《工程科学学报》：絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 阮竹恩吴爱祥王贻明王勇王建栋 Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry RUAN Zhu-en,WU Ai-xiang.WANG Yi-ming.WANG Yong.WANG Jian-dong 引用本文： 阮竹恩，吴爱祥，王贻明，王勇，王建栋.絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响[.工程科学学报，2021,43(10)： 1276-1282.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.08.01.002 RUAN Zhu-en,WU Ai-xiang.WANG Yi-ming,WANG Yong.WANG Jian-dong.Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(10):1276-1282.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.08.01.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.08.01.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 时间速率双因素下全尾砂膏体的屈服应力易变行为 Variability behavior of yield stress for unclassified tailings pasted under measurement timevelocity double factors 工程科学学报.2020,42(10：1308 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.10.19.002 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:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.16.002 基于膏体稳定系数的级配表征及屈服应力预测 Grading characterization and yield stress prediction based on paste stability coefficient 工程科学学报.2018.40(10：1168htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.10.003 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(8：981htps:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.003 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length 工程科学学报.2020,42(8)：980htps:/oi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.10.29.004 基于扩散度的尾砂膏体流变特性 Rheological properties of tailings paste based on a spread test 工程科学学报.2020,42(10：1299 https:doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.02.18.003

絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 阮竹恩 吴爱祥 王贻明 王勇 王建栋 Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry RUAN Zhu-en, WU Ai-xiang, WANG Yi-ming, WANG Yong, WANG Jian-dong 引用本文: 阮竹恩, 吴爱祥, 王贻明, 王勇, 王建栋. 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响[J]. 工程科学学报, 2021, 43(10): 1276-1282. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.01.002 RUAN Zhu-en, WU Ai-xiang, WANG Yi-ming, WANG Yong, WANG Jian-dong. Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(10): 1276-1282. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.08.01.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.01.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 时间速率双因素下全尾砂膏体的屈服应力易变行为 Variability behavior of yield stress for unclassified tailings pasted under measurement timevelocity double factors 工程科学学报. 2020, 42(10): 1308 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.19.002 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 基于膏体稳定系数的级配表征及屈服应力预测 Grading characterization and yield stress prediction based on paste stability coefficient 工程科学学报. 2018, 40(10): 1168 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.003 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 基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为 Flocculation and settling behavior of unclassified tailings based on measurement of floc chord length 工程科学学报. 2020, 42(8): 980 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004 基于扩散度的尾砂膏体流变特性 Rheological properties of tailings paste based on a spread test 工程科学学报. 2020, 42(10): 1299 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.003

工程科学学报.第43卷.第10期：1276-1282.2021年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.10:1276-1282,October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.01.002;http://cje.ustb.edu.cn 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 阮竹恩12)，吴爱祥)，王贻明，王勇)，王建栋) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京科技大学顺德研究生院.佛山528399 ☒通信作者，E-mail:wuaixiang@126.com 摘要深锥浓密机内底部料浆的屈服应力过高容易导致压粑，为此通过对不同絮凝沉降条件下获得的浓缩超细尾砂料浆 的屈服应力进行原位测量，并通过对絮凝前后料浆总有机碳的测试来分析超细尾砂颗粒表面的絮凝剂吸附量，进而分析了絮 凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响规律.研究发现，絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆的屈服应力有显著影响，H和絮 凝剂单耗通过影响尾砂颗粒表面的絮凝剂吸附量进而影响浓缩超细尾砂料浆的屈服应力，屈服应力随着pH和絮凝剂单耗的 增大均不断增大，综合考虑尾砂料浆的絮凝沉降效果和所得浓缩超细尾砂料浆的屈服应力，最佳絮凝条件是pH值为11和 絮凝剂单耗为15gr',在此最优条件下料浆固液界面的初始沉降速率为0.4565mms,沉降后上清液浊度为143NTU,底部 沉积尾砂料浆的固相质量分数为51.56%、屈服应力为243.18Pa.初步建立了适用于超细人造尾砂的基于絮凝剂吸附量的屈 服应力模型，屈服应力随尾砂颗粒表面单位面积的絮凝剂吸附量的增大而增大，为实际生产中控制全尾砂絮凝沉降参数提供 参考. 关键词尾砂：絮凝沉降：总有机碳：絮凝剂吸附：屈服应力 分类号TD853 Effect of flocculation sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry RUAN Zhu-en2),WU Ai-xiang,WANG Yi-ming,WANG Yong,WANG Jian-dong 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Shunde Graduate School,University of Science and Technology Beijing,Foshan 528399,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang@126.com ABSTRACT With the advantages of efficiency and economy,deep-cone thickener(DCT)has been increasingly applied in tailings management.The rake in the DCT is essential for obtaining high-concentration underflow slurry;thus,more emphasis was placed on the effects of rakes on the underflow concentration.However,high concentration means high yield stress,which may lead to rake blockage. Therefore,this study investigated the effects of flocculation and sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry. First,flocculation and sedimentation experiments were conducted under a pH range of 8 to 11 and flocculant dosage of 0 to 45 g't to obtain different thickened ultrafine tailings slurries.Then,the yield stress was measured through an in situ test.Finally,the amount of flocculant adsorbed on the tailings particle surface was analyzed by total organic carbon analysis.The amount of flocculant adsorbed on the tailings particles surface increased with the pH and flocculant dosage over the entire experiment range.Then,the yield stress increased with the increase in the amount of adsorbed flocculant,indicating that flocculation sedimentation has a significant influence on the yield stress.Based on the flocculation sedimentation behavior and yield stress,the optimal conditions were a pH of 8 and flocculant 收稿日期：2020-08-01 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)：中国博士后科学基金资助项目 (2021M690011):国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51804015)：北京市自然科学基金资助项目(8192029)：中央高校基本科研业务 费专项资金资助项目(06500121)

絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 阮竹恩1,2)，吴爱祥1) 苣，王贻明1)，王    勇1)，王建栋1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学顺德研究生院，佛山 528399 苣通信作者， E-mail：wuaixiang@126.com 摘    要    深锥浓密机内底部料浆的屈服应力过高容易导致压耙，为此通过对不同絮凝沉降条件下获得的浓缩超细尾砂料浆 的屈服应力进行原位测量，并通过对絮凝前后料浆总有机碳的测试来分析超细尾砂颗粒表面的絮凝剂吸附量，进而分析了絮 凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响规律. 研究发现，絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆的屈服应力有显著影响，pH 和絮 凝剂单耗通过影响尾砂颗粒表面的絮凝剂吸附量进而影响浓缩超细尾砂料浆的屈服应力，屈服应力随着 pH 和絮凝剂单耗的 增大均不断增大. 综合考虑尾砂料浆的絮凝沉降效果和所得浓缩超细尾砂料浆的屈服应力，最佳絮凝条件是 pH 值为 11 和 絮凝剂单耗为 15 g·t−1，在此最优条件下料浆固液界面的初始沉降速率为 0.4565 mm·s−1，沉降后上清液浊度为 143 NTU，底部 沉积尾砂料浆的固相质量分数为 51.56%、屈服应力为 243.18 Pa. 初步建立了适用于超细人造尾砂的基于絮凝剂吸附量的屈 服应力模型，屈服应力随尾砂颗粒表面单位面积的絮凝剂吸附量的增大而增大，为实际生产中控制全尾砂絮凝沉降参数提供 参考. 关键词    尾砂；絮凝沉降；总有机碳；絮凝剂吸附；屈服应力 分类号    TD853 Effect  of  flocculation  sedimentation  on  the  yield  stress  of  thickened  ultrafine tailings slurry RUAN Zhu-en1,2) ，WU Ai-xiang1) 苣 ，WANG Yi-ming1) ，WANG Yong1) ，WANG Jian-dong1) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Shunde Graduate School, University of Science and Technology Beijing, Foshan 528399, China 苣 Corresponding author, E-mail: wuaixiang@126.com ABSTRACT    With  the  advantages  of  efficiency  and  economy,  deep-cone  thickener  (DCT)  has  been  increasingly  applied  in  tailings management. The rake in the DCT is essential for obtaining high-concentration underflow slurry; thus, more emphasis was placed on the effects of rakes on the underflow concentration. However, high concentration means high yield stress, which may lead to rake blockage. Therefore, this study investigated the effects of flocculation and sedimentation on the yield stress of thickened ultrafine tailings slurry. First, flocculation and sedimentation experiments were conducted under a pH range of 8 to 11 and flocculant dosage of 0 to 45 g·t−1 to obtain different thickened ultrafine tailings slurries. Then, the yield stress was measured through an in situ test. Finally, the amount of flocculant adsorbed on the tailings particle surface was analyzed by total organic carbon analysis. The amount of flocculant adsorbed on the  tailings  particles  surface  increased  with  the  pH  and  flocculant  dosage  over  the  entire  experiment  range.  Then,  the  yield  stress increased with the increase in the amount of adsorbed flocculant, indicating that flocculation sedimentation has a significant influence on the yield stress. Based on the flocculation sedimentation behavior and yield stress, the optimal conditions were a pH of 8 and flocculant 收稿日期: 2020−08−01 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）；中国博士后科学基金资助项目 （2021M690011）；国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51804015）；北京市自然科学基金资助项目（8192029）；中央高校基本科研业务 费专项资金资助项目（06500121） 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期：1276−1282，2021 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 10: 1276−1282, October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.01.002; http://cje.ustb.edu.cn

阮竹恩等：絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 1277 dosage of 15 g't.Under these conditions,the initial settling rate of the solid-liquid interface was 0.4565 mm-s,supernate turbidity was 143 NTU,solid mass fraction of sediment was 51.56%,and yield stress was 243.18 Pa.The relationship between yield stress and the amount of flocculant adsorbed and yield stress was investigated,and an empirical model for yield stress based on flocculant adsorption was established.It was found that the yield stress increased with the amount of flocculant adsorbed,providing a reference for the control of flocculation sedimentation parameters in actual production. KEY WORDS tailings;flocculation sedimentation;total organic carbon;flocculant adsorption;yield stress 深锥浓密技术是全尾砂膏体充填的关键技术 为99.87%，密度为2604.04kgm3,-10um颗粒体 之一，应用深锥浓密机可以获得高浓度的底流料 积分数为70.62%，属于超细尾砂，比表面积为 浆与澄清的溢流水，对于尾矿绿色处置具有重要 0.799m2g.采用阴离子高分子絮凝剂Rheomax 意义-)目前，针对深锥浓密机的底流浓度、溢流 DR1050作为研究用絮凝剂 水浊度和处理能力（或者沉降速率）等方面开展了 1.2实验方案 大量的静态或者动态浓密实验与模拟研究，探究 本文重点研究不同pH和不同絮凝剂单耗条 了尾砂性质、深锥浓密机结构和工艺参数对全尾 件下的絮凝剂吸附情况与高浓度尾砂料浆的屈服 砂浓密效果的影响B6其中，带有导水杆的耙架 应力，因此固定初始时尾砂料浆的固相质量分数 结构是获得高浓度底流的关键-).但是，因为深 为25%，固定絮凝剂溶液中絮凝剂的质量分数为 锥浓密机内底部料浆浓度高，从而导致屈服应力 0.025%,固定絮凝剂单耗为15gt时设置pH分别 高，容易导致耙架扭矩过载而发生压耙，影响正常 为8、9、10、11，固定pH为11时设置絮凝剂单耗(FD) 生产例同时，随着经济增长对矿产品的不断需求 为0~45gt.每组实验中尾砂料浆和絮凝剂溶液 和选矿技术的不断创新发展，产生的尾砂越来越 的总体积为750mL.基本实验过程如图1所示：首 细甚至达到了超细的级别，超细尾砂比表面积大， 先进行尾砂絮凝沉降实验，获得高浓度的絮凝尾 导致屈服应力更大0.因此有必要对深锥浓密机 砂料浆：然后进行TOC测定，确定上清液中TOC含 内底部超细全尾砂料浆的屈服应力进行研究. 量；最后进行高浓度絮凝尾砂料浆的屈服应力测试 目前，对于全尾砂料浆的屈服应力的研究主要 是为了分析其对管道输送阻力的影响，研究发现料 浆中固相质量分数-、尾砂粒径分布、外加 剂s16、料浆中离子强度m、时间与温度8-19等诸 多因素均对全尾砂料浆的屈服应力有显著的影响， TOC test 研究方法通常是根据料浆的固相质量分数和组成， Yield stress test 应用干料与水搅拌制备成料浆，进行屈服应力测量， 忽略了高浓度料浆形成过程中添加的高分子絮凝 剂0-2以及絮凝过程对料浆流变特性的影响. 为此，本文首先开展不同条件下的超细尾砂 絮凝沉降实验获得高浓度尾砂料浆，再对高浓度 图1实验过程 尾砂料浆进行原位屈服应力测试，并通过絮对凝 Fig.1 Schematic of experiment process 前后料浆总有机碳(TOC)测试来分析超细尾砂对 应用可拆卸的沉降筒进行静态絮凝沉降实验 絮凝剂的吸附情况，进而分析不同絮凝剂吸附对 首先用干的人造尾砂和水配制尾砂料浆，并用 尾砂料浆屈服应力的影响 Ca(OH)2溶液调节料浆的pH,将尾砂料浆导入沉 降筒后根据絮凝剂单耗加入絮凝剂溶液，上下晃 1实验材料与方案 动使尾砂与絮凝剂混合后进行沉降，应用高速摄 1.1实验材料 像机实时记录固液分界面高度，1h后取上清液进 因铁矿、铜矿、金矿等金属矿的尾砂的主要成 行浊度测试，14h后记录固液分界面的高度以分 分为SiO,2-2),本文采用人造尾砂（石英砂）作为 别计算上清液和高浓度料浆的体积，然后取上清 实验材料，避免尾砂中其他矿物成分对絮凝与 液进行TOC测定，最后排干上清液后对下部高浓 屈服应力的影响24-人造尾砂的SiO,质量分数 度尾砂料浆进行屈服应力测试.应用可拆卸的沉

dosage of 15 g·t−1. Under these conditions, the initial settling rate of the solid–liquid interface was 0.4565 mm·s−1, supernate turbidity was 143 NTU, solid mass fraction of sediment was 51.56%, and yield stress was 243.18 Pa. The relationship between yield stress and the amount of flocculant adsorbed and yield stress was investigated, and an empirical model for yield stress based on flocculant adsorption was established. It was found that the yield stress increased with the amount of flocculant adsorbed, providing a reference for the control of flocculation sedimentation parameters in actual production. KEY WORDS    tailings；flocculation sedimentation；total organic carbon；flocculant adsorption；yield stress 深锥浓密技术是全尾砂膏体充填的关键技术 之一，应用深锥浓密机可以获得高浓度的底流料 浆与澄清的溢流水，对于尾矿绿色处置具有重要 意义[1−2] . 目前，针对深锥浓密机的底流浓度、溢流 水浊度和处理能力（或者沉降速率）等方面开展了 大量的静态或者动态浓密实验与模拟研究，探究 了尾砂性质、深锥浓密机结构和工艺参数对全尾 砂浓密效果的影响[3−6] . 其中，带有导水杆的耙架 结构是获得高浓度底流的关键[7−8] . 但是，因为深 锥浓密机内底部料浆浓度高，从而导致屈服应力 高，容易导致耙架扭矩过载而发生压耙，影响正常 生产[9] . 同时，随着经济增长对矿产品的不断需求 和选矿技术的不断创新发展，产生的尾砂越来越 细甚至达到了超细的级别，超细尾砂比表面积大， 导致屈服应力更大[10] . 因此有必要对深锥浓密机 内底部超细全尾砂料浆的屈服应力进行研究. 目前，对于全尾砂料浆的屈服应力的研究主要 是为了分析其对管道输送阻力的影响，研究发现料 浆中固相质量分数[11−12]、尾砂粒径分布[13−14]、外加 剂[15−16]、料浆中离子强度[17]、时间与温度[18−19] 等诸 多因素均对全尾砂料浆的屈服应力有显著的影响， 研究方法通常是根据料浆的固相质量分数和组成， 应用干料与水搅拌制备成料浆，进行屈服应力测量， 忽略了高浓度料浆形成过程中添加的高分子絮凝 剂[20−21] 以及絮凝过程对料浆流变特性的影响. 为此，本文首先开展不同条件下的超细尾砂 絮凝沉降实验获得高浓度尾砂料浆，再对高浓度 尾砂料浆进行原位屈服应力测试，并通过絮对凝 前后料浆总有机碳（TOC）测试来分析超细尾砂对 絮凝剂的吸附情况，进而分析不同絮凝剂吸附对 尾砂料浆屈服应力的影响. 1    实验材料与方案 1.1    实验材料 因铁矿、铜矿、金矿等金属矿的尾砂的主要成 分为 SiO2 [15, 22−23] ，本文采用人造尾砂（石英砂）作为 实验材料，避免尾砂中其他矿物成分对絮凝与 屈服应力的影响[24−25] . 人造尾砂的 SiO2 质量分数 为 99.87%，密度为 2604.04 kg·m−3 ，−10 μm 颗粒体 积分数为 70.62%，属于超细尾砂[26] ，比表面积为 0.799 m2 ·g−1 . 采用阴离子高分子絮凝剂 Rheomax® DR 1050 作为研究用絮凝剂. 1.2    实验方案 本文重点研究不同 pH 和不同絮凝剂单耗条 件下的絮凝剂吸附情况与高浓度尾砂料浆的屈服 应力，因此固定初始时尾砂料浆的固相质量分数 为 25%，固定絮凝剂溶液中絮凝剂的质量分数为 0.025%，固定絮凝剂单耗为 15 g·t−1 时设置 pH 分别 为8、9、10、11，固定pH 为11 时设置絮凝剂单耗（FD） 为 0～45 g·t−1 . 每组实验中尾砂料浆和絮凝剂溶液 的总体积为 750 mL. 基本实验过程如图 1 所示：首 先进行尾砂絮凝沉降实验，获得高浓度的絮凝尾 砂料浆；然后进行 TOC 测定，确定上清液中 TOC 含 量；最后进行高浓度絮凝尾砂料浆的屈服应力测试. Flocculation and sedimentation TOC test Yield stress test 图 1    实验过程 Fig.1    Schematic of experiment process 应用可拆卸的沉降筒进行静态絮凝沉降实验. 首先用干的人造尾砂和水配制尾砂料浆 ，并用 Ca(OH)2 溶液调节料浆的 pH，将尾砂料浆导入沉 降筒后根据絮凝剂单耗加入絮凝剂溶液，上下晃 动使尾砂与絮凝剂混合后进行沉降，应用高速摄 像机实时记录固液分界面高度，1 h 后取上清液进 行浊度测试，14 h 后记录固液分界面的高度以分 别计算上清液和高浓度料浆的体积，然后取上清 液进行 TOC 测定，最后排干上清液后对下部高浓 度尾砂料浆进行屈服应力测试. 应用可拆卸的沉 阮竹恩等： 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 · 1277 ·

1278 工程科学学报，第43卷，第10期 降筒，既考虑了絮凝对屈服应力的影响，又避免了 其中，efoc为絮凝剂吸附效率，%. 取样测试对料浆的扰动，从而提高了屈服应力测 mnoc=ffoc、 FD 1001000×SSA (3) 试的精度 应用岛津TOC-L总有机碳分析仪进行TOC测 其中，mmoc为人造尾砂表面单位面积的絮凝剂吸附 定.分别对絮凝前的水、絮凝剂溶液和絮凝后的 量，mgm;FD为絮凝剂单耗，gt;SSA为人造尾 上清液进行TOC测定，根据碳平衡计算出高浓度 砂的比表面积，m2g 尾砂料浆中的TOC含量，进而计算出絮凝剂吸附 应用Haake RT V550流变仪进行屈服应力测 效率与絮凝剂吸附量，具体计算如式(1)、(2)所示 试.同时，应用ZetaCompact Z9000电位计对不同 TOCnoe×Vhae+TOCslumy X Vslury=TOCsuper× pH条件下的Zeta电位()进行测量，但是忽略絮 Vsuper+TOCsedi×Vsedi (1) 凝剂单耗对Zeta电位的影响7 其中，TOCnoe、TOCslurry分别为絮凝沉降前絮凝剂 2 结果与讨论 溶液和水的TOC质量浓度，mgL;TOCsuper、TOCsedi 分别为絮凝沉降后上清液和底部高浓度尾砂料浆 2.1絮凝条件对絮凝效果的影响 的TOC质量浓度，mgL；Vac、Vsmy分别为絮凝 应用人造尾砂料浆固液界面的初始沉降速率 剂溶液和水的体积，L;Vsuper、Vsedi分别为絮凝沉降 (ISR)、絮凝沉降后上清液的浊度(T)和底部沉积 后上清液和底部高浓度尾砂料浆的体积，L 尾砂的固相质量分数(SSF)来综合表征人造尾砂 efffloc T0Cedi×Vsedi100 (2) 料浆的絮凝沉降效果.不同pH和FD条件下的絮 TOCfloc X Viloc 凝沉降效果如图2所示 (a) -10 1000 0.6 1000.0 (b) 0.5059→A -20 ▲ 0.5 52.49 100.0 30 55.87 04 -40 ISR 10.0 SSF 51.56 0.3 51.26 ◆一T 10 60 1.0 SSF ◆一T -70 0.1 -ISR 0 -80 9 10 11 10 20 30 40 P的 FD/(gt) 图2絮凝条件对絮凝沉降的彩响.(a)pH:(b)絮凝剂单耗 Fig.2 Effects of conditions on flocculation and settling:(a)pH;(b)flocculant dosage 由图2(a)可知，当FD=15gt时，在pH值为8~ 由图2(b)可知，当pH值为11时，在FD=0~ I1的范围内，ISR、T和SSF随着pH单调递减，其 45gt的范围内，ISR随着FD的增加而先增大后 中1SR由0.7635mms降到0.4565mms；T由 减小，在FD=40gt时达到最大值0.5059mms;而 982NTU降到143NTU,变化最为显著：而SSF由 T随着FD的增加而先减小后增大，在FD=40gt 52.49%降到51.56%，变化较小.有研究表明pH 时达到最小值112NTU.同时，根据FD=0~15gt 和金属阳离子对絮凝都有影响，而本文应用 范围ISR和T的明显变化说明絮凝剂的絮凝作用 Ca(OH)2溶液调节料浆的pH,不同pH条件下的 较好，但是絮凝作用却不利于静态沉降时SSF的 OHrl和Ca+共同影响人造尾砂颗粒表面的Zeta电 提高，SSF随着FD的增加而不断减小直至在FD= 位，导致Zeta电位随着pH的增加而不断增加，从 20gt达到稳定值51.26%.这是因为，在高分子絮 -70.65mV增加到-20.97mV.从而影响絮凝效果 凝剂作用下，人造尾砂颗粒形成絮团，导致絮团内 根据《污水综合排放标准》(GB8978一96)要求，采 部的包裹水不易排出而使得固相质量分数降低，也 矿、选矿工业悬浮物的二级标准为质量浓度不超 说明了仅依靠静态絮凝沉降较难获得较高浓度的 过300mgL,因此实验范围内的最优pH为11. 尾砂料浆，可通过引入耙架的剪切作用与导水杆的

降筒，既考虑了絮凝对屈服应力的影响，又避免了 取样测试对料浆的扰动，从而提高了屈服应力测 试的精度. 应用岛津 TOC−L 总有机碳分析仪进行 TOC 测 定. 分别对絮凝前的水、絮凝剂溶液和絮凝后的 上清液进行 TOC 测定，根据碳平衡计算出高浓度 尾砂料浆中的 TOC 含量，进而计算出絮凝剂吸附 效率与絮凝剂吸附量，具体计算如式（1）、（2）所示. TOCfloc ×Vfloc +TOCslurry ×Vslurry = TOCsuper× Vsuper +TOCsedi ×Vsedi （1） TOCfloc TOCslurry TOCsuper TOCsedi Vfloc Vslurry Vsuper Vsedi 其中， 、 分别为絮凝沉降前絮凝剂 溶液和水的 TOC 质量浓度, mg·L−1 ； 、 分别为絮凝沉降后上清液和底部高浓度尾砂料浆 的 TOC 质量浓度, mg·L−1 ； 、 分别为絮凝 剂溶液和水的体积，L； 、 分别为絮凝沉降 后上清液和底部高浓度尾砂料浆的体积，L. efffloc = TOCsedi ×Vsedi TOCfloc ×Vfloc ×100 （2） 其中， efffloc 为絮凝剂吸附效率，%. mfloc = efffloc 100 × FD 1000×SSA （3） 其中，mfloc 为人造尾砂表面单位面积的絮凝剂吸附 量，mg·m−2 ；FD 为絮凝剂单耗，g·t−1 ；SSA 为人造尾 砂的比表面积，m 2 ·g−1 . 应用 Haake RT V550 流变仪进行屈服应力测 试. 同时，应用 ZetaCompact Z9000 电位计对不同 pH 条件下的 Zeta 电位（ζ）进行测量，但是忽略絮 凝剂单耗对 Zeta 电位的影响[27] . 2    结果与讨论 2.1    絮凝条件对絮凝效果的影响 应用人造尾砂料浆固液界面的初始沉降速率 （ISR）、絮凝沉降后上清液的浊度（T）和底部沉积 尾砂的固相质量分数（SSF）来综合表征人造尾砂 料浆的絮凝沉降效果. 不同 pH 和 FD 条件下的絮 凝沉降效果如图 2 所示. 8 9 10 11 0.1 1.0 10.0 10 100.0 1000.0 (a) 51.56 52.49 ISR SSF T pH −80 −70 −60 −50 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40 50 1 100 1000 55.87 51.26 0.5059 SSF T ISR SSF/ %, T/NTU (b) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 ISR/(mm·s−1), SSF/ %, T/NTU ζ/mV ζ ISR/(mm·s−1) FD/(g·t−1) 图 2    絮凝条件对絮凝沉降的影响. （a）pH；（b）絮凝剂单耗 Fig.2    Effects of conditions on flocculation and settling: (a) pH; (b) flocculant dosage 由图 2（a）可知，当 FD=15 g·t−1 时，在 pH 值为 8～ 11 的范围内，ISR、T 和 SSF 随着 pH 单调递减，其 中 ISR 由 0.7635 mm·s−1 降 到 0.4565 mm·s−1 ； T 由 982 NTU 降到 143 NTU，变化最为显著；而 SSF 由 52.49% 降到 51.56%，变化较小. 有研究表明 pH 和金属阳离子对絮凝都有影响[28] ，而本文应用 Ca(OH)2 溶液调节料浆的 pH，不同 pH 条件下的 OH−1 和 Ca2+共同影响人造尾砂颗粒表面的 Zeta 电 位，导致 Zeta 电位随着 pH 的增加而不断增加，从 −70.65 mV 增加到−20.97 mV，从而影响絮凝效果. 根据《污水综合排放标准》(GB8978—96) 要求，采 矿、选矿工业悬浮物的二级标准为质量浓度不超 过 300 mg·L−1，因此实验范围内的最优 pH 为 11. 由图 2（b）可知，当 pH 值为 11 时 ，在 FD=0～ 45 g·t−1 的范围内，ISR 随着 FD 的增加而先增大后 减小，在 FD=40 g·t−1 时达到最大值 0.5059 mm·s−1；而 T 随着 FD 的增加而先减小后增大，在 FD=40 g·t−1 时达到最小值 112 NTU. 同时，根据 FD=0～15 g·t−1 范围 ISR 和 T 的明显变化说明絮凝剂的絮凝作用 较好，但是絮凝作用却不利于静态沉降时 SSF 的 提高，SSF 随着 FD 的增加而不断减小直至在 FD= 20 g·t−1 达到稳定值 51.26%. 这是因为，在高分子絮 凝剂作用下，人造尾砂颗粒形成絮团，导致絮团内 部的包裹水不易排出而使得固相质量分数降低，也 说明了仅依靠静态絮凝沉降较难获得较高浓度的 尾砂料浆，可通过引入耙架的剪切作用与导水杆的 · 1278 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期

阮竹恩等：絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 1279 导水作用来进一步提高絮凝尾砂料浆的浓度- 析絮凝剂吸附情况，不同pH和FD条件下的絮凝 22絮凝条件对絮凝剂吸附效率的影响 剂吸附情况如图3所示.由图3可知，不同条件下 高分子絮凝剂与尾砂颗粒的絮凝作用属于桥 TOCsuperi远小于TOCo,说明絮凝剂被大量吸附，但 接絮凝，絮凝剂分子在尾砂颗粒表面的有效吸附 是TOC,uper略高于TOCxlury,说明仍有少量絮凝剂未 是絮凝的前提根据絮凝前后TOC的变化来分 被人造尾砂颗粒吸附 1000 (a) 80 100 (b) 0 ----TOCnoe _--TOCy 100 100 o-TOCuer d一efas 80 0 50 60 10 _--TOCaoe -一TOC 40 TOC 30 0.1 J20 10 11 10203040 500 pH FD/(gt) 图3絮凝条件对絮凝剂吸附效率的影响.(a)pH:(b)絮凝剂单耗 Fig.3 Effects of conditions on efficiency of flocc adsorption:(a)pH;(b)flocculant dosage 由图3(a)可知，在FD和初始尾砂料浆的固相 混合速率与混合时间一定的条件下，人造尾砂颗 质量分数不变的条件下，在pH值8~11的范围 粒能够吸附的絮凝剂有限，从而导致在有限时间 内，efoc随着pH的增大而不断增大，说明在增大 内不能被吸附的絮凝剂增多 pH有助于絮凝剂的吸附，这是因为本文中在 23絮凝沉降对屈服应力的影响 pH增大时Zeta电位和Ca+浓度均不断增大，从而 在不同pH和FD条件下，通过絮凝沉降实验 促进高分子絮凝剂在人造尾砂颗粒表面的吸附. 得到浓缩（未添加水泥等胶结剂）超细尾砂料浆， 由图3(b)可知，当pH值为11时，在FD=0~ 通过流变仪测试浓缩超细尾砂料浆的屈服应力， 45g的范围内，TOCsuper随着FD的增大而不断 并根据图3中的絮凝剂吸附效率和絮凝剂添加量 增大，efoc随着FD的增大而不断减小，说明随着 计算出人造尾砂表面单位面积的絮凝剂吸附量， FD的增大未被吸附的絮凝剂也不断增多.因为在 所得结果如图4所示 0.015 300 0.030 500 (a) (b) 0.025 ■ 250 A 400 0.010 20.020 300 200 曾0.015 ed/ssans 是000 200量 0.005 --量-me 150 --量-mne 100 --Yield stress 0.005 一A-Yield stress 100 0 10 11 10 20 30 40 00 pH FD/gt) 图4絮凝条件对屈服应力的影响.(a)pH:(b)絮凝剂单耗 Fig.4 Effects of conditions on yield stress:(a)pH;(b)flocculant dosage 屈服应力随着pH和FD的变化趋势与mao随 力和mao随着pH的增大而不断增大.由图4(b)可 着pH和FD的变化趋势相似.由图4(a)可知，当 知，当pH值为11时，在FD=0~45g的范围内， FD=15gt时，在pH值为8~11的范围内，屈服应 屈服应力和mao随着FD的增大也不断增大，并且

导水作用来进一步提高絮凝尾砂料浆的浓度[7−8] . 2.2    絮凝条件对絮凝剂吸附效率的影响 高分子絮凝剂与尾砂颗粒的絮凝作用属于桥 接絮凝，絮凝剂分子在尾砂颗粒表面的有效吸附 是絮凝的前提[29] . 根据絮凝前后 TOC 的变化来分 TOCsuper TOCfloc TOCsuper TOCslurry 析絮凝剂吸附情况，不同 pH 和 FD 条件下的絮凝 剂吸附情况如图 3 所示. 由图 3 可知，不同条件下 远小于 ，说明絮凝剂被大量吸附，但 是 略高于 ，说明仍有少量絮凝剂未 被人造尾砂颗粒吸附. 8 9 10 11 0.1 1 10 100 1000 TOCfloc TOCslurry TOCsuper efffloc TOCfloc TOCslurry TOCsuper efffloc pH 20 30 40 50 60 70 80 (a) (b) 0 10 20 30 40 50 1 100 10 20 40 60 80 100 efffloc /% efffloc /% TOC/(mg·L−1 ) TOC/(mg·L−1 ) FD/(g·t−1) 图 3    絮凝条件对絮凝剂吸附效率的影响. （a）pH；（b）絮凝剂单耗 Fig.3    Effects of conditions on efficiency of flocc adsorption: (a) pH; (b) flocculant dosage efffloc 由图 3（a）可知，在 FD 和初始尾砂料浆的固相 质量分数不变的条件下，在 pH 值 8～11 的范围 内， 随着 pH 的增大而不断增大，说明在增大 pH 有助于絮凝剂的吸附 ，这是因为本文中 在 pH 增大时 Zeta 电位和 Ca2+浓度均不断增大，从而 促进高分子絮凝剂在人造尾砂颗粒表面的吸附. TOCsuper efffloc 由图 3（b）可知，当 pH 值为 11 时 ，在 FD=0～ 45 g·t−1 的范围内， 随着 FD 的增大而不断 增大， 随着 FD 的增大而不断减小，说明随着 FD 的增大未被吸附的絮凝剂也不断增多. 因为在 混合速率与混合时间一定的条件下，人造尾砂颗 粒能够吸附的絮凝剂有限，从而导致在有限时间 内不能被吸附的絮凝剂增多. 2.3    絮凝沉降对屈服应力的影响 在不同 pH 和 FD 条件下，通过絮凝沉降实验 得到浓缩（未添加水泥等胶结剂）超细尾砂料浆. 通过流变仪测试浓缩超细尾砂料浆的屈服应力， 并根据图 3 中的絮凝剂吸附效率和絮凝剂添加量 计算出人造尾砂表面单位面积的絮凝剂吸附量， 所得结果如图 4 所示. 8 9 10 11 0 0.005 0.010 0.015 mfloc Yield stress mfloc Yield stress pH (a) 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 0 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0 100 200 300 400 500 (b) Yield stress/Pa mfloc/(mg·m−2 ) Yield stress/Pa mfloc/(mg·m−2 ) FD/(g·t−1) 图 4    絮凝条件对屈服应力的影响. （a）pH；（b）絮凝剂单耗 Fig.4    Effects of conditions on yield stress: (a) pH; (b) flocculant dosage 屈服应力随着 pH 和 FD 的变化趋势与mfloc 随 着 pH 和 FD 的变化趋势相似. 由图 4（a）可知，当 FD=15 g·t−1 时，在 pH 值为 8～11 的范围内，屈服应 mfloc mfloc 力和 随着 pH 的增大而不断增大. 由图 4（b）可 知，当 pH 值为 11 时，在 FD=0～45 g·t−1 的范围内， 屈服应力和 随着 FD 的增大也不断增大，并且 阮竹恩等： 絮凝沉降对浓缩超细尾砂料浆屈服应力的影响 · 1279 ·