無機和有機絮凝劑復(fù)配對鐵尾礦沉降特性研究

梁 效 王勇海，3 吳天驕 趙笑益

（1.西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司，陜西西安710054；2.陜西省礦產(chǎn)資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，陜西西安710054；3.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南長沙410083）

我國鐵礦石大多是貧、細礦，在分選的過程中多通過細磨提高鐵礦物與脈石的解離度，從而提高其分選指標。但這也造成了選礦后尾礦粒度細、沉降難度大、尾礦水濁度高等問題［1-3］。如果尾礦水回用，會惡化浮選過程；尾礦水直接排放，又會對周邊水體造成污染。因此，尾礦絮凝沉降對提高尾礦水水質(zhì)、加強尾礦水的回用至關(guān)重要。目前，對尾礦絮凝沉降的研究和應(yīng)用廣泛，多數(shù)尾礦通過添加高分子絮凝劑即可加速沉降、凈化回水［4-7］。但由于礦山生產(chǎn)技術(shù)提高、尾礦性質(zhì)變差等原因，常規(guī)絮凝劑對尾礦的沉降效果可能無法滿足實際生產(chǎn)的需要。近年來，研發(fā)新型絮凝劑及采用絮凝劑復(fù)配來提高尾礦的絮凝沉降效果成為研究的新方向［8-10］。如TLT8626［11］、FS3802［12］、BSF8140［1］、N1500［13］、AL9020［14］等新型高分子絮凝劑在鋁土礦、金礦、鐵礦尾礦及煤泥水沉降中表現(xiàn)出較好的性能，聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺［15］、水合硫酸亞鐵+聚丙烯酰胺［16］、氯化鎂+AL9020［17］、TLT8626+AS3318［11］等絮凝劑復(fù)配能夠提高含泥量高的尾礦的沉降效果，這些新型絮凝劑及絮凝劑復(fù)配的研究與應(yīng)用對選廠尾礦沉降及與之相關(guān)的技術(shù)改進起著重要的作用。

陜西某鐵礦選礦廠處理量為30萬t/a，尾礦沉降速度慢、尾水濁度高、質(zhì)量差，一直未回用。為了提高尾礦的沉降效果，促進尾水回用，通過單獨使用聚合氯化鋁、明礬、氯化鐵無機絮凝劑和陽離子50#、陰離子聚丙烯酰胺、新型AL9020有機高分子絮凝劑以及采用絮凝劑復(fù)配的方式對尾礦進行沉降試驗研究，分析了無機和有機絮凝劑復(fù)配對尾礦沉降的作用機理，為選廠尾礦快速沉降，提高尾水質(zhì)量，加強尾水回用提供依據(jù)。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

試驗用鐵尾礦采自陜西某鐵礦選礦廠，測得礦漿質(zhì)量濃度為16.4%，pH為7.04。使用激光粒度分析儀對尾礦進行粒度分析，結(jié)果見表1。由表1結(jié)果可知，尾礦樣粒度很細，-75 μm粒級產(chǎn)率為79.37%，-10 μm粒級產(chǎn)率為33.35%，因此，在自然狀態(tài)下尾礦沉降困難，尾礦水質(zhì)量較差，需要進行絮凝沉降以提高尾礦的沉降效率。

1.2 試驗藥劑

試驗藥劑主要為3種常規(guī)的無機絮凝劑：聚合氯化鋁（PAC）、明礬和氯化鐵（FeCl3）；3種有機絮凝劑：陽離子50#絮凝劑（Y-50#）、分子量為1 200萬的陰離子聚丙烯酰胺（APAM-1200）和新型AL9020絮凝劑。各絮凝劑來源及純度見表2。

試驗過程中使用絮凝劑時，將無機絮凝劑配制成濃度為3%的溶液，有機絮凝劑配制成濃度為1‰的溶液。

1.3 試驗方法

將絮凝劑配制成溶液，每次量取等量的尾礦漿置入1 L量筒中，用注射器加入絮凝劑。量筒加蓋并上下翻轉(zhuǎn)10次，使絮凝劑與礦物顆粒充分作用。靜置后開始計時，并記錄澄清層的下降距離，按公式（1）計算沉降速度。20 min時測定澄清層的濁度，最后以尾礦的沉降速度和澄清層的濁度來評價沉降效果。沉降速度計算公式：

式中：v為沉降速度，m/d；H為臨界點澄清層高度，米；t為到達臨界點的澄清時間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 自然沉降和絮凝劑種類試驗

對尾礦進行自然沉降，并使用3種無機絮凝劑和3種有機絮凝劑分別對尾礦進行絮凝沉降試驗。無機絮凝劑加入量為300 g/m3；有機絮凝劑加入量為15 g/m3。自然沉降及不同絮凝劑對尾礦的沉降曲線見圖1，沉降速度和澄清層濁度結(jié)果見表3。

從圖1和表3結(jié)果可以看出，尾礦自然沉降速度慢，需要進行絮凝加快沉降速度。使用有機絮凝劑時，尾礦的絮凝沉降速度遠大于使用無機絮凝劑時，在有機絮凝劑中，使用APAM-1200和AL9020尾礦絮凝沉降速度快，而使用Y-50#絮凝劑時尾礦沉降速度相對較慢；在無機絮凝劑中，使用FeCl3時尾礦絮凝沉降速度優(yōu)于使用PAC和明礬絮凝沉降的尾礦。

從試驗現(xiàn)象及濁度結(jié)果來看，尾礦自然沉降澄清層渾濁，濁度最大。使用有機絮凝劑絮凝沉降時澄清層較渾濁，其中Y-50#澄清層的濁度最大，APAM-1200和AL9020澄清層濁度相差不大。使用無機絮凝劑絮凝時澄清層透明，濁度均很小。無機絮凝劑絮凝后尾礦顆粒形成的絮團小且松散，堆積體積大，而有機絮凝劑絮凝后形成的絮團大，很快沉降，堆積后的體積小。

綜合來看，AL9020對尾礦的絮凝沉降速度最大，但澄清層較渾濁；3種無機絮凝劑絮凝沉降速度較有機絮凝劑慢很多，但澄清層透亮，因此，無機和有機絮凝劑配合使用效果可能會更好。3種無機絮凝劑中FeCl3對尾礦的沉降效果最好，因此選擇FeCl3與新型AL9020有機絮凝劑復(fù)配對尾礦進行沉降試驗研究。

2.2 FeCl3和AL9020復(fù)配絮凝沉降試驗

FeCl3的用量選擇分別為 150、200、250、300 g/m3，并以FeCl3每次的用量為定量，分別加入5、10、15、20 g/m3的AL9020。兩種絮凝劑配合使用時尾礦的沉降曲線見圖2～圖5，沉降速度和澄清層濁度結(jié)果見表4。

從圖2～圖5以及表4的結(jié)果可知，隨著FeCl3和AL9020用量的增大，尾礦的絮凝沉降速度均有增大的趨勢。但沉降速度增大的主要原因是AL9020用量的增大，當(dāng)AL9020用量從5 g/m3增大到15 g/m3時，尾礦的沉降速度呈線性增大；當(dāng)AL9020用量≥15 g/m3時，尾礦的沉降速度增幅不明顯。加入FeCl3后，澄清層濁度均很低，在21～27NTU之間。FeCl3和AL9020配合使用時，既提高了尾礦的沉降速度，又降低了澄清層濁度，發(fā)揮了兩者各自的優(yōu)勢。

試驗中發(fā)現(xiàn)FeCl3用量為300 g/m3，AL9020用量≥15 g/m3時，產(chǎn)生大量棉狀絮團，導(dǎo)致尾礦沉降后體積蓬松，需要很長時間才能自然壓實。綜合考慮藥劑成本，選擇FeCl3和AL9020的用量分別為200 g/m3和15 g/m3比較適宜，此時尾礦的沉降速度為301.68 m/d，澄清層濁度為23NTU，沉降效率較兩者單獨使用時大幅提高。

2.3 無機和有機絮凝劑復(fù)配絮凝沉降機理分析

尾礦漿中的粗顆粒沉降后，微細顆粒在水中呈懸浮狀態(tài)，很難沉降。測得尾礦自然狀態(tài)下的Zeta電位為-18.26 mV，說明尾礦中顆粒表面帶有負電荷。不同F(xiàn)eCl3用量下礦漿的Zeta電位變化情況見圖6。

由圖6可以看出，隨著FeCl3用量的增大，尾礦的Zeta電位逐漸增大，并趨近于0。這說明添加無機絮凝劑可以降低尾礦顆粒表面的負電荷，從而減弱顆粒間的靜電斥力，增加范德華引力，提高顆粒之間相互碰撞的幾率，進而促進微細顆粒凝聚成較大的顆粒而沉淀。有機高分子絮凝劑分子量大、分子結(jié)構(gòu)鏈長，能夠通過架橋作用使凝聚的顆粒迅速聚連成較大的絮團而沉淀下來。無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑之間的協(xié)同效應(yīng)過程見圖7。

如圖7所示，將無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑配合使用，先利用無機絮凝劑中和電荷，使微細顆粒凝聚成較大的顆粒，再通過有機高分子絮凝劑的橋聯(lián)作用使顆?？焖傩纬审w積大的絮凝物，能夠加快細顆粒的沉降速度，最終提高尾礦的沉降效果。

3 結(jié) 論

（1）鐵尾礦粒度細，小于74 μm的含量近80%。尾礦自然沉降速度慢，為6.60 m/d，且澄清層渾濁，濁度為237NTU，需要加入絮凝劑加速沉降。

（2）有機高分子絮凝劑能夠顯著提高鐵尾礦的沉降速度，且AL9020對尾礦的絮凝沉降效果優(yōu)于Y-50#和APAM-1200。無機絮凝劑對降低澄清層濁度作用明顯，但在提高尾礦的絮凝沉降速度方面不如有機絮凝劑，3種無機絮凝劑的沉降效果為：FeCl3＞PAC＞明礬。

（3）無機和有機絮凝劑配合使用，一方面通過無機絮凝劑消除尾礦顆粒間的靜電斥力，另一方面通過有機高分子絮凝劑的橋連作用使得顆粒形成大絮團，既能降低澄清層的濁度，又能加快尾礦的沉降速度。當(dāng)FeCl3用量為200 g/m3、AL9020用量為15 g/m3時，尾礦的沉降速度為301.68 m/d，澄清層濁度為23NTU，沉降速度較自然沉降提高了45倍，澄清層濁度降低了10倍。