工程科学学报，第41卷，第8期：981-986,2019年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.8:981-986,August 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.003;http://journals.ustb.edu.cn 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 吴爱祥12)，阮竹恩12)，王建栋12)，尹升华12)，艾纯明3) 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资源工程学院，北京100083 3)辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，葫芦岛125105 区通信作者，E-mail:ziyuan0902re@163.com 摘要为了研究不同絮凝条件下超细尾砂的絮凝效果，本文基于超级絮凝理论，应用超级絮凝测试仪UFT-T℉S-029,采用 相对絮凝率表征人造超细尾砂在pH值为9-12、絮凝剂单耗f=2-20gt、料浆剪切速率y=100-2000s·,料浆固体体积 分数~=2%~14%等条件下的絮凝行为.发现相对絮凝率随着pH、絮凝剂单耗、剪切速率的增加均先增加后减少，而随着浆 料固体体积分数的增加逐渐减少，并获得了一定条件下的最优絮凝条件，即pH值为11f=12gt、y=500s、p=4%.同 时，固体体积分数越高，达到最优相对絮凝率所需的最优剪切速率对固体体积分数的依赖性也越高.因此，在实际生产中需要 对H、絮凝剂单耗、剪切速率与固体体积分数等工况参数进行调整，以达到最优絮凝效果.应用超级絮凝理论可实现超细尾 砂在极短时间内实现很好的絮凝，为基于流场剪切速率与停留时间的深锥浓密机进料井设计提供参考 关键词超细尾砂：阴离子聚丙烯酰胺：超级絮凝：剪切速率：絮凝行为优化 分类号TD853 Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra-flocculation WU Ai-xiang2,RUAN Zhu-en',WANG Jian-dong'2),YIN Sheng-hua2),Al Chun-ming 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Bei- jing,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Resource Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 3)College of Safety Science and Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China Corresponding author,E-mail:ziyuan0902rze@163.com ABSTRACT With the continuous pursuit of mineral resources and the development of mineral processing technology,ore is being ground more and more finely,which has resulted in large volumes of ultrafine tailings.However,ultrafine tailings are more difficult to separate from water than coarse tailings,which also makes the safe and efficient disposal of these tailings difficult.Normally,floccula- tion is an essential part of solid-liquid separation to improve the settling rate,and a polymer flocculant is widely used in treating ultra- fine tailings.To study the influence of flocculation conditions on the flocculation effect,ultra-flocculation theory and the UltraflocTester UFT-TFS-029 were used.The relative flocculation rate was applied to characterize the flocculation behavior of artificial ultrafine tail- ings under the conditions of pH 9-12,flocculant dosage fa=2g't-20gt,shear rate y=100 s-2000s,and solid volume fraction=2%-14%.The results indicate that the flocculation rate increases first and then decreases with pH,flocculant dosage,and shear rate.However,this rate decreases gradually with an increase in the solid volume fraction.The optimal flocculation conditions are:pH 11,f=12gt,y=500s,and =4%.Also,to achieve the optimal flocculation rate,the dependence of the optimal shear rate on the solid volume fraction also increases with the solid volume fraction.Therefore,it is necessary to adjust the operating 收稿日期：2019-02-22 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51834001,51804015)：国家重点研发计划资助项目(2017YC0602903):金属矿山高效开采与安 全教育部重点实验室开放基金资助项目(ustbmslab.201806)
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期:981鄄鄄986,2019 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 8: 981鄄鄄986, August 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 08. 003; http: / / journals. ustb. edu. cn 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 吴爱祥1,2) , 阮竹恩1,2) 苣 , 王建栋1,2) , 尹升华1,2) , 艾纯明1,3) 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资源工程学院, 北京 100083 3) 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院, 葫芦岛 125105 苣通信作者, E鄄mail: ziyuan0902rze@ 163. com 摘 要 为了研究不同絮凝条件下超细尾砂的絮凝效果,本文基于超级絮凝理论,应用超级絮凝测试仪 UFT鄄鄄 卮FS鄄鄄029,采用 相对絮凝率表征人造超细尾砂在 pH 值为 9 ~ 12、絮凝剂单耗 f d = 2 ~ 20 g·t - 1 、料浆剪切速率 酌 = 100 ~ 2000 s - 1 、料浆固体体积 分数 渍 = 2% ~ 14% 等条件下的絮凝行为. 发现相对絮凝率随着 pH、絮凝剂单耗、剪切速率的增加均先增加后减少,而随着浆 料固体体积分数的增加逐渐减少,并获得了一定条件下的最优絮凝条件,即 pH 值为 11、f d = 12 g·t - 1 、酌 = 500 s - 1 、渍 = 4% . 同 时,固体体积分数越高,达到最优相对絮凝率所需的最优剪切速率对固体体积分数的依赖性也越高. 因此,在实际生产中需要 对 pH、絮凝剂单耗、剪切速率与固体体积分数等工况参数进行调整,以达到最优絮凝效果. 应用超级絮凝理论可实现超细尾 砂在极短时间内实现很好的絮凝,为基于流场剪切速率与停留时间的深锥浓密机进料井设计提供参考. 关键词 超细尾砂; 阴离子聚丙烯酰胺; 超级絮凝; 剪切速率; 絮凝行为优化 分类号 TD853 收稿日期: 2019鄄鄄02鄄鄄22 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目(51834001, 51804015);国家重点研发计划资助项目(2017YFC0602903);金属矿山高效开采与安 全教育部重点实验室开放基金资助项目(ustbmslab201806) Optimizing the flocculation behavior of ultrafine tailings by ultra鄄flocculation WU Ai鄄xiang 1,2) , RUAN Zhu鄄en 1,2) 苣 , WANG Jian鄄dong 1,2) , YIN Sheng鄄hua 1,2) , AI Chun鄄ming 1,3) 1) Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High鄄efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Bei鄄 jing, Beijing 100083, China 2) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China 苣Corresponding author, E鄄mail: ziyuan0902rze@ 163. com ABSTRACT With the continuous pursuit of mineral resources and the development of mineral processing technology, ore is being ground more and more finely, which has resulted in large volumes of ultrafine tailings. However, ultrafine tailings are more difficult to separate from water than coarse tailings, which also makes the safe and efficient disposal of these tailings difficult. Normally, floccula鄄 tion is an essential part of solid鄄liquid separation to improve the settling rate, and a polymer flocculant is widely used in treating ultra鄄 fine tailings. To study the influence of flocculation conditions on the flocculation effect, ultra鄄flocculation theory and the UltraflocTester UFT鄄鄄卮FS鄄鄄029 were used. The relative flocculation rate was applied to characterize the flocculation behavior of artificial ultrafine tail鄄 ings under the conditions of pH 9鄄鄄12, flocculant dosage f d = 2 g·t - 1 鄄鄄20 g·t - 1 , shear rate 酌 = 100 s - 1 鄄鄄2000 s - 1 , and solid volume fraction 渍 = 2% 鄄鄄14% . The results indicate that the flocculation rate increases first and then decreases with pH, flocculant dosage, and shear rate. However, this rate decreases gradually with an increase in the solid volume fraction. The optimal flocculation conditions are: pH 11, f d = 12 g·t - 1 , 酌 = 500 s - 1 , and 渍 = 4% . Also, to achieve the optimal flocculation rate, the dependence of the optimal shear rate on the solid volume fraction also increases with the solid volume fraction. Therefore, it is necessary to adjust the operating
·982· 工程科学学报，第41卷，第8期 parameters such as pH,flocculant dosage,shear rate,and solid volume fraction to achieve optimal flocculation.A satisfactory floccula- tion rate of ultrafine tailings is easily achieved in a very short time using the ultra-flocculation theory,which provides a reference for the design of feed wells based on shear rate and residence time. KEY WORDS ultrafine tailings;anionic polyacrylamide;ultra-flocculation;shear rate;flocculation behavior optimization 随着我国经济社会发展对矿产品需求的持续增 电位而影响絮凝，，而国内对于尾砂处置过程中 长，我国十种有色金属产量、销量已经连续多年位居 H对超细尾砂絮凝的影响研究却相对较少， 世界第一.但是，随之而来的是每年巨量的尾砂等 絮凝是超细尾砂高效固液分离的前提，在研究 矿山固体废弃物的不断产生，并导致了严重的安全 絮凝沉降之前，有必要更加深入的研究絮凝条件对 和环境问题).同时，随着选矿技术的发展，矿石也 絮凝效果的影响，为此，本文基于超级絮凝理论，应 磨得越来越细，产生的尾砂甚至达到了超细级别 用超级絮凝测试仪)对超细尾砂絮凝行为进行优 (-10m粒径尾砂的体积分数常在50%左右)，从 化研究，为后续进一步研究超细尾砂絮凝沉降与实 而导致低浓度尾砂料浆相比分级尾砂或粗粒级尾砂 际生产中尾砂浓密设计提供参考 料浆脱水浓密更加困难，制约着尾矿安全高效处 置[2-).为此，常向低浓度尾砂料浆中添加高分子絮 1实验 凝剂，使尾砂颗粒形成尺寸更大、沉降速度更快的絮 1.1实验材料 团，并利用深锥浓密机技术，加速固液分离[) 为避免尾砂化学成分及其他可溶盐对絮凝的影 国内外学者针对全尾砂絮凝沉降进行了大量的 响6]，本文应用人造尾砂（石英砂）进行实验研究， 静态与动态絮凝沉降实验研究，重点分析了絮凝剂 经X射线衍射分析，其主要成分为Si02,质量分数 种类与单耗[6刃、尾砂料浆中固体体积分数[8-列等因 为99.87%（如图1所示）.人造尾砂密度为 素对于絮凝沉降的影响.但是，在这些沉降柱沉降 2604.04kg·m3.人造尾砂粒径非常细，中位粒径 实验研究中，都忽略了水力条件对絮凝的影响，也将 do=4.2m,而-10um尾砂体积分数高达 不可避免地对絮凝沉降行为优化产生影响.虽然在 70.62%,一般粒径在10m以下可认为是超细级 向沉降柱内添加絮凝剂后，会用搅拌棒上下搅动[] 别)]，因此可近似认为人造尾砂为超细尾砂，其具 或上下颠倒晃动沉降柱)，以促进絮凝剂与尾砂颗 体粒度分布如图2所示.BASF生产的高分子絮凝 粒充分混合，但是这种搅动或者晃动无法有效计算 剂Rheomax®DR1O50的絮凝效果相比一般的聚丙 相应的剪切速率并进行优选，且仍无法避免局部絮 烯酰胺絮凝剂效果好1】，因此本文选用其作为研究 凝剂单耗过高的问题. 用絮凝剂. 为克服这个缺陷，研究水力条件对尾砂絮凝的 4000 影响，可在絮凝料浆沉降之前通过在管道内创造不 同的水力条件（流场剪切速率）和混合时间[2]来研 3000 究剪切速率对于絮凝的影响.通常情况下，认为絮 凝像混凝一样，在高剪切条件下由于颗粒之间的相 互作用较弱而导致形成的絮团容易被破坏，所以一 1000 般认为剪切速率不超过400s-1[].但是事实上，由 于絮凝剂高分子链的存在，高分子絮凝时颗粒之间 10 20 30 40 50 60 20/) 的相互作用要比混凝时强得多.研究表明，在絮凝 图1人造尾砂化学组成 的初始阶段，使用很高的剪切速率(103~10s-1)是 Fig.I Chemical composition of artificial tailings 可以实现絮凝的.基于这个发现以及同向絮凝理论 里剪切速率越高其达到絮凝目标所需絮凝时间越短 1.2实验方案 的理论，相关学者提出了超级絮凝理论，即在数秒钟 实验采用超级絮凝测试仪进行不同条件下的相 的极短时间内施加超高的剪切速率，可实现超级絮 对絮凝率测试，超级絮凝测试仪如图3所示.人造 凝.超级絮凝和普通絮凝的本质区别在于前者的剪 尾砂料浆和絮凝剂溶液按照一定的流速进入絮凝反 切速率远高于后者，而所需时间远低于后者].同 应器内，絮凝反应6s后从反应器内排出，经过光电 时，已有研究表明，pH通过影响黏土悬浮液的Zeta 管测试其相对絮凝率并在控制盘上显示出相对絮凝
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 parameters such as pH, flocculant dosage, shear rate, and solid volume fraction to achieve optimal flocculation. A satisfactory floccula鄄 tion rate of ultrafine tailings is easily achieved in a very short time using the ultra鄄flocculation theory, which provides a reference for the design of feed wells based on shear rate and residence time. KEY WORDS ultrafine tailings; anionic polyacrylamide; ultra鄄flocculation; shear rate; flocculation behavior optimization 随着我国经济社会发展对矿产品需求的持续增 长,我国十种有色金属产量、销量已经连续多年位居 世界第一. 但是,随之而来的是每年巨量的尾砂等 矿山固体废弃物的不断产生,并导致了严重的安全 和环境问题[1] . 同时,随着选矿技术的发展,矿石也 磨得越来越细,产生的尾砂甚至达到了超细级别 ( - 10 滋m 粒径尾砂的体积分数常在 50% 左右),从 而导致低浓度尾砂料浆相比分级尾砂或粗粒级尾砂 料浆脱水浓密更加困难,制约着尾矿安全高效处 置[2鄄鄄4] . 为此,常向低浓度尾砂料浆中添加高分子絮 凝剂,使尾砂颗粒形成尺寸更大、沉降速度更快的絮 团,并利用深锥浓密机技术,加速固液分离[5] . 国内外学者针对全尾砂絮凝沉降进行了大量的 静态与动态絮凝沉降实验研究,重点分析了絮凝剂 种类与单耗[6鄄鄄7] 、尾砂料浆中固体体积分数[8鄄鄄9]等因 素对于絮凝沉降的影响. 但是,在这些沉降柱沉降 实验研究中,都忽略了水力条件对絮凝的影响,也将 不可避免地对絮凝沉降行为优化产生影响. 虽然在 向沉降柱内添加絮凝剂后,会用搅拌棒上下搅动[10] 或上下颠倒晃动沉降柱[11] ,以促进絮凝剂与尾砂颗 粒充分混合,但是这种搅动或者晃动无法有效计算 相应的剪切速率并进行优选,且仍无法避免局部絮 凝剂单耗过高的问题. 为克服这个缺陷,研究水力条件对尾砂絮凝的 影响,可在絮凝料浆沉降之前通过在管道内创造不 同的水力条件(流场剪切速率)和混合时间[12] 来研 究剪切速率对于絮凝的影响. 通常情况下,认为絮 凝像混凝一样,在高剪切条件下由于颗粒之间的相 互作用较弱而导致形成的絮团容易被破坏,所以一 般认为剪切速率不超过 400 s - 1[13] . 但是事实上,由 于絮凝剂高分子链的存在,高分子絮凝时颗粒之间 的相互作用要比混凝时强得多. 研究表明,在絮凝 的初始阶段,使用很高的剪切速率(10 3 ~ 10 4 s - 1 )是 可以实现絮凝的. 基于这个发现以及同向絮凝理论 里剪切速率越高其达到絮凝目标所需絮凝时间越短 的理论,相关学者提出了超级絮凝理论,即在数秒钟 的极短时间内施加超高的剪切速率,可实现超级絮 凝. 超级絮凝和普通絮凝的本质区别在于前者的剪 切速率远高于后者,而所需时间远低于后者[13] . 同 时,已有研究表明,pH 通过影响黏土悬浮液的 Zeta 电位而影响絮凝[14] ,而国内对于尾砂处置过程中 pH 对超细尾砂絮凝的影响研究却相对较少. 絮凝是超细尾砂高效固液分离的前提,在研究 絮凝沉降之前,有必要更加深入的研究絮凝条件对 絮凝效果的影响,为此,本文基于超级絮凝理论,应 用超级絮凝测试仪[15] 对超细尾砂絮凝行为进行优 化研究,为后续进一步研究超细尾砂絮凝沉降与实 际生产中尾砂浓密设计提供参考. 1 实验 1郾 1 实验材料 为避免尾砂化学成分及其他可溶盐对絮凝的影 响[16] ,本文应用人造尾砂(石英砂)进行实验研究, 经 X 射线衍射分析,其主要成分为 SiO2 ,质量分数 为 99郾 87% ( 如 图 1 所 示). 人 造 尾 砂 密 度 为 2604郾 04 kg·m - 3 . 人造尾砂粒径非常细,中位粒径 d50 = 4郾 2 滋m, 而 - 10 滋m 尾 砂 体 积 分 数 高 达 70郾 62% ,一般粒径在 10 滋m 以下可认为是超细级 别[17] ,因此可近似认为人造尾砂为超细尾砂,其具 体粒度分布如图 2 所示. BASF 生产的高分子絮凝 剂 Rheomax 襆 DR 1050 的絮凝效果相比一般的聚丙 烯酰胺絮凝剂效果好[18] ,因此本文选用其作为研究 用絮凝剂. 图 1 人造尾砂化学组成 Fig. 1 Chemical composition of artificial tailings 1郾 2 实验方案 实验采用超级絮凝测试仪进行不同条件下的相 对絮凝率测试,超级絮凝测试仪如图 3 所示. 人造 尾砂料浆和絮凝剂溶液按照一定的流速进入絮凝反 应器内,絮凝反应 6 s 后从反应器内排出,经过光电 管测试其相对絮凝率并在控制盘上显示出相对絮凝 ·982·
吴爱祥等：基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 ·983· 100 ●号●播修语 2结果与讨论 90 80 2.1pH对絮凝行为的影响 因pH对絮凝影响效果有影响2]，因此在研究 60 固体体积分数、絮凝剂单耗和剪切速率对相对絮凝 50 率的影响之前，先对pH条件进行优选.配置固体体 40 积分数p=4%的尾砂料浆，控制剪切速率y=300 s1,设定絮凝剂单耗为f=10gt-1,并用Ca(0H)2 溶液调节料浆pH.由图4可知，p=4%时，在pH值 为11时尾砂料浆的相对絮凝率达到最大值80%. LL 同时，取絮凝后料浆的上部澄清液，再应用意大利哈 10 100 1) 颗粒直径m 纳浊度仪H93414进行浊度测试，可发现：浊度随着 图2人造尾砂粒径分布 pH的增加不断降低，越来越清澈：在pH值为11 Fig.2 Grain size distribution of artificial tailings 处，其浊度降低到43.2NTU:pH值大于11时，浊度 率.超级絮凝测试仪内的絮凝反应器类似于Taylor- 虽有降低但不明显.因此，综合相对絮凝率与浊度， Couette旋流式反应器[9)，反应器内有直径为28mm 可判定pH值11为最优条件. 的旋转柱，旋转柱与反应器壁的间隙为1.5mm.光 已有研究表明)，不同pH条件下料浆内颗粒 电管通过测试不同絮凝料浆通过时光束的强度经数 的Zta电位不同，从而影响絮凝效果.为了证实这 据处理可计算出其相对絮凝率，其原理类似Gregory 一点，应用ZetaCompact Z9000电位计对不同pH条 提出的絮凝监测方法[2】.该测试仪可以快速大范 件下的Zeta电位进行测量.由于该电位计只能测量 围调节剪切速率(y=0~13000s')及10组不同的 pH值不大于11时的电位，所以仅测量人造尾砂料 絮凝剂单耗，并能在极短时间内(5~6s)完成絮凝 浆在pH值为8~11时的电位，其结果如图4所示. 反应.相对絮凝率的计算方法如下[2]： 由图4可知，随着pH值的增加，料浆中Ca2+的含量 增加，导致Zeta电位不断增加，相对絮凝率的增长 R=--7)×10% 趋势、浊度的降低趋势与Zeta电位的增长趋势 式中：R为相对絮凝率：T为絮凝后上清液的浊度， 一致. 单位NTU:T,为絮凝前料浆的浊度，单位NTU. 2.2剪切速率与絮凝剂单耗对絮凝行为的影响 配置不同固体体积分数(p=2%、4%、6%、 配置固体体积分数p=4%的尾砂料浆，用Ca 8%、10%)的人造尾砂料浆，控制尾砂料浆的进料 (OH),溶液调节料浆pH至11，设定最大絮凝剂单 速度稳定在1m·s1,通过控制面板上絮凝剂进料速 耗为20g·t~1,通过控制面板上旋转步进式开关调节 度开关和剪切速率开关对相应参数进行调节，研究 絮凝剂单耗f=2~20gt,并通过调节剪切速率 在不同絮凝剂单耗和不同剪切速率下的相对絮凝 开关控制料浆剪切速率y=100~2000s-1,结果如 率，对超细尾砂的絮凝行为进行优化研究 图5所示. a 絮凝器？相对絮凝率剪切速率 人造尾砂料浆 (b) 转速计 控制面板 ▣ 架凝剂溶液 口口 0000 絮凝器 控制面板 人造尾砂料浆 光电管 絮凝尾砂料浆 絮凝剂溶液一 絮凝尾砂料浆 图3UFT-TFS-029超级絮凝测试仪.(a)实物照片：(b)原理图 Fig.3 UltraflocTester UFT-TFS-029:(a)photograph;(b)schematic diagram
吴爱祥等: 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 图 2 人造尾砂粒径分布 Fig. 2 Grain size distribution of artificial tailings 率. 超级絮凝测试仪内的絮凝反应器类似于 Taylor鄄鄄 Couette 旋流式反应器[19] ,反应器内有直径为 28 mm 的旋转柱,旋转柱与反应器壁的间隙为 1郾 5 mm. 光 电管通过测试不同絮凝料浆通过时光束的强度经数 据处理可计算出其相对絮凝率,其原理类似 Gregory 提出的絮凝监测方法[20] . 该测试仪可以快速大范 围调节剪切速率(酌 = 0 ~ 13000 s - 1 )及 10 组不同的 絮凝剂单耗,并能在极短时间内(5 ~ 6 s)完成絮凝 反应. 相对絮凝率的计算方法如下[21] : 图 3 UFT鄄鄄卮FS鄄鄄029 超级絮凝测试仪 郾 (a) 实物照片; (b) 原理图 Fig. 3 UltraflocTester UFT鄄鄄卮FS鄄鄄029: (a) photograph; (b) schematic diagram R = (1 - T T ) 0 伊 100% 式中:R 为相对絮凝率;T 为絮凝后上清液的浊度, 单位 NTU;T0为絮凝前料浆的浊度,单位 NTU. 配置不同固体体积分数 ( 渍 = 2% 、4% 、6% 、 8% 、10% )的人造尾砂料浆,控制尾砂料浆的进料 速度稳定在 1 m·s - 1 ,通过控制面板上絮凝剂进料速 度开关和剪切速率开关对相应参数进行调节,研究 在不同絮凝剂单耗和不同剪切速率下的相对絮凝 率,对超细尾砂的絮凝行为进行优化研究. 2 结果与讨论 2郾 1 pH 对絮凝行为的影响 因 pH 对絮凝影响效果有影响[22] ,因此在研究 固体体积分数、絮凝剂单耗和剪切速率对相对絮凝 率的影响之前,先对 pH 条件进行优选. 配置固体体 积分数 渍 = 4% 的尾砂料浆,控制剪切速率 酌 = 300 s - 1 ,设定絮凝剂单耗为 f d = 10 g·t - 1 ,并用 Ca(OH)2 溶液调节料浆 pH. 由图 4 可知,渍 = 4% 时,在 pH 值 为 11 时尾砂料浆的相对絮凝率达到最大值 80% . 同时,取絮凝后料浆的上部澄清液,再应用意大利哈 纳浊度仪 HI93414 进行浊度测试,可发现:浊度随着 pH 的增加不断降低,越来越清澈;在 pH 值为 11 处,其浊度降低到 43郾 2 NTU;pH 值大于 11 时,浊度 虽有降低但不明显. 因此,综合相对絮凝率与浊度, 可判定 pH 值 11 为最优条件. 已有研究表明[14] ,不同 pH 条件下料浆内颗粒 的 Zeta 电位不同,从而影响絮凝效果. 为了证实这 一点,应用 ZetaCompact Z9000 电位计对不同 pH 条 件下的 Zeta 电位进行测量. 由于该电位计只能测量 pH 值不大于 11 时的电位,所以仅测量人造尾砂料 浆在 pH 值为 8 ~ 11 时的电位,其结果如图 4 所示. 由图 4 可知,随着 pH 值的增加,料浆中 Ca 2 + 的含量 增加,导致 Zeta 电位不断增加,相对絮凝率的增长 趋势、 浊度的降低趋势与 Zeta 电位的增长趋势 一致. 2郾 2 剪切速率与絮凝剂单耗对絮凝行为的影响 配置固体体积分数 渍 = 4% 的尾砂料浆,用 Ca (OH)2溶液调节料浆 pH 至 11,设定最大絮凝剂单 耗为20 g·t - 1 ,通过控制面板上旋转步进式开关调节 絮凝剂单耗 f d = 2 ~ 20 g·t - 1 ,并通过调节剪切速率 开关控制料浆剪切速率 酌 = 100 ~ 2000 s - 1 ,结果如 图 5 所示. ·983·
·984· 工程科学学报，第41卷，第8期 450 10 100 ·一絮凝率 400 0一f=12gt1 一浊度 -10 Zela电位 -20 00 过渡混合 250 30 絮凝剂脱落 200 50 -50 50 充分混合 40 完全接触 50 70 30 20 不充分混合 10 11 不完全接触 pH值 图4 不同pH条件下的相对絮凝率、上清液浊度与Zcta电位 500 1000 1500 2000 Fig.4 Flocculation rate,turbidity,and Zeta potential at different pH 剪切速率s1 图6剪切速率对相对絮凝率的影响机理 Fig.6 Effect of shear rate on flocculation rate 100 f=2g. 90 最优剪切速率明显高于应用传统絮凝研究所获 =4g 80 =6g时 得的最优剪切速[23-2]，这是因为超级絮凝测试仪内 70 =8g. =10gt 的絮凝反应时间极短，根据超级絮凝理论，此时采用 60 f=12g- 0 -0 f=14g 较高的剪切速率有助于絮凝，来不及破坏形成的絮 团.但是和传统絮凝一样，若剪切速率过高，仍会破 30 坏絮团，使得相对絮凝率降低 20 -o-f=16g1 ---f=18g 100 10 ---f=20g*t -y=500g-1 90 500 10 1500 2000 80 剪切速率/s 絮凝剂适量 70 空位足够 图5不同絮凝剂单耗条件下剪切速率对相对絮凝率的影响 絮凝剂链足够 60 Fig.5 Effect of shear rate on flocculation rate for different flocculant 50 dosages 40 从图5可看出，无论絮凝剂单耗如何变化，人造 0 絮凝剂过量 架凝剂不足 空位不足 20 空位足够絮疑剂链过量 尾砂料浆的相对絮凝率均随着剪切速率的增大先增 絮凝剂链不足 加后减少，并均在y=500s处达到最大值.这是因 10 20 为剪切速率相对较低时，由于对流扩散，适当增加剪 15 絮凝剂单耗g· 切速率，絮凝剂分子在悬浮液中的扩散速率显著增 图7絮凝剂单耗对相对絮凝率的影响机理 加，有助于絮凝剂与人造尾砂料浆的混合，进而有助 Fig.7 Effect of flocculant dosage on flocculation rate 于尾砂颗粒的絮凝，而当剪切速率超过一定值(y= 500s1)时，继续增大剪切速率，则高分子链又会从 2.3固体体积分数对絮凝行为的影响 尾砂颗粒表面脱落，已形成的絮团被破坏，从而使得 深锥浓密机的进料浓度对于其处理能力有着重 整体相对絮凝率表现为降低（如图6所示）. 要的影响[26]，为此，深锥浓密机设有稀释装置，根据 另外，无论剪切速率为多少，絮凝剂单耗为f= 静态沉降柱实验确定的最优固体体积分数和生产实 12gt时相对絮凝率均大于其它絮凝剂单耗条件 际，对从选矿厂来的尾砂料浆进行适当的稀释，以保 下对应剪切速率的相对絮凝率.同时，随着絮凝剂 证获得较好或最优的絮凝效果)]，从而获得最优的 单耗增加，相对絮凝率先增加后减少.这是因为阴 处理能力.本文忽略稀释结构，直接对稀释后进料 离子聚丙烯酰胺(APAM)的絮凝机理为“桥接”絮 料浆中固体体积分数对絮凝的影响进行研究 凝，当絮凝剂的浓度较高时，颗粒表面被絮凝剂完全 从图8可看出，不同的固体体积分数条件下 覆盖，没有“空位”留给附着于另一颗粒上的絮凝剂 (P=2%~14%）,相应的最优相对絮凝率随着固体 (如图7所示)，从而不能有效絮凝，导致相对絮凝 体积分数的增加而减少，其中在p=2%、”=4%时， 率降低.因此，在pH值为11，P=4%时，最优剪切 最优相对絮凝率相近.而达到相应最优相对絮凝率 速率为y=500s-1,最优絮凝剂单耗为f=12gt-1. 所需要的剪切速率（最优剪切速率）先减少后增加
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 图 4 不同 pH 条件下的相对絮凝率、上清液浊度与 Zeta 电位 Fig. 4 Flocculation rate, turbidity, and Zeta potential at different pH values 图 5 不同絮凝剂单耗条件下剪切速率对相对絮凝率的影响 Fig. 5 Effect of shear rate on flocculation rate for different flocculant dosages 从图 5 可看出,无论絮凝剂单耗如何变化,人造 尾砂料浆的相对絮凝率均随着剪切速率的增大先增 加后减少,并均在 酌 = 500 s - 1处达到最大值. 这是因 为剪切速率相对较低时,由于对流扩散,适当增加剪 切速率,絮凝剂分子在悬浮液中的扩散速率显著增 加,有助于絮凝剂与人造尾砂料浆的混合,进而有助 于尾砂颗粒的絮凝,而当剪切速率超过一定值(酌 = 500 s - 1 )时,继续增大剪切速率,则高分子链又会从 尾砂颗粒表面脱落,已形成的絮团被破坏,从而使得 整体相对絮凝率表现为降低(如图 6 所示). 另外,无论剪切速率为多少,絮凝剂单耗为 f d = 12 g·t - 1时相对絮凝率均大于其它絮凝剂单耗条件 下对应剪切速率的相对絮凝率. 同时,随着絮凝剂 单耗增加,相对絮凝率先增加后减少. 这是因为阴 离子聚丙烯酰胺(APAM) 的絮凝机理为“桥接冶 絮 凝,当絮凝剂的浓度较高时,颗粒表面被絮凝剂完全 覆盖,没有“空位冶留给附着于另一颗粒上的絮凝剂 (如图 7 所示),从而不能有效絮凝,导致相对絮凝 率降低. 因此,在 pH 值为 11,渍 = 4% 时,最优剪切 速率为 酌 = 500 s - 1 ,最优絮凝剂单耗为 f d = 12 g·t - 1 . 图 6 剪切速率对相对絮凝率的影响机理 Fig. 6 Effect of shear rate on flocculation rate 最优剪切速率明显高于应用传统絮凝研究所获 得的最优剪切速[23鄄鄄25] ,这是因为超级絮凝测试仪内 的絮凝反应时间极短,根据超级絮凝理论,此时采用 较高的剪切速率有助于絮凝,来不及破坏形成的絮 团. 但是和传统絮凝一样,若剪切速率过高,仍会破 坏絮团,使得相对絮凝率降低. 图 7 絮凝剂单耗对相对絮凝率的影响机理 Fig. 7 Effect of flocculant dosage on flocculation rate 2郾 3 固体体积分数对絮凝行为的影响 深锥浓密机的进料浓度对于其处理能力有着重 要的影响[26] ,为此,深锥浓密机设有稀释装置,根据 静态沉降柱实验确定的最优固体体积分数和生产实 际,对从选矿厂来的尾砂料浆进行适当的稀释,以保 证获得较好或最优的絮凝效果[27] ,从而获得最优的 处理能力. 本文忽略稀释结构,直接对稀释后进料 料浆中固体体积分数对絮凝的影响进行研究. 从图 8 可看出,不同的固体体积分数条件下 (渍 = 2% ~ 14% ),相应的最优相对絮凝率随着固体 体积分数的增加而减少,其中在 渍 = 2% 、渍 = 4% 时, 最优相对絮凝率相近. 而达到相应最优相对絮凝率 所需要的剪切速率(最优剪切速率)先减少后增加, ·984·
吴爱祥等：基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 ·985· 其中，在p=4%、p=6%时，所需要最优剪切速率最 通过测试不同H、剪切速率、絮凝剂单耗以及固体 低，均为500s1,所对应的最优相对絮凝率分别为 体积分数条件下的相对絮凝率，对超细尾砂的絮凝 98%和94%.综合最优絮凝效率及其所需的剪切速 条件进行了优化研究，主要结论为： 率，在不考虑处理能力等其他条件下，认为”=4% (1)不同pH条件下，尾砂颗粒表面Zeta电位 是最优固体体积分数 不同，导致絮凝效果不同.综合考虑相对絮凝率与 根据Smoluchowski理论[2]，在给定的絮凝剂单 浊度，在pH值为9~12、絮凝剂单耗f=2~20g· 耗条件下，随着料浆中固体体积分数增加，高分子絮 t1、料浆剪切速率y=100~2000s1、料浆固体体积 凝剂在料浆中扩散速率明显降低，尾砂颗粒与絮凝 分数p=2%~14%的条件下，最优pH值为11 剂混合效果较差，从而导致最优相对絮凝率降低. (2)料浆的剪切速率、絮凝剂单耗对相对絮凝 同时，增加剪切速率可以增加高分子的扩散速率，所 率的影响均表现为先增加后减少的趋势，本文所获 以固体体积分数越高，达到最优相对絮凝率时所需 得的最优值分别为y=500sf=12gt1.综合固 的最优剪切速率对固体体积分数的依赖性也越高. 体体积分数对相对絮凝率的影响及其达到最优值所 而在固体体积分数很低时(=2%)，因为高分子絮 需要的剪切速率，确定最优固体体积分数为φ= 凝剂过于分散，导致尾砂颗粒和絮凝剂混合接触的 4% 概率降低，从而需要更大的剪切速率来促进尾砂颗 (3)本文应用超级絮凝测试仪以最优相对絮凝 粒与絮凝剂的混合接触，以提高相对絮凝率 率为目标进行了絮凝行为优化研究，研究所得最优 1400 100 剪切速率明显高于传统絮凝所获得最优剪切速率， 1200 98 为后续进一步研究絮凝沉降与料浆脱水效果以及现 1000 96 94 场深锥浓密机生产设计奠定基础. 800 92 600 90 参考文献 400 。一最优剪切速率 88 [1]Wang C,Harbottle D,Liu Q X,et al.Current state of fine miner- 200 口最优相对絮凝率 86 al tailings treatment:a eritical review on theory and practice.Min- 0 12 er Eng,2014,58:113 固体体积分数/% [2]Wu A X,Yang Y,Cheng H Y,et al.Status and prospects of 图8不同固体体积分数的最优剪切速率与最优相对絮凝率 paste technology in China.Chin J Eng,2018,40(5):517 Fig.8 Optimal shear rate and flocculation rate versus solid volume (吴爱祥，杨莹，程海勇，等。中国膏体技术发展现状与趋势 fraction 工程科学学报，2018,40(5)：517) [3]Zhang Q L,Zhou D H.Wang X M,et al.Experimental study on 2.4工程建议 flocculating sedimentation of ultra-fine unclassified tailings.J 基于上述讨论，在实际生产中，可在考虑成本的 Guangxi Univ Nat Sci Ed,2013,38(2):451 情况下，根据现场条件合理地调节尾砂料浆的pH (张软礼，周登辉，王新民，等.超细全尾砂絮凝沉降实验研 以保证絮凝效果.同时，在综合考虑处理能力、达到 究.广西大学学报（自然科学版），2013,38(2)：451) 相应剪切速率所需要的成本及深锥浓密机稀释装置 [4]Wang X M,Liu J X,Chen Q S,et al.Optimal flocculating sedi- mentation parameters of unclassified tailings.Sci Technol Rer 的稀释能力等因素的前提下，可对实际工况参数 2014,32(17):23 (料浆剪切速率、絮凝剂单耗以及固体体积分数)进 (王新民，刘吉样，陈秋松，等.超细全尾砂絮凝沉降参数优 行适当调节以达到最优絮凝效果.基于超级絮凝理 化模型.科技导报，2014,32(17)：23) 论，在高速剪切条件下超细尾砂可在极短时间内 [5] Femando Concha A.Solid-Liquid Separation in the Mining Indus- (<6s)发生很好的絮凝反应，这对于在现有研究的 try.Switzerland:Springer International Publishing,2014 [6]Wang Y,Wu A X,Wang H J,et al.Influence mechanism of floc 基础上[29-0]，进一步以流场剪切速率与停留时间为 culant dosage on tailings thiekening.I Unir Sci Technol Beijing, 目标对深锥浓密机进料井结构进行研究与优化设 2013,35(11):1419 计，以在工程应用中实现超细尾砂的超级絮凝、提高 (王勇，吴爱祥，王洪江，等.絮凝剂用量对尾矿浓密的彩响 尾砂的处理能力具有重要意义. 机理.北京科技大学学报.2013,35(11)：1419) [7]Zhang QL,Wang S,Wang X M.Influence rules of unit consump- 3结论 tions of flocculants on interface sedimentation velocity of unclassi- fied tailings slurry.Chin J Nonferrous Met,2017.27(2):318 本文基于超级絮凝理论，应用超级絮凝测试仪， (张钦礼，王石，王新民.絮凝剂单耗对全尾砂浆浑液面沉速
吴爱祥等: 基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化 其中,在 渍 = 4% 、渍 = 6% 时,所需要最优剪切速率最 低,均为 500 s - 1 ,所对应的最优相对絮凝率分别为 98% 和 94% . 综合最优絮凝效率及其所需的剪切速 率,在不考虑处理能力等其他条件下,认为 渍 = 4% 是最优固体体积分数. 根据 Smoluchowski 理论[28] ,在给定的絮凝剂单 耗条件下,随着料浆中固体体积分数增加,高分子絮 凝剂在料浆中扩散速率明显降低,尾砂颗粒与絮凝 剂混合效果较差,从而导致最优相对絮凝率降低. 同时,增加剪切速率可以增加高分子的扩散速率,所 以固体体积分数越高,达到最优相对絮凝率时所需 的最优剪切速率对固体体积分数的依赖性也越高. 而在固体体积分数很低时(渍 = 2% ),因为高分子絮 凝剂过于分散,导致尾砂颗粒和絮凝剂混合接触的 概率降低,从而需要更大的剪切速率来促进尾砂颗 粒与絮凝剂的混合接触,以提高相对絮凝率. 图 8 不同固体体积分数的最优剪切速率与最优相对絮凝率 Fig. 8 Optimal shear rate and flocculation rate versus solid volume fraction 2郾 4 工程建议 基于上述讨论,在实际生产中,可在考虑成本的 情况下,根据现场条件合理地调节尾砂料浆的 pH 以保证絮凝效果. 同时,在综合考虑处理能力、达到 相应剪切速率所需要的成本及深锥浓密机稀释装置 的稀释能力等因素的前提下,可对实际工况参数 (料浆剪切速率、絮凝剂单耗以及固体体积分数)进 行适当调节以达到最优絮凝效果. 基于超级絮凝理 论,在高速剪切条件下超细尾砂可在极短时间内 ( < 6 s)发生很好的絮凝反应,这对于在现有研究的 基础上[29鄄鄄30] ,进一步以流场剪切速率与停留时间为 目标对深锥浓密机进料井结构进行研究与优化设 计,以在工程应用中实现超细尾砂的超级絮凝、提高 尾砂的处理能力具有重要意义. 3 结论 本文基于超级絮凝理论,应用超级絮凝测试仪, 通过测试不同 pH、剪切速率、絮凝剂单耗以及固体 体积分数条件下的相对絮凝率,对超细尾砂的絮凝 条件进行了优化研究,主要结论为: (1) 不同 pH 条件下,尾砂颗粒表面 Zeta 电位 不同,导致絮凝效果不同. 综合考虑相对絮凝率与 浊度,在 pH 值为 9 ~ 12、絮凝剂单耗 f d = 2 ~ 20 g· t - 1 、料浆剪切速率 酌 = 100 ~ 2000 s - 1 、料浆固体体积 分数 渍 = 2% ~ 14% 的条件下,最优 pH 值为 11. (2) 料浆的剪切速率、絮凝剂单耗对相对絮凝 率的影响均表现为先增加后减少的趋势,本文所获 得的最优值分别为 酌 = 500 s - 1 、f d = 12 g·t - 1 . 综合固 体体积分数对相对絮凝率的影响及其达到最优值所 需要的剪切速率,确定最优固体体积分数为 渍 = 4% . (3) 本文应用超级絮凝测试仪以最优相对絮凝 率为目标进行了絮凝行为优化研究,研究所得最优 剪切速率明显高于传统絮凝所获得最优剪切速率, 为后续进一步研究絮凝沉降与料浆脱水效果以及现 场深锥浓密机生产设计奠定基础. 参 考 文 献 [1] Wang C, Harbottle D, Liu Q X, et al. Current state of fine miner鄄 al tailings treatment: a critical review on theory and practice. Min鄄 er Eng, 2014, 58: 113 [2] Wu A X, Yang Y, Cheng H Y, et al. Status and prospects of paste technology in China. Chin J Eng, 2018, 40(5): 517 (吴爱祥, 杨莹, 程海勇, 等. 中国膏体技术发展现状与趋势. 工程科学学报, 2018, 40(5): 517) [3] Zhang Q L, Zhou D H, Wang X M, et al. Experimental study on flocculating sedimentation of ultra鄄fine unclassified tailings. J Guangxi Univ Nat Sci Ed, 2013, 38(2): 451 (张钦礼, 周登辉, 王新民, 等. 超细全尾砂絮凝沉降实验研 究. 广西大学学报(自然科学版), 2013, 38(2): 451) [4] Wang X M, Liu J X, Chen Q S, et al. Optimal flocculating sedi鄄 mentation parameters of unclassified tailings. Sci Technol Rev, 2014, 32(17): 23 (王新民, 刘吉祥, 陈秋松, 等. 超细全尾砂絮凝沉降参数优 化模型. 科技导报, 2014, 32(17): 23) [5] Fernando Concha A. Solid鄄Liquid Separation in the Mining Indus鄄 try. Switzerland: Springer International Publishing, 2014 [6] Wang Y, Wu A X, Wang H J, et al. Influence mechanism of floc鄄 culant dosage on tailings thickening. J Univ Sci Technol Beijing, 2013, 35(11): 1419 (王勇, 吴爱祥, 王洪江, 等. 絮凝剂用量对尾矿浓密的影响 机理. 北京科技大学学报, 2013, 35(11): 1419) [7] Zhang Q L, Wang S, Wang X M. Influence rules of unit consump鄄 tions of flocculants on interface sedimentation velocity of unclassi鄄 fied tailings slurry. Chin J Nonferrous Met, 2017, 27(2): 318 (张钦礼, 王石, 王新民. 絮凝剂单耗对全尾砂浆浑液面沉速 ·985·