工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 阮竹恩吴爱祥王建栋尹升华王勇 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length RUAN Zhu-en,WU Ai-xiang.WANG Jian-dong.YIN Sheng-hua,WANG Yong 引用本文： 阮竹恩，吴爱祥，王建栋，尹升华，王勇.基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为[.工程科学学报，2020,42(8)：980-987. doi10.13374j.issn2095-9389.2019.10.29.004 RUAN Zhu-en,WU Ai-xiang.WANG Jian-dong,YIN Sheng-hua,WANG Yong.Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(8):980-987.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2019.10.29.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.29.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation 工程科学学报.2019,41(8)：981 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.08.003 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型 Status and prospects of researches on rheology of paste backfill using unclassified-tailings(Part 1):concepts,characteristics and models 工程科学学报.2020,42(7：803htps:loi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.29.001 中国膏体技术发展现状与趋势 Status and prospects of paste technology in China 工程科学学报.2018,40(5：517htps:/loi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.001 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报.2019,41(11：1433htps:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.02.23.002 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 Analysis of thickening performance of unclassified tailings in rakeless deep cone thickener 工程科学学报.2019,41(1：60 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.006 浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的影响及机理 Effect and mechanism of synergist on tailings slurry thickening performance 工程科学学报.2019,41(11：1405htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.16.002
基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 阮竹恩 吴爱祥 王建栋 尹升华 王勇 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length RUAN Zhu-en, WU Ai-xiang, WANG Jian-dong, YIN Sheng-hua, WANG Yong 引用本文: 阮竹恩, 吴爱祥, 王建栋, 尹升华, 王勇. 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为[J]. 工程科学学报, 2020, 42(8): 980-987. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004 RUAN Zhu-en, WU Ai-xiang, WANG Jian-dong, YIN Sheng-hua, WANG Yong. Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(8): 980-987. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation 工程科学学报. 2019, 41(8): 981 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.003 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型 Status and prospects of researches on rheology of paste backfill using unclassified-tailings (Part 1): concepts, characteristics and models 工程科学学报. 2020, 42(7): 803 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.001 中国膏体技术发展现状与趋势 Status and prospects of paste technology in China 工程科学学报. 2018, 40(5): 517 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.001 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报. 2019, 41(11): 1433 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.23.002 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 Analysis of thickening performance of unclassified tailings in rakeless deep cone thickener 工程科学学报. 2019, 41(1): 60 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.006 浓密增效剂对尾砂料浆浓密性能的影响及机理 Effect and mechanism of synergist on tailings slurry thickening performance 工程科学学报. 2019, 41(11): 1405 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.16.002
工程科学学报.第42卷.第8期：980-987.2020年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.8:980-987,August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004;http://cje.ustb.edu.cn 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 阮竹恩，吴爱祥，2)四，王建栋，尹升华2，王勇2 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wuaixiang@126.com 摘要基于全尾砂絮凝过程中絮团弦长的测定，分别研究絮凝和沉降两个过程：首先以絮团平均弦长为指标研究不同絮凝 条件下全尾砂絮凝行为，再以固液界面初始沉降速率为指标分析不同絮凝全尾砂料浆的沉降行为.探明了不同絮凝条件下 全尾砂尺寸演化规律，全尾砂均快速絮凝形成絮团，絮团的平均弦长增长达到峰值后随着剪切时间逐渐下降，直至达到稳定 状态.发现全尾砂絮团的平均弦长与絮凝全尾砂料浆固液界面的初始沉降速率随着不同的絮凝条件而不断改变，确定了在 本文研究范围内的最优絮凝条件：Magnafloc5250絮凝剂，全尾砂料浆固相质量分数10%.絮凝剂单耗10gt,絮凝剂溶液中 絮凝剂质量分数0.025%，剪切速率94.8s1最优条件下絮凝过程中絮团平均弦长峰值为620.63m,絮凝结束时絮团平均弦 长为399.57m,絮凝全尾砂料浆固液界面初始沉降速率为4.61mms.初步建立了适用于本文全尾砂的基于絮团平均弦长 的固液界面初始沉降速率模型，固液界面初始沉降速率随着絮团平均弦长的增加而增加，为实际生产中控制全尾砂絮凝沉降 参数以及设备结构优化、提高全尾砂料浆的絮凝沉降效率提供参考. 关键词全尾砂：絮团弦长：聚焦式激光反射测量系统；剪切速率；固液界面初始沉降速率 分类号TD853 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length RUAN Zhu-en,WU Ai-xiang2,WANG Jian-dong,YIN Sheng-hua2,WANG Yong2) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang@126.com ABSTRACT Deep-cone thickening of unclassified tailings is one of the key technologies in the field of cemented paste backfill. Flocculation and settling behavior of unclassified tailings constitute key research topics of the deep-cone thickening technology.Based on the measurement of the floc chord length during the unclassified tailings flocculation process,this study investigated the flocculation and settling processes independently,which is different from the traditional research.First,the average chord length of the floc was used as the index to study the flocculation behavior of the unclassified tailings under different conditions.Then,the initial settling rate of the suspension-supernate interface was used as the index to analyze the settling behavior of the unclassified tailings slurry under varying flocculation conditions.Under different flocculation conditions,the unclassified tailings particles were flocculated rapidly and the average chord length of the floc increased rapidly to the peak value.Then,it decreased gradually with the shear time until it reached a stable state.It was found that the average chord length of the flocs of the unclassified tailings and the initial settling rate of the 收稿日期：2019-10-29 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51834001)：国家自然科学基金面上资助项目(51674012)：国家自然科学基金青年科学基金资 助项目(51804015)
基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 阮竹恩1)，吴爱祥1,2) 苣，王建栋1)，尹升华1,2)，王 勇1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail: wuaixiang@126.com 摘 要 基于全尾砂絮凝过程中絮团弦长的测定，分别研究絮凝和沉降两个过程：首先以絮团平均弦长为指标研究不同絮凝 条件下全尾砂絮凝行为，再以固液界面初始沉降速率为指标分析不同絮凝全尾砂料浆的沉降行为. 探明了不同絮凝条件下 全尾砂尺寸演化规律，全尾砂均快速絮凝形成絮团，絮团的平均弦长增长达到峰值后随着剪切时间逐渐下降，直至达到稳定 状态. 发现全尾砂絮团的平均弦长与絮凝全尾砂料浆固液界面的初始沉降速率随着不同的絮凝条件而不断改变，确定了在 本文研究范围内的最优絮凝条件：Magnafloc 5250 絮凝剂，全尾砂料浆固相质量分数 10%，絮凝剂单耗 10 g·t−1，絮凝剂溶液中 絮凝剂质量分数 0.025%，剪切速率 94.8 s−1 . 最优条件下絮凝过程中絮团平均弦长峰值为 620.63 μm，絮凝结束时絮团平均弦 长为 399.57 μm，絮凝全尾砂料浆固液界面初始沉降速率为 4.61 mm·s−1 . 初步建立了适用于本文全尾砂的基于絮团平均弦长 的固液界面初始沉降速率模型，固液界面初始沉降速率随着絮团平均弦长的增加而增加，为实际生产中控制全尾砂絮凝沉降 参数以及设备结构优化、提高全尾砂料浆的絮凝沉降效率提供参考. 关键词 全尾砂；絮团弦长；聚焦式激光反射测量系统；剪切速率；固液界面初始沉降速率 分类号 TD853 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length RUAN Zhu-en1) ，WU Ai-xiang1,2) 苣 ，WANG Jian-dong1) ，YIN Sheng-hua1,2) ，WANG Yong1,2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wuaixiang@126.com ABSTRACT Deep-cone thickening of unclassified tailings is one of the key technologies in the field of cemented paste backfill. Flocculation and settling behavior of unclassified tailings constitute key research topics of the deep-cone thickening technology. Based on the measurement of the floc chord length during the unclassified tailings flocculation process, this study investigated the flocculation and settling processes independently, which is different from the traditional research. First, the average chord length of the floc was used as the index to study the flocculation behavior of the unclassified tailings under different conditions. Then, the initial settling rate of the suspension–supernate interface was used as the index to analyze the settling behavior of the unclassified tailings slurry under varying flocculation conditions. Under different flocculation conditions, the unclassified tailings particles were flocculated rapidly and the average chord length of the floc increased rapidly to the peak value. Then, it decreased gradually with the shear time until it reached a stable state. It was found that the average chord length of the flocs of the unclassified tailings and the initial settling rate of the 收稿日期: 2019−10−29 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目（51834001）；国家自然科学基金面上资助项目（51674012）；国家自然科学基金青年科学基金资 助项目（51804015） 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期：980−987，2020 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 8: 980−987, August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004; http://cje.ustb.edu.cn
阮竹恩等：基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 981· suspension-supernate interface of the flocculated,unclassified tailings slurry vary with flocculation conditions.For the scope of this study,the optimal flocculation conditions were determined as follows:the flocculant used was Magnafloc 5250,the solid mass fraction was 10%,the flocculant dosage was 10 g-t,the flocculant mass fraction was 0.025%,and the shear rate was 94.8 s.Under such flocculation conditions,the peak value of the average chord length of the floc was 620.63 um,the average chord length after the flocculation was 399.57 um,and the initial settling rate of the suspension-supernate interface of the flocculated tailings slurry was 4.61 mm's.The initial settling rate model of the suspension-supernate interface,applicable only to the tailings used in this study,was established preliminarily based on the average chord length of the flocs.The initial settling rate of the suspension-supernate interface increased with the increase in the average chord length of the flocs,providing a reference for the control of flocculation and settling parameters and the optimization of the equipment structure to improve the flocculation settling efficiency of unclassified tailings slurry in actual production. KEY WORDS unclassified tailings;floc chord length;focused beam reflectance measurement;shear rate;suspension-supernate interface initial settling rate 膏体充填已经成为治理采空区和尾矿库灾 1实验 害、实现矿山绿色开采的重要手段之一-)膏体 充填的其中一项核心技术是全尾砂深锥浓密，即 1.1实验材料 本文所用的全尾砂取自于国内某镍矿，应用 通过向来自选厂的低浓度全尾砂料浆中添加高分 子絮凝剂实现快速沉降、再通过深锥浓密机实现 比重法测得真实密度为2785kgm3.采用欧美克 全尾砂料浆的深度浓密，从而获得高浓度底流，为 TopSizer激光粒度分析仪分析全尾砂粒径分布，所 制备合格的膏体奠定基础]全尾砂进入深锥浓 得结果如图1所示，粒径-20um的颗粒占比（体积分 密机经过絮凝后，以絮团的形式存在.针对浓密过 数)为54.74%，-74um占比为91.31%，-100μm占比为 程中的絮凝沉降，国内外学者进行了大量的实验 95.38%,索特平均直径d2和体积平均直径d43分 来研究沉降，分析了絮凝剂种类与单耗61、全尾 别为5.22m和30.67um 砂料浆中的固相质量分数（下文简称固相质量分 100 数)10、尾砂化学组成-11、料浆酸碱度3-以 90 80 及水力条件s-等因素对全尾砂料浆沉降速率的 影响规律.同时，也应用数值模拟方法研究了深锥 浓密机内的全尾砂絮凝沉降行为但是，对于 40 全尾砂的絮凝本身或者絮团的性质研究相对较少， 20 絮团的尺寸是絮团的最直观的性质，也是最重要的 10k 性质.絮团尺寸的测量方法多样，如最古老的沉降 11 0.1 10 100 1000 速率法、激光粒度仪、扫描电子显微镜(SEM)及 Particle size/um 光学显微镜，但是这些方法因为不能直接测量或 图1全尾砂粒径分布 者对絮团结构进行了破坏，导致测量结果误差较 Fig.1 Grain size distribution of unclassified tailings 大Po).近年来，聚焦式激光反射测量系统(Focused 絮凝剂为Rheomax1010、Rheomax1020、 beam reflectance measurement,,FBRM)因其可以实 Rheomax1050、Magnafloc336、Magnafloc5250和 时原位侧试絮团尺寸，不用取样破坏絮团结构，而 APAM-10,共6种阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂，均 被越来越多的应用于絮团尺寸的测量-2四 为高分子絮凝剂，相对分子量分别为2520万、 为此，本文应用FBRM测量不同絮凝条件下 2160万、2000万、2880万、1800万和1200万 的全尾砂絮团尺寸，分析絮凝剂种类、固相质量分 1.2实验方案 数(SF)、絮凝剂单耗(FD)、絮凝剂溶液中絮凝剂 实验采用MY3000-6M彩屏混凝试验搅拌机. 质量分数（下文简称絮凝剂质量分数，F℉）和流场 研究絮凝剂种类不同、固相质量分数不同(SF=5%、 剪切速率(G)对全尾砂絮团的尺寸的影响进行研 10%、15%、20%和25%)、絮凝剂单耗不同(FD=5、 究，再应用絮凝后全尾砂料浆的静态沉降来分析 10、15和25gt)、絮凝剂质量分数不同(FF=0.005%、 絮凝条件对沉降行为的影响 0.025%、0.05%、0.10%和0.15%)和流体剪切速率
suspension –supernate interface of the flocculated, unclassified tailings slurry vary with flocculation conditions. For the scope of this study, the optimal flocculation conditions were determined as follows: the flocculant used was Magnafloc 5250, the solid mass fraction was 10%, the flocculant dosage was 10 g·t−1, the flocculant mass fraction was 0.025%, and the shear rate was 94.8 s−1. Under such flocculation conditions, the peak value of the average chord length of the floc was 620.63 μm, the average chord length after the flocculation was 399.57 μm, and the initial settling rate of the suspension –supernate interface of the flocculated tailings slurry was 4.61 mm·s−1. The initial settling rate model of the suspension–supernate interface, applicable only to the tailings used in this study, was established preliminarily based on the average chord length of the flocs. The initial settling rate of the suspension–supernate interface increased with the increase in the average chord length of the flocs, providing a reference for the control of flocculation and settling parameters and the optimization of the equipment structure to improve the flocculation settling efficiency of unclassified tailings slurry in actual production. KEY WORDS unclassified tailings； floc chord length； focused beam reflectance measurement； shear rate； suspension –supernate interface initial settling rate 膏体充填已经成为治理采空区和尾矿库灾 害、实现矿山绿色开采的重要手段之一[1−2] . 膏体 充填的其中一项核心技术是全尾砂深锥浓密，即 通过向来自选厂的低浓度全尾砂料浆中添加高分 子絮凝剂实现快速沉降、再通过深锥浓密机实现 全尾砂料浆的深度浓密，从而获得高浓度底流，为 制备合格的膏体奠定基础[3−5] . 全尾砂进入深锥浓 密机经过絮凝后，以絮团的形式存在. 针对浓密过 程中的絮凝沉降，国内外学者进行了大量的实验 来研究沉降，分析了絮凝剂种类与单耗[6−8]、全尾 砂料浆中的固相质量分数（下文简称固相质量分 数 ）[9−10]、尾砂化学组成[11−12]、料浆酸碱度[13−14] 以 及水力条件[15−16] 等因素对全尾砂料浆沉降速率的 影响规律. 同时，也应用数值模拟方法研究了深锥 浓密机内的全尾砂絮凝沉降行为[17−19] . 但是，对于 全尾砂的絮凝本身或者絮团的性质研究相对较少. 絮团的尺寸是絮团的最直观的性质，也是最重要的 性质. 絮团尺寸的测量方法多样，如最古老的沉降 速率法、激光粒度仪、扫描电子显微镜（SEM）及 光学显微镜，但是这些方法因为不能直接测量或 者对絮团结构进行了破坏，导致测量结果误差较 大[20] . 近年来，聚焦式激光反射测量系统（Focused beam reflectance measurement, FBRM）因其可以实 时原位测试絮团尺寸，不用取样破坏絮团结构，而 被越来越多的应用于絮团尺寸的测量[21−22] . 为此，本文应用 FBRM 测量不同絮凝条件下 的全尾砂絮团尺寸，分析絮凝剂种类、固相质量分 数（SF）、絮凝剂单耗（FD）、絮凝剂溶液中絮凝剂 质量分数（下文简称絮凝剂质量分数，FF）和流场 剪切速率（G）对全尾砂絮团的尺寸的影响进行研 究，再应用絮凝后全尾砂料浆的静态沉降来分析 絮凝条件对沉降行为的影响. 1 实验 1.1 实验材料 本文所用的全尾砂取自于国内某镍矿，应用 比重法测得真实密度为 2785 kg·m−3 . 采用欧美克 TopSizer 激光粒度分析仪分析全尾砂粒径分布，所 得结果如图 1 所示，粒径−20 μm 的颗粒占比（体积分 数）为54.74%，−74 μm占比为91.31%，−100 μm 占比为 95.38%，索特平均直径 d32 和体积平均直径 d43 分 别为 5.22 μm 和 30.67 μm. 絮 凝 剂 为 Rheomax 1010、 Rheomax 1020、 Rheomax 1050、 Magnafloc 336、 Magnafloc 5250 和 APAM-10，共 6 种阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂，均 为高分子絮凝剂 ，相对分子量分别 为 2520 万 、 2160 万、2000 万、2880 万、1800 万和 1200 万. 1.2 实验方案 实验采用 MY 3000-6M 彩屏混凝试验搅拌机， 研究絮凝剂种类不同、固相质量分数不同（SF=5%、 10%、15%、20% 和 25%）、絮凝剂单耗不同（FD=5、 10、15 和 25 g·t−1）、絮凝剂质量分数不同（FF=0.005%、 0.025%、0.05%、0.10% 和 0.15%）和流体剪切速率 0.1 0 20 40 60 80 10 30 50 70 90 100 1 10 Particle size/μm Cumulative volume percent of passing size/ % 100 1000 图 1 全尾砂粒径分布 Fig.1 Grain size distribution of unclassified tailings 阮竹恩等： 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 · 981 ·
982 工程科学学报，第42卷，第8期 不同(G=51.6、94.8、146.0、204.0、268.2、338.0和 412.9s)时的全尾砂絮凝情况，将FBRM的探头 Laser source 浸没入尾砂料浆中检测不同絮凝条件下的全尾砂 Beam splitter 絮团尺寸，应用FBRM软件的Marco弦长和平方 加权方法对测量数据进行处理2)采用单因素实 Laser retum 验，共计22组，尾砂料浆用干尾砂和实验室自来 Optical prism Chord length/um Sapphire window 水进行配制，每组实验中全尾砂料浆体积和絮凝 Focused beam 溶液的总体积为1000mL,pH为7.41.絮凝反应4min 图3FBRM探头结构示意和弦长测试原理 后，将絮凝全尾砂料浆移入1000mL量筒中进行静 Fig.3 Schematic of FBRM probe structure and chord length measuring 态沉降实验，记录固液界面随着时间的下降高度 principle 实验关键设备如图2所示.MY3000-6M彩屏 絮凝剂质量分数为0.025%、剪切速率为94.8s的 混凝试验搅拌机可产生10~1000s范围内任意 条件下，六种不同絮凝剂作用下的全尾砂絮团平 剪切速率.FBRM为瑞典METTLER TOLEDO的 G600,是一种基于弦长(Chord length)的测量技术， 均弦长变化规律如图4所示. 核心结构为探头，其内部结构和测试原理如图3 700 620.63 所示.在FBRM探头内部有平行分布的激光源光 600 纤和监测光纤，激光光束从探头尾部发射出来，经 500 过高速旋转的棱镜聚焦于很小的一个点上，棱镜 400 旋转速度为2ms.若探头所处环境中没有颗粒， 监测光纤无任何反射信号：一旦有颗粒经过窗口 300 表面，聚焦光束碰到颗粒后将会反射回来，此时监 测光纤将会探测到增强光信号.颗粒持续反射激 Rheomax 1010 Magnafloc 336 100 —Rheomax1020 Magnafloc 5250 光源光束，直到到达颗粒的另一边.这段反射激光 -Rheomax 1050 -APAM-10 0 源光束的时间乘以扫描速度即得到了距离，称之 40 80120160200210 Flocculation time/s 为颗粒的“弦长” 图4不同絮凝剂种类条件下全尾砂絮凝行为 FBRM probe Flocculator Fig.4 Flocculation behavior under different flocculants Computer 60o 在不同絮凝剂种类条件下，全尾砂均快速絮 凝形成絮团，并且絮团的平均弦长增长达到峰值 后随着絮凝反应时间逐渐下降至一个稳定状态 因为在流场剪切作用下发生的桥接絮凝中，全尾 Tailings 砂絮凝成絮团（聚并）、絮团的剪切破碎（破碎）以 Blade 及破碎絮团的重构（重构）等过程往往同时并且 5 cm Chord length distribution 10.5cm 一直存在，在剪切初始阶段，以聚并过程为主，絮 团的平均弦长表现为增长；达到峰值后，随着剪切 困2絮凝实验设备 作用的继续进行，以破碎和重构现象为主，大而疏 Fig.2 Flocculation experiment equipment 松絮团会被剪切破碎成为较小的絮团，小絮团 本文中应用FBRM检测所得的弦长表征絮团 也可能会继续重构成为更加致密的中等尺寸的絮 的尺寸，用固液界面初始沉降速率来分析絮凝全 团4-2：当絮团的重构与破碎达到平衡时，絮团的 尾砂料浆的沉降行为 平均弦长达到一个稳定状态 2结果与讨论 虽然不同絮凝剂条件下，絮团的平均弦长变 化趋势相似，但是获得的平均弦长峰值(CLmax)以 2.1絮凝剂种类对全尾砂絮凝沉降行为的影响 及絮凝反应结束后的絮团平均弦长(CL4mim)却不 2.1.1絮凝剂种类对全尾砂絮凝行为的影响 尽相同.由图4可知，Magnafloc5250絮凝剂作用 在固相质量分数10%、絮凝剂单耗为10gt、 下可获得的CLmax和CL4min均比其它絮凝剂的大
不同 （ G=51.6、 94.8、 146.0、 204.0、 268.2、 338.0 和 412.9 s−1）时的全尾砂絮凝情况，将 FBRM 的探头 浸没入尾砂料浆中检测不同絮凝条件下的全尾砂 絮团尺寸，应用 FBRM 软件的 Marco 弦长和平方 加权方法对测量数据进行处理[23] . 采用单因素实 验，共计 22 组，尾砂料浆用干尾砂和实验室自来 水进行配制，每组实验中全尾砂料浆体积和絮凝 溶液的总体积为1000 mL，pH 为7.41. 絮凝反应4 min 后，将絮凝全尾砂料浆移入 1000 mL 量筒中进行静 态沉降实验，记录固液界面随着时间的下降高度. 实验关键设备如图 2 所示. MY 3000-6M 彩屏 混凝试验搅拌机可产生 10～1000 s −1 范围内任意 剪切速率. FBRM 为瑞典 METTLER TOLEDO 的 G600，是一种基于弦长（Chord length）的测量技术， 核心结构为探头，其内部结构和测试原理如图 3 所示. 在 FBRM 探头内部有平行分布的激光源光 纤和监测光纤，激光光束从探头尾部发射出来，经 过高速旋转的棱镜聚焦于很小的一个点上，棱镜 旋转速度为 2 m·s−1 . 若探头所处环境中没有颗粒， 监测光纤无任何反射信号；一旦有颗粒经过窗口 表面，聚焦光束碰到颗粒后将会反射回来，此时监 测光纤将会探测到增强光信号. 颗粒持续反射激 光源光束，直到到达颗粒的另一边. 这段反射激光 源光束的时间乘以扫描速度即得到了距离，称之 为颗粒的“弦长”. 本文中应用 FBRM 检测所得的弦长表征絮团 的尺寸，用固液界面初始沉降速率来分析絮凝全 尾砂料浆的沉降行为. 2 结果与讨论 2.1 絮凝剂种类对全尾砂絮凝沉降行为的影响 2.1.1 絮凝剂种类对全尾砂絮凝行为的影响 在固相质量分数 10%、絮凝剂单耗为 10 g·t−1、 絮凝剂质量分数为 0.025%、剪切速率为 94.8 s−1 的 条件下，六种不同絮凝剂作用下的全尾砂絮团平 均弦长变化规律如图 4 所示. 在不同絮凝剂种类条件下，全尾砂均快速絮 凝形成絮团，并且絮团的平均弦长增长达到峰值 后随着絮凝反应时间逐渐下降至一个稳定状态. 因为在流场剪切作用下发生的桥接絮凝中，全尾 砂絮凝成絮团（聚并）、絮团的剪切破碎（破碎）以 及破碎絮团的重构（重构）等过程往往同时并且 一直存在，在剪切初始阶段，以聚并过程为主，絮 团的平均弦长表现为增长；达到峰值后，随着剪切 作用的继续进行，以破碎和重构现象为主，大而疏 松絮团会被剪切破碎成为较小的絮团，小絮团 也可能会继续重构成为更加致密的中等尺寸的絮 团[24−25] ；当絮团的重构与破碎达到平衡时，絮团的 平均弦长达到一个稳定状态. 虽然不同絮凝剂条件下，絮团的平均弦长变 化趋势相似，但是获得的平均弦长峰值（CLmax）以 及絮凝反应结束后的絮团平均弦长（CL4min）却不 尽相同. 由图 4 可知，Magnafloc 5250 絮凝剂作用 下可获得的 CLmax 和 CL4min 均比其它絮凝剂的大， FBRM probe 11.8 cm Flocculator 4 cm Computer 5.8 cm Chord length distribution 1.4 cm 60° Tailings Blade 5 cm 10.5 cm 图 2 絮凝实验设备 Fig.2 Flocculation experiment equipment Laser source Beam splitter Chord length/μm Laser return Optical prism Sapphire window Focused beam 图 3 FBRM 探头结构示意和弦长测试原理 Fig.3 Schematic of FBRM probe structure and chord length measuring principle 0 0 200 400 600 620.63 100 300 500 700 40 80 120 Flocculation time/s Averaged chord length/μm 160 200 210 Rheomax 1010 Rheomax 1020 Rheomax 1050 Magnafloc 336 Magnafloc 5250 APAM-10 图 4 不同絮凝剂种类条件下全尾砂絮凝行为 Fig.4 Flocculation behavior under different flocculants · 982 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期
阮竹恩等：基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 983 分别达到了620.63m和399.57μm,且达到CLma 35 35 的絮凝时间也最长，为30s.这是因为，不同类型 30 的絮凝剂的结构、分子量、离子性等不同，导致其 25 20 絮凝效果不同6刃同时，因为除了不同絮凝剂条 adns-uorsuadsns Slope=-0.461 件下形成絮团的尺寸不同外，絮团的结构、密度与 1 20 0 20 40 60 抗剪强度也不尽相同，导致在平均弦长下降阶段 dns-uorsua Settling time/s -Rheomax 1010 不同絮凝剂条件下的絮团平均弦长下降速率也不 15 Rheomax 1020 Rheomax 1050 尽相同 -Magnafloc336 10 -M c5250 以Magnafloc5250絮凝剂作用下的絮团弦长 -APAM-10 的分布（如图5所示）为例，进一步分析这一絮凝 100 200300400 500 600 行为.由图5可知，在絮凝时间0~30s内絮团弦 Settling time/s 长微分分布的峰值和累积分布曲线不断右移，絮 图6不同絮凝剂种类条件下絮凝全尾砂料浆沉降曲线 团不断生长，大尺寸絮团不断增多，从而导致图4 Fig.6 Settling curve of flocculated tailings slurry under different flocculants 中的絮团平均弦长不断增长.30s以后，由于剪切 作用，大尺寸絮团被破碎，絮团弦长微分分布的峰 2.2固相质量分数对全尾砂絮凝沉降行为的影响 值和累积分布曲线左移，从而导致图4中的絮团 2.2.1固相质量分数对全尾砂絮凝行为的影响 平均弦长逐渐下降 在絮凝剂为Magnafloc5250、絮凝剂单耗为 10gt、絮凝剂质量分数为0.025%、剪切速率为 100 20 "■■"CD=0 % 94.8s的条件下，不同固相质量分数(5%、10%、 CD =10s 18 =20s 80 ---CD=30s 6 15%、20%和25%)的全尾砂料浆絮凝行为如图7 ---CD=60s 70 -DD FO 所示. -DD F10s 60 DD A 205 12 700 DD =3 50 DD F60s 10 =0% 600 = 40 259 6 500 2 4 400 10 2 300 0 100 1000 Chord length/um 200 图5 Magnafloc5250作用下全尾砂絮团弦长分布(CD为累积分布， 100 DD为微分分布) Fig.5 Chord length distribution of unclassified tailings floc using 40 80120160 200240 Magnafloc 5250 (CD and DD are abbreviations for cumulative Flocculation time/s distribution and differential distribution,respectively) 图7不同固相质量分数条件下全尾砂絮凝行为 2.1.2絮凝剂种类对絮凝全尾砂料浆沉降行为的 Fig.7 Flocculation behavior under different solid mass fractions 影响 由图7可知，CLmax和CL4mim随着固相质量分 不同絮凝剂种类条件下絮凝全尾砂料浆沉降曲 数的增加而先增大后减小，其中CLmax在固相质量 线如图6所示.取沉降曲线初始线性阶段来分析 分数为10%时取得最大值.这是因为，在絮凝初始 固液界面的初始沉降速率.对线性阶段进行拟合， 阶段，根据Smoluchowski理论，在其它絮凝条件相 所得斜率的绝对值即为初始沉降速率，可知通过 同的情况下，絮凝剂的扩散速率随着固相质量分 Magnafloc5250絮凝剂作用形成的絮凝全尾砂料 数增加而降低，导致絮凝剂与尾砂颗粒接触的机 浆的固液界面初始沉降速率最大，达到4.61mms 会降低，从而降低了絮凝效果.但是当固相质量分 这与Magnafloc5250获得的CL4mm最大一致.因 数过低时(SF=5%),絮凝剂过于分散而料浆中尾 此，针对本文中所研究的全尾砂，六种絮凝剂中 砂颗粒有限，同样导致絮凝效果不是很理想，所以 Magnafloc5250絮凝效果最好 需要相对较长的时间才能获得CLmax同时，随着
分别达到了 620.63 μm 和 399.57 μm，且达到 CLmax 的絮凝时间也最长，为 30 s. 这是因为，不同类型 的絮凝剂的结构、分子量、离子性等不同，导致其 絮凝效果不同[26−27] . 同时，因为除了不同絮凝剂条 件下形成絮团的尺寸不同外，絮团的结构、密度与 抗剪强度也不尽相同，导致在平均弦长下降阶段 不同絮凝剂条件下的絮团平均弦长下降速率也不 尽相同. 以 Magnafloc 5250 絮凝剂作用下的絮团弦长 的分布（如图 5 所示）为例，进一步分析这一絮凝 行为. 由图 5 可知，在絮凝时间 t=0～30 s 内絮团弦 长微分分布的峰值和累积分布曲线不断右移，絮 团不断生长，大尺寸絮团不断增多，从而导致图 4 中的絮团平均弦长不断增长. 30 s 以后，由于剪切 作用，大尺寸絮团被破碎，絮团弦长微分分布的峰 值和累积分布曲线左移，从而导致图 4 中的絮团 平均弦长逐渐下降. 2.1.2 絮凝剂种类对絮凝全尾砂料浆沉降行为的 影响 不同絮凝剂种类条件下絮凝全尾砂料浆沉降曲 线如图 6 所示. 取沉降曲线初始线性阶段来分析 固液界面的初始沉降速率. 对线性阶段进行拟合， 所得斜率的绝对值即为初始沉降速率，可知通过 Magnafloc 5250 絮凝剂作用形成的絮凝全尾砂料 浆的固液界面初始沉降速率最大，达到 4.61 mm·s−1 . 这与 Magnafloc 5250 获得的 CL4min 最大一致. 因 此，针对本文中所研究的全尾砂，六种絮凝剂中 Magnafloc 5250 絮凝效果最好. 2.2 固相质量分数对全尾砂絮凝沉降行为的影响 2.2.1 固相质量分数对全尾砂絮凝行为的影响 在絮凝剂为 Magnafloc 5250、絮凝剂单耗为 10 g·t−1、絮凝剂质量分数为 0.025%、剪切速率为 94.8 s−1 的条件下，不同固相质量分数（5%、10%、 15%、20% 和 25%）的全尾砂料浆絮凝行为如图 7 所示. 由图 7 可知，CLmax 和 CL4min 随着固相质量分 数的增加而先增大后减小，其中 CLmax 在固相质量 分数为 10% 时取得最大值. 这是因为，在絮凝初始 阶段，根据 Smoluchowski 理论，在其它絮凝条件相 同的情况下，絮凝剂的扩散速率随着固相质量分 数增加而降低，导致絮凝剂与尾砂颗粒接触的机 会降低，从而降低了絮凝效果. 但是当固相质量分 数过低时（SF=5%），絮凝剂过于分散而料浆中尾 砂颗粒有限，同样导致絮凝效果不是很理想，所以 需要相对较长的时间才能获得 CLmax. 同时，随着 1 0 20 40 60 10 30 50 100 70 80 90 10 Chord length/μm Cumulative distribution/ % 0 4 8 12 2 6 10 20 14 16 18 Differential distribution/ % 100 1000 CD t=0 CD t=10 s CD t=20 s CD t=30 s CD t=60 s DD t=0 DD t=10 s DD t=20 s DD t=30 s DD t=60 s 图 5 Magnafloc 5250 作用下全尾砂絮团弦长分布（CD 为累积分布， DD 为微分分布） Fig.5 Chord length distribution of unclassified tailings floc using Magnafloc 5250 (CD and DD are abbreviations for cumulative distribution and differential distribution, respectively) 0 5 15 10 35 20 25 30 200 Settling time/s Suspension-supernate interface height/cm 100 300 500 400 600 0 10 15 35 20 25 30 40 Settling time/s Slope=−0.461 Suspension-supernate interface height/cm 20 60 Rheomax 1010 Rheomax 1020 Rheomax 1050 Magnafloc 336 Magnafloc 5250 APAM-10 图 6 不同絮凝剂种类条件下絮凝全尾砂料浆沉降曲线 Fig.6 Settling curve of flocculated tailings slurry under different flocculants 0 0 200 100 700 300 400 500 600 80 Flocculation time/s Averaged chord length/μm 40 120 200 160 240 SF=5% SF=10% SF=15% SF=20% SF=25% 图 7 不同固相质量分数条件下全尾砂絮凝行为 Fig.7 Flocculation behavior under different solid mass fractions 阮竹恩等： 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 · 983 ·