電石渣硅鐵用作重介質(zhì)懸浮液加重質(zhì)的研究

王興文，張子軒，趙云良，溫 通，吳慧娟，宋少先

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

0 引 言

電石渣是以電石為原料生產(chǎn)乙炔氣時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，主要是由氫氧化鈣和碳酸鈣等含鈣化合物以及少量硅鐵物質(zhì)組成[1]。這些硅鐵顆粒是工業(yè)上利用高爐氧熱法制備電石的副產(chǎn)物，由于硅鐵顆粒不參與電石遇水生成乙炔氣的反應(yīng)，它會(huì)始終保持其合金物相并進(jìn)入到電石渣中，因此被稱為電石渣硅鐵[2]。隨著乙炔行業(yè)的發(fā)展，電石渣產(chǎn)量日益增長(zhǎng)，因此這類廢渣的資源化利用已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。由于干法電石渣含有豐富鈣質(zhì)以及富含硅和鐵元素的硅鐵顆粒，目前已在水泥等建筑材料的生產(chǎn)工藝中得到運(yùn)用。然而，硅鐵顆粒易磨性差會(huì)增加研磨設(shè)備的磨損[3]，這不僅會(huì)對(duì)水泥的生產(chǎn)造成不利影響，同時(shí)也造成了硅鐵資源浪費(fèi)。因此電石渣硅鐵的分離及高值化應(yīng)用是固廢處理領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

在重介質(zhì)選礦領(lǐng)域中，常常會(huì)使用固體加重質(zhì)來(lái)配制重介質(zhì)懸浮液，利用礦物與伴生雜質(zhì)沉降速率的差異實(shí)現(xiàn)脈石礦物的剔除以獲得高質(zhì)量精礦產(chǎn)品[4]。目前已有文獻(xiàn)[5]報(bào)道的加重質(zhì)種類包括石英砂、磁鐵礦、重晶石、鈦鐵礦等。其中磁鐵礦粉在重選工藝中的應(yīng)用最為廣泛且成熟，因?yàn)榇盆F礦具有較大的固體密度(4.2～5.5 g/cm3)以及很強(qiáng)的磁性(比磁化系數(shù)大于1.0×10-4m3/kg)，相對(duì)于其他加重質(zhì)來(lái)說(shuō)其固相體積較小且更易于凈化回收[6-7]。然而高密度的磁鐵礦在水中也存在著沉降速度快的現(xiàn)象，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)通常需要搭配黏土、煤泥等非磁性物來(lái)共同配制重介質(zhì)懸浮液，以維持懸浮液體系的相對(duì)穩(wěn)定[8]。與磁鐵礦類似，硅鐵礦同樣具有密度大、磁性較強(qiáng)的特點(diǎn)[9]，滿足固體加重質(zhì)的需求，但若將電石尾渣中的硅鐵直接用于重選領(lǐng)域，還需要進(jìn)一步探究其應(yīng)用的可行性及分選性能。

為了驗(yàn)證可行性，本文利用電石渣硅鐵與黏土共同配制了系列重介質(zhì)懸浮液，并探究了懸浮液密度、黏土含量、硅鐵粒度等因素對(duì)其穩(wěn)定性、粘度及分選性能的影響。本研究有望為電石渣硅鐵應(yīng)用于重介質(zhì)懸浮液提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，從而促進(jìn)工業(yè)電石廢渣資源的二次利用。這不僅有助于節(jié)省重選工藝成本，還能在一定程度上減少工業(yè)廢渣對(duì)環(huán)境造成的污染，因此具有實(shí)際意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

電石渣硅鐵來(lái)源于新疆亙?cè)喘h(huán)保有限公司化工廠產(chǎn)出的干法電石渣(經(jīng)風(fēng)選和磁選兩段選別工藝分離制得)，并采用振動(dòng)磨樣機(jī)分別研磨處理5 min、10 min和15 min，從而得到三種不同粒度的硅鐵粉，然后利用激光粒度儀(Mastersizer 2000)測(cè)得各硅鐵樣品的粒度分布(如表1所示)。所用黏土為藥用級(jí)蒙脫土(比表面積為20～40 m2/g)，購(gòu)自阿拉丁試劑有限公司。通過(guò)排水法測(cè)得硅鐵粉的密度約為6.27 g/cm3，黏土的密度約為2.10 g/cm3。試驗(yàn)所用煤樣粒度為0.45～1.00 mm，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.8%左右。為了調(diào)控初始煤樣的灰分，本試驗(yàn)還采用石英砂(上海國(guó)藥)作為煤樣的矸石成分，粒度范圍與煤樣相近(0.35～0.70 mm)。通過(guò)調(diào)整煤與石英砂的比例來(lái)配制不同灰分的試驗(yàn)用樣品。

表1 各硅鐵樣品的粒度分布情況

1.2 試驗(yàn)方法

首先對(duì)研磨后的電石渣硅鐵原料進(jìn)行各項(xiàng)表征：利用X射線衍射儀(Empyrean)對(duì)電石渣硅鐵原料進(jìn)行物相分析；利用掃描電子顯微鏡(SEM, Phenom G6)觀察該硅鐵樣品的顆粒形貌；然后利用X射線熒光光譜儀(PANalytical Axios)對(duì)硅鐵粉的元素組成進(jìn)行分析。

然后調(diào)整硅鐵粉和黏土的用量或配比，以配制系列不同密度及不同黏土質(zhì)量占比的懸浮液。本試驗(yàn)中各重介質(zhì)懸浮液的具體參數(shù)如表2所示，其中懸浮液密度在1.25～1.50 g/cm3選取，黏土的質(zhì)量占比則在15%～30%。各重介懸浮液配制好后，再分別測(cè)其粘度及沉降特性。

表2 配制重介質(zhì)懸浮液的具體參數(shù)

粘度測(cè)定方法：利用NDJ-5S粘度計(jì)測(cè)量各懸浮液的粘度，重復(fù)測(cè)定三次取平均值作為粘度數(shù)據(jù)。沉降特性測(cè)定方法：將配置好的懸浮液倒入100 mL量筒中，攪拌均勻后開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔一段時(shí)間測(cè)量固液界面到懸浮液上液面的距離，即清水層高度，通過(guò)記錄清水層高度隨時(shí)間的變化來(lái)體現(xiàn)該懸浮液的沉降速度。

本研究通過(guò)簡(jiǎn)易的浮沉試驗(yàn)來(lái)體現(xiàn)不同密度懸浮液的分選性能，浮沉試驗(yàn)方法參考GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》。各樣品的灰分測(cè)定方法參考GB/T 30732—2014《煤的工業(yè)分析方法 儀器法》。

2 結(jié)果與討論

2.1 電石渣硅鐵的微觀分析

圖1(a)為電石渣硅鐵樣品的X射線衍射(XRD)譜，可以得出該樣品的主要物相為FeSi和Fe5Si3，這兩種物相均屬于硅鐵合金物質(zhì)[10]。此外該譜中沒(méi)有觀察到其他物相的衍射峰，因此通過(guò)XRD結(jié)果可表明該硅鐵樣品的主要成分即為硅鐵合金，并有著較高的純度。圖1(b)展示了電石渣硅鐵的SEM照片，從圖中可觀察到該硅鐵顆粒經(jīng)研磨后呈現(xiàn)出較為不規(guī)則的塊狀形貌，且整體粒度較細(xì)。利用X射線熒光光譜(XRF)測(cè)出的硅鐵粉元素組成如表3所示，從XRF結(jié)果可知，該硅鐵樣品所含主要元素即為Fe元素和Si元素，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)合計(jì)達(dá)到90%。此外還含有少量Ca、Ti、Al等雜質(zhì)元素，但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于3%，說(shuō)明硅鐵樣品的純度較高，且雜質(zhì)含量少。

圖1 電石渣硅鐵的(a)XRD譜和(b)SEM照片

表3 電石渣硅鐵的元素組成

2.2 重介質(zhì)懸浮液的粘度分析

固定黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為25%，利用中粒度電石渣硅鐵分別配制不同密度的重介質(zhì)懸浮液，具體選擇1.25 g/cm3、1.30 g/cm3、1.40 g/cm3和1.50 g/cm3四種懸浮液密度，然后用粘度計(jì)分別測(cè)定這四種懸浮液的粘度，以探究懸浮液密度對(duì)其粘度的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2(a)所示。從圖中可以明顯看出，懸浮液的粘度隨著其密度的增大而上升，依次為7 mPa·s、11 mPa·s、29 mPa·s和84 mPa·s。此外，在提高懸浮液密度時(shí)，懸浮液粘度的增長(zhǎng)速率(即圖線斜率)同樣會(huì)增大，即隨著密度的增加，懸浮液的粘度值呈現(xiàn)類似指數(shù)式的上升趨勢(shì)。

為了探究黏土含量對(duì)懸浮液粘度的影響，固定懸浮液密度為1.4 g/cm3，并配制不同黏土用量的重介質(zhì)懸浮液，且黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在15%～30%，然后分別測(cè)定其粘度值。測(cè)定結(jié)果如圖2(b)所示，四種黏土用量下的懸浮液粘度依次為10 mPa·s、17 mPa·s、29 mPa·s和96 mPa·s，可以得出懸浮液的粘度隨其黏土用量的增大而增加，而且同樣呈近指數(shù)式的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

此外，在同等懸浮液密度(1.40 g/cm3)及黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)(25%)條件下，利用不同粒度的硅鐵粉配制的懸浮液粘度情況見(jiàn)圖2(c)。由粗、中及細(xì)粒度硅鐵配制的重介質(zhì)懸浮液粘度分別為24 mPa·s、29 mPa·s和31 mPa·s。該組結(jié)果說(shuō)明，隨著硅鐵重介質(zhì)粒度的減小，重介懸浮液的粘度逐漸增大。

圖2 (a)懸浮液密度、(b)黏土含量和(c)硅鐵粒度對(duì)懸浮液粘度的影響

由此可知，以電石渣硅鐵作為加重質(zhì)時(shí)，懸浮液密度和黏土含量都會(huì)顯著影響其粘度特性，且兩組變化趨勢(shì)均為正相關(guān)。這是因?yàn)閼腋∫旱恼扯扰c固體相的體積濃度有著較大關(guān)系，若加重質(zhì)的體積濃度越大，則懸浮液粘度就越大[11]。在本研究中，提高懸浮液密度或增大黏土用量比例均可有效提高其固相體積濃度，從而使粘度上升。同時(shí)，懸浮液粘度也會(huì)受到其內(nèi)部顆粒粒度的影響，當(dāng)硅鐵粒徑變小時(shí)，其比表面積變大，顆粒間作用力增強(qiáng)導(dǎo)致粘度上升[12]。另外由于黏土在水中具有良好的分散性且易發(fā)生剝離，其在懸浮液中的粒徑會(huì)比硅鐵顆粒小很多[13]，因此這也可以證明增大黏土質(zhì)量占比會(huì)顯著提高懸浮液的粘度值。

2.3 重介質(zhì)懸浮液的沉降特性

懸浮液的沉降穩(wěn)定性代表其維持各質(zhì)點(diǎn)密度恒定的能力，是重介質(zhì)選礦工藝中需要探究的重要因素。由于重介質(zhì)懸浮液是一種不穩(wěn)定的體系，固體顆粒會(huì)在重力作用下發(fā)生沉降，且其沉降速度會(huì)受到很多因素的影響，如加重質(zhì)的粒度及密度、懸浮液密度和非磁性物含量等[14]。本試驗(yàn)配制了系列不同密度、不同黏土用量及不同加重質(zhì)粒度的懸浮液，并分別測(cè)定各懸浮液的清水層高度隨沉降時(shí)間的變化，以探究三種因素對(duì)其沉降穩(wěn)定性的影響。

圖3為不同懸浮液密度下的沉降曲線，可以明顯看出懸浮液密度越大，其清水層高度就增長(zhǎng)得越慢。這表明增大重介質(zhì)懸浮液的密度會(huì)使其沉降速度減緩。在靜置1 h后，界面的沉降距離隨著懸浮液密度的增大而減小。這就說(shuō)明提高懸浮液密度可以顯著增強(qiáng)其沉降穩(wěn)定性，即能夠在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持密度的相對(duì)穩(wěn)定。圖4為黏土含量對(duì)懸浮液沉降性能的影響，在懸浮液密度相同的情況下，黏土質(zhì)量占比越高，固體顆粒的沉降速度就越慢，最終界面的沉降距離也就越小，這表明黏土的加入同樣可以改善懸浮液的穩(wěn)定性。圖5展示了不同硅鐵粒度下各懸浮液的沉降情況，可以看出固液界面的沉降速度與硅鐵粉的粒徑基本呈正相關(guān)趨勢(shì)，即硅鐵顆粒越粗，懸浮液固相的沉降速度就越快，穩(wěn)定性則越差。

圖3 不同懸浮液密度下的沉降曲線

圖4 不同黏土含量下的沉降曲線

圖5 不同硅鐵粒度下的沉降曲線

通常來(lái)說(shuō)，懸浮液的沉降特性與其粘度有著很大的關(guān)系。當(dāng)懸浮液的粘度越大，加重質(zhì)顆粒沉降時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力就越大，因此顆粒的沉降速度就越慢，懸浮液的穩(wěn)定性得到提升[11]。由于本懸浮液體系使用的電石渣硅鐵密度略大于磁鐵礦粉等常用加重質(zhì)，因此該加重質(zhì)顆粒自身的體積濃度較小且在水中有著更大的沉降速度，而通過(guò)添加黏土或減小硅鐵粒度等途徑可以增加懸浮液粘度進(jìn)而增強(qiáng)其沉降穩(wěn)定性[15]。對(duì)于重介質(zhì)選礦而言，適當(dāng)提高粘度確實(shí)可以改善懸浮液的穩(wěn)定性，避免懸浮液過(guò)快地出現(xiàn)分層。然而當(dāng)懸浮液粘度過(guò)大時(shí)，由于固體顆粒受到的粘滯阻力變大，礦石顆粒的沉降速度會(huì)隨之下降，最終會(huì)影響到礦物的分選效率及效果。另外，加重質(zhì)粒度過(guò)細(xì)也容易造成介質(zhì)分離回收困難問(wèn)題[12]。

因此基于上述的粘度及沉降特性研究結(jié)果，本懸浮液體系的密度不宜超過(guò)1.40 g/cm3且黏土質(zhì)量占比不宜大于25%，以實(shí)現(xiàn)低粘度下較好的沉降穩(wěn)定性。此外對(duì)于中粒度及細(xì)粒度的硅鐵加重質(zhì)而言，由于二者配制的懸浮液粘度及沉降情況差異較小，從研磨設(shè)備運(yùn)行成本及能耗角度考慮選擇中粒度硅鐵用于后續(xù)分選試驗(yàn)。

2.4 重介質(zhì)懸浮液的分選性能

以煤和石英砂配制的混合煤樣作為分選對(duì)象，利用浮沉試驗(yàn)來(lái)測(cè)試重介質(zhì)懸浮液的分選性能。本試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整石英砂在煤樣中的用量比例，以改變待分選煤樣的灰分含量。具體地，煤樣的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)取15%和20%兩種，固定黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，并采用1.25 g/cm3、1.30 g/cm3和1.40 g/cm3三種密度的懸浮液分別用于分選各混合煤樣，通過(guò)測(cè)定每組樣品的浮物產(chǎn)率及灰分、沉物產(chǎn)率及灰分等指標(biāo)，來(lái)體現(xiàn)其分選效果。該部分主要目的是驗(yàn)證以電石渣硅鐵為加重質(zhì)的懸浮液用于實(shí)際分選的可行性，同時(shí)探究懸浮液密度對(duì)于煤樣分選效果的影響。

兩種初始煤樣在各懸浮液密度下的分選效果分別如圖6和圖7所示。對(duì)于灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的煤樣，其在三種懸浮液密度下的浮物產(chǎn)率依次為59.2%、74.9%和86.0%，浮物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為3.7%、4.9%和6.3%。而對(duì)于灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的煤樣，其在三種懸浮液密度下的浮物產(chǎn)率依次為49.8%、69.4%和78.8%，浮物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為3.7%、5.1%和9.2%。結(jié)合這幾組數(shù)據(jù)可以說(shuō)明，電石渣硅鐵確實(shí)具有作為懸浮液加重質(zhì)的可行性。當(dāng)用于分選煤和石英時(shí)，利用該硅鐵粉配制的重介質(zhì)懸浮液能夠起到分離作用，且能在保證產(chǎn)率的情況下有效降低煤樣的灰分含量，分選性能良好。

圖6 灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的煤樣在不同懸浮液密度下的分選結(jié)果

圖7 灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的煤樣在不同懸浮液密度下的分選結(jié)果

從上述數(shù)據(jù)可以得出，浮物產(chǎn)率隨著懸浮液密度的增加而增大，沉物產(chǎn)率則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這是因?yàn)檩^大密度的懸浮液具有更高的粘度和更好的沉降穩(wěn)定性，使得顆粒受到更強(qiáng)的粘滯阻力而不易下沉[16]，因此密度越大的懸浮液用于分選時(shí)上浮的固體量越多，下沉的顆粒越少。此外從灰分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出，浮物的灰分含量隨著懸浮液密度的增大而逐漸上升。這是因?yàn)閼腋∫旱拿芏仍酱?，其結(jié)構(gòu)化現(xiàn)象就越明顯，此時(shí)的粘度和介質(zhì)阻力升高從而導(dǎo)致部分脈石顆粒難以沉降，最終影響了浮煤的灰分指標(biāo)[17]。因此用于分選煤的重介質(zhì)懸浮液需要處在合適的密度范圍。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果得出，本研究的重介質(zhì)懸浮液密度宜控制在1.30～1.40 g/cm3，而黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜控制在25%以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)較好的分選效果。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于電石渣硅鐵和黏土共同配制的懸浮液，增大懸浮液密度、提高黏土用量以及減小加重質(zhì)粒度均會(huì)使懸浮液粘度上升。懸浮液固相的沉降速度也會(huì)受到懸浮液密度、黏土含量和硅鐵粒度等因素的影響，當(dāng)懸浮液密度越大、黏土質(zhì)量占比越高或者硅鐵粒徑越小時(shí)，其沉降穩(wěn)定性越好。因此可表明粘度是懸浮液沉降特性的主要影響因素，通過(guò)增大粘度可以有效提升懸浮液的穩(wěn)定性。

(2)利用電石渣硅鐵和黏土配制的重介質(zhì)懸浮液可以用于重選選煤，且浮煤的灰分含量較初始煤樣大幅降低，具有良好的分選性能。精礦的產(chǎn)率及灰分含量會(huì)受懸浮液本身性質(zhì)的影響，因此懸浮液密度及黏土用量需要控制在適宜范圍。在本研究中，懸浮液密度宜處于1.30～1.40 g/cm3，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過(guò)25%。