礦山尾礦沉降特性及流變學(xué)特性分析

楊 娟， 郭亞兵

(太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原 030024)

礦山尾礦沉降特性及流變學(xué)特性分析

楊 娟， 郭亞兵

(太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原 030024)

分別進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)和流變學(xué)實(shí)驗(yàn)，以便更好地了解尾礦的沉降特性及其流變學(xué)特性，進(jìn)而得到尾礦的沉降規(guī)律以及尾礦屈服應(yīng)力與其固體濃度的關(guān)系，并利用數(shù)值擬合得到固體濃度和屈服應(yīng)力的自定義模型。結(jié)果表明尾礦沉降的初始階段，其沉降速度較大，沉降明顯，尾礦的屈服應(yīng)力隨著固體濃度的增加而增大。

尾礦；沉降特性；屈服應(yīng)力；流變學(xué)

0 引言

濃縮機(jī)是固液分離過程的重要的設(shè)備，在各種工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著淡水資源日益減少及生態(tài)保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，對廢水的回收及固體廢物的堆放成為世界各國高度重視的問題。因此，對濃縮機(jī)溢流水的水質(zhì)及底流固體濃度的要求越來越高。為了滿足日益提高的處理要求，必須對濃縮機(jī)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)保證濃縮機(jī)的工藝性能。濃縮機(jī)的工藝性能與所處理的物料息息相關(guān)，提高濃縮機(jī)工藝性能的關(guān)鍵就是要了解所處理物料的特性，包括固體粒度、固體密度、固體絮凝性、固體表面化學(xué)性能及漿液的粘度、屈服應(yīng)力等流變學(xué)參數(shù)。

隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在固液分離及廢水處理中的應(yīng)用，全世界固液分離研究人員開始將計(jì)算流體力學(xué)(CFD)應(yīng)用于濃縮機(jī)工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化中，利用CFD商業(yè)軟件如3D-FLOW、ANSYS等進(jìn)行濃縮機(jī)沉降- 濃縮過程的數(shù)值模擬。Frost et al.(1993)利用一個(gè)三維的CFD對廢水在圓形平底濃縮機(jī)的流態(tài)進(jìn)行了模擬仿真，并描述了耙架的刮刀角度和尺寸對輸送效率的影響[1]。Rudman et al. (2008)利用CFD模型研究了小型濃縮機(jī)的耙架輸送沉淀固體的狀態(tài)及耙架所受的扭矩，并發(fā)現(xiàn)影響扭矩的兩個(gè)主要因素是在行進(jìn)方向的耙架的投影面積以及所移動(dòng)的物料的屈服應(yīng)力[2]。Mohanarangam and Stephens (2009)建立了一個(gè)三維的CFD模型，這個(gè)模型結(jié)合了二次沉淀池中的沉淀過程及上浮過程[3]。但是，這些分析并沒有包含沉降- 濃縮工藝過程中對其影響較大的特定的工藝過程，如絮凝沉降模型、壓縮沉降模型等；這些模型需要建立用戶自定義模型，與CFD模型集成計(jì)算，才能得到較為實(shí)際的結(jié)果。

綜上所述，對所處理的固體物料進(jìn)行理化特性分析及流變學(xué)特性分析至關(guān)重要。本文利用XRD對樣品進(jìn)行了物相分析，利用激光粒度儀進(jìn)行了粒度分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了樣品的絮凝沉降實(shí)驗(yàn)；按照Bingham模型、Herschel-Bulkly模型、Casson模型對底流漿液進(jìn)行了流變學(xué)實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用數(shù)值擬合技術(shù)獲得了底流固體濃度與屈服應(yīng)力自定義模型。這樣可真實(shí)地反映底流漿液的流變學(xué)特性，為CFD仿真分析提供可靠的數(shù)據(jù)。

1 沉降理論及流變學(xué)理論

1.1 沉降基本概念及現(xiàn)象描述

在沉降柱中，除了固體和液體之間的密度差[4]之外,其中的懸浮液顆粒還會受到自身重力的作用，發(fā)生沉降現(xiàn)象，所以沉降柱內(nèi)的懸浮液會自動(dòng)分為澄清液層和濃漿層，從而實(shí)現(xiàn)其固液分離。

開始沉降前，將沉降柱中的懸浮液攪拌均勻，使整個(gè)沉降柱中的固體濃度分布是相同的。沉降過程開始后，沉降柱中的固體顆粒以相同的速度沉降，經(jīng)過一段時(shí)間后，在沉降柱中會出現(xiàn)四個(gè)區(qū)域：清水區(qū)位于容器頂部、依次往下是等濃度區(qū)、過渡區(qū)和壓縮區(qū)。隨著沉降過程的進(jìn)行，可以觀察到，清水區(qū)與等濃度區(qū)之間形成了一個(gè)明顯的交界面，而交界面的下沉速度可以代表顆粒的平均沉降速度。同時(shí)，在底部的壓縮區(qū)，從壓縮區(qū)的上表面起一直到管底，固體顆粒的沉降速度是逐漸減小的，到管底顆粒的沉降速度降為零，而且這一區(qū)域內(nèi)懸浮固體會隨著其下沉過程被逐漸壓實(shí)。[5]

1.2 流變學(xué)理論

流變學(xué)的研究對象是流體，通常依據(jù)在一定的溫度和剪切應(yīng)力作用下流體所表現(xiàn)出的特性，把流體劃分為牛頓流體和非牛頓流體兩大類。尾礦膏體作為一種典型的非牛頓流體，對于其流變學(xué)特性的研究主要分析尾礦的屈服應(yīng)力特性。流體的屈服應(yīng)力是指對于某些非牛頓流體，施加的剪切應(yīng)力較小時(shí)流體只發(fā)生變形，不產(chǎn)生流動(dòng)。當(dāng)剪切應(yīng)力增大到某一定值時(shí)流體才開始流動(dòng)，此時(shí)的剪切應(yīng)力為該流體的屈服應(yīng)力。

由于非牛頓流體的流變特性具有一定的復(fù)雜性，在研究過程中逐漸形成了一些不同的描述非牛頓流體流變學(xué)參數(shù)之間關(guān)系的流變模型，如Ostwald de Vaele模型，Bingham模型，Herschel-Bulkly模型，Carreau模型，Casson模型，Cross模型等。本次實(shí)驗(yàn)采用以下三種模型來研究尾礦的屈服應(yīng)力特性。

(1)Bingham模型

Bingham模型是兩參數(shù)模型中最常使用的，它的表達(dá)式見公式(1)：

τ=τ0+μ0γ

(1)

式中τ—剪切應(yīng)力，Pa；τ0—屈服應(yīng)力，Pa；μ0—Bingham粘度，Pa·s；γ—剪切速率，s-1。

其中，剪切速率并不會影響到Bingham粘度，而且Bingham模型在高剪切速率時(shí)更適用，[6]Bingham模型為非牛頓流體的流變學(xué)模擬提供了最合適的流變參數(shù)τ0和μ0。

(2)Herschel-Bulkly模型

Herschel-Bulkly模型是最常用的三參數(shù)模型之一，其表達(dá)式見公式(2)：

τ=τ0+Kγn

(2)

式中τ—剪切應(yīng)力，Pa；τ0—屈服應(yīng)力，Pa；K—粘度系數(shù)，Pa·sn；γ—剪切速率，s-1；n—流變特性指數(shù)[6]。

(3)Casson模型

Casson模型適用于存在屈服應(yīng)力的非牛頓流體，其表達(dá)式見公式(3)：

(3)

式中τ—剪切應(yīng)力，Pa；τ0—屈服應(yīng)力，Pa；γ—剪切速率，s-1；μ*—常數(shù)，Pa·s。

2 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)樣品采用氧化鋁尾礦，其比重為2.33g/mL，所用的絮凝劑為MF919。沉降實(shí)驗(yàn)使用2L的量筒，流變學(xué)實(shí)驗(yàn)使用型號為HAAKEVT550的粘度計(jì)，并采用PL100葉片轉(zhuǎn)子以及其他的輔助工具。

(1)尾礦的物料分析

對所采用的尾礦物料進(jìn)行XRD物相分析，可知尾礦樣品中主要含有Al(OH)3，F(xiàn)e2O3以及SiO2，具體成分分析如圖1所示。

圖1 尾礦物料成分分析圖

(2)尾礦的粒度分析

利用Bettersize2000激光粒度分布儀對尾礦進(jìn)行粒度分布實(shí)驗(yàn)，樣品的粒徑分布曲線如圖2所示：

圖2 粒度分布情況

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1)沉降實(shí)驗(yàn)

稱取210g尾礦樣品于2L的量筒中，加水配制成為質(zhì)量濃度為10%的漿液，使用攪拌器，對量筒內(nèi)的礦漿進(jìn)行攪拌，使之保持濃度均勻，加入8.5mL的高分子絮凝劑MF919繼續(xù)進(jìn)行攪拌，使礦漿與絮凝劑進(jìn)行充分均勻的接觸。停止攪拌的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，并在一定時(shí)刻讀取沉降液面的高度并記錄。待液面高度不再發(fā)生變化，則靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)完成。

(2)流變學(xué)實(shí)驗(yàn)

稱取635g的尾礦樣品于6L大容器中，加水配置成質(zhì)量濃度為10%的漿液，并加入25.5mL劑量的高分子絮凝劑MF919進(jìn)行充分的攪拌，使固體顆粒與絮凝劑充分接觸，完成絮凝反應(yīng)。待反應(yīng)充分進(jìn)行，靜置24小時(shí)后倒去上清液，得到滿足粘度計(jì)測試實(shí)驗(yàn)所需濃度的污泥樣品。

粘度計(jì)實(shí)驗(yàn)前稱取少量污泥樣品于容器中，測得污泥樣品的初始固體濃度為73.76%，實(shí)驗(yàn)過程中，對樣品進(jìn)行不斷稀釋得到不同濃度的樣品進(jìn)行測量。

利用HAAKVT550粘度計(jì)測定污泥樣品的流變學(xué)參數(shù)。分別對不同濃度的樣品進(jìn)行測量，并利用Rheo Win軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到所需要的結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

記錄沉降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理可以得到沉降時(shí)間與界面高度讀數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示：

圖3 沉降時(shí)間與界面高度關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：靜態(tài)沉降過程在實(shí)驗(yàn)開始的最初10min內(nèi)比較顯著，沉降速度大，界面高度變化明顯。在后續(xù)沉降過程中沉降速度逐漸變小，主要表現(xiàn)為壓實(shí)現(xiàn)象。

2.3.2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)共有七組樣品，樣品的濃度分別為：73.8%，72.7%，71.6%，70.5%，69.5%，68.5%，67.6%。分別利用HAAKVT550粘度計(jì)進(jìn)行屈服應(yīng)力的測點(diǎn)，并用不同的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，可以得到不同濃度時(shí)對應(yīng)的屈服應(yīng)力，并進(jìn)行數(shù)值擬合從而建立不同模型下屈服應(yīng)力與固體濃度之間的關(guān)系曲線。

分別利用Bingham模型，Herschel-Bulkly模型，Casson模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得到不同濃度樣品的屈服應(yīng)力曲線如圖4所示：

圖4 處理結(jié)果

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，由于屈服應(yīng)力會隨著固體濃度的增加呈指數(shù)型增長[8]，所以選用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，可得到三種不同模型下的屈服應(yīng)力與固體濃度之間的關(guān)系曲線。所采用的擬合公式為：f(x)=a×exp(b×x)，得到滿足Bingham模型的a=2.433×10-6，b=0.2529，擬合度R-square為0.992 9,滿足Herschel-Bulkly模型的a=2.088×10-12，b=0.449，擬合度R-square為0.949 7，滿足Casson模型的a=4.136×10-7，b=0.276 3，擬合度R-square為0.991 7。數(shù)值擬合得到的關(guān)系曲線如圖5所示：

圖5 應(yīng)力與固體濃度關(guān)系曲線

通過以上數(shù)據(jù)及擬合屈服應(yīng)力與固體濃度的關(guān)系曲線，可以得出以下結(jié)果：

(1)加入絮凝劑的尾礦樣品，存在明顯的屈服應(yīng)力。

(2)樣品隨著固體濃度的增加，屈服應(yīng)力不斷增大。這是因?yàn)殡S著固體濃度的增加，流體中的顆粒數(shù)目增加導(dǎo)致其流動(dòng)阻力增大，所以尾礦的剪切粘度也會增大，相對應(yīng)的屈服應(yīng)力也就變大[9]。

(3)對于所用的尾礦樣品，利用不同的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析得到的屈服應(yīng)力并不完全相同。在固體濃度低時(shí)三種模型所得到的屈服應(yīng)力值相近，而高濃度時(shí)Bingham模型與Casson模型的屈服應(yīng)力值相近。

3 結(jié)論

沉降實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行可以得知，加入了絮凝劑的尾礦樣品具有很明顯的沉降特性，能夠短時(shí)間內(nèi)完成沉降過程，進(jìn)入到壓實(shí)階段。

尾礦樣品的屈服應(yīng)力隨著固體濃度的增加而增大，并且滿足指數(shù)型增長關(guān)系。同時(shí)，相同函數(shù)對于

不同模型的擬合也是有差別的，在實(shí)際應(yīng)用中，需要選擇更加符合實(shí)際工業(yè)情況的模型來進(jìn)行生產(chǎn)操作。

尾礦樣品的沉降特性和流變學(xué)特性對于尾礦的后續(xù)處理與處置有著相當(dāng)重要的意義。尾礦樣品的沉降特性還會受到絮凝劑種類的影響，其流變學(xué)特性除與固體濃度有關(guān)系，還與剪切速率、溫度、組成成分、粒徑等因素有關(guān)系，這些都有待于進(jìn)一步的探討與研究。

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Analysis of Settling Characteristics and Rheological Characteristics of Mine Tailings

YANG Juan， GUO Ya-bing

To understand the settlement characteristics and rheological properties of tailings better, sedimentation experiments and rheological experiments are carried out. We can obtain the law of tailings settlement and the relationship between the yield stress of tailing and its solid concentration, and get a custom model of solid concentration and yield stress by using numerical fitting technology. Results show that the initial stage of tailings deposition sedimentation velocity is larger and the subsidence is obvious, the yield stress increases with the increasing of tailings solid concentration.

tailings；settlement characteristics；yield stress；rheology

2015-09-06

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20130313006-1)；山西省特色、重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(201214505)

楊 娟(1990-)，女，山西晉中人，在讀研究生，研究方向?yàn)槲驳V處理模擬仿真。

TD982

A

1003-8884(2015)06-0009-04