絮凝沉降對(duì)濃縮超細(xì)尾砂料漿屈服應(yīng)力的影響

阮竹恩 ，吳愛祥 ，王貽明，王 勇，王建棟)

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)順德研究生院，佛山 528399

深錐濃密技術(shù)是全尾砂膏體充填的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)用深錐濃密機(jī)可以獲得高濃度的底流料漿與澄清的溢流水，對(duì)于尾礦綠色處置具有重要意義[1?2].目前，針對(duì)深錐濃密機(jī)的底流濃度、溢流水濁度和處理能力（或者沉降速率）等方面開展了大量的靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)濃密實(shí)驗(yàn)與模擬研究，探究了尾砂性質(zhì)、深錐濃密機(jī)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)全尾砂濃密效果的影響[3?6].其中，帶有導(dǎo)水桿的耙架結(jié)構(gòu)是獲得高濃度底流的關(guān)鍵[7?8].但是，因?yàn)樯铄F濃密機(jī)內(nèi)底部料漿濃度高，從而導(dǎo)致屈服應(yīng)力高，容易導(dǎo)致耙架扭矩過載而發(fā)生壓耙，影響正常生產(chǎn)[9].同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)礦產(chǎn)品的不斷需求和選礦技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，產(chǎn)生的尾砂越來越細(xì)甚至達(dá)到了超細(xì)的級(jí)別，超細(xì)尾砂比表面積大，導(dǎo)致屈服應(yīng)力更大[10].因此有必要對(duì)深錐濃密機(jī)內(nèi)底部超細(xì)全尾砂料漿的屈服應(yīng)力進(jìn)行研究.

目前，對(duì)于全尾砂料漿的屈服應(yīng)力的研究主要是為了分析其對(duì)管道輸送阻力的影響，研究發(fā)現(xiàn)料漿中固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)[11?12]、尾砂粒徑分布[13?14]、外加劑[15?16]、料漿中離子強(qiáng)度[17]、時(shí)間與溫度[18?19]等諸多因素均對(duì)全尾砂料漿的屈服應(yīng)力有顯著的影響，研究方法通常是根據(jù)料漿的固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和組成，應(yīng)用干料與水?dāng)嚢柚苽涑闪蠞{，進(jìn)行屈服應(yīng)力測(cè)量，忽略了高濃度料漿形成過程中添加的高分子絮凝劑[20?21]以及絮凝過程對(duì)料漿流變特性的影響.

為此，本文首先開展不同條件下的超細(xì)尾砂絮凝沉降實(shí)驗(yàn)獲得高濃度尾砂料漿，再對(duì)高濃度尾砂料漿進(jìn)行原位屈服應(yīng)力測(cè)試，并通過絮對(duì)凝前后料漿總有機(jī)碳（TOC）測(cè)試來分析超細(xì)尾砂對(duì)絮凝劑的吸附情況，進(jìn)而分析不同絮凝劑吸附對(duì)尾砂料漿屈服應(yīng)力的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

因鐵礦、銅礦、金礦等金屬礦的尾砂的主要成分為SiO2[15,22?23]，本文采用人造尾砂（石英砂）作為實(shí)驗(yàn)材料，避免尾砂中其他礦物成分對(duì)絮凝與屈服應(yīng)力的影響[24?25].人造尾砂的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.87%，密度為2604.04 kg·m?3，?10 μm 顆粒體積分?jǐn)?shù)為70.62%，屬于超細(xì)尾砂[26]，比表面積為0.799 m2·g?1.采用陰離子高分子絮凝劑Rheomax?DR 1050 作為研究用絮凝劑.

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文重點(diǎn)研究不同pH 和不同絮凝劑單耗條件下的絮凝劑吸附情況與高濃度尾砂料漿的屈服應(yīng)力，因此固定初始時(shí)尾砂料漿的固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，固定絮凝劑溶液中絮凝劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%，固定絮凝劑單耗為15 g·t?1時(shí)設(shè)置pH 分別為8、9、10、11，固定pH 為11 時(shí)設(shè)置絮凝劑單耗（FD）為0～45 g·t?1.每組實(shí)驗(yàn)中尾砂料漿和絮凝劑溶液的總體積為750 mL.基本實(shí)驗(yàn)過程如圖1 所示：首先進(jìn)行尾砂絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，獲得高濃度的絮凝尾砂料漿；然后進(jìn)行TOC 測(cè)定，確定上清液中TOC 含量；最后進(jìn)行高濃度絮凝尾砂料漿的屈服應(yīng)力測(cè)試.

圖1 實(shí)驗(yàn)過程Fig.1 Schematic of experiment process

應(yīng)用可拆卸的沉降筒進(jìn)行靜態(tài)絮凝沉降實(shí)驗(yàn).首先用干的人造尾砂和水配制尾砂料漿，并用Ca(OH)2溶液調(diào)節(jié)料漿的pH，將尾砂料漿導(dǎo)入沉降筒后根據(jù)絮凝劑單耗加入絮凝劑溶液，上下晃動(dòng)使尾砂與絮凝劑混合后進(jìn)行沉降，應(yīng)用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄固液分界面高度，1 h 后取上清液進(jìn)行濁度測(cè)試，14 h 后記錄固液分界面的高度以分別計(jì)算上清液和高濃度料漿的體積，然后取上清液進(jìn)行TOC 測(cè)定，最后排干上清液后對(duì)下部高濃度尾砂料漿進(jìn)行屈服應(yīng)力測(cè)試.應(yīng)用可拆卸的沉降筒，既考慮了絮凝對(duì)屈服應(yīng)力的影響，又避免了取樣測(cè)試對(duì)料漿的擾動(dòng)，從而提高了屈服應(yīng)力測(cè)試的精度.

應(yīng)用島津TOC?L 總有機(jī)碳分析儀進(jìn)行TOC 測(cè)定.分別對(duì)絮凝前的水、絮凝劑溶液和絮凝后的上清液進(jìn)行TOC 測(cè)定，根據(jù)碳平衡計(jì)算出高濃度尾砂料漿中的TOC 含量，進(jìn)而計(jì)算出絮凝劑吸附效率與絮凝劑吸附量，具體計(jì)算如式（1）、（2）所示.

其中，TOCfloc、TOCslurry分別為絮凝沉降前絮凝劑溶液和水的TOC 質(zhì)量濃度,mg·L?1；T OCsuper、TOCsedi分別為絮凝沉降后上清液和底部高濃度尾砂料漿的TOC 質(zhì)量濃度,mg·L?1；Vfloc、Vslurry分別為絮凝劑溶液和水的體積，L；Vsuper、Vsedi分別為絮凝沉降后上清液和底部高濃度尾砂料漿的體積，L.

其中，efffloc為 絮凝劑吸附效率，%.

其中，mfloc為 人造尾砂表面單位面積的絮凝劑吸附量，mg·m?2；FD 為絮凝劑單耗，g·t?1；SSA 為人造尾砂的比表面積，m2·g?1.

應(yīng)用Haake RT V550 流變儀進(jìn)行屈服應(yīng)力測(cè)試.同時(shí)，應(yīng)用ZetaCompact Z9000 電位計(jì)對(duì)不同pH 條件下的Zeta 電位（ζ）進(jìn)行測(cè)量，但是忽略絮凝劑單耗對(duì)Zeta 電位的影響[27].

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝條件對(duì)絮凝效果的影響

應(yīng)用人造尾砂料漿固液界面的初始沉降速率（ISR）、絮凝沉降后上清液的濁度（T）和底部沉積尾砂的固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)（SSF）來綜合表征人造尾砂料漿的絮凝沉降效果.不同pH 和FD 條件下的絮凝沉降效果如圖2 所示.

圖2 絮凝條件對(duì)絮凝沉降的影響.（a）pH；（b）絮凝劑單耗Fig.2 Effects of conditions on flocculation and settling:(a) pH;(b) flocculant dosage

由圖2（a）可知，當(dāng)FD=15 g·t?1時(shí)，在pH 值為8～11 的范圍內(nèi)，ISR、T和SSF 隨著pH 單調(diào)遞減，其中ISR 由0.7635 mm·s?1降 到0.4565 mm·s?1；T由982 NTU 降到143 NTU，變化最為顯著；而SSF 由52.49%降到51.56%，變化較小.有研究表明pH和金屬陽(yáng)離子對(duì)絮凝都有影響[28]，而本文應(yīng)用Ca(OH)2溶液調(diào)節(jié)料漿的pH，不同pH 條件下的OH?1和Ca2+共同影響人造尾砂顆粒表面的Zeta 電位，導(dǎo)致Zeta 電位隨著pH 的增加而不斷增加，從?70.65 mV 增加到?20.97 mV，從而影響絮凝效果.根據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—96)要求，采礦、選礦工業(yè)懸浮物的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為質(zhì)量濃度不超過300 mg·L?1，因此實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)pH 為11.

由圖2（b）可知，當(dāng)pH 值為11 時(shí)，在FD=0～45 g·t?1的范圍內(nèi)，ISR 隨著FD 的增加而先增大后減小，在FD=40 g·t?1時(shí)達(dá)到最大值0.5059 mm·s?1；而T隨著FD 的增加而先減小后增大，在FD=40 g·t?1時(shí)達(dá)到最小值112 NTU.同時(shí)，根據(jù)FD=0～15 g·t?1范圍ISR 和T的明顯變化說明絮凝劑的絮凝作用較好，但是絮凝作用卻不利于靜態(tài)沉降時(shí)SSF 的提高，SSF 隨著FD 的增加而不斷減小直至在FD=20 g·t?1達(dá)到穩(wěn)定值51.26%.這是因?yàn)?，在高分子絮凝劑作用下，人造尾砂顆粒形成絮團(tuán)，導(dǎo)致絮團(tuán)內(nèi)部的包裹水不易排出而使得固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，也說明了僅依靠靜態(tài)絮凝沉降較難獲得較高濃度的尾砂料漿，可通過引入耙架的剪切作用與導(dǎo)水桿的導(dǎo)水作用來進(jìn)一步提高絮凝尾砂料漿的濃度[7?8].

2.2 絮凝條件對(duì)絮凝劑吸附效率的影響

高分子絮凝劑與尾砂顆粒的絮凝作用屬于橋接絮凝，絮凝劑分子在尾砂顆粒表面的有效吸附是絮凝的前提[29].根據(jù)絮凝前后TOC 的變化來分析絮凝劑吸附情況，不同pH 和FD 條件下的絮凝劑吸附情況如圖3 所示.由圖3 可知，不同條件下TOCsuper遠(yuǎn) 小于 TOCfloc，說明絮凝劑被大量吸附，但是 TOCsuper略 高于 TOCslurry，說明仍有少量絮凝劑未被人造尾砂顆粒吸附.

圖3 絮凝條件對(duì)絮凝劑吸附效率的影響.（a）pH；（b）絮凝劑單耗Fig.3 Effects of conditions on efficiency of flocc adsorption:(a) pH;(b) flocculant dosage

由圖3（a）可知，在FD 和初始尾砂料漿的固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的條件下，在pH 值8～11 的范圍內(nèi)，efffloc隨著pH 的增大而不斷增大，說明在增大pH 有助于絮凝劑的吸附，這是因?yàn)楸疚闹性趐H 增大時(shí)Zeta 電位和Ca2+濃度均不斷增大，從而促進(jìn)高分子絮凝劑在人造尾砂顆粒表面的吸附.

由圖3（b）可知，當(dāng)pH 值為11 時(shí)，在FD=0～45 g·t?1的范圍內(nèi)，TOCsuper隨著FD 的增大而不斷增大，efffloc隨著FD 的增大而不斷減小，說明隨著FD 的增大未被吸附的絮凝劑也不斷增多.因?yàn)樵诨旌纤俾逝c混合時(shí)間一定的條件下，人造尾砂顆粒能夠吸附的絮凝劑有限，從而導(dǎo)致在有限時(shí)間內(nèi)不能被吸附的絮凝劑增多.

2.3 絮凝沉降對(duì)屈服應(yīng)力的影響

在不同pH 和FD 條件下，通過絮凝沉降實(shí)驗(yàn)得到濃縮（未添加水泥等膠結(jié)劑）超細(xì)尾砂料漿.通過流變儀測(cè)試濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力，并根據(jù)圖3 中的絮凝劑吸附效率和絮凝劑添加量計(jì)算出人造尾砂表面單位面積的絮凝劑吸附量，所得結(jié)果如圖4 所示.

圖4 絮凝條件對(duì)屈服應(yīng)力的影響.（a）pH；（b）絮凝劑單耗Fig.4 Effects of conditions on yield stress:(a) pH;(b) flocculant dosage

屈服應(yīng)力隨著pH 和FD 的變化趨勢(shì)與mfloc隨 著pH 和FD 的變化趨勢(shì)相似.由圖4（a）可知，當(dāng)FD=15 g·t?1時(shí)，在pH 值為8～11 的范圍內(nèi)，屈服應(yīng)力和mfloc隨著pH 的增大而不斷增大.由圖4（b）可知，當(dāng)pH 值為11 時(shí)，在FD=0～45 g·t?1的范圍內(nèi)，屈服應(yīng)力和mfloc隨著FD 的增大也不斷增大，并且經(jīng)過絮凝（FD>0）的濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力明顯大于非絮凝（FD=0）的濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力，說明絮凝作用對(duì)屈服應(yīng)力有較大的影響.

料漿的屈服應(yīng)力與料漿內(nèi)固體顆粒間的相互吸引力有關(guān)，吸引力越大，屈服應(yīng)力約大[30].不同于經(jīng)典的DLVO 理論，高分子絮凝劑絮凝后的尾砂料漿里尾砂顆粒之間的相互作用力不僅包括范德華力和雙電子層作用力，更重要的是因?yàn)槲采邦w粒表面吸附的絮凝劑而產(chǎn)生的橋接作用力，橋接作用力主要與絮凝劑性質(zhì)、料漿中離子濃度、顆粒大小等因素有關(guān)[31?32].由圖4（a）可知，因?yàn)閆eta 電位和Ca2+的影響導(dǎo)致人造尾砂顆粒表面吸附的絮凝劑量增加，從而增大了橋接作用力.同時(shí)從圖4（b）可知，雖然圖3（b）中絮凝劑吸附效率隨著FD 的增加而降低，但是因?yàn)樾跄齽﹩魏牟粩嘣龃?，所以人造尾砂顆粒表面吸附的絮凝劑量隨著FD 的增大也不斷增加，進(jìn)而增大了橋接作用力.橋接作用力的增大，導(dǎo)致絮凝沉降形成的濃縮超細(xì)尾砂料漿內(nèi)的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大，從而需要更大的剪切力來破壞絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也就導(dǎo)致屈服應(yīng)力增大.

為了進(jìn)一步分析屈服應(yīng)力與mfloc的關(guān)系，根據(jù)圖5 中屈服應(yīng)力與mfloc的關(guān)系，可初步建立適用于本文超細(xì)人造尾砂的基于mfloc的屈服應(yīng)力模型，如式（4）所示.

圖5 絮凝劑吸附對(duì)屈服應(yīng)力的影響Fig.5 Effects of flocculant adsorption on yield stress

其中，y為屈服應(yīng)力，Pa；x為尾砂顆粒表面單位面積上絮凝劑的吸附量，mg·m?2；R2為可決系數(shù).

由式（4）可知，屈服應(yīng)力與mfloc近似呈線性關(guān)系，因此在實(shí)際中需要通過控制mfloc來降低料漿屈服應(yīng)力，保證料漿的流動(dòng)性，從而預(yù)防深錐濃密機(jī)內(nèi)的壓耙.但是，從圖4 可知，mfloc主 要受FD 的影響，因此需要綜合考慮絮凝效果（ISR、T和SSF）與屈服應(yīng)力來綜合確定FD 的最優(yōu)范圍，最終確定本文FD 的范圍為15 g·t?1.在pH 值為11、FD=15 g·t?1時(shí)，ISR=0.4565 mm·s?1，T=143 NTU，SSF=51.56%，屈服應(yīng)力為243.18 Pa.此時(shí)屈服應(yīng)力仍然較大，因?yàn)楸疚牡男跄两禃r(shí)間是14 h，時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，并且本文尾砂超細(xì)，因此深錐濃密機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)料而不排料充填時(shí)，可采用底流循環(huán)活化[33]等方式來降低屈服應(yīng)力.

另外，從圖2 和圖5 對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，不同于動(dòng)態(tài)絮凝沉降獲得的高濃度尾砂料漿和攪拌制備形成的高濃度尾砂料漿[12,14]，本文通過靜態(tài)沉降得到的濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，這是因?yàn)閺?qiáng)度高的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)包裹大量水導(dǎo)致固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的同時(shí)也增加了屈服應(yīng)力.

3 結(jié)論

通過對(duì)不同絮凝條件下獲得的濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力進(jìn)行原位測(cè)量，并通過對(duì)絮凝前后料漿總有機(jī)碳的測(cè)試來分析超細(xì)尾砂顆粒表面的絮凝劑吸附量，進(jìn)而總結(jié)了絮凝沉降對(duì)濃縮超細(xì)尾砂料漿屈服應(yīng)力的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）絮凝沉降對(duì)濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力有顯著影響.不同絮凝條件下，pH 和FD 通過影響尾砂顆粒表面的絮凝劑吸附量影響濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力，在本文的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，屈服應(yīng)力隨著pH 和FD 的增大均不斷增大.

（2）綜合考慮尾砂料漿的絮凝沉降效果和所得濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力，本文最佳絮凝條件為pH 值為11 和FD=15 g·t?1，在此最優(yōu)條件下ISR=0.4565 mm·s?1，T=143 NTU，SSF=51.56%，屈服應(yīng)力為243.18 Pa.

（3）濃縮超細(xì)尾砂料漿的屈服應(yīng)力隨尾砂顆粒表面單位面積的絮凝劑吸附量的增大而增大，初步建立了適用于本文超細(xì)人造尾砂的基于絮凝劑吸附量的屈服應(yīng)力模型.