剪切環(huán)境下某鉛鋅尾礦絮團(tuán)演化過程及絮團(tuán)表征

孫浩， 李茂林,3， 崔瑞， 江宏強(qiáng)， 周勝， 寧江峰

1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；

2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；

3.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012

引 言

凡口鉛鋅礦山是利用水力旋流器來分級(jí)固體顆粒，顆粒較細(xì)的部分將通過溢流派到廢礦池中，顆粒較粗的部分回收利用作為井下充填的材料使用，而水力旋流器中，對(duì)尾礦顆粒的作用主要體現(xiàn)在剪切力上，所以要求尾礦顆粒具有一定的抗剪切強(qiáng)度。如何增加尾礦顆粒的抗剪切強(qiáng)度和從水力旋流器底流增加尾礦砂的細(xì)顆粒的同體部分產(chǎn)量，以達(dá)到節(jié)約充填成本以及減少細(xì)粒級(jí)尾礦污染的目的，一直是礦山產(chǎn)業(yè)所面臨的重要課題。

吳文[1]研究結(jié)果表明絮凝藥劑能夠大幅度地提高尾礦砂漿充填材料的強(qiáng)度，而且絮凝藥劑使用量存在一個(gè)最優(yōu)值，使充填材料的強(qiáng)度達(dá)到最大。鄔順科[2]等考察了攪拌葉輪形狀、攪拌速度以及攪拌時(shí)間等特殊水動(dòng)力學(xué)因素對(duì)高嶺石疏水剪切絮凝浮選行為的影響，研究表明攪拌速度影響渦旋強(qiáng)度，攪拌功率以及顆粒接觸碰撞速率等；攪拌時(shí)間關(guān)系著絮團(tuán)的成長(zhǎng)程度。張金鳳[3]等研究表明了低剪切強(qiáng)度水體紊動(dòng)對(duì)絮凝有促進(jìn)作用而高剪切強(qiáng)度水體紊動(dòng)對(duì)絮凝有抑制作用。張乃予[4]等研究表明動(dòng)水絮凝過程可概括為：顆粒碰撞一有效碰撞黏結(jié)一絮團(tuán)重構(gòu)一絮團(tuán)破裂一絮團(tuán)再形成。肖淑敏[5]等研究指出在最佳攪拌時(shí)間基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)攪拌速度是影響混凝性能和絮體特性的主要因素，這些研究都表明添加絮凝劑能增加尾礦顆粒強(qiáng)度，而剪切環(huán)境與絮凝行為有著密不可分的聯(lián)系。

已有絮凝試驗(yàn)中多給出不同水流條件下最終形成的絮團(tuán)強(qiáng)度，但很少?gòu)男鯃F(tuán)演化過程中，解釋絮團(tuán)特性如何發(fā)生變化，本研究為考察剪切環(huán)境下某鉛鋅尾礦絮團(tuán)演化過程及絮團(tuán)表征，在不同的剪切強(qiáng)度下，以聚丙烯酰胺(PAM)為絮凝劑，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，通過礦漿RBI值(一種反映顆粒數(shù)目與濃度的指標(biāo))、絮團(tuán)沉降率以及絮團(tuán)分形維數(shù)進(jìn)行絮團(tuán)表征，并通過顆粒錄影顯微技術(shù)觀察絮團(tuán)演化過程，考察了不同的攪拌強(qiáng)度、攪拌時(shí)間和礦漿輸入能量對(duì)某鉛鋅尾礦絮凝行為的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)原料與儀器

該鉛鋅尾礦是以方解石、石英為主要礦物的尾礦。經(jīng)測(cè)定該尾礦表面帶負(fù)電荷，比重為3.19 g/cm3，該鉛鋅尾礦負(fù)累積粒度分布曲線如圖1所示，d10為1.076 μm，d50為6.936 μm，d90為28.884 μm。

圖1 某鉛鋅尾礦負(fù)累積粒度分布曲線

對(duì)浮選尾礦進(jìn)行化學(xué)多元素測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表1所示。由表1可知浮選尾礦中，硫品位為7.46%，所取礦樣硫品位略高于該鉛鋅礦浮選尾礦全年平均硫品位，主要的脈石成分為SiO2、Al2O3、CaO和MgO，四者合計(jì)含量為54.73%。浮選尾礦中還含有As、Cd等成分。

表1 化學(xué)多元素測(cè)定

Unit: g/t.

Zeta 電位分析儀(Nano ZS)；JJ-1A精密增力電動(dòng)攪拌器；顆粒錄影顯微技術(shù)(ParticleView V19)；PM6000 透光偏光型顯微鏡；TZC-4沉降式粒度儀。

本試驗(yàn)選取絮凝劑類型為：陽離子聚丙烯酰胺(CPAM，分析純，分子量：1 200萬)、陰離子聚丙烯酰胺(APAM，分析純，分子量：1 200萬)、陽離子醚化淀粉(分析純)。

1.2 試驗(yàn)方法

用去離子水配制質(zhì)量濃度為 10% 的礦漿，調(diào)整 pH 為 7，配制質(zhì)量濃度為0.1% 的CPAM溶液作為投加藥劑。藥劑投加量為 200 g/t。試驗(yàn)時(shí)，先超聲分散2 min,將混凝攪拌器置于恒溫槽中，控制溫度為 20±1 ℃，將ParticleView V19的探頭固定插入到攪拌槽中，加入 10 mL 藥劑到礦漿中，立即使用精密攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌后，迅速將礦漿移出，測(cè)定沉降率以及顯微鏡拍照。本研究通過改變攪拌時(shí)間和攪拌轉(zhuǎn)速來確定攪拌條件對(duì)絮凝行為的影響以及絮團(tuán)如何表征。

由于臨界攪拌速度為800～1 000 r/min[6]，超過這個(gè)值時(shí)，由于渦流的強(qiáng)剪切力會(huì)破碎絮團(tuán)，只剩下小的絮團(tuán)，甚至呈分散狀態(tài)，而攪拌速度太小，剪切強(qiáng)度太小無法看到絮團(tuán)破碎過程，因此本試驗(yàn)攪拌轉(zhuǎn)速定為450 r/min、600 r/min、750 r/min。

1.3 指標(biāo)檢測(cè)

顆粒錄影顯微技術(shù)(ParticleView V19)是一款基于探頭的技術(shù)，它能實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)顆粒及顆粒結(jié)構(gòu)。不需要取樣及離線分析，就可在很寬的工藝條件下捕捉到高分辨率的圖片。而且可以得到與圖像對(duì)應(yīng)的一條RBI曲線，它能敏感反應(yīng)出顆粒數(shù)目和濃度的變化。

沉降率：利用1 000 mL沉降量筒對(duì)礦漿進(jìn)行絮凝沉降，將虹吸管插入試驗(yàn)量筒內(nèi)，使虹吸管的端口位于量筒液面下100 mm處。改變沉降時(shí)間，將上清液過濾烘干稱重，記錄質(zhì)量mt，礦漿原尾礦質(zhì)量為m0，絮團(tuán)某一時(shí)刻的沉降率ω=m0-mt/m0×100%可以作出沉降率隨時(shí)間變化曲線，通過絮團(tuán)沉降率來反映絮凝效果以及絮團(tuán)的沉降性能。

分形維數(shù)[7-9]：絮凝體分形維數(shù)的測(cè)定，使用膠頭滴管取適量的某鉛鋅尾礦絮凝體置于載玻片上，通過 PM6 000 透光偏光型顯微鏡采集的不同粒度絮凝體的圖像，測(cè)出相應(yīng)粒度絮凝體圖形的最長(zhǎng)距離以及投影面積。

依據(jù)公式:

A=BLDf

(1)

通過對(duì)等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)，可得:

lnA=lnB+DflnL

(2)

式中:A為截面面積;B為比例常數(shù);L為最長(zhǎng)距離(也稱為特征長(zhǎng)度);Df為分形維數(shù)。

根據(jù)所得投影面積A和最大長(zhǎng)度L，做出lnA與lnL的擬合直線關(guān)系圖，則斜率就是絮凝體的分形維數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 絮凝劑的選擇和最佳用量

絮凝劑條件試驗(yàn)在50 r/min的低攪拌速度下進(jìn)行，防止攪拌強(qiáng)度過高，使絮團(tuán)發(fā)生破裂。如圖2所示，在藥劑用量為200 g/t時(shí)，對(duì)某鉛鋅尾礦的絮凝作用：CPAM>APAM>陽離子醚化淀粉，陽離子醚化淀粉陽離子淀粉對(duì)尾礦顆粒絮凝效果較差，這是由于陽離子醚化淀粉形成的絮體較小，且容易在攪拌時(shí)受剪切力作用而破壞，不能滿足實(shí)際使用時(shí)的要求，而CPAM絮凝效果優(yōu)于APAM，這是由于PAM用于絮凝時(shí)，與被絮凝物種類的表面動(dòng)電位有關(guān)，尾礦表面電位為負(fù)電荷，加入表面電荷相反的PAM，能使顆粒表面動(dòng)電位降低而凝聚。由圖3當(dāng)沉降時(shí)間在180 s之后，沉降率上升緩慢，故選擇沉降時(shí)間為180 s，由圖4可知，沉降率隨CPAM用量的增加，3 min沉降率逐步提高，到200 g/t時(shí)達(dá)到最大值然后開始下降，因?yàn)楫?dāng)絮凝劑過量時(shí)，雜質(zhì)顆粒被絮凝劑包裹，從而使得整個(gè)體系變?yōu)閹д姾伞?由于正電荷間的互斥作用，絮凝體再次分散，發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象，從而使絮凝效果減弱。故對(duì)某鉛鋅尾礦而言，最佳CPAM用量為200 g/t。

圖2 不同絮凝劑的沉降效果對(duì)比

圖3 不同CPAM單耗下絮凝沉降曲線

圖4 沉降3 min的沉降率對(duì)比

2.2 攪拌時(shí)間對(duì)鉛鋅尾礦絮凝效果影響

如圖5所示，絮團(tuán)沉降率隨攪拌時(shí)間的增加而不斷降低，絮團(tuán)沉降性能不斷減弱，RBI值反應(yīng)礦漿中顆粒數(shù)以及濃度的變化，在濃度不變的情況下，RBI值越大，礦漿中顆粒數(shù)越多，而由圖6中RBI值變化可知，RBI值隨攪拌時(shí)間的增加而增加，礦漿中顆粒數(shù)增加，顆粒越分散，絮團(tuán)更不容易聚集，但絮團(tuán)分散越來越緩慢，轉(zhuǎn)速越高時(shí)，到達(dá)變緩點(diǎn)越快，但絮凝效果越差。

圖6 礦漿RBI值隨攪拌時(shí)間的變化

圖5 絮團(tuán)沉降率隨攪拌時(shí)間的變化

這是由于在高剪切條件下，尾礦顆粒與CPAM高分子在紊流中迅速結(jié)合成大絮團(tuán)，但這種絮團(tuán)在剪切環(huán)境下并不穩(wěn)定，隨著攪拌時(shí)間的增加，絮團(tuán)中不穩(wěn)定的部分被紊流的剪切作用打散，絮團(tuán)在剪切作用下打磨，強(qiáng)度越來越高直至穩(wěn)態(tài)，絮團(tuán)破碎與形成達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)[10]。

2.3 攪拌強(qiáng)度對(duì)鉛鋅尾礦絮凝效果影響

絮凝體強(qiáng)度是絮凝分離的一個(gè)重要的參數(shù)，絮團(tuán)強(qiáng)度的大小能夠反映出絮團(tuán)抗破壞能力的強(qiáng)弱。絮團(tuán)破裂主要是因?yàn)槊}層壓差和表層剪切力的作用。實(shí)際上絮團(tuán)生長(zhǎng)過程就是絮團(tuán)凝聚、破碎、再凝聚的過程，最終都達(dá)到穩(wěn)態(tài)絮團(tuán)強(qiáng)度與絮團(tuán)所受剪切力以及絮團(tuán)截面面積有關(guān)[10]。絮團(tuán)所受剪切力τ[10]計(jì)算公式：

τ=μG

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，τ—剪切力，Pa;ρ—水的密度，kg/m3；C—阻力系數(shù);取值范圍 0.2～0.5，本文取 0.35；Z—槳板數(shù)目；b—擋板數(shù)目；μ—水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，Pa·s；R—垂直軸中心至槳板外緣的距離，本實(shí)驗(yàn)為R=0.033 m；r—垂直軸中心至槳板內(nèi)緣的距離，本實(shí)驗(yàn)為r=0；n—垂直軸轉(zhuǎn)速；V—被攪動(dòng)的水體體積，m3。

如圖7、圖8、圖9所示，在剪切率分別為30 s-、46.5 s-、65 s-下顯微鏡100倍放大倍數(shù)下穩(wěn)定存在的絮團(tuán)圖像和二維分形維數(shù)擬合結(jié)果，從圖中可以看出，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的攪拌下，絮團(tuán)分形維數(shù)較大，說明此時(shí)絮團(tuán)形貌比較規(guī)則，結(jié)構(gòu)比較緊實(shí)。

圖7 G=30 s-

圖8 G=46.5 s-

圖9 G=65 s-

表2為在轉(zhuǎn)速為450 r/min、600 r/min、750 r/min下，對(duì)應(yīng)的攪拌強(qiáng)度為30 s-、30 s-、65 s-，增加攪拌強(qiáng)度，絮團(tuán)分形維數(shù)增大，絮團(tuán)形貌更加規(guī)則，由于系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)由于水流剪切作用與絮團(tuán)強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)平衡，絮團(tuán)強(qiáng)度隨攪拌強(qiáng)度增大而增大。

表2 不同攪拌強(qiáng)度下絮凝參數(shù)

2.4 單位礦漿輸入能量對(duì)鉛鋅尾礦絮凝效果的影響

如圖10以及圖11隨著礦漿輸入能量增加，參加絮凝作用的顆粒，以及絮團(tuán)沉降率，前期變化極快，絮團(tuán)被打散，在此攪拌體系中，單位體積礦漿輸入能量(計(jì)算公式如式7所示)達(dá)到626.04 kJ·m-3時(shí)，顆粒數(shù)目增加緩慢，沉降率降低不明顯，絮團(tuán)長(zhǎng)大和破碎形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)，因此絮凝過程中存在一個(gè)極限輸入能量值，超過這個(gè)值時(shí)，絮團(tuán)尺寸變小但變得特別緊密，絮團(tuán)強(qiáng)度足夠大，能在剪切環(huán)境下穩(wěn)定存在。

圖10 絮團(tuán)沉降率隨單位體積礦漿輸入能量的變化

圖11 礦漿RBI值隨單位體積礦漿輸入能量的變化

(7)

ES-單位體積礦漿輸入能量；P0—攪拌器空轉(zhuǎn)功率，W；p1—攪拌器在礦漿中運(yùn)轉(zhuǎn)功率，W；T—攪拌時(shí)間，s；V—礦漿體積，m3。

而基于ParticleView V19技術(shù)拍攝對(duì)應(yīng)單位礦漿輸入能量以及時(shí)間變化在不同轉(zhuǎn)速下的圖像如表3所示，可以清晰地看出尾礦顆粒在加入絮凝劑后迅速形成大絮團(tuán)，但此時(shí)絮團(tuán)較松散，隨著單位體積礦漿輸入能量的增加，大絮團(tuán)被逐漸打散而形成強(qiáng)度高但較分散的小絮團(tuán)，最終形成穩(wěn)態(tài)的過程。輸入相同的單位體積礦漿輸入能量，轉(zhuǎn)速越高，絮團(tuán)越分散，在相同轉(zhuǎn)速下，單位體積礦漿輸入能量越高或者攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，絮團(tuán)越分散，并逐漸趨于穩(wěn)定。

表3 絮團(tuán)演化過程

3 結(jié)論

(1)對(duì)某鉛鋅尾礦的絮凝作用：CPAM>APAM>陽離子醚化淀粉，絮凝劑的選擇與礦物種類密切，加入表面電荷相反的PAM，能使顆粒表面動(dòng)電位降低而凝聚。對(duì)某鉛鋅尾礦而言，CPAM最佳用量值為200 g/t，過高過低都不利于絮凝。

(2)在高剪切條件下，絮團(tuán)形成過程非常迅速，隨著攪拌時(shí)間增加，絮團(tuán)逐漸被打散，但打散的幅度越來越低，轉(zhuǎn)速越高時(shí)，到達(dá)打散變緩點(diǎn)越快，最終絮團(tuán)破碎與形成達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)而形成穩(wěn)態(tài)。

(3)攪拌強(qiáng)度的大小影響著絮團(tuán)所受剪切強(qiáng)度，增加攪拌強(qiáng)度，絮團(tuán)分形維數(shù)增大，絮團(tuán)形貌更加規(guī)則，絮團(tuán)抗剪切強(qiáng)度更高。

(4)隨著單位體積礦漿輸入能量增加，絮團(tuán)長(zhǎng)大和破碎會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)，因此絮凝過程中存在一個(gè)極限單位體積礦漿輸入能量值，超過這個(gè)值時(shí)，絮團(tuán)更加緊密，絮團(tuán)強(qiáng)度足夠大，能夠在剪切環(huán)境下穩(wěn)定存在。