絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.11.005 第35卷第11期 北京科技大学学报 Vol.35 No.11 2013年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2013 絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理 王勇1,2)，吴爱祥1,2)☒，王洪江12)，刘斯忠12)，周勃1,2) 1)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 2)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wuaixiang@126.com 摘要以某铜尾矿为实验对象，每吨尾矿中分别添加阴离子聚丙烯酰胺0、10、25、40和55g,进行浓密实验.在前 期(1h)尾矿浓密分数随着絮凝剂用量增加逐渐递增，由63.98%增加至68.20%：而后期(12h)浓密分数则随絮凝剂用 量的增加略有下降.结合实验结果，将每吨尾矿中絮凝剂添加量由少至多划分为低含量(0~10g)、合适含量(10~25g)、 高含量(25~40g)和超高含量(40~55g)四个区间，提出了不同区间絮凝剂对尾矿浓密的影响机理，分别体现为部分吸 附、吸附架桥、保护和包裹作用. 关键词尾矿：浓密：絮凝剂：机理 分类号TD85 Influence mechanism of flocculant dosage on tailings thickening WANG Yong 2),WU Ai-riang2),WANG Hong-jiang2),LIU Si-zhong2),ZHOU BoL.2) 1)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal(Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China XCorresponding author,E-mail:wuaixiang126.com ABSTRACT Taking copper tailings as an experimental object,dynamic thickening experiments were conducted by adding 0,10,25,40 and 55 g of anionic polyacrylamide(APAM)per tonne of the tailings,respectively.It was found that the thickening concentration of the tailings at the prophase(1 h)increased gradually from 63.98%to 68.20%with increasing flocculant dosage,but at the anaphase (12 h)the value fell slightly when the flocculant dosage increased. In combination with experimental results,the flocculant dosage was divided into four intervals from less to more,low concentration(0 to 10 g per tonne of the tailings),appropriate concentration(10 to 25 g per tonne of the tailings),high concentration(25 to 40 g per tonne of the tailings),and ultrahigh concentration (40 to 55 g per tonne of the tailings). The influence mechanisms of flocculant dosage on tailings thickening in the different intervals were put forward,which present partial adsorption,adsorption bridging,protection,and encapsulation roles,respectively. KEY WORDS tailings:thickening:flocculant:mechanisms 随着全尾砂膏体充填技术的不断发展，以及磨 细粒全尾沉降速度慢，必须依赖絮凝剂来改善其沉 矿细度越来越细，致使尾矿浓密技术备受关注，目降性能，因此絮凝沉降技术已广泛应用于各类矿山 前工业中普遍做法是通过添加絮凝剂改善尾矿浓密 的尾矿浓密沉降生产中②.絮凝剂可以加速细粒全 效率.通过多年的发展，尾矿浓密技术已从过滤分 尾沉降速度，减小浓密机的尺寸，降低膏体制备的 离发展到沉降分离，从离心沉降发展到絮凝沉降山. 时间消耗，具有很好的经济效益3剧 收稿日期：2012-09-06 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助顶目(2012BAB08B02):国家自然科学基金重点资助项目(50934002)：国家自然科学 基金资助项目(51374034,51074013,51104011)

第 35 卷 第 11 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 11 2013 年 11 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov. 2013 絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理 王 勇1,2)，吴爱祥1,2) ，王洪江1,2)，刘斯忠1,2)，周 勃 1,2) 1) 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 2) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: wuaixiang@126.com 摘 要 以某铜尾矿为实验对象，每吨尾矿中分别添加阴离子聚丙烯酰胺 0、10、25、40 和 55 g，进行浓密实验. 在前 期 (1 h) 尾矿浓密分数随着絮凝剂用量增加逐渐递增，由 63.98%增加至 68.20%；而后期 (12 h) 浓密分数则随絮凝剂用 量的增加略有下降. 结合实验结果，将每吨尾矿中絮凝剂添加量由少至多划分为低含量 (0∼10 g)、合适含量 (10∼25 g)、 高含量 (25∼40 g) 和超高含量 (40∼55 g) 四个区间，提出了不同区间絮凝剂对尾矿浓密的影响机理，分别体现为部分吸 附、吸附架桥、保护和包裹作用. 关键词 尾矿；浓密；絮凝剂；机理 分类号 TD85 Influence mechanism of flocculant dosage on tailings thickening WANG Yong1,2), WU Ai-xiang1,2) , WANG Hong-jiang1,2), LIU Si-zhong1,2), ZHOU Bo1,2) 1) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: wuaixiang@126.com ABSTRACT Taking copper tailings as an experimental object, dynamic thickening experiments were conducted by adding 0, 10, 25, 40 and 55 g of anionic polyacrylamide (APAM) per tonne of the tailings, respectively. It was found that the thickening concentration of the tailings at the prophase (1 h) increased gradually from 63.98% to 68.20% with increasing flocculant dosage, but at the anaphase (12 h) the value fell slightly when the flocculant dosage increased. In combination with experimental results, the flocculant dosage was divided into four intervals from less to more, low concentration (0 to 10 g per tonne of the tailings), appropriate concentration (10 to 25 g per tonne of the tailings), high concentration (25 to 40 g per tonne of the tailings), and ultrahigh concentration (40 to 55 g per tonne of the tailings). The influence mechanisms of flocculant dosage on tailings thickening in the different intervals were put forward, which present partial adsorption, adsorption bridging, protection, and encapsulation roles, respectively. KEY WORDS tailings; thickening; flocculant; mechanisms 随着全尾砂膏体充填技术的不断发展，以及磨 矿细度越来越细，致使尾矿浓密技术备受关注，目 前工业中普遍做法是通过添加絮凝剂改善尾矿浓密 效率. 通过多年的发展，尾矿浓密技术已从过滤分 离发展到沉降分离，从离心沉降发展到絮凝沉降 [1] . 细粒全尾沉降速度慢，必须依赖絮凝剂来改善其沉 降性能，因此絮凝沉降技术已广泛应用于各类矿山 的尾矿浓密沉降生产中 [2] . 絮凝剂可以加速细粒全 尾沉降速度，减小浓密机的尺寸，降低膏体制备的 时间消耗，具有很好的经济效益 [3] . 收稿日期：2012-09-06 基金项目：“十二五” 国家科技支撑计划资助项目 (2012BAB08B02)；国家自然科学基金重点资助项目 (50934002)；国家自然科学 基金资助项目 (51374034，51074013，51104011) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.005

.1420 北京科技大学学报 第35卷 近年来，国内外针对絮凝沉降从宏观和微观都 浓密过程的影响，因此絮凝剂添加量对整个尾矿沉 进行了相关研究.Eswaraiah等)研究了超细铁尾 降过程和极限浓度的影响并不清晰.为此，本文采 矿的沉降特性，分别在不同H范围的料浆中添加 用自制尾砂动态浓密物理模型，进行不同絮凝剂单 阳离子、阴离子和非离子三种类型絮凝剂，发现阴 耗下尾矿动态浓密效果研究.根据实验结果，将絮 离子型絮凝剂效果最好，小的添加量即可实现快速 凝剂添加量由低到高划分了四个区间，并提出了不 沉降，而阳离子型和非离子型即使添加量很高沉降 同区间下絮凝剂对尾矿浓密极限浓度的影响机理， 效果也并不好.Selomuya等同采用光学激光显微镜 为现场深锥运行提供技术依据. 和X射线衍射，对絮团颗粒和沉积层微观结构进行 三维可视化研究.Birgera等何对圆柱状、分散状 1实验材料和方法 和收敛状圆锥形的五种不同截面形状沉降装置进行 1.1尾砂 絮凝沉降性能研究，提出一种连续沉降和浓缩数学 实验尾砂来自某铜钼矿选厂，该尾矿容重较 模型，为连续浓密提供了一种数值算法，也为浓密 小，孔隙率相对较大，基本物理性能如表1所示. 机设计提供依据. 尾砂粒度筛析结果如表2所示.该尾砂较细，-38.3 我国研究人员针对絮凝沉降也做了大量相关 m粒度达到一半以上，属于细粒尾矿0. 研究.王勇等回采用某矿超细全尾，考察料浆浓 度、絮凝剂单耗和絮凝剂浓度三个实验因素，研究 表1全尾砂基本物理性能 了不同影响因素对沉降速度和浓度的影响规律，同 Table 1 Basic physical properties of the tailings 真密度/(tm-3) 堆积密度/(tm-3)孔隙率/% 时探索了矿浆停留时间对絮凝效果的影响.史秀志 2.688 1.4 47.92 等)针对不同供砂浓度的尾砂浆液，分别选用不 同相对分子质量的阴离子聚丙烯酰胺作絮凝剂，再 1.2 絮凝剂 配以一定量的无机絮凝剂，进行了立式砂仓尾砂浆 经过絮凝剂比选实验得知，阴离子絮凝剂 液絮凝沉降实验.焦华喆等母对全尾静态沉降规律 XNJ-A对该尾矿沉降效果最好，该絮凝剂技术指 和机理进行研究，通过某矿全尾砂静态絮凝沉降实 标如表3. 验，研究了给料浓度和絮凝剂单耗对尾矿最大沉降 1.3实验装置 速度和静止沉降极限浓度的影响，由实验结果得出 采用自制尾砂浓密装置进行实验，如图1.该装 简易沉降速度模型，并将模型划分为六个阶段.王 置由尾砂搅拌器和电脑两部分组成，其中尾砂搅拌 洪江等间在静态沉降的基础上，研究了动态絮凝 器内部转子由微电机对其转速进行控制，微电机与 沉降条件下，单位面积固体处理量和底流体积分数 电脑连接，通过电脑程序进行转速、转动时间等参 之间的关系，考察各因素对尾砂浓密效果的影响. 数的设置，同时可通过电脑对这些参数进行监测， 上述研究并未涉及絮凝剂添加量对尾矿动态 确保了实验精确性 表2尾矿粒度分布 Table 2 Particle size distribution of the tailings 筛孔尺寸+175um-175+104m-104+74um-74+53um-53+43m-43~+38.3m-38.3m 百分比/% 7.86 13.04 9.01 7.26 2.18 5.60 55.06 表3XNJ-A的技术指标 Table 3 Qualification of XNJ-A 相对分子质量/10 固相质量分数/% 水解度/% 阴离子度/% 溶解速度h 水不溶物/% 896 88.37 2.62 子 <1.72 <0.01 1.4 实验方法 (2)共分五组实验.转子转速为0.1rmin-1,每 (1)观察模型中尾砂的沉降情况，以固液分离 吨尾矿絮凝剂添加量分别为0、10、25、40和55g. 界面不再变化时浆体高度为极限高度，将极限高度 (3)每组实验料浆配置浓度为25%，絮凝剂溶 内的浆体视为底流.计算极限高度对应的极限浓 液浓度为0.3%，五组实验絮凝剂溶液添加量依次为 度，此时的用水量为总水量除去上清液量 0、2.5、6.25、10和13.75g

· 1420 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 近年来，国内外针对絮凝沉降从宏观和微观都 进行了相关研究. Eswaraiah 等 [4] 研究了超细铁尾 矿的沉降特性，分别在不同 pH 范围的料浆中添加 阳离子、阴离子和非离子三种类型絮凝剂，发现阴 离子型絮凝剂效果最好，小的添加量即可实现快速 沉降，而阳离子型和非离子型即使添加量很高沉降 效果也并不好. Selomuya 等 [5] 采用光学激光显微镜 和 X 射线衍射，对絮团颗粒和沉积层微观结构进行 三维可视化研究. B¨urgera 等 [6] 对圆柱状、分散状 和收敛状圆锥形的五种不同截面形状沉降装置进行 絮凝沉降性能研究，提出一种连续沉降和浓缩数学 模型，为连续浓密提供了一种数值算法，也为浓密 机设计提供依据. 我国研究人员针对絮凝沉降也做了大量相关 研究. 王勇等 [2] 采用某矿超细全尾，考察料浆浓 度、絮凝剂单耗和絮凝剂浓度三个实验因素，研究 了不同影响因素对沉降速度和浓度的影响规律，同 时探索了矿浆停留时间对絮凝效果的影响. 史秀志 等 [7] 针对不同供砂浓度的尾砂浆液，分别选用不 同相对分子质量的阴离子聚丙烯酰胺作絮凝剂，再 配以一定量的无机絮凝剂，进行了立式砂仓尾砂浆 液絮凝沉降实验. 焦华喆等 [8] 对全尾静态沉降规律 和机理进行研究，通过某矿全尾砂静态絮凝沉降实 验，研究了给料浓度和絮凝剂单耗对尾矿最大沉降 速度和静止沉降极限浓度的影响，由实验结果得出 简易沉降速度模型，并将模型划分为六个阶段. 王 洪江等 [9] 在静态沉降的基础上，研究了动态絮凝 沉降条件下，单位面积固体处理量和底流体积分数 之间的关系，考察各因素对尾砂浓密效果的影响. 上述研究并未涉及絮凝剂添加量对尾矿动态 浓密过程的影响，因此絮凝剂添加量对整个尾矿沉 降过程和极限浓度的影响并不清晰. 为此，本文采 用自制尾砂动态浓密物理模型，进行不同絮凝剂单 耗下尾矿动态浓密效果研究. 根据实验结果，将絮 凝剂添加量由低到高划分了四个区间，并提出了不 同区间下絮凝剂对尾矿浓密极限浓度的影响机理， 为现场深锥运行提供技术依据. 1 实验材料和方法 1.1 尾砂 实验尾砂来自某铜钼矿选厂，该尾矿容重较 小，孔隙率相对较大，基本物理性能如表 1 所示. 尾砂粒度筛析结果如表 2 所示. 该尾砂较细，–38.3 µm 粒度达到一半以上，属于细粒尾矿 [10] . 表 1 全尾砂基本物理性能 Table 1 Basic physical properties of the tailings 真密度/(t·m−3 ) 堆积密度/(t·m−3 ) 孔隙率/% 2.688 1.4 47.92 1.2 絮凝剂 经过絮凝剂比选实验得知， 阴离子絮凝剂 XNJ-A 对该尾矿沉降效果最好，该絮凝剂技术指 标如表 3. 1.3 实验装置 采用自制尾砂浓密装置进行实验，如图 1. 该装 置由尾砂搅拌器和电脑两部分组成，其中尾砂搅拌 器内部转子由微电机对其转速进行控制，微电机与 电脑连接，通过电脑程序进行转速、转动时间等参 数的设置，同时可通过电脑对这些参数进行监测， 确保了实验精确性. 表 2 尾矿粒度分布 Table 2 Particle size distribution of the tailings 筛孔尺寸 +175 µm –175∼+104 µm –104∼+74 µm –74∼+53µm –53∼+43 µm –43∼+38.3 µm –38.3 µm 百分比/％ 7.86 13.04 9.01 7.26 2.18 5.60 55.06 表 3 XNJ-A 的技术指标 Table 3 Qualification of XNJ-A 相对分子质量/104 固相质量分数/% 水解度/% 阴离子度/% 溶解速度/h 水不溶物/% 896 88.37 2.62 25 ＜ 1.72 ＜ 0.01 1.4 实验方法 (1) 观察模型中尾砂的沉降情况，以固液分离 界面不再变化时浆体高度为极限高度，将极限高度 内的浆体视为底流. 计算极限高度对应的极限浓 度，此时的用水量为总水量除去上清液量. (2) 共分五组实验. 转子转速为 0.1 r·min−1，每 吨尾矿絮凝剂添加量分别为 0、10、25、40 和 55 g. (3) 每组实验料浆配置浓度为 25%，絮凝剂溶 液浓度为 0.3%，五组实验絮凝剂溶液添加量依次为 0、2.5、6.25、10 和 13.75 g

第11期 王勇等：絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理 ·1421· 微电机 2结果与分析 当搅拌时间达到12h时，料浆高度不再变化， 达到极限浓度.实验结果如表4. 2.1时间对尾矿浓密效果的影响 根据实验结果，绘制不同单耗下，尾矿浓密分 电脑 数随浓密时间变化规律如图2所示. 尾砂搅拌器 由图2可知，随着浓密时间的增加，尾矿浓密 图1自制尾砂浓密装置 分数不断增加.每吨尾矿中絮凝剂添加量由0增加 Fig.1 Homemade tailings thickening device 至55g时，1h浓密分数由62%递增至66.52%，增 加了4.52%，且随着絮凝剂添加量的增加，上清液 (④实验过程先添加水，再加絮凝剂溶液，通过 越来越澄清.后期浓密质量分数则略有下降，不添 程序设定转子转速为3rmin-1进行低速搅拌，搅 加絮凝剂12h浓密分数为73.31%，絮凝剂添加量 拌约5min,重新修改程序，设置转速为0.1rmin-1. 为55g时浓密分数为70.23%，下降了3%，这主要 同时采用自制漏斗快速添加尾砂750g 是絮凝剂添加改变了水分在浆体内部的存在方式. 表4实验结果 Table 4 Test results 浓密时间/h 每吨絮凝剂初始高度 0.5 1 6 12 添加量/g /mm 高度/浓密分数/ 高度/浓密分数/ 高度/浓密分数/ 高度/浓密分数/ 高度/浓密分数/ mm % mm 台 mm mm mm % 0 340 100 62.00 95 63.98 86 67.86 79 71.23 75 73.31 10 340 98 62.78 94 64.39 89 66.52 81 70.23 79 71.23 25 341 97 63.57 93 65.22 68.32 83 69.75 81 70.73 40 343 97 64.39 93 66.08 90 67.41 68.32 86 69.27 66 346 95 66.52 91 68.32 89 69.27 88 69.75 87 70.23 75 0-0.5ho-1ha-3h 72 72 -6h4-12h 中 69 69 66 66 每吨尾矿中絮凝剂添加量/g 63d 63 0 2 4 6 8 1012 600 1020304050 60 浓密时间/h 每吨尾矿中絮凝剂添加量/g 图2 尾矿浓密分数随时间变化规律 图3 尾矿浓密分数随絮凝剂添加量的变化 Fig.2 Relationship between tailings thickening fraction and Fig.3 Change of tailings thickening fraction with flocculant thickening time dosage 2.2絮凝剂单耗对尾矿浓密分数的影响规律 间内即可接近极限浓度：同时，絮团内部包含了少 根据表4，不同浓密时间下，尾矿浓密分数随 量水分，在浓密后期难以有效导出，这也是导致絮 絮凝剂单耗的变化如图3所示. 凝剂含量高而极限浓度低的内因. 由图3可知，随着浓密时间的增加，尾矿浓密 分数不断增加，浓密时间达到6h后，随着絮凝剂 3絮凝剂对尾矿浓密影响机理 添加量的不断增加，6~12h浓密分数变化范围逐渐 3.1絮凝吸附架桥作用 减小这说明当絮凝剂含量较高时，砂浆在较短时 絮凝剂种类繁多，除无机盐和天然高分子絮凝

第 11 期 王 勇等：絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理 1421 ·· 图 1 自制尾砂浓密装置 Fig.1 Homemade tailings thickening device (4) 实验过程先添加水，再加絮凝剂溶液，通过 程序设定转子转速为 3 r·min−1 进行低速搅拌，搅 拌约 5 min，重新修改程序，设置转速为 0.1 r·min−1 . 同时采用自制漏斗快速添加尾砂 750 g. 2 结果与分析 当搅拌时间达到 12 h 时，料浆高度不再变化， 达到极限浓度. 实验结果如表 4. 2.1 时间对尾矿浓密效果的影响 根据实验结果，绘制不同单耗下，尾矿浓密分 数随浓密时间变化规律如图 2 所示. 由图 2 可知，随着浓密时间的增加，尾矿浓密 分数不断增加. 每吨尾矿中絮凝剂添加量由 0 增加 至 55 g 时，1 h 浓密分数由 62%递增至 66.52%，增 加了 4.52%，且随着絮凝剂添加量的增加，上清液 越来越澄清. 后期浓密质量分数则略有下降，不添 加絮凝剂 12 h 浓密分数为 73.31%，絮凝剂添加量 为 55 g 时浓密分数为 70.23%，下降了 3%，这主要 是絮凝剂添加改变了水分在浆体内部的存在方式. 表 4 实验结果 Table 4 Test results 每吨絮凝剂 初始高度 浓密时间/h 添加量/g /mm 0.5 1 3 6 12 高度/ 浓密分数/ 高度/ 浓密分数/ 高度/ 浓密分数/ 高度/ 浓密分数/ 高度/ 浓密分数/ mm % mm % mm % mm % mm % 0 340 100 62.00 95 63.98 86 67.86 79 71.23 75 73.31 10 340 98 62.78 94 64.39 89 66.52 81 70.23 79 71.23 25 341 97 63.57 93 65.22 86 68.32 83 69.75 81 70.73 40 343 97 64.39 93 66.08 90 67.41 88 68.32 86 69.27 55 346 95 66.52 91 68.32 89 69.27 88 69.75 87 70.23 图 2 尾矿浓密分数随时间变化规律 Fig.2 Relationship between tailings thickening fraction and thickening time 2.2 絮凝剂单耗对尾矿浓密分数的影响规律 根据表 4，不同浓密时间下，尾矿浓密分数随 絮凝剂单耗的变化如图 3 所示. 由图 3 可知，随着浓密时间的增加，尾矿浓密 分数不断增加，浓密时间达到 6 h 后，随着絮凝剂 添加量的不断增加，6∼12 h 浓密分数变化范围逐渐 减小. 这说明当絮凝剂含量较高时，砂浆在较短时 图 3 尾矿浓密分数随絮凝剂添加量的变化 Fig.3 Change of tailings thickening fraction with flocculant dosage 间内即可接近极限浓度；同时，絮团内部包含了少 量水分，在浓密后期难以有效导出，这也是导致絮 凝剂含量高而极限浓度低的内因. 3 絮凝剂对尾矿浓密影响机理 3.1 絮凝吸附架桥作用 絮凝剂种类繁多，除无机盐和天然高分子絮凝

·1422 北京科技大学学报 第35卷 剂外，合成高分子絮凝剂又分为阳离子、阴离子和 剂之后，絮团之间又增加了絮团水，絮团水被絮凝 非离子型三大类山.由于受选矿影响，一般矿山尾 剂覆盖，很难完全泌出.因此，颗粒间水分和絮团间 矿沉降用阴离子聚丙烯酰胺来加快沉降速度.絮凝 水分共同构成了料浆的含水量，这就使得动态浓密 剂主要作用是高分子链网捕微细颗粒，进行架桥作 下添加絮凝剂后极限浓度要小于不添加情况 用，随着网捕颗粒数量的增加，逐渐形成絮团，絮 3.4不同絮凝剂单耗与尾砂作用机理 团直径较大，在最短时间内进入浓密阶段，整个过 湛含辉等[2将高分子化合物与胶体之间的作 程即为絮凝剂提高尾矿浓密效率的过程.高分子絮 用分为低浓度的絮凝作用和高浓度的保护作用，认 凝剂的架桥作用如图4所示 为当溶液中的高分子浓度很大，质点表面已完全为 ,尾矿颗粒 吸附的高分子所覆盖，则质点不再会通过搭桥而絮 凝，此时高分子起到的是保护作用. 架桥作用 形成寨团 上述看法对高分子化合物与胶体之间的作用 ○● 可以供絮凝剂与尾刊矿之间作用所借鉴.结合实验结 ~高分子絮凝剂 果，将每吨尾矿中絮凝剂添加由少到多分为低含量 图4高分子絮凝剂架桥作用 (0~10g)、合适含量(1025g)、高含量(25~40g) Fig.4 Polymer bridging in flocculation 和超高含量(40~55g)四种情况.这四种情况下尾 3.2架桥作用下尾矿浓密效率变化 矿与高分子絮凝剂作用机理如图6所示.当絮凝剂 克托克斯理论认为，固体颗粒在悬浮液中的自 含量较低时，部分尾矿根本不会与絮凝剂发生架桥 由沉降速度与颗粒直径的平方成正比，与液体黏度 作用，此时，尾矿沉降速度慢，溢流水中固相含量 成反比，其表达式为 高，处理效率低，如图6(a):当絮凝剂添加量为尾 V=品.-pR (1) 矿所需的合适浓度，则二者发生架桥作用，沉降速 度快，处理效率高，此时，浆体之间除了孔隙水之 式中：V为颗粒自由沉降速度，ms-1；g为重力加 外，增加了絮团水，如图6(b):当絮凝剂浓度较高 速度，9.81ms-2;v为液体黏度，Pas;ps为颗粒密 时，絮凝剂将尾砂颗粒表面覆盖，不再会通过搭桥 度，kgm-3:p1为液体密度，kgm-3:d为颗粒直 而絮凝，此时絮凝剂起到的是保护作用，尾砂颗粒 径，m. “粒径”增大，絮团水增多，如图6(c):当絮凝剂浓 可见，在满足工艺要求的前提下，加大物理的 度继续增加，尾砂颗粒被絮疑剂层层包裹，除了絮 粒径，是提高沉降速度的有效措施.絮凝剂正是对 团水之外，还新增了包裹水，体现为包裹作用，如 尾砂中的微细颗粒进行吸附，形成大颗粒絮团.因 图6(d). 此，其沉降速度大大提高，处理效率也就增加， 由上述分析可知，随着絮凝剂单耗的不断增 3.3架桥作用下浓度变化分析 加，尾砂“粒径”逐渐增大，沉降速度逐渐加快，处 经过架桥作用并形成尾矿絮团的颗粒，伴随着 理效率逐渐升高，且上清液中固相含量大幅降低， 上部新增颗粒的沉降，逐渐进入了浓密阶段.进入 体现了絮凝剂在细粒尾矿处置过程中的重要价值 浓密阶段的尾矿除了颗粒之间存在水分之外，还有 但是，在添加絮凝剂之后，由于颗粒物理结构发生 絮团与絮团之间存在水分，称之为絮团水，如图5 变化，导致颗粒间含水率改变，使得尾矿最终浓密 所示. 孔隙水 分数略有下降.因此，在追求底流浓度的情况下，要 孔隙水 适当控制絮凝剂用量，在恰当添加量下，既可以保 絮团水 证尾矿的快速沉降，不影响浓密机的处理能力，也 可以获得相对较高的底流浓度，不仅保证了技术指 标，而且体现了经济效益 (a) (b) 4结论 图5未添加絮凝剂(a)和添加絮凝剂(b)后孔隙水分布 (1)采用尾砂动态浓密实验装置，对某矿细粒 Fig.5 Pore water distribution without (a)and with floccu- 全尾每吨分别添加0、10、25、40和55g絮凝剂，进 lant (b) 行浓密实验.结果表明，絮凝剂可以较好地改善尾 由图5可知：在动态浓密情况下，如果不添加 矿沉降性能.随着絮凝剂添加量增加，前期(1)尾 絮凝剂，颗粒间水分只有孔隙水存在：而添加絮凝 矿浓密分数由63.98%增加至68.2%，后期(12h)浓

· 1422 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 剂外，合成高分子絮凝剂又分为阳离子、阴离子和 非离子型三大类 [11] . 由于受选矿影响，一般矿山尾 矿沉降用阴离子聚丙烯酰胺来加快沉降速度. 絮凝 剂主要作用是高分子链网捕微细颗粒，进行架桥作 用，随着网捕颗粒数量的增加，逐渐形成絮团，絮 团直径较大，在最短时间内进入浓密阶段，整个过 程即为絮凝剂提高尾矿浓密效率的过程. 高分子絮 凝剂的架桥作用如图 4 所示. 图 4 高分子絮凝剂架桥作用 Fig.4 Polymer bridging in flocculation 3.2 架桥作用下尾矿浓密效率变化 克托克斯理论认为，固体颗粒在悬浮液中的自 由沉降速度与颗粒直径的平方成正比，与液体黏度 成反比，其表达式为 V = g 18v (ρs − ρ1) d 2 . (1) 式中：V 为颗粒自由沉降速度，m·s −1；g 为重力加 速度，9.81 m·s −2；v 为液体黏度，Pa·s; ρs 为颗粒密 度，kg·m−3；ρ1 为液体密度，kg·m−3；d 为颗粒直 径，m. 可见，在满足工艺要求的前提下，加大物理的 粒径，是提高沉降速度的有效措施. 絮凝剂正是对 尾砂中的微细颗粒进行吸附，形成大颗粒絮团. 因 此，其沉降速度大大提高，处理效率也就增加. 3.3 架桥作用下浓度变化分析 经过架桥作用并形成尾矿絮团的颗粒，伴随着 上部新增颗粒的沉降，逐渐进入了浓密阶段. 进入 浓密阶段的尾矿除了颗粒之间存在水分之外，还有 絮团与絮团之间存在水分，称之为絮团水，如图 5 所示. 图 5 未添加絮凝剂 (a) 和添加絮凝剂 (b) 后孔隙水分布 Fig.5 Pore water distribution without (a) and with floccu￾lant (b) 由图 5 可知：在动态浓密情况下，如果不添加 絮凝剂，颗粒间水分只有孔隙水存在；而添加絮凝 剂之后，絮团之间又增加了絮团水，絮团水被絮凝 剂覆盖，很难完全泌出. 因此，颗粒间水分和絮团间 水分共同构成了料浆的含水量，这就使得动态浓密 下添加絮凝剂后极限浓度要小于不添加情况. 3.4 不同絮凝剂单耗与尾砂作用机理 湛含辉等 [12] 将高分子化合物与胶体之间的作 用分为低浓度的絮凝作用和高浓度的保护作用，认 为当溶液中的高分子浓度很大，质点表面已完全为 吸附的高分子所覆盖，则质点不再会通过搭桥而絮 凝，此时高分子起到的是保护作用. 上述看法对高分子化合物与胶体之间的作用 可以供絮凝剂与尾矿之间作用所借鉴. 结合实验结 果，将每吨尾矿中絮凝剂添加由少到多分为低含量 (0∼10 g)、合适含量 (10∼25 g)、高含量 (25∼40 g) 和超高含量 (40∼55 g) 四种情况. 这四种情况下尾 矿与高分子絮凝剂作用机理如图 6 所示. 当絮凝剂 含量较低时，部分尾矿根本不会与絮凝剂发生架桥 作用，此时，尾矿沉降速度慢，溢流水中固相含量 高，处理效率低，如图 6(a)；当絮凝剂添加量为尾 矿所需的合适浓度，则二者发生架桥作用，沉降速 度快，处理效率高，此时，浆体之间除了孔隙水之 外，增加了絮团水，如图 6(b)；当絮凝剂浓度较高 时，絮凝剂将尾砂颗粒表面覆盖，不再会通过搭桥 而絮凝，此时絮凝剂起到的是保护作用，尾砂颗粒 “粒径” 增大，絮团水增多，如图 6(c)；当絮凝剂浓 度继续增加，尾砂颗粒被絮凝剂层层包裹，除了絮 团水之外，还新增了包裹水，体现为包裹作用，如 图 6(d). 由上述分析可知，随着絮凝剂单耗的不断增 加，尾砂 “粒径” 逐渐增大，沉降速度逐渐加快，处 理效率逐渐升高，且上清液中固相含量大幅降低， 体现了絮凝剂在细粒尾矿处置过程中的重要价值. 但是，在添加絮凝剂之后，由于颗粒物理结构发生 变化，导致颗粒间含水率改变，使得尾矿最终浓密 分数略有下降. 因此，在追求底流浓度的情况下，要 适当控制絮凝剂用量，在恰当添加量下，既可以保 证尾矿的快速沉降，不影响浓密机的处理能力，也 可以获得相对较高的底流浓度，不仅保证了技术指 标，而且体现了经济效益. 4 结论 (1) 采用尾砂动态浓密实验装置，对某矿细粒 全尾每吨分别添加 0、10、25、40 和 55 g 絮凝剂，进 行浓密实验. 结果表明，絮凝剂可以较好地改善尾 矿沉降性能. 随着絮凝剂添加量增加，前期 (1 h) 尾 矿浓密分数由 63.98%增加至 68.2%，后期 (12 h) 浓

第11期 王勇等：絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理 ·1423· 高分子絮凝剂 高分子絮凝剂 粒径增大 部分尾砂颗粒网捕不到 尾砂颗粒 包裹水 (a) (b) (c) (d) 图6不同含量絮凝剂与尾砂作用机理.(a)低浓度：(b)合理浓度；(c)高浓度：(d)超高浓度 Fig.6 Mechanisms between tailings and flocculant with different contents:(a)low content;(b)reasonable content;(c)high content;(d)ultrahigh content 密分数随絮凝剂添加量增加略有下降 structure and permeability of flocculated structures and (2)随着絮凝剂添加量的增加，尾矿极限浓度 sediments using 3D tomographic imaging.Chem Eng Res 略有下降，主要是因为尾矿颗粒之间水分存在形式 Des,2005,83(7):844 发生细微变化.当不添加絮凝剂时，尾砂颗粒间 [6]Biirgera R,Damascenob JJ R,Karlsenc K H.A mathe 水分主要以孔隙水的形态存在：当添加絮凝剂后， matical model for batch and continuous thickening of floc- culated suspensions in vessels with varying cross section 尾砂颗粒间又新增了絮团水；当絮凝剂添加量较多 Int J Miner Process,2004,73(2-4):183 时，还有包裹水存在. [7]Shi X Z,Hu H Y,Du X H,et al.Experimental study on (3)结合实验结果，将每吨尾矿中絮凝剂添加 flocculating sedimentation of tailings slurry in a vertical 量由少至多划分了四个区间，分别为低含量(010 sand tank.Min Metall Eng,2010,30(3):1 g)、合适含量(10~25g)、高含量(25~40g)和超高 (史秀志，胡海燕，杜向红，等.立式砂仓尾砂浆液絮凝沉降 含量(40~55g).不同区间絮凝剂对尾矿作用的影 试验研究.矿冶工程，2010,30(3)：1) 响机理不同，分别为部分吸附、吸附架桥、保护和 [8]Jiao H Z,Wang H J,Wu A X,et al.Rule and mecha- 包裹作用. nism of flocculation sedimentation of unclassified tailings J Univ Sci Technol Beijing,2010,32(6):702 (焦华枯，王洪江，吴爱祥，等.全尾砂絮凝沉降规律及其机 参考文献 理.北京科技大学学报，2010,32(6)：702) [9]Wang H J,Chen Q R,Wu A X,et al.Study on the [1]Owen A T,Nguyen T V,Fawell P D.The effect of foccu- thickening properties of unclassified tailings and its appli- lant solution transport and addition conditions on feedwell cation to thickener design.J Univ Sci Technol Beijing, performance in gravity thickeners.Int J Miner Process, 2011,33(6):676 2009,93(2:115 (王洪江，陈琴瑞，吴爱祥，等。全尾砂浓密特性研究及其在 [2]Wang Y,Wang H J,Wu A X,et al.Research on floc- 浓密机设计中的应用.北京科技大学学报，2011,33(6)： culation sedimentation characteristics of fine unclassified- 676) tailings.Gold,2012,33(1):48 [10]Yu F,Zhang L.Tests on the filtering of Meishan fine tail- (王勇，王洪江，吴爱祥，等。细粒全尾矿絮凝沉降特性研究 ings.J Anhui Univ Technol,2010,27(Suppl 1):94 黄金，2012,33(1)：48) (于发，张林.梅山细粒尾矿过滤试验研究.安徽工业大学 [3]Wang Y,Wang H J,Wu A X,et al.Research of fine tail- 学报，2010,27（增刊1）：94) ings bleeding characteristics and influence factors.Gold, [11]Pearse M J.Historical use and future development of 201132(9):51 chemicals for solid-liquid separation in the mineral pro- (任勇，王洪江，吴爱祥，等.细粒尾矿泌水特性及其影响因 cessing industry.Miner Eng,2003,16(2):103 素.黄金，2011,32(9)：51) [12]Zhan HH,Long X B,Zhan X H.Fluid Mechanic Chem- [4]Eswaraiah C,Biswal S K,Mishra B K.Settling charac- istry Theory.Changsha:Central South University Press, teristics of ultrafine iron ore slimes.Int J Miner Metall 2007 Mater,2012,19(2:95 (湛含辉，龙小兵，湛雪辉.流体力化学原理.长沙：中南大 [5]Selomuya C,Jia X,Williams R A.Direct prediction of 学出版社，2007)

第 11 期 王 勇等：絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理 1423 ·· 图 6 不同含量絮凝剂与尾砂作用机理. (a) 低浓度; (b) 合理浓度; (c) 高浓度; (d) 超高浓度 Fig.6 Mechanisms between tailings and flocculant with different contents: (a) low content; (b) reasonable content; (c) high content; (d) ultrahigh content 密分数随絮凝剂添加量增加略有下降. (2) 随着絮凝剂添加量的增加，尾矿极限浓度 略有下降，主要是因为尾矿颗粒之间水分存在形式 发生细微变化. 当不添加絮凝剂时，尾砂颗粒间 水分主要以孔隙水的形态存在；当添加絮凝剂后， 尾砂颗粒间又新增了絮团水；当絮凝剂添加量较多 时，还有包裹水存在. (3) 结合实验结果，将每吨尾矿中絮凝剂添加 量由少至多划分了四个区间，分别为低含量 (0∼10 g)、合适含量 (10∼25 g)、高含量 (25∼40 g) 和超高 含量 (40∼55 g). 不同区间絮凝剂对尾矿作用的影 响机理不同，分别为部分吸附、吸附架桥、保护和 包裹作用. 参 考 文 献 [1] Owen A T, Nguyen T V, Fawell P D. The effect of floccu￾lant solution transport and addition conditions on feedwell performance in gravity thickeners. Int J Miner Process, 2009, 93(2): 115 [2] Wang Y, Wang H J, Wu A X, et al. Research on floc￾culation sedimentation characteristics of fine unclassified￾tailings. Gold, 2012, 33(1): 48 (王勇, 王洪江, 吴爱祥, 等. 细粒全尾矿絮凝沉降特性研究. 黄金, 2012, 33(1): 48) [3] Wang Y, Wang H J, Wu A X, et al. Research of fine tail￾ings bleeding characteristics and influence factors. Gold, 2011, 32(9): 51 (王勇, 王洪江, 吴爱祥, 等. 细粒尾矿泌水特性及其影响因 素. 黄金, 2011, 32(9): 51) [4] Eswaraiah C, Biswal S K, Mishra B K. Settling charac￾teristics of ultrafine iron ore slimes. Int J Miner Metall Mater, 2012, 19(2): 95 [5] Selomuya C, Jia X, Williams R A. Direct prediction of structure and permeability of flocculated structures and sediments using 3D tomographic imaging. Chem Eng Res Des, 2005, 83(7): 844 [6] B¨urgera R, Damascenob J J R, Karlsenc K H. A mathe￾matical model for batch and continuous thickening of floc￾culated suspensions in vessels with varying cross section. Int J Miner Process, 2004, 73(2-4): 183 [7] Shi X Z, Hu H Y, Du X H, et al. Experimental study on flocculating sedimentation of tailings slurry in a vertical sand tank. Min Metall Eng, 2010, 30(3): 1 (史秀志, 胡海燕, 杜向红, 等. 立式砂仓尾砂浆液絮凝沉降 试验研究. 矿冶工程, 2010, 30(3): 1) [8] Jiao H Z, Wang H J, Wu A X, et al. Rule and mecha￾nism of flocculation sedimentation of unclassified tailings. J Univ Sci Technol Beijing, 2010, 32(6): 702 (焦华喆, 王洪江, 吴爱祥, 等. 全尾砂絮凝沉降规律及其机 理. 北京科技大学学报, 2010, 32(6): 702) [9] Wang H J, Chen Q R, Wu A X, et al. Study on the thickening properties of unclassified tailings and its appli￾cation to thickener design. J Univ Sci Technol Beijing, 2011, 33(6): 676 (王洪江, 陈琴瑞, 吴爱祥, 等. 全尾砂浓密特性研究及其在 浓密机设计中的应用. 北京科技大学学报, 2011, 33(6)： 676) [10] Yu F, Zhang L. Tests on the filtering of Meishan fine tail￾ings. J Anhui Univ Technol, 2010, 27(Suppl 1): 94 (于发, 张林. 梅山细粒尾矿过滤试验研究. 安徽工业大学 学报, 2010, 27(增刊 1): 94) [11] Pearse M J. Historical use and future development of chemicals for solid-liquid separation in the mineral pro￾cessing industry. Miner Eng, 2003, 16(2): 103 [12] Zhan H H, Long X B, Zhan X H. Fluid Mechanic Chem￾istry Theory. Changsha: Central South University Press, 2007 (湛含辉, 龙小兵, 湛雪辉. 流体力化学原理. 长沙: 中南大 学出版社, 2007)