基于雙重絮凝的超細尾砂濃密脫水性能及絮凝機制

王洪江，楊亞楠,3，郭佳賓

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京，100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083；3.西部黃金股份有限公司，烏魯木齊，830001)

膏體充填是實現(xiàn)地下金屬礦綠色開采的關鍵技術，具有安全、高效、經濟和環(huán)保的特點，被廣泛用于尾礦庫與采空區(qū)的協(xié)同治理[1-3]。尾礦濃密是膏體充填的首要環(huán)節(jié)，對后續(xù)生產工藝具有重要影響[4-5]。尾砂絮凝通常是向低濃度尾砂料漿中添加絮凝劑，以克服顆粒之間的勢能屏障，使其進入范德華引力和聚合物橋接引力的有效范圍，引發(fā)懸浮顆粒的失穩(wěn)與絮凝[6-7]，進而實現(xiàn)尾砂濃密脫水。

隨著選礦技術不斷進步，尾砂粒徑越來越小，甚至達到了超細級別[8-9]。超細尾砂具有特殊的物化特性，如細顆粒含量大、固結性差、重金屬離子多等，使得絮凝劑與尾砂顆粒之間的相互作用復雜，甚至破壞絮凝劑的性能。使用傳統(tǒng)的單一絮凝技術處理超細尾砂時，經常出現(xiàn)微細顆粒捕獲失效、絮體尺寸小等問題，導致固液分離難度增大，且無法在保持較高尾砂沉降速度的情況下，提高上清液的澄清度和底流質量分數(shù)。因此，探索和開發(fā)一種新型絮凝工藝，既能實現(xiàn)顆粒的快速沉降，又有足夠的漿體脫水能力，同時回收澄清的溢流水，對超細尾砂處理具有重要的現(xiàn)實意義。

多重絮凝技術是指采用2種或2種以上絮凝劑對漿體進行固液分離，通過多種絮凝劑的協(xié)同作用，逐步增加顆粒表面結合位點，不斷強化顆粒絮凝效果。現(xiàn)階段，針對多重絮凝技術的研究主要集中在采用2種絮凝劑(雙重絮凝體系)進行固液分離[10-13]。LEMANOWICZ 等[14]研究了2 種未改性絮凝劑組合作用下煤礦漿的固液分離過程，發(fā)現(xiàn)在高劑量區(qū)域，雙重絮凝系統(tǒng)形成的絮體尺寸均大于其中任何一種絮凝劑單獨作用下的絮體尺寸。LEE 等[15]研究了2 種絮凝劑對活性污泥的脫水情況，發(fā)現(xiàn)雙重絮凝可以顯著提高漿體的脫水效果，并降低絮凝劑添加過量的概率。YU等[16]研究了氧化鋁微粒的雙重絮凝體系，發(fā)現(xiàn)適當添加帶相反電荷的聚合物組合可以增強絮凝效果。LU 等[17]開發(fā)了一種新型絮凝工藝，使用2種帶相反電荷的絮凝劑處理油砂尾礦，在保持較高沉降速度的情況下，顯著提高了溢流水質量。SABAH 等[18]使用沉降速度和上清液濁度作為評價指標，發(fā)現(xiàn)首先向煤礦漿中添加非離子絮凝劑，再使用陽離子絮凝劑作為二次絮凝劑，可獲得最高的沉降速度，而“陰離子-非離子”組合可獲得較低的溢流水濁度。LI 等[19]證明了絮凝劑和混凝劑的組合可以提高油砂尾礦的脫水效果，且在雙重絮凝系統(tǒng)中，低相對分子質量陽離子聚合物與高分子量聚合物的組合效果最優(yōu)。多重絮凝技術廣泛用于處理煤礦和油砂開采產生的尾礦，也常用于水處理領域，實現(xiàn)超細雜質去除和溢流水回收。然而，對多重絮凝技術在金屬礦尾砂濃密中的研究較少。

為此，本文基于靜態(tài)絮凝沉降實驗，以尾砂沉降速度、底流質量分數(shù)和上清液濁度為宏觀評價指標，分析絮凝劑類型和絮凝劑組合方式對超細尾砂濃密脫水效果的影響規(guī)律，對比單一絮凝工藝與雙重絮凝工藝的絮凝濃密性能，明確雙重絮凝技術在金屬礦超細尾砂處理上的適用性。根據(jù)雙重絮凝實驗結果篩選出最優(yōu)絮凝劑組合，利用聚焦光束反射測量儀(focused beam reflectance measurement，F(xiàn)BRM)和高倍顯微鏡研究最優(yōu)絮凝劑組合下絮體的尺寸、數(shù)量分布與細觀結構特征，進一步分析雙重聚合物的絮凝機理。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

全尾砂取自云南某鉛鋅礦，密度為2.96 g/cm3。利用水篩法和激光粒度儀對尾砂顆粒進行測試，結果見圖1。全尾砂主要為粒徑小于100 μm 的顆粒，其中，粒徑小于19 μm 的顆粒質量分數(shù)為54.2%，粒徑小于37 μm的顆粒質量分數(shù)為74.1%，粒徑小于74 μm的顆粒質量分數(shù)為78.6%，屬于超細尾砂。

圖1 全尾砂粒徑分布Fig.1 Grain size distribution of unclassified tailings

本文使用3種絮凝劑，分別為DF125陽離子絮凝劑、DF615V 陰離子絮凝劑和DF600S 非離子絮凝劑，相關物理特性見表1。

表1 絮凝劑物理性質Table 1 Physical properties of flocculants

1.2 實驗方法

1.2.1 單一絮凝沉降實驗

設定尾砂料漿質量分數(shù)為15%，絮凝劑溶液質量分數(shù)為0.02%，絮凝劑單耗為20 g/t。

首先，采用去離子水配制質量分數(shù)為0.02%的3 種絮凝劑溶液，即DF125 陽離子絮凝劑溶液、DF615V 陰離子絮凝劑溶液和DF600S 非離子絮凝劑溶液。

其次，將尾砂烘干后配置成質量分數(shù)為15%的尾砂料漿，以500 r/min 的轉速攪拌10 min。向料漿中添加7.5 g 絮凝劑溶液(對應絮凝劑單耗20 g/t)，并立即停止攪拌，以避免破壞絮體。記錄3種絮凝劑處理下固液界面隨時間的變化規(guī)律。沉降30 min 后，采用HACH 2100 型濁度計測試上清液濁度，采用式(1)計算底流質量分數(shù)，并利用空心管提取泥層，采用稱質量法測試其孔隙率。

式中：w為底流質量分數(shù)，%；ms為干尾砂質量，g；ml為水質量，g；h1為料漿液面最高處刻度，cm；h2為最終固液分離界面處刻度，cm；S為量筒橫截面積，cm2；Gwt為純水密度，g/cm3。

1.2.2 雙重絮凝沉降實驗

按照“初次絮凝劑+二次絮凝劑”組合模式，將上述3 種絮凝劑進行排列，設計6 組絮凝劑組合，并設置空白對照組，如表2所示。

表2 絮凝劑組合設計Table 2 Design of flocculant combination

設置尾砂料漿質量分數(shù)為15%，絮凝劑溶液質量分數(shù)為0.02%，初次絮凝劑和二次絮凝劑單耗均為20 g/t，溶液制備方式及絮凝劑添加方式與單一絮凝沉降實驗的相同。在雙重絮凝過程中，將初次絮凝劑首先添加到尾砂料漿中，然后在10 s內添加二次絮凝劑。將所得混合物轉移到250 mL 量筒中，輕輕翻轉量筒30 次。記錄固液界面隨時間的變化，沉降30 min 后，采用濁度計測量上清液濁度，并測試底流質量分數(shù)以及泥層孔隙率。

1.2.3 最優(yōu)雙重絮凝組合絮體弦長與結構測試

針對最優(yōu)絮凝劑組合，采用聚焦光束反射測量儀(FBRM)實時監(jiān)測絮凝沉降過程懸浮液中的絮體尺寸和數(shù)量[20]。絮凝劑添加過程遵循與雙重絮凝沉降實驗相同的程序，在實驗過程中，F(xiàn)BRM探頭在0.5～1 000.0 μm 測量范圍內以2 s 的掃描速率記錄粒子的弦長。測得的粒子平均弦長實時顯示顆粒尺寸的變化，粒子總數(shù)則反映懸浮液中顆粒數(shù)量的變化[21-22]。

利用自制的“酒提子”型提取器捕捉絮凝劑添加前、初次絮凝劑添加后、二次絮凝劑添加后沉降區(qū)的尾砂絮團，將提取的絮團轉移至載玻片，覆蓋蓋玻片。采用瑞士Olympus CX33 高倍顯微鏡觀察絮團，深入研究絮團結構特征以及水溶液的渾濁情況，分析2 種絮凝劑在各階段的作用機理，驗證雙重絮凝工藝的絮凝濃密性能。

2 實驗結果

2.1 單一絮凝工藝的絮凝濃密性能

圖2所示為單一絮凝劑處理下固液界面高度及其沉降速度隨時間的變化規(guī)律。由圖2(a)可知，各組實驗前2 min 固液界面高度下降較快，2 min 后下降速率減緩，可將前2 min界面平均沉降速度視為整體絮凝沉降實驗的有效沉降速度。由圖2(b)可知，陽離子絮凝劑添加后，固液界面沉降速度最快，有效沉降速度達到68.89 mm/min，添加陰離子絮凝劑后的固液界面沉降速度最慢，有效沉降速度為67.78 mm/min。非離子絮凝劑的界面有效沉降速度為68.22 mm/min，其顆粒絮凝沉降性能介于陰離子與陽離子絮凝劑之間。

圖2 單一絮凝固液界面特性Fig.2 Characteristics of solid-liquid interface in single flocculation experiment

以圖2(a)中沉降區(qū)延長線與壓縮區(qū)延長線的交點向沉降曲線作角平分線，估算出沉降區(qū)與壓縮區(qū)的分界點，進而得到沉降區(qū)顆粒群沉降速度曲線以及壓縮區(qū)泥層壓密排水速度曲線，結果如圖3所示。由圖3(a)可知：

圖3 單一絮凝沉降區(qū)與壓縮區(qū)尾砂速度特性Fig.3 Tailings velocity characteristics in settlement and compression zones in single flocculation experiment

1)初始絮凝沉降階段(OA)。絮凝劑與尾砂顆粒接觸混合進行絮凝反應。該階段陽離子絮凝劑DF125 與尾砂顆粒反應迅速，顆粒群沉降速度最快，非離子絮凝劑DF600S的沉降速度次之，陰離子絮凝劑DF615V的沉降速度最慢。

2)干涉沉降階段(AB)。陽離子絮凝劑DF125處理的顆粒群沉降速度不斷減小，直至與陰離子絮凝劑DF615V處理的顆粒群沉降速度同步，而該階段非離子絮凝劑DF600S處理的顆粒群沉降速度最快。

3)穩(wěn)定沉降階段(BC)。3種絮凝劑處理的顆粒群呈現(xiàn)同步且等速下降狀態(tài)。穩(wěn)定沉降階段后期，對照組顆粒群沉降速度比實驗組的大，這是因為接近分界點，顆粒間相互作用增強，添加絮凝劑的漿體黏度較大，導致顆粒沉降阻力比對照組的大。

由圖3(b)可知，對照組泥層壓密排水速度遠比實驗組的大，且3 個實驗組泥層壓密排水速度同步。這是因為添加絮凝劑后，隨著固體質量分數(shù)提高，泥層多孔網狀結構強度增加，滲透能力減小，壓縮屈服應力比對照組的大。

圖4所示為單一絮凝劑處理下底流質量分數(shù)和上清液濁度。從圖4 可見：添加陽離子絮凝劑后，底流質量分數(shù)最高，為61.1%，上清液濁度最大，為63.1×10-6。與陽離子絮凝劑效果相反，陰離子絮凝劑添加后底流質量分數(shù)最小，為56.8%，上清液濁度最小，為40.3×10-6。添加非離子絮凝劑的底流質量分數(shù)為59.4%，上清液濁度為53.4×10-6，其尾砂濃密性能和溢流水處理能力同樣介于陰離子絮凝劑和陽離子絮凝劑之間。

圖4 單一絮凝底流質量分數(shù)和上清液濁度Fig.4 Underflow mass fraction and supernatant turbidity in single flocculation experiment

圖5所示為單一絮凝劑處理下壓縮區(qū)的泥層孔隙率。由于料漿呈弱堿性，超細顆粒電負性較強。添加陰離子絮凝劑會增大絮體內部顆粒之間的靜電排斥作用，使得沉降區(qū)絮體結構松散，壓縮區(qū)泥層孔隙率較大，為58.46%，進而產生較小的尾砂沉降速度和較低的底流質量分數(shù)[23]。而陽離子絮凝劑與電負性顆粒發(fā)生電中和作用，降低膠粒間的排斥力，使得微粒失穩(wěn)而相互碰撞聚集[24-25]，絮體結構密實，泥層孔隙率較小，為54.08%。

圖5 單一絮凝壓縮區(qū)泥層孔隙率Fig.5 Mud porosity in compression zone of single flocculation experiment

綜上可知，3 種絮凝劑單獨作用時各有優(yōu)勢，但都不能同時實現(xiàn)高沉降速度、高底流質量分數(shù)以及低上清液濁度的評價指標。

2.2 雙重絮凝工藝的絮凝濃密性能

2.2.1 尾砂沉降速度

不同絮凝劑組合下固液界面高度及其沉降速度曲線如圖6所示。由圖6(a)可知，類似于單一絮凝實驗，可將前2 min固液界面平均沉降速度視為整體實驗的有效沉降速度。由圖6(b)可知，6 個實驗組的固液界面沉降速度分為3個層次：

圖6 雙重絮凝固液界面特性Fig.6 Characteristics of solid-liquid interface in dual flocculation experiment

1)5 號和6 號組合的界面沉降速度最快，為第1層次，即絮凝劑種類是雙重絮凝工藝的重要影響因素。離子型絮凝劑組合形成的破碎絮團，電荷量更高，結合位點更多，吸附作用也更強，絮凝沉降效果優(yōu)于非離子型絮凝劑組合。

2)2號和4號組合的界面沉降速度小于5號和6號組合，為第2層次。

3)1 號和3 號組合的界面沉降速度最慢，為第3 層次。對比第2 層次與第3 層次，可知絮凝劑添加順序對雙重絮凝效果也有重要影響，就尾砂沉降速度而言，“非離子+離子”絮凝劑組合效果優(yōu)于“離子+非離子”組合。

圖7所示為沉降區(qū)顆粒群沉降速度曲線以及壓縮區(qū)泥層壓密排水速度曲線。由圖7(a)可知：

圖7 雙重絮凝沉降區(qū)與壓縮區(qū)尾砂速度特性Fig.7 Tailings velocity characteristics in settlement and compression zones of dual flocculation experiment

1)初始絮凝沉降階段(OA)。5 號和6 號組合的初次絮凝劑與二次絮凝劑匹配性較好，顆粒群沉降速度最快，2號與4號組合顆粒群沉降速度次之，1號與3號組合的顆粒群沉降速度最慢。

2)干涉沉降階段(AB)。除了3號組合外，其他組合的顆粒群沉降速度很快趨于一致，且速度變化率較大。

3)穩(wěn)定沉降階段(BC)。1 號和3 號組合顆粒群沉降速度最快，其他組合仍處于同步下降狀態(tài)，且沉降速度較慢，僅略高于對照組的顆粒群沉降速度。

在整個沉降區(qū)，6個實驗組的顆粒群沉降速度均高于對照組的顆粒群沉降速度。這是因為相較于單一絮凝，雙重絮凝工藝能夠形成體積更大且結構更加致密的絮體，固液密度差增加，絮體所受重力遠大于水力曳力，沉降速度顯著提高。

由圖7(b)可知，對照組泥層壓密排水速度比實驗組的大。1號與3號組合泥層壓密排水速度最快，2號與4號組合的壓密排水速度其次，5號與6號組合的壓密排水速度最慢。因此，“離子+非離子”絮凝劑組合處理的漿體網狀結構壓縮屈服應力較低。當外力一定時，網狀結構內部顆粒之間的連接易被破壞，重新排列構成孔隙通道，從而促進泥層的壓密排水。

2.2.2 底流質量分數(shù)

為了綜合表征超細尾砂絮凝濃密效果，以沉降過程前2 min平均沉降速度和30 min時底流質量分數(shù)的乘積來表征濃密效果因子，其值越大，表明絮凝劑匹配性越好，見式(2)。

式中：f(φ)為濃密效果因子，mm/min；φ30為30 min時的底流質量分數(shù)，%；uu2(φ)為沉降前2 min的平均沉降速度，mm/min。

圖8所示為不同絮凝劑組合的底流質量分數(shù)和濃密效果因子，圖9所示為不同絮凝劑組合的壓縮區(qū)泥層孔隙率。由圖8 可知，2 號和5 號組合的底流質量分數(shù)最高，為69.7%，5 號組合的濃密效果因子最大，為55.06。由圖9可知，5號組合最終壓密后的泥層孔隙率最小，為44.57%。因此，以陽離子絮凝劑作為二次絮凝劑，在二次絮凝過程中充分發(fā)揮其電荷中和作用，降低顆粒之間以及顆粒與絮凝劑之間的靜電排斥，并與顆粒形成鑲嵌式固著模型，有利于促進膠體顆粒絮凝，減少泥層中的無效孔隙，顯著提高底流質量分數(shù)[26-27]。

圖8 雙重絮凝底流質量分數(shù)和濃密效果因子Fig.8 Underflow mass fraction and dense effect factor in dual flocculation experiment

圖9 雙重絮凝壓縮區(qū)泥層孔隙率Fig.9 Mud porosity in compression zone of dual flocculation experiment

2.2.3 溢流水濁度

不同絮凝劑組合的上清液濁度如圖10所示。由圖10 可知，4 號和6 號組合的上清液濁度較小，1 號和2 號組合的上清液濁度較大，即含有陰離子絮凝劑的絮凝劑組合能夠有效降低上清液濁度，得到澄清度較高的溢流水。這是因為陰離子絮凝劑的大分子長鏈結構能夠發(fā)揮吸附架橋機制，使得微細顆?？焖俪砷L為粒度較大的絮體。此外，陰離子絮凝劑還可以通過羥基(—CO=)、氨基(—NH2)等官能團與尾砂顆粒形成高分子網狀結構，發(fā)揮網捕作用，進一步提高超細顆粒的絮凝效果，如圖11所示[28-29]。

圖10 雙重絮凝上清液濁度曲線圖Fig.10 Supernatant turbidity of dual flocculation experiment

圖11 陰離子絮凝劑架橋吸附原理Fig.11 Adsorption mechanism of anionic flocculant bridging

綜上可知，5號“陰離子絮凝劑DF615V+陽離子絮凝劑DF125”組合綜合了2 種聚合物的優(yōu)點，既能發(fā)揮初次陰離子絮凝劑吸附架橋和網捕卷掃的功能，降低上清液濁度，又可以通過二次陽離子絮凝劑的電荷中和作用，提高尾砂沉降速度和底流質量分數(shù)，整體絮凝濃密效果最優(yōu)。

2.3 雙重絮凝與單一絮凝濃密脫水效果對比

對比2種絮凝工藝的三重評價指標，即有效沉降速度、底流質量分數(shù)以及上清液濁度，結果如表3所示。

表3 單一絮凝與雙重絮凝結果對比Table 3 Comparison of experimental results between single flocculation and dual flocculation

在單一絮凝實驗中，3個實驗組最大有效沉降速度為68.89 mm/min，底流質量分數(shù)最高為61.1%，上清液濁度最小為40.3×10-6。而在6組雙重絮凝實驗中，尾砂有效沉降速度均大于70 mm/min，最大為79 mm/min；底流質量分數(shù)均高于65%，最高達到69.7%；除了2 號組合外，其他組合的上清液濁度均小于30×10-6，溢流水質量有了較大提高。根據(jù)實驗得出最優(yōu)組合(5 號)的有效沉降速度為79 mm/min，底流質量分數(shù)為69.7%，上清液濁度為25.6×10-6。因此，相較于傳統(tǒng)的單一絮凝工藝，采用不同絮凝劑組合的雙重絮凝工藝表現(xiàn)出了良好的顆粒絮體化和協(xié)同作用效應[29-30]，顯著提高了金屬礦超細尾砂的濃密脫水效果。

3 雙重絮凝機制討論

3.1 雙重絮凝過程中絮團演化規(guī)律

為了探索2種聚合物的絮凝機制，采用FBRM測量法，對5 號“DF615V+DF125”組合的絮團數(shù)量和尺寸進行實時動態(tài)化監(jiān)測，采用Olympus CX33高倍顯微鏡觀察絮團的結構特征。

3.1.1 絮團數(shù)量

不同尺寸絮團的數(shù)量變化如圖12所示。由圖12可知：

圖12 絮團數(shù)量隨時間變化曲線Fig.12 Variation curve of the number of flocs with time

1)初次絮凝劑添加后，弦長小于10 μm以及弦長為10～100 μm 的顆粒數(shù)量均大幅減少，弦長為100～1 000 μm 的顆粒數(shù)量大幅增加，即初次陰離子絮凝劑添加后，懸浮液中微細顆粒數(shù)量大幅度減小。

2)添加二次絮凝劑后，弦長小于100 μm 的絮團數(shù)量繼續(xù)減少，而弦長為100～1 000 μm 的絮團數(shù)量也大幅度減少。這是因為在二次陽離子絮凝劑作用下，初次絮凝后的絮團尺寸繼續(xù)增長，成為弦長大于1 000 μm 的特大絮團，特大絮團的弦長已超出儀器監(jiān)測范圍。絮團的數(shù)量分布特征進一步說明相比于單一絮凝，雙重絮凝體系在捕獲細顆粒和形成更大絮體方面具有較大優(yōu)勢[30]。

3.1.2 絮團平均弦長

絮團平均弦長隨時間的變化曲線如圖13所示。從圖13可見：

圖13 絮團平均弦長隨時間變化曲線Fig.13 Variation curve of average chord length of flocs with time

1)絮凝作用發(fā)生前，超細尾砂顆粒分布均勻且穩(wěn)定，平均弦長為22.67 μm；

2)初次絮凝作用開始后，細顆粒絮凝成為大尺寸絮團，平均弦長增長至174.04 μm；

3)初次絮凝作用結束后，在攪拌剪切作用下，絮團結構發(fā)生破壞，平均弦長減小至163.24 μm；

4)二次絮凝劑添加后，破碎絮團二次絮凝成為弦長大于1 000 μm 的特大絮團，平均弦長增長為313.00 μm。

5)受攪拌剪切的影響，最終平衡時絮團平均弦長約為246.13 μm。

強度和再生性是絮團的2個重要特性。引入強度因子F1和再生因子F2(分別如式(3)和(4))，考察初次絮凝和二次絮凝過程中絮團的破碎與再生[30-31]。

式中：d1為破碎前的絮團平均弦長，μm；d2為破碎后的絮團平均弦長，μm；d3為再生長后的絮團平均弦長，μm。

根據(jù)式(3)得到初次絮凝和二次絮凝的絮團強度因子分別為0.94和0.82，因此，初次陰離子絮凝劑誘導的絮團強度更高，能夠承受一定的外界剪切作用。二次陽離子絮凝劑誘導的絮團強度較低，在攪拌剪切下容易分解。然而，即使在連續(xù)紊動剪切影響下，與單一絮凝相比，雙重絮凝得到的絮團仍具有更大的尺寸。

根據(jù)式(4)得到二次絮凝的絮團再生因子為1.36，大于1.00。這表明二次陽離子絮凝劑的電荷中和作用可以促使破碎絮團重新聚并生長，重新聚集的絮團內部包裹水更少。致密的大尺寸絮團結構是料漿快速濃密脫水的關鍵，這與雙重絮凝實驗中顆粒沉降速度和底流質量分數(shù)一致。

3.1.3 絮團結構

絮團顯微觀測圖像如圖14所示。從圖14 可見：未添加絮凝劑時，尾砂顆粒極細小。添加初次陰離子絮凝劑后，低倍鏡中出現(xiàn)了4 個初次絮團，其中包含1個完整絮團。在高倍鏡下觀察該完整絮團，發(fā)現(xiàn)其結構較致密，但水溶液中仍存在微細顆粒。

圖14 絮團顯微觀測圖像Fig.14 Microscopic image of floc

添加二次陽離子絮凝劑之后，絮團尺寸進一步增大，在高倍鏡下發(fā)現(xiàn)絮團顏色深且致密，絮團外部的水溶液中幾乎觀察不到微細顆粒，即雙重絮凝工藝的顆粒絮凝和去濁效果極佳。

3.2 雙重絮凝作用機理分析

基于絮凝濃密實驗，將雙重絮凝過程分為初次絮體形成、絮體剪切破壞和二次絮體形成3個階段，如圖15所示[32]。

圖15 雙重絮凝工藝原理圖Fig.15 Schematic diagrams of dual flocculation process

1)初次絮體形成階段。以陰離子絮凝劑為初次絮凝劑，高分子陰離子絮凝劑具有較長的分子鏈，主要的絮凝機制為吸附架橋。由于料漿呈堿性，尾砂顆粒帶負電，陰離子絮凝劑增強了尾砂顆粒之間的排斥力，形成結構松散的初次絮體[33]。

2)絮體剪切破壞階段。由于剪切作用的影響，吸附架橋形成的初次絮體大規(guī)模破碎，尺寸減小。同時，顆粒表面與初次絮凝劑的部分結合位點釋放[34]，尾砂顆粒與初次絮凝劑分子處于傾向于吸附的不穩(wěn)定狀態(tài)。

3)二次絮體形成階段。添加陽離子絮凝劑后，破碎絮體的雙電層作用減弱，通過電荷中和作用與二次絮凝劑結合，形成二次絮體。二次絮體經歷破壞—再生長后體積更大，結構更加致密，有利于提高沉降速度和底流質量分數(shù)。此外，初次和二次絮凝劑分子在顆粒表面形成穩(wěn)定的伸展狀態(tài)，二者分子鏈尾部同時伸向溶液[35]，再次增加了微細顆粒架橋概率，為形成澄清度較高的溢流提供了保障。

4 結論

1)尾砂表面電負性較強時，陽離子絮凝劑有利于產生結構密實的絮體，卻難以捕捉微細顆粒，導致底流質量分數(shù)高，但上清液濁度大。非離子和陰離子絮凝劑有利于捕獲微細顆粒，降低上清液濁度，但形成的絮體結構松散，底流質量分數(shù)低。

2)與單一絮凝相比，雙重絮凝可以降低上清液濁度(＜30×10-6)，且尾砂沉降速度較大(＞70 mm/min)，底流質量分數(shù)較高(＞65%)。雙重絮凝工藝綜合了2種聚合物的優(yōu)點，在絮凝過程各階段運用不同的絮凝機制，同時改善了絮凝濃密效果的3 個評價指標。

3)雙重絮凝的影響因素有絮凝劑種類和絮凝劑添加順序。在各類絮凝劑組合中，“陰離子+陽離子”組合的絮凝濃密效果最優(yōu)。

4)雙重絮凝過程分為初次絮體形成、絮體剪切破壞和二次絮體形成3個階段。在初次陰離子絮凝劑吸附架橋作用下，微細顆粒(＜100 μm)數(shù)量大幅度減小。在二次陽離子絮凝劑電中和作用下，破碎絮團增長為弦長大于1 000 μm的可再生絮團。雙重絮凝工藝有利于捕獲微細顆粒和形成大體積絮體。