鋁土礦微細(xì)粒礦泥快速絮凝沉降研究

崔麗娜，杜 盼，羅虹霖

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410019)

0 引言

黨的十九大以來，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求越來越嚴(yán)格?！妒迳鷳B(tài)環(huán)境規(guī)劃保護(hù)》中明確規(guī)定，加大礦山植被恢復(fù)和地質(zhì)環(huán)境綜合治理，開展瀕危尾礦庫和“頭頂庫”專項(xiàng)整治，強(qiáng)化歷史遺留礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)和綜合治理；建設(shè)一批“無尾礦山”，推進(jìn)工礦廢棄地修復(fù)利用[1]。

鋁土礦由原生沉積鋁土礦在一定自然條件下經(jīng)巖溶作用和紅土化作用形成，含有大量高硅低鋁的泥質(zhì)物料[2]。對(duì)于這類含泥鋁高的鋁土礦，企業(yè)通常都是將鋁土礦原礦利用擦洗機(jī)或洗礦機(jī)進(jìn)行預(yù)先洗礦，粒徑1 mm以上的礦物送入礦堆場(chǎng)用于生產(chǎn)氧化鋁，粒徑1 mm以下的懸浮物與水形成洗礦泥漿，每洗選1 t原礦耗水3～5 m3，產(chǎn)泥0.4～0.7 t，大量礦泥漿經(jīng)濃縮至濃度為24%～32%后經(jīng)泵排入尾礦庫進(jìn)行堆存[3]。

由于這類鋁土礦具有泥土粘性大，礦泥含水量大，顆粒細(xì)小，比表面積大，顆粒表面帶電等特點(diǎn)，導(dǎo)致礦泥顆粒自由沉積非常緩慢，泥、水難以分離[4]。長(zhǎng)此以往，形成了占地面積大的超大型尾礦庫，尾礦庫內(nèi)地貌復(fù)雜，各種巖溶構(gòu)造、斷層、溶溝溶槽縱橫交錯(cuò)，存在不少缺陷，極易發(fā)生滲漏，對(duì)周邊環(huán)境存在重大安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)[5]。此外，巖溶堆積型礦床呈不連續(xù)分布，點(diǎn)多面廣，埋藏淺，礦體薄[6]，露天開采推進(jìn)速度快，占地速率高，因此推行土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)是礦山實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[7]。而大量剝離土壤卻以低濃度的礦泥堆存于尾礦庫中，造成土壤資源不能利用，引起礦區(qū)極度缺少復(fù)墾材料[8]。因此，研究微細(xì)粒礦泥快速脫水干排形成濾餅為礦區(qū)復(fù)墾提供材料，成為堆積型鋁土礦開發(fā)企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

1 試樣性質(zhì)

試樣取自某鋁土礦，粒度分析結(jié)果見圖1，熒光光譜分析結(jié)果見表1，礦泥中礦物相組成分析結(jié)果見表2、表3和表4。

圖1 礦樣粒度分布曲線

表1 礦泥熒光光譜分析結(jié)果 %

表2 鋁元素主要礦物組成及其相對(duì)含量 %

表3 硅元素主要礦物組成及其相對(duì)含量 %

表4 鐵元素主要礦物組成及其相對(duì)含量 %

由圖1可知，試驗(yàn)樣品粒度主要集中在1～20 μm粒級(jí)范圍，其中d50僅為2.620 μm，d90為14.930μm，鋁土礦泥漿中固體物質(zhì)主要為微細(xì)或極微細(xì)顆粒。

由表1可知，礦泥中礦物主要由鋁質(zhì)成分、硅質(zhì)成分和鐵質(zhì)成分組成，即Al、Si和Fe三種主要元素，含量分別為Al2O338.01%、SiO223.56%和Fe2O318.03%，其他元素和成分較少。

從表2～3可知，礦泥中鋁元素主要為一水硬鋁石、三水鋁石和高嶺石，含量分別為含量分別為12.85%、20.78%和35.24%；硅元素主要為硅酸鹽，分布率為85.01%；鐵元素主要為赤褐鐵礦，分布率為97.73%。

2 試驗(yàn)方案

一水硬鋁石和三水鋁石為極度親水的礦物，其表面潤(rùn)濕接觸角幾乎為零，水分子在礦物表面具有強(qiáng)烈吸附作用；高嶺石、赤鐵礦與褐鐵礦等氧化性礦物為典型的強(qiáng)親水性礦物。鋁土礦礦泥中具有大量對(duì)水分子強(qiáng)烈吸附的親水性礦物，礦物表面被水分子包圍，形成“水球”結(jié)構(gòu)，顆粒間無法實(shí)現(xiàn)兼并，以分散狀態(tài)存續(xù)于料漿中，阻礙了顆粒表面的雙電層傳遞，影響顆粒的沉降速度與濃度。采用添加改性絮凝劑加速鋁土礦泥顆粒的沉降、提高濃密機(jī)底流濃度，優(yōu)化絮團(tuán)方式，增大絮團(tuán)尺寸，提高過濾效率，降低濾餅水分，在改性絮凝劑作用下實(shí)現(xiàn)“大絮團(tuán)-閃速過濾”脫水干排為濾餅[9]。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋁土礦泥絮凝沉降

3.1.1 絮凝劑種類對(duì)鋁土礦泥沉降的影響

絮凝劑種類對(duì)顆粒沉降及形態(tài)有著顯著的影響，試驗(yàn)以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所用聚丙烯酰胺和長(zhǎng)沙院依據(jù)礦漿特性自主改性生成的絮凝藥劑CS89和CS90，試驗(yàn)條件：絮凝劑用量200 g/t、礦漿濃度60 g/L，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 絮凝劑種類對(duì)鋁土礦泥沉降的影響

由圖2可知，自然沉降平均沉降速度為1.06 mm/min，絮凝劑的加入較自然沉降顯著的加速了鋁土礦泥顆粒的沉降，特別是CS89絮凝較現(xiàn)場(chǎng)絮凝劑在沉降速度與絮團(tuán)粒徑方面得到了顯著的改善。CS89絮凝劑的15 min平均沉降速度為11.67 mm/min，在2 min后趨于穩(wěn)定，壓縮層幾乎不再發(fā)生變化，如以2 min平均沉降速度進(jìn)行計(jì)算達(dá)到87.5 mm/min。改性后的CS89在鋁土礦泥漿的沉降較現(xiàn)場(chǎng)使用的絮凝劑表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性，沉降速度的極速增長(zhǎng)是由絮凝劑促使礦泥形成超大絮團(tuán)來實(shí)現(xiàn)，鋁土礦泥的極速沉降和絮團(tuán)粒度的顯著增大為濃縮及后續(xù)過濾脫水創(chuàng)造了良好的條件，后續(xù)絮凝劑試驗(yàn)將以CS89絮凝劑的條件優(yōu)化進(jìn)行。

3.1.2 礦漿濃度對(duì)絮凝劑條件下的鋁土礦泥沉降的影響

礦漿濃度對(duì)絮凝沉降有著非常大的影響，高濃度礦漿會(huì)嚴(yán)重影響微細(xì)粒顆粒的沉降速度、絮團(tuán)尺寸和絮凝劑用量，試驗(yàn)的鋁土礦泥漿樣品，以11.81%的濃度進(jìn)行絮凝沉降時(shí)，形成明顯的絮團(tuán)絮凝劑消耗超過1 500 g/t，生產(chǎn)成本較大。因此，通過稀釋礦漿濃度以提高鋁土礦泥漿沉降速度和降低藥劑消耗，固定試驗(yàn)條件：CS89絮凝劑添加量為200 g/t，礦漿濃度分別為40、60、70、80 g/L，其結(jié)果見圖3。

圖3 礦漿濃度對(duì)絮凝劑條件下的鋁土礦泥沉降的影響

由圖3可知，礦漿濃度較低時(shí)，物料能形成大絮團(tuán)后迅速的實(shí)現(xiàn)沉降，但當(dāng)?shù)V漿濃度超過60 g/L時(shí)，顆粒沉降速度出現(xiàn)極速下降的現(xiàn)象，即礦泥濃度越高沉降速度越慢，顆粒越難以形成越大的疏松絮團(tuán)，因此考慮對(duì)選礦場(chǎng)洗礦排出礦泥濃度進(jìn)行稀釋處理，后續(xù)試驗(yàn)將采用礦漿濃度為60 g/L條件進(jìn)行。

3.1.3 絮凝劑用量對(duì)鋁土礦泥沉降的影響

選用CS89絮凝劑，進(jìn)行絮凝劑用量試驗(yàn)，以判斷絮凝劑作用條件下的絮團(tuán)尺徑大小及沉降的規(guī)律。由于試驗(yàn)沉降速度極快，此項(xiàng)沉降速度指標(biāo)用2 min平均沉降速度進(jìn)行比較，固定試驗(yàn)條件：利用CS89絮凝劑進(jìn)行絮團(tuán)、礦漿濃度60 g/L，絮凝劑用量分別為150、200、250 g/t和300 g/t，結(jié)果見圖4。

圖4 絮凝劑用量對(duì)鋁土礦泥沉降的影響

由圖4可知，隨著絮凝劑加入量的增大，礦泥的沉降迅速有明顯的增大，礦泥絮團(tuán)明顯增大，絮凝劑用量增大到200 g/t時(shí)，2 min平均沉降速度達(dá)到87.5 mm/min，絮團(tuán)更為緊密。繼續(xù)添加絮凝劑用量沉降速度與壓縮層厚度無明顯進(jìn)一步改善，反而上清液的濁度變差。因此，CS89絮凝劑的用量確定為200 g/t。

3.1.4 鋁土礦泥絮凝沉降速度試驗(yàn)

為測(cè)定絮凝劑作用下的鋁土礦泥沉降效果，對(duì)CS89絮凝劑作用下的鋁土礦泥漿進(jìn)行500 mL量筒沉降試驗(yàn)和1.8 m模擬沉降試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：鋁土礦漿濃度60 g/L、CS89絮凝劑添加量200 g/t，試驗(yàn)結(jié)果列于表5和圖5、6。

圖5 鋁土礦泥500 mL量筒中絮凝沉降試驗(yàn)

表5 500 ml量筒與1.8 m模擬絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果

由圖5～6可知，鋁土礦泥在CS89絮凝劑的作用下得到了有效的絮凝沉降，沉降初始速度分別為36.55 mm/min和38.84 mm/min。1.8 m模擬沉降試驗(yàn)的初始沉降速度更大，這是由于沉降高度越大，絮團(tuán)能進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的自由沉降，受重力作用下的自由沉降絮團(tuán)末速度更大；更大的沉降高度有利于壓縮層濃度的提高，這主要是壓縮層底部受物料的靜壓力更大，更有利于疏松絮團(tuán)的脫水。500 mL量筒沉降底層濃度為14.33%，而1.8 m模擬沉降底層濃度為33.69%，說明沉降高度越大，底層物料受壓而提高底層濃度，推測(cè)深錐濃密有利于底流濃度的提高[10]。

同時(shí)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)CS89絮凝劑作用下的礦泥絮團(tuán)與水有較好的分層界面，澄清層的水分可很好的與壓縮層物料分離，分離后的物料濃度仍然較低，說明由CS89絮凝劑形成的大尺徑疏松絮團(tuán)中充滿了大量水分，即大絮團(tuán)為疏松“孔隙”結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓縮層的計(jì)算或取樣濃度均較低，甚至過量絮凝劑的加入仍無法顯著提高壓縮層的濃度，但“孔隙”結(jié)構(gòu)卻可顯著提高礦泥的過濾效率[11]。

3.2 鋁土礦礦泥絮凝過濾

在實(shí)驗(yàn)室用小型抽濾瓶對(duì)鋁土礦泥進(jìn)行過濾測(cè)試，未加絮凝劑時(shí)開始抽濾正常進(jìn)行，但后續(xù)抽濾物料水分分離困難，作業(yè)無法進(jìn)行，抽濾產(chǎn)物水分含量大；將礦漿濃度為60 g/L的500 mL鋁土礦泥漿與CS89絮凝劑作用時(shí)，微細(xì)顆粒形成絮團(tuán)，各絮團(tuán)為疏松的“孔隙”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大絮團(tuán)礦漿通過抽濾設(shè)備脫水產(chǎn)出濾餅，未發(fā)生堵塞而無法進(jìn)行抽濾的現(xiàn)象，大絮團(tuán)結(jié)構(gòu)有效的提高了物料的脫水效果，濾餅濃度為48.52%，濾餅失去流動(dòng)性。

CS89絮凝劑作用下的鋁土礦泥形成的大絮團(tuán)，直接倒入由1 mm與0.074 mm組成的套篩中，測(cè)試振動(dòng)篩對(duì)鋁土礦泥高效脫水的可行性，固體顆粒與水得到了快速的分離。物料固體濃度為35.54%，超過了現(xiàn)場(chǎng)通過高效濃密機(jī)脫水的底流濃度極限，脫水效率極高，說明大絮團(tuán)雖然是疏松“孔隙”網(wǎng)狀形態(tài)，但屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，微細(xì)顆粒間呈緊密結(jié)合，水分可從網(wǎng)狀空隙中流出脫水，但絮凝后用篩脫水后的礦漿仍具有一定的流動(dòng)性，難以直接進(jìn)行轉(zhuǎn)送或堆存；底部0.074 mm篩對(duì)細(xì)粒絮團(tuán)進(jìn)行脫水時(shí)，篩下水清澈而無明顯的懸浮物，說明CS89絮凝劑形成的網(wǎng)狀大絮團(tuán)可對(duì)溶液中的超微細(xì)顆粒進(jìn)行網(wǎng)捕，降低回水中的微細(xì)顆粒懸浮物，有助于沉降水的回用與外排。

利用實(shí)驗(yàn)室小型真空過濾機(jī)對(duì)CS89絮凝劑篩上脫水礦泥進(jìn)一步脫水分析測(cè)試(含固率35.54%，圖7(a))，濾餅過濾作業(yè)能正常進(jìn)行，未發(fā)生濾液停泄或抽濾設(shè)備作業(yè)無法進(jìn)行的現(xiàn)象，濾餅含固率達(dá)到53.46%(圖7(b))，此時(shí)鋁土礦泥濾餅已完全失去流動(dòng)性，具有了一定的強(qiáng)度與塑性(圖7(d))，延長(zhǎng)抽濾時(shí)間，濾餅含固率可達(dá)到60%，濾餅出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象(圖7(c))。CS89絮凝劑在絮凝過程中微細(xì)顆粒懸浮較少，鋁土礦泥漿沉降脫水的上清液濁度值很低，滿足工業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 鋁土礦泥漿篩上物抽濾試驗(yàn)圖

3.3 鋁土礦泥絮團(tuán)濾餅草籽種植

以絮凝劑添加抽濾濾餅進(jìn)行草籽種植試驗(yàn)，將普通果嶺草均勻撒于樣品表面，未施肥、未澆水、未覆土，進(jìn)行自然生長(zhǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)草籽能迅速正常發(fā)芽、生根和生長(zhǎng)，如圖8為草籽在鋁土礦泥樣品上的種植20天的樣貌。

圖8 鋁土礦泥草籽種植20天樣貌圖

4 結(jié)語

1)鋁土礦洗礦泥漿含固量低，料漿顆粒d50=2.620 μm，屬極微細(xì)物料，礦泥中礦物主要為鋁質(zhì)成分、硅質(zhì)成分和鐵質(zhì)成分。

2)利用CS89絮凝劑進(jìn)行礦泥絮凝沉降，在礦漿濃度60 g/L、絮凝劑用量200 g/t時(shí)，鋁土礦泥漿2 min的平均沉降速度達(dá)到87.5 mm/min，1.8m模擬沉降初始速度為38.84 mm/min，底層濃度33.69%，過量絮凝劑對(duì)物料的沉降速度與壓縮層厚度無明顯改善。

3)鋁土礦泥漿通過CS89絮凝劑絮凝后，可形成超大絮團(tuán)，大幅度提高脫水效率和過濾生產(chǎn)能力。絮凝沉降后經(jīng)真空過濾機(jī)抽濾，濾餅完全失去流動(dòng)性成為含固率53.46%的濾餅，進(jìn)一步延長(zhǎng)抽濾時(shí)間，濾餅含固率可達(dá)到60%，能夠做為礦區(qū)土壤資源修復(fù)材料，且上清液滿足工業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)。