超細(xì)尾礦恒壓過(guò)濾過(guò)程與影響因素

燕 琴， 劉欣欣， 盛明強(qiáng)， 萬(wàn)夢(mèng)丹， 艾羅艷， 彭雅娟

(南昌工學(xué)院 人居環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330108)

隨著國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)資源需求量和綜合利用水平不斷提高，一方面細(xì)粒尾礦壩數(shù)量的不斷增加，另一方面由于選礦工藝水平的提高，造成排放尾礦細(xì)?；?，超細(xì)尾礦、高堆尾礦壩快速增多已成為必然趨勢(shì)(王洪江等，2022；汪宏宇等，2021)。超細(xì)尾礦堆存問(wèn)題亦成為尾礦處理的重要難題之一(周漢民，2015)。

超細(xì)尾礦對(duì)其粒徑組成規(guī)定為：平均粒徑小于0.03 mm，其中小于0.019 mm顆粒含量大于50%，大于0.074 mm顆粒含量小于10%，大于0.037 mm顆粒含量小于30%(吳愛(ài)祥等，2011)。超細(xì)尾礦存在著透水性差、難固結(jié)、低強(qiáng)度等特點(diǎn)，特別是在上游法尾礦庫(kù)中易出現(xiàn)排滲系統(tǒng)淤堵、壩體浸潤(rùn)線高等問(wèn)題(崔旋等，2021)。以秘魯?shù)腃audalosa尾礦壩為例，其尾礦粒徑小于0.074 mm的含量達(dá)到90%，將部分軟黏土用壓實(shí)的礦山廢棄物填充及增加排水措施有效治理了大壩不穩(wěn)定的情況(韓亞兵等，2019)。

江西大部分礦山開(kāi)采所產(chǎn)生的廢水、廢渣一般都是直接排放或露天堆放(張淑梅等，2016)。傳統(tǒng)的尾礦處理方式主要有濕式排放、干式堆存和半干式堆存三種方式，其中尾礦干式堆存是指利用精礦沉降濃縮、過(guò)濾脫水技術(shù)，將尾礦漿中尾砂含水率降到20%以下(張廣偉等，2017)。詹良通等(2022)對(duì)洗砂泥漿脫水效果差的問(wèn)題提出了一套洗砂泥漿脫水性能的快速檢測(cè)及工程渣土洗砂工藝優(yōu)化方法。未來(lái)礦山固廢需要綠色發(fā)展，尾礦脫水是尾礦處理過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)(程海勇等，2022)。

本次基于恒壓過(guò)濾模型，在不同尾礦品種和濃度等因素下對(duì)超細(xì)尾礦的過(guò)濾規(guī)律進(jìn)行了研究，將有助于深入理解超細(xì)尾礦餅層過(guò)濾過(guò)程中淤堵機(jī)理和過(guò)濾性能，為研究超細(xì)尾礦脫水固結(jié)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 尾礦過(guò)濾一般過(guò)程及抽濾模型

1.1 尾礦過(guò)濾一般過(guò)程

尾礦脫水過(guò)程中濾餅的形成對(duì)過(guò)濾的效率影響很大。以性質(zhì)相近的污泥介質(zhì)脫水為例，工業(yè)生產(chǎn)濾餅一般采用壓濾機(jī)，在機(jī)械壓力作用下，料漿流向過(guò)濾介質(zhì)，大于或相近于過(guò)濾介質(zhì)孔隙的固體顆粒，先以架橋方式在介質(zhì)表面形成初始層，其后沉積的固體顆粒逐漸在初始層上形成一定厚度的濾餅。由于濾餅的阻力遠(yuǎn)大于過(guò)濾介質(zhì)的阻力，因而對(duì)過(guò)濾速率起決定性影響，工業(yè)過(guò)濾大多屬于餅層過(guò)濾(張涇生，2014)。大量研究表明，過(guò)濾介質(zhì)對(duì)尾礦進(jìn)行過(guò)濾的典型現(xiàn)象可以分為以下三個(gè)階段：①土壤流失，過(guò)濾介質(zhì)無(wú)法截留土壤顆粒，并隨廢水流出；②淤堵，土壤顆粒被困在過(guò)濾介質(zhì)中；③濾餅，土壤顆粒積聚在過(guò)濾介質(zhì)表面，形成一層固體(濾餅)，然后，濾餅和過(guò)濾介質(zhì)成為后續(xù)過(guò)濾的新系統(tǒng)(Wu et al.，2021)。使用過(guò)濾介質(zhì)作為過(guò)濾系統(tǒng)來(lái)高效脫水泥漿需要滿足兩個(gè)要求：①高脫水率。目標(biāo)漿液的體積可迅速減小，以獲得高固體濃度。②高截留性能。過(guò)濾介質(zhì)保留土壤顆粒的能力(Wu et al.，2021)。

1.2 恒壓抽濾模型

恒壓過(guò)濾模型在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。在過(guò)濾過(guò)程中，濾液的流速取決于濾餅上的壓差以及來(lái)自過(guò)濾介質(zhì)和濾餅的阻力(張涇生，2014)。借鑒化工領(lǐng)域有關(guān)過(guò)濾的相關(guān)理論，得到超細(xì)尾礦真空恒壓抽濾理論模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，t為過(guò)濾時(shí)間(s)，V為濾液體積(m3)，α為濾餅比阻(m/kg)，μ為尾礦黏度(Pa·s)，c為單位體積濾液干濾餅重量(kg/m3)，A為過(guò)濾面積(m2)，Δp為過(guò)濾壓差(Pa)，Lm為過(guò)濾介質(zhì)厚度(m)，L為濾餅厚度(m)，n為濾餅孔隙率(%)，ρs為干尾礦真密度(kg/m3)，ρ為水的密度(kg/m3)，m為濾餅濕含量(%)，ms為濾餅的干重(kg)，ms0為濾液中固體重量(kg)，x為濾液含砂率(kg/m3)。

2 試驗(yàn)材料及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 尾礦樣品

研究中所采用的超細(xì)尾礦來(lái)自國(guó)內(nèi)3個(gè)不同礦區(qū)，分別命名為尾礦1、尾礦2和尾礦3，3種尾礦的顆粒粒徑分布如圖1所示。3種尾礦的D90(累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的顆粒直徑)都小于74 μm，均屬超細(xì)尾礦(表1)。3種尾礦不均勻系數(shù)Cu(量綱為1)，曲率系數(shù)Cc(量綱為1)，真比重Cs(量綱為1)如表1所示。從工程觀點(diǎn)來(lái)看，3種尾礦屬于級(jí)配良好的尾粉質(zhì)黏土。3種尾礦礦粉在500倍掃描電鏡(SEM)下的顆粒表面特征如圖2所示，尾礦1、3表面形貌有較多的空隙和皺褶，形狀不規(guī)則且相對(duì)粗糙，尾礦2表面形貌的空隙和皺褶相對(duì)較少，形狀規(guī)則且相對(duì)光滑。

圖1 三種超細(xì)尾礦的顆粒級(jí)配曲線

表1 三種超細(xì)尾礦的特征參數(shù)表

圖2 三種超細(xì)尾礦在500倍掃描電鏡下的表面微觀形貌

2.2 過(guò)濾介質(zhì)

孔徑及其分布直接決定了過(guò)濾介質(zhì)的透過(guò)性能及過(guò)濾性能，過(guò)濾介質(zhì)的孔徑以平均孔徑或等效孔徑的形式表示(吳芳等，2020)。然而許多研究表明，過(guò)濾介質(zhì)的導(dǎo)水性通常是次要的，累積濾餅的導(dǎo)水性在過(guò)濾過(guò)程中占主導(dǎo)地位(Xu et al.，2008)。鋼絲篩網(wǎng)的孔徑大小分布均勻，且過(guò)濾阻力較小，選用平均孔徑為48～75 μm的鋼絲篩網(wǎng)作為過(guò)濾介質(zhì)。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

2.3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

超細(xì)尾礦恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯繛V餅的形成與過(guò)濾效果的關(guān)系：①不同實(shí)驗(yàn)工況下，濾餅導(dǎo)水性能和各個(gè)因素水平的關(guān)系；②不同實(shí)驗(yàn)工況下，濾餅的截留性能和各個(gè)因素水平的關(guān)系。為了在試驗(yàn)安排上盡可能地減少試驗(yàn)次數(shù)，并得到較好的結(jié)果，選用“正交實(shí)驗(yàn)法”中的常用正交表L9(34)制定了實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)方案采用3組重復(fù)試驗(yàn)即3×L9(34)共27組實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)考察指標(biāo)包括α、n、m、x；考察因素為尾礦品種、ω(為料漿濃度，是料漿含固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù))、Δp、d(為過(guò)篩孔徑)等4個(gè)因素。因素水平表如表2所示。

表2 超細(xì)尾礦恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)因素水平指標(biāo)

2.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3所示，由可設(shè)定恒壓值的真空泵提供抽吸動(dòng)力，真空釜和電子秤承接和計(jì)算濾液質(zhì)量，磁力攪拌器和燒杯提供一定濃度的尾礦料漿，并保證尾礦料漿不沉降。固定鋼絲篩網(wǎng)的錨具為自制接頭，可以傳導(dǎo)真空釜的真空壓力，并把濾液吸進(jìn)真空釜。過(guò)濾面積為706.5 mm2，每組實(shí)驗(yàn)抽濾時(shí)間都為0.5 h。實(shí)驗(yàn)前測(cè)量尾礦料漿的黏度，過(guò)濾結(jié)束后，需要測(cè)量濾餅的L，濾餅的mw(濾餅濕重)以及ms，濾液的V，濾液中的x。采用式(1)計(jì)算濾餅的α，根據(jù)式(2)至(4)計(jì)算相應(yīng)參數(shù)。

圖3 超細(xì)尾礦恒壓過(guò)濾裝置

3 結(jié)果和討論

3.1 濾餅的形成過(guò)程

過(guò)濾實(shí)驗(yàn)中，觀察到的現(xiàn)象如下：鋼絲篩網(wǎng)在2～5 s之內(nèi)發(fā)生淤堵；淤堵后，濾餅不斷累積，抽濾速度很慢；抽濾0.5 h后，從鋼絲篩網(wǎng)上剝離得到直徑為30 mm，厚度為5～18 mm的圓柱形濾餅。就餅層過(guò)濾而言,α和n對(duì)過(guò)濾設(shè)備的計(jì)算和操作，直接影響過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力和分離效果。所得濾液的x的大小可以體現(xiàn)過(guò)濾的截留效果，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 超細(xì)尾礦恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 濾餅比阻的變化規(guī)律

3種尾礦濾餅的α為0.35×1010～7.51×1010m/kg，均屬于難過(guò)濾物料(表3)。根據(jù)極差分析，濾餅的α大小主要受到尾礦品種的影響(表4)。3種尾礦中尾礦2濾餅的α最大(圖4)，濾餅比阻可能與尾礦本身的微觀結(jié)構(gòu)或者物化性質(zhì)有關(guān)(岳敏，2011)。結(jié)合圖2發(fā)現(xiàn)，尾礦1、3表面形貌有較多的空隙和皺褶，從而增加了比表面積，而尾礦2表面形貌的空隙和皺褶相對(duì)較少，比表面積小。α與物料比表面積的平方成正比(楊濤等，2020)。且尾礦1、3的顆粒形態(tài)較樣品2更加不規(guī)則，這種高低不平的表面使顆粒更易在過(guò)濾介質(zhì)孔隙上架橋(季婷等，2019)。

尾礦濃度對(duì)濾餅比阻有一定影響，35%和45%濃度尾礦比40%濃度的尾礦的α低(圖4)，這是由于ω對(duì)α的影響存在一個(gè)臨界濃度，當(dāng)ω小于臨界濃度時(shí)，α隨著ω的增加而增大，當(dāng)ω大于臨界濃度時(shí)，α隨ω的增加而減小，所以ω在40%的時(shí)候α最大(Rushton等，1998)。

極差分析顯示(表4)，Δp對(duì)α影響較大。Δp增大，α?xí)龃?，但是?dāng)Δp增加至60 kPa時(shí)，α隨Δp增加的速率明顯放緩(圖4c)。

圖4 濾餅比阻與各因素關(guān)系

d對(duì)α的影響較小，但是可以找到相對(duì)最優(yōu)的d(鋼絲篩網(wǎng)孔徑d=58 μm)使得α最小。

3.3 濾餅孔隙率的變化規(guī)律

從表3可以看出，尾礦1濾餅的n在34%～61%之間，尾礦2和尾礦3的濾餅n比較接近。根據(jù)表4中的極差分析，可以看出濾餅n主要受到尾礦品種的影響，ω和d對(duì)濾餅n的影響較大。Δp對(duì)濾餅的n也有一定影響。如圖5所示，濾餅n隨著ω的增大而減小，隨著Δp增大而減小，隨著d的增大而增大。

圖5 濾餅孔隙率與各因素關(guān)系

3.4 濾餅濕含量的變化規(guī)律

從表3可以看出，濾餅的m在16.2%～40.1%之間。根據(jù)表4中的極差分析，可以看出m主要受到尾礦品種的影響，ω和d對(duì)m的影響較大，Δp對(duì)m也有一定影響。如圖6所示，m隨ω的增大而減小，隨著Δp增大而減小，隨著d的增大而增大。

表4 超細(xì)尾礦恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)極差分析表

圖6 濾餅濕含量與各因素關(guān)系

3.5 濾液含砂率的變化規(guī)律

從表3可以看出，三種超細(xì)尾礦濾液的x為1.94～8.97 kg/m3。根據(jù)表4中的極差分析，x主要受到尾礦品種和ω的影響，Δp和d對(duì)x也有一定影響。尾礦2過(guò)濾效果最差；ω=40%時(shí)x最高，這表明較低濃度和較高濃度的截留效果更好(圖7a)。隨著Δp增大，x先降低再增加，當(dāng)Δp=60 kPa時(shí)，x最低，截留效果最好(圖7c)；同時(shí)，x隨著d的增大而增大，說(shuō)明d越小，抽濾截留效果越好(圖7d)。

圖7 濾液含砂率與各因素關(guān)系

4 結(jié)論及建議

尾礦壩承擔(dān)著囤積尾料，保證礦山正常作業(yè)并保護(hù)周邊環(huán)境的重要角色。超細(xì)尾礦經(jīng)過(guò)脫水處理后再排入尾礦壩可以減少占地面積，減少對(duì)壩體的壓力，降低污染周邊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)超細(xì)尾礦脫水處理得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)于本研究的3種超細(xì)尾礦來(lái)說(shuō)，濾餅的形成對(duì)抽濾效果有很大影響：一方面大大降低過(guò)濾系統(tǒng)的導(dǎo)水性能，這是由于濾餅堵塞過(guò)濾介質(zhì)，引起過(guò)水通道變窄造成的；另一方面會(huì)提高截留效果，這是由于濾餅會(huì)和過(guò)濾介質(zhì)形成一個(gè)新的過(guò)濾系統(tǒng)，阻礙尾砂大量通過(guò)，只允許水和少量的固體顆粒通過(guò)。

(2)尾礦品種對(duì)抽濾效果影響占主要地位，當(dāng)尾礦固體顆粒表面有較多的空隙和皺褶，形狀不規(guī)則且粗糙時(shí)，更易在過(guò)濾介質(zhì)孔隙上架橋。

(3)尾礦濃度對(duì)抽濾效果影響較大：抽濾脫水適用于低濃度尾礦(ω<35%)，或者高濃度尾礦(ω>45%)，因?yàn)槲驳V濃度對(duì)比阻的影響存在一個(gè)臨界濃度，當(dāng)尾礦濃度小于臨界濃度時(shí)，比阻隨著濃度的增加而增大，當(dāng)料漿濃度大于臨界濃度時(shí)，比阻隨濃度的增加而減小。

(4)抽濾壓強(qiáng)對(duì)濾餅比阻的影響較大，對(duì)濾餅孔隙率、濾餅濕含量以及濾液含砂率的影響相對(duì)較小。當(dāng)過(guò)濾壓強(qiáng)為60 kPa時(shí)，濾餅比阻最大，濾餅導(dǎo)水性能差，但是截留效果最好。

(5)過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)篩孔徑對(duì)濾餅比阻的影響很小，當(dāng)濾餅形成后，尾礦脫水的效率主要取決于濾餅本身的性質(zhì)。不過(guò)，過(guò)篩孔徑越小，截留性能也越好，但是隨著過(guò)篩孔徑的減小，這種趨勢(shì)會(huì)減緩。