低腐蝕礦用清洗劑的配方開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

倪瀟

上海翱鶴礦業(yè)有限公司 （上海 201708）

陶瓷過(guò)濾機(jī)是一種礦山上常用的高效節(jié)能過(guò)濾設(shè)備，尤其在使用浮選或磁選等技術(shù)的選廠應(yīng)用較廣[1]。陶瓷過(guò)濾機(jī)的工作區(qū)分為吸漿區(qū)、干燥區(qū)、卸料區(qū)和反沖洗區(qū)[2]。陶瓷過(guò)濾機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，濾板浸沒(méi)在料漿槽中，在真空作用下，料漿槽中懸浮的精礦顆粒吸附在濾板上，固體物料被截留在濾板上，濾液則通過(guò)濾板循環(huán)（富余部分也會(huì)外排）；濾板離開(kāi)料漿槽，進(jìn)入干燥區(qū)，在真空作用下濾餅繼續(xù)脫水；干燥后的卸料區(qū)配置有刮刀，將濾餅刮下；卸料結(jié)束，濾板進(jìn)入反沖洗區(qū)，過(guò)濾后的水通過(guò)分配頭進(jìn)入濾板，對(duì)濾板進(jìn)行反清洗，把堵塞在微孔上的顆粒沖洗下來(lái)，至此完成一個(gè)過(guò)濾操作循環(huán)[3]。

雖然每個(gè)循環(huán)都有反沖洗，但仍有礦物顆粒堵塞一部分毛細(xì)管，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后過(guò)濾效果降低，因此需要定期清洗濾板。陶瓷過(guò)濾機(jī)清洗系統(tǒng)分簡(jiǎn)單物理清洗（反沖洗）裝置、深度物理清洗（超聲波）裝置和化學(xué)清洗（酸洗）裝置，三者結(jié)合工作保障陶瓷板微孔通暢，保持陶瓷板高效率地運(yùn)行，防止其在周期運(yùn)轉(zhuǎn)中抽濾效果降低。

簡(jiǎn)單物理清洗（反沖洗）：由內(nèi)向外對(duì)每一個(gè)循環(huán)的反沖洗區(qū)陶瓷板進(jìn)行沖洗，保證陶瓷板微孔得到疏通，在開(kāi)車(chē)及聯(lián)合清洗時(shí)工作。

深度物理清洗（超聲）：主要是在混合清洗時(shí)利用高頻超聲波的空化作用對(duì)陶瓷板進(jìn)行清洗，在聯(lián)合清洗時(shí)工作。

化學(xué)清洗（目前為硝酸洗）：雖然超聲波能把大部分小顆粒精礦從微孔中洗出，但大顆粒會(huì)卡在微孔中，僅使用超聲很難清洗干凈。硝酸是強(qiáng)酸，能夠溶解大部分金屬氧化物（精礦顆粒）和結(jié)垢。清洗過(guò)程中加入硝酸會(huì)使大顆粒粒徑變小，結(jié)合物理沖洗，能將更多的大顆粒洗下來(lái)，達(dá)到更好的清洗效果[4]。

陶瓷過(guò)濾機(jī)化學(xué)清洗絕大部分采用硝酸，使用少量的草酸進(jìn)行輔助浸泡。隨著環(huán)保政策越發(fā)嚴(yán)格，硝酸清洗遇到了前所未有的壓力。實(shí)際生產(chǎn)中，硝酸存在較大的安全管理隱患。98%硝酸俗稱(chēng)發(fā)煙硝酸，屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，在空氣中猛烈發(fā)煙，灼傷事故頻發(fā)；酸霧對(duì)設(shè)備、管道以及廠房腐蝕較為嚴(yán)重；硝酸儲(chǔ)存要求高，需專(zhuān)門(mén)的安全環(huán)保設(shè)施；硝酸稀釋操作難度大，放熱快，需要小心緩慢操作。發(fā)煙硝酸在空氣中會(huì)釋放NO2氣體，對(duì)人員健康存在一定傷害。由于硝酸具有強(qiáng)腐蝕性，清洗過(guò)程安全事故頻發(fā)，清洗廢液對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)構(gòu)筑物造成腐蝕。諸多問(wèn)題促使新型環(huán)保清洗方式的研發(fā)迫在眉睫[5]。

西北某鐵礦是國(guó)內(nèi)著名的大型磁鐵礦床之一，主產(chǎn)品為鐵精礦。鐵精礦生產(chǎn)過(guò)程中脫水采用陶瓷過(guò)濾機(jī)。陶瓷過(guò)濾機(jī)濾板清洗始終采用硝酸，每年消耗98%濃硝酸約90 t。開(kāi)發(fā)了一種硝酸替代品，為了進(jìn)一步確定其清洗效果，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 清洗劑配方

上海翱鶴礦業(yè)有限公司根據(jù)生產(chǎn)痛點(diǎn)、難點(diǎn)，開(kāi)展硝酸替代品的研究。通過(guò)過(guò)濾產(chǎn)品和濾板性質(zhì)分析、清洗劑分子設(shè)計(jì)以及清洗試驗(yàn)等，最終獲得一系列產(chǎn)品TAXX。其主要功能組分包括固體有機(jī)酸、固體無(wú)機(jī)酸式鹽、水質(zhì)硬度調(diào)整劑、pH 調(diào)整劑、表面活性劑（簡(jiǎn)稱(chēng)“表活”）、活性酶。

1.2 清洗劑的配置

當(dāng)前選礦廠采購(gòu)98%硝酸，先稀釋至50%，再由計(jì)量泵送入反沖洗管路中，和反沖洗水混合成0.5%～1%的酸液進(jìn)行清洗，流程如圖1 所示。每噸精礦的硝酸用量約為100 g。發(fā)煙硝酸需要多步稀釋?zhuān)倚枰o與稀釋罐體一定的時(shí)間冷卻。

圖1 陶瓷過(guò)濾機(jī)硝酸清洗流程

TA20 是直接按照目標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（即硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的十五分之一到十分之一）配制成稀溶液。在藥劑攪拌桶內(nèi)添加適量的水，然后按一定比例添加清洗劑，慢速攪拌，待全部溶解后使用；全程罐體溫度沒(méi)有明顯變化。目標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5%～7%）的水溶液配制完畢后，直接代替原稀硝酸接入原過(guò)濾機(jī)酸泵吸入即可。藥劑接入方法見(jiàn)圖2。

圖2 陶瓷過(guò)濾機(jī)清洗劑清洗流程

1.3 工業(yè)試驗(yàn)

HX-60 陶瓷過(guò)濾機(jī)過(guò)濾面積60 m2, 濾板180片。選廠精礦過(guò)濾車(chē)間共有10 臺(tái)同型號(hào)過(guò)濾機(jī)，6臺(tái)正常使用，4 臺(tái)維修或者備用。本次工業(yè)試驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)正常使用陶瓷過(guò)濾機(jī)，試驗(yàn)時(shí)間為1 周。

選取2 號(hào)過(guò)濾機(jī)進(jìn)行TA20 的陶瓷過(guò)濾機(jī)清洗試驗(yàn)，時(shí)間從2021 年3 月4 日開(kāi)始，穩(wěn)定運(yùn)行至3月7 日。試驗(yàn)流程為：（1）3 月4 日早班采用硝酸清洗劑作為對(duì)照試驗(yàn)，硝酸初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%，由計(jì)量泵送入反沖洗管路中，淘洗機(jī)中的硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%，然后邊超聲邊清洗，洗滌70 min。（2）3月4 日中班開(kāi)始改用TA20 清洗劑，清洗時(shí)先配制5.5%的TA20 溶液，由計(jì)量泵送入反沖洗管路中，淘洗機(jī)中的TA20 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%。邊超聲邊清洗，洗滌時(shí)間為70 min（其中酸洗60 min，然后關(guān)閉計(jì)量泵用反沖水沖洗10 min）。清洗1 h 后測(cè)量清洗水pH，取清洗水樣化驗(yàn)化學(xué)需氧量（COD），方法參照HJ 828—2017《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》，記錄沖洗水壓力。（3）過(guò)濾時(shí)均保持陶瓷過(guò)濾機(jī)真空度為0.1 MPa，每班每隔2 h 記錄濾餅厚度（從右往左分別記錄第2，5，8，11，14 圈共5 個(gè)取樣點(diǎn)的濾餅厚度，然后取平均值）；每班測(cè)一次濾餅含水率。

2 結(jié)果和討論

2.1 清洗劑配方選定

硝酸清洗中以強(qiáng)酸的腐蝕作用為主。TAXX 系列清洗劑以表面活性劑和固體有機(jī)酸為最初配方，在試驗(yàn)中不斷改進(jìn)，通過(guò)添加其他功能組分，達(dá)到類(lèi)似的清洗效果。

由表1 可知，初始配方（有機(jī)酸+表活）的清洗能力在短時(shí)間內(nèi)可和硝酸持平，但是到了一個(gè)班次的后期（6～8 小時(shí)），濾餅變薄，顯示該配方的持續(xù)能力不夠。因此，在原配方中加入了固體無(wú)機(jī)酸式鹽，使酸性進(jìn)一步增強(qiáng)，這個(gè)配方的清洗能力明顯優(yōu)于初始二元配方。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)清洗用水大部分硬度比較高、堿度大，繼續(xù)加入一個(gè)微量組分，調(diào)整水體鈣、鎂離子含量和pH，使原配方能發(fā)揮更大的作用，最終形成了一個(gè)六元配方體系。

表1 TAXX 系列清洗劑配方改進(jìn)和試驗(yàn)濾餅厚度cm

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜態(tài)溶解試驗(yàn)對(duì)比，確定TA20 的溶出效果最好。TA20 為白色晶體，無(wú)色無(wú)味，易溶于水，溶解速度快且溶解過(guò)程中沒(méi)有明顯的溫度變化，酸性遠(yuǎn)弱于等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸，也不會(huì)產(chǎn)生酸霧，安全性提升，且操作簡(jiǎn)化。TA20 配方如表2所示。

表2 TA20 陶瓷板清洗劑配方

2.2 工業(yè)試驗(yàn)

由表3 工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在洗滌時(shí)間相同（均為70 min）、陶瓷過(guò)濾機(jī)真空度均為0.1 MPa 條件下，采用TA20 清洗后的濾餅厚度與硝酸清洗的濾餅厚度基本一致，均隨著過(guò)濾時(shí)間的增加而略微減小，在8 h 內(nèi)濾餅厚度的平均值為0.46～0.54 cm，含水率在8.35%～11.32%之間。

表3 工業(yè)調(diào)試生產(chǎn)指標(biāo)

采用硝酸作為清洗劑，其清洗水pH≈2，酸度過(guò)大，如果不用石灰中和，無(wú)法直接外排；而采用TA20作為清洗劑，其清洗水pH≈6，ρ（COD）≈10 mg/L，遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)丨h(huán)保局污水排放上限值（500 mg/L），可直接排放。

TA20 清洗劑在使用中優(yōu)于硝酸，能在1/3～1/4的硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下達(dá)到相同的清洗效果。配置上大大簡(jiǎn)化，消除了硝酸使用中放熱和產(chǎn)生酸霧的危險(xiǎn)，減少了分步稀釋硝酸中所需要的中間酸液（50%硝酸溶液）儲(chǔ)罐。作為固體，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸也比高濃硝酸安全和方便。

3 成本分析

根據(jù)該礦業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況，2019 年共生產(chǎn)137 萬(wàn)t 鐵精礦，共消耗87.65 t 硝酸，硝酸單價(jià)為2 850 元/t（不含稅），可知以硝酸作為清洗劑的成本為：87.65×2 850/1 370 000=0.18 元/t。

2021 年3 月4 日至3 月7 日使用TA20 進(jìn)行陶瓷過(guò)濾機(jī)的清洗工業(yè)試驗(yàn)，每個(gè)班次每臺(tái)陶瓷機(jī)使用TA20 的量為4.1 kg。由此可知，每年需使用環(huán)保清洗劑TA20 的量約為4.1×3×6×330/1 000≈24.5 t。按照清洗劑售價(jià)2 萬(wàn)元/t 計(jì)，生產(chǎn)1 t 精礦的清洗成本為0.3 元。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）TA20 是一種環(huán)保礦用清洗劑，相比于硝酸清洗劑，它具有綠色環(huán)保，存儲(chǔ)、配制、使用及運(yùn)輸過(guò)程安全、簡(jiǎn)單、方便，對(duì)設(shè)備零部件腐蝕小等優(yōu)點(diǎn)，可改善工作環(huán)境，降低過(guò)濾過(guò)程中的事故率。

（2）陶瓷過(guò)濾機(jī)的工業(yè)清洗試驗(yàn)表明：TA20 能夠完全替代硝酸清洗劑，且清洗水pH≈6，遠(yuǎn)高于硝酸作為清洗劑的清洗水pH（約為2）；使用TA20 的清洗水ρ（COD）≈10 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)丨h(huán)保排放上限，無(wú)需石灰中和即可直接排放。

（3）在清洗工業(yè)試驗(yàn)中，陶瓷過(guò)濾機(jī)真空度均為0.1 MPa 的條件下，采用TA20 清洗后的濾餅厚度與硝酸清洗的濾餅厚度基本一致，均隨過(guò)濾時(shí)間的增加而略微減小，在8 h 內(nèi)濾餅厚度的平均值為0.46～0.54 cm，含水率在8.35%～11.32%之間。

（4）經(jīng)計(jì)算，該礦業(yè)每年需使用環(huán)保清洗劑TA20 的量約為24.5 t，約為硝酸用量的28%。