元/t尾礦,可見絮凝劑YD-6的單位生產(chǎn)成本更低。綜合考慮絮凝劑試驗(yàn)效果和生產(chǎn)成本消耗,優(yōu)先推薦選擇YD-6絮凝劑,生產(chǎn)用量為18 g/t。

6 結(jié)論

(1)銅綠山礦尾礦粒級(jí)分布總體偏細(xì),自然沉降速度緩慢,要保證生產(chǎn)中溢流水澄清,并提高濃密機(jī)底流濃度,必須添加絮凝劑來加速沉降過程。

(2)五種絮凝劑中A556、YD-6、JC-186三種在水中溶解情況基本相近,對(duì)溫度的適應(yīng)性更好。而A345、3660DF在低溫條件下溶解情況相比其它三種要差,溶解速度偏慢。

(3)在18 g/t用量條件下,五種絮凝劑尾礦沉降速度快慢順序?yàn)?YD-6>A556>A345>JC186>3660DF,且沉降速度快的,其沉降層尾礦越密實(shí),濃度也越高。

(4)選取沉降效果較好的A345、A556、YD-6三種絮凝劑,尾礦沉降速度均隨著其添加量的增加而加快,經(jīng)過對(duì)比分析,在現(xiàn)有尾礦條件下,綜合考慮沉降效果和絮凝劑單耗成本,A345用量選擇21 g/t比較合適,A556、YD-6用量選擇18 g/t比較合適,且三種絮凝劑在最佳用量時(shí),沉降效果比較接近,絮凝劑A345和YD-6沉降效果略優(yōu)于現(xiàn)場A556絮凝劑。

(5)綜合考慮絮凝劑試驗(yàn)效果和生產(chǎn)成本消耗,優(yōu)先推薦選擇YD-6絮凝劑,生產(chǎn)用量為18 g/t。