剪切環境下某鉛鋅尾礦絮團演化過程及絮團表征

2020-10-09 08:17:00孫浩李茂林崔瑞江宏強周勝寧江峰

礦產保護與利用 2020年4期

孫浩，李茂林,3，崔瑞，江宏強，周勝，寧江峰

1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢 430081；

2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北武漢 430081；

3.長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南長沙 410012

引言

凡口鉛鋅礦山是利用水力旋流器來分級固體顆粒，顆粒較細的部分將通過溢流派到廢礦池中，顆粒較粗的部分回收利用作為井下充填的材料使用，而水力旋流器中，對尾礦顆粒的作用主要體現在剪切力上，所以要求尾礦顆粒具有一定的抗剪切強度。如何增加尾礦顆粒的抗剪切強度和從水力旋流器底流增加尾礦砂的細顆粒的同體部分產量，以達到節約充填成本以及減少細粒級尾礦污染的目的，一直是礦山產業所面臨的重要課題。

吳文[1]研究結果表明絮凝藥劑能夠大幅度地提高尾礦砂漿充填材料的強度，而且絮凝藥劑使用量存在一個最優值，使充填材料的強度達到最大。鄔順科[2]等考察了攪拌葉輪形狀、攪拌速度以及攪拌時間等特殊水動力學因素對高嶺石疏水剪切絮凝浮選行為的影響，研究表明攪拌速度影響渦旋強度，攪拌功率以及顆粒接觸碰撞速率等；攪拌時間關系著絮團的成長程度。張金鳳[3]等研究表明了低剪切強度水體紊動對絮凝有促進作用而高剪切強度水體紊動對絮凝有抑制作用。張乃予[4]等研究表明動水絮凝過程可概括為：顆粒碰撞一有效碰撞黏結一絮團重構一絮團破裂一絮團再形成。肖淑敏[5]等研究指出在最佳攪拌時間基礎上發現攪拌速度是影響混凝性能和絮體特性的主要因素，這些研究都表明添加絮凝劑能增加尾礦顆粒強度，而剪切環境與絮凝行為有著密不可分的聯系。

已有絮凝試驗中多給出不同水流條件下最終形成的絮團強度，但很少從絮團演化過程中，解釋絮團特性如何發生變化，本研究為考察剪切環境下某鉛鋅尾礦絮團演化過程及絮團表征，在不同的剪切強度下，以聚丙烯酰胺(PAM)為絮凝劑，進行了相關的試驗研究，通過礦漿RBI值(一種反映顆粒數目與濃度的指標)、絮團沉降率以及絮團分形維數進行絮團表征，并通過顆粒錄影顯微技術觀察絮團演化過程，考察了不同的攪拌強度、攪拌時間和礦漿輸入能量對某鉛鋅尾礦絮凝行為的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗原料與儀器

該鉛鋅尾礦是以方解石、石英為主要礦物的尾礦。經測定該尾礦表面帶負電荷，比重為3.19 g/cm3，該鉛鋅尾礦負累積粒度分布曲線如圖1所示，d10為1.076 μm，d50為6.936 μm，d90為28.884 μm。

圖1 某鉛鋅尾礦負累積粒度分布曲線

對浮選尾礦進行化學多元素測定，測定結果如表1所示。由表1可知浮選尾礦中，硫品位為7.46%，所取礦樣硫品位略高于該鉛鋅礦浮選尾礦全年平均硫品位，主要的脈石成分為SiO2、Al2O3、CaO和MgO，四者合計含量為54.73%。浮選尾礦中還含有As、Cd等成分。

表1 化學多元素測定

Unit: g/t.

Zeta 電位分析儀(Nano ZS)；JJ-1A精密增力電動攪拌器；顆粒錄影顯微技術(ParticleView V19)；PM6000 透光偏光型顯微鏡；TZC-4沉降式粒度儀。

本試驗選取絮凝劑類型為：陽離子聚丙烯酰胺(CPAM，分析純，分子量：1 200萬)、陰離子聚丙烯酰胺(APAM，分析純，分子量：1 200萬)、陽離子醚化淀粉(分析純)。

1.2 試驗方法

用去離子水配制質量濃度為 10% 的礦漿，調整 pH 為 7，配制質量濃度為0.1% 的CPAM溶液作為投加藥劑。藥劑投加量為 200 g/t。試驗時，先超聲分散2 min,將混凝攪拌器置于恒溫槽中，控制溫度為 20±1 ℃，將ParticleView V19的探頭固定插入到攪拌槽中，加入 10 mL 藥劑到礦漿中，立即使用精密攪拌器進行攪拌，攪拌后，迅速將礦漿移出，測定沉降率以及顯微鏡拍照。本研究通過改變攪拌時間和攪拌轉速來確定攪拌條件對絮凝行為的影響以及絮團如何表征。

由于臨界攪拌速度為800～1 000 r/min[6]，超過這個值時，由于渦流的強剪切力會破碎絮團，只剩下小的絮團，甚至呈分散狀態，而攪拌速度太小，剪切強度太小無法看到絮團破碎過程，因此本試驗攪拌轉速定為450 r/min、600 r/min、750 r/min。

1.3 指標檢測

顆粒錄影顯微技術(ParticleView V19)是一款基于探頭的技術，它能實時在線的監測顆粒及顆粒結構。不需要取樣及離線分析，就可在很寬的工藝條件下捕捉到高分辨率的圖片。而且可以得到與圖像對應的一條RBI曲線，它能敏感反應出顆粒數目和濃度的變化。

沉降率：利用1 000 mL沉降量筒對礦漿進行絮凝沉降，將虹吸管插入試驗量筒內，使虹吸管的端口位于量筒液面下100 mm處。改變沉降時間，將上清液過濾烘干稱重，記錄質量mt，礦漿原尾礦質量為m0，絮團某一時刻的沉降率ω=m0-mt/m0×100%可以作出沉降率隨時間變化曲線，通過絮團沉降率來反映絮凝效果以及絮團的沉降性能。

分形維數[7-9]：絮凝體分形維數的測定，使用膠頭滴管取適量的某鉛鋅尾礦絮凝體置于載玻片上，通過 PM6 000 透光偏光型顯微鏡采集的不同粒度絮凝體的圖像，測出相應粒度絮凝體圖形的最長距離以及投影面積。

依據公式:

A=BLDf

(1)

通過對等號兩邊取對數，可得:

lnA=lnB+DflnL

(2)

式中:A為截面面積;B為比例常數;L為最長距離(也稱為特征長度);Df為分形維數。

根據所得投影面積A和最大長度L，做出lnA與lnL的擬合直線關系圖，則斜率就是絮凝體的分形維數。

2 試驗結果和討論

2.1 絮凝劑的選擇和最佳用量

絮凝劑條件試驗在50 r/min的低攪拌速度下進行，防止攪拌強度過高，使絮團發生破裂。如圖2所示，在藥劑用量為200 g/t時，對某鉛鋅尾礦的絮凝作用：CPAM>APAM>陽離子醚化淀粉，陽離子醚化淀粉陽離子淀粉對尾礦顆粒絮凝效果較差，這是由于陽離子醚化淀粉形成的絮體較小，且容易在攪拌時受剪切力作用而破壞，不能滿足實際使用時的要求，而CPAM絮凝效果優于APAM，這是由于PAM用于絮凝時，與被絮凝物種類的表面動電位有關，尾礦表面電位為負電荷，加入表面電荷相反的PAM，能使顆粒表面動電位降低而凝聚。由圖3當沉降時間在180 s之后，沉降率上升緩慢，故選擇沉降時間為180 s，由圖4可知，沉降率隨CPAM用量的增加，3 min沉降率逐步提高，到200 g/t時達到最大值然后開始下降，因為當絮凝劑過量時，雜質顆粒被絮凝劑包裹，從而使得整個體系變為帶正電荷。由于正電荷間的互斥作用，絮凝體再次分散，發生再穩現象，從而使絮凝效果減弱。故對某鉛鋅尾礦而言，最佳CPAM用量為200 g/t。

圖2 不同絮凝劑的沉降效果對比

圖3 不同CPAM單耗下絮凝沉降曲線

圖4 沉降3 min的沉降率對比

2.2 攪拌時間對鉛鋅尾礦絮凝效果影響

如圖5所示，絮團沉降率隨攪拌時間的增加而不斷降低，絮團沉降性能不斷減弱，RBI值反應礦漿中顆粒數以及濃度的變化，在濃度不變的情況下，RBI值越大，礦漿中顆粒數越多，而由圖6中RBI值變化可知，RBI值隨攪拌時間的增加而增加，礦漿中顆粒數增加，顆粒越分散，絮團更不容易聚集，但絮團分散越來越緩慢，轉速越高時，到達變緩點越快，但絮凝效果越差。

圖6 礦漿RBI值隨攪拌時間的變化

圖5 絮團沉降率隨攪拌時間的變化

這是由于在高剪切條件下，尾礦顆粒與CPAM高分子在紊流中迅速結合成大絮團，但這種絮團在剪切環境下并不穩定，隨著攪拌時間的增加，絮團中不穩定的部分被紊流的剪切作用打散，絮團在剪切作用下打磨，強度越來越高直至穩態，絮團破碎與形成達到一個平衡點[10]。

2.3 攪拌強度對鉛鋅尾礦絮凝效果影響

絮凝體強度是絮凝分離的一個重要的參數，絮團強度的大小能夠反映出絮團抗破壞能力的強弱。絮團破裂主要是因為脈層壓差和表層剪切力的作用。實際上絮團生長過程就是絮團凝聚、破碎、再凝聚的過程，最終都達到穩態絮團強度與絮團所受剪切力以及絮團截面面積有關[10]。絮團所受剪切力τ[10]計算公式：

τ=μG

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，τ—剪切力，Pa;ρ—水的密度，kg/m3；C—阻力系數;取值范圍 0.2～0.5，本文取 0.35；Z—槳板數目；b—擋板數目；μ—水的動力粘滯系數，Pa·s；R—垂直軸中心至槳板外緣的距離，本實驗為R=0.033 m；r—垂直軸中心至槳板內緣的距離，本實驗為r=0；n—垂直軸轉速；V—被攪動的水體體積，m3。

如圖7、圖8、圖9所示，在剪切率分別為30 s-、46.5 s-、65 s-下顯微鏡100倍放大倍數下穩定存在的絮團圖像和二維分形維數擬合結果，從圖中可以看出，經過長時間的攪拌下，絮團分形維數較大，說明此時絮團形貌比較規則，結構比較緊實。

圖7 G=30 s-

圖8 G=46.5 s-

圖9 G=65 s-

表2為在轉速為450 r/min、600 r/min、750 r/min下，對應的攪拌強度為30 s-、30 s-、65 s-，增加攪拌強度，絮團分形維數增大，絮團形貌更加規則，由于系統處于穩態，此時由于水流剪切作用與絮團強度達到一個平衡，絮團強度隨攪拌強度增大而增大。

表2 不同攪拌強度下絮凝參數

2.4 單位礦漿輸入能量對鉛鋅尾礦絮凝效果的影響

如圖10以及圖11隨著礦漿輸入能量增加，參加絮凝作用的顆粒，以及絮團沉降率，前期變化極快，絮團被打散，在此攪拌體系中，單位體積礦漿輸入能量(計算公式如式7所示)達到626.04 kJ·m-3時，顆粒數目增加緩慢，沉降率降低不明顯，絮團長大和破碎形成一個穩態，因此絮凝過程中存在一個極限輸入能量值，超過這個值時，絮團尺寸變小但變得特別緊密，絮團強度足夠大，能在剪切環境下穩定存在。

圖10 絮團沉降率隨單位體積礦漿輸入能量的變化

圖11 礦漿RBI值隨單位體積礦漿輸入能量的變化

(7)

ES-單位體積礦漿輸入能量；P0—攪拌器空轉功率，W；p1—攪拌器在礦漿中運轉功率，W；T—攪拌時間，s；V—礦漿體積，m3。

而基于ParticleView V19技術拍攝對應單位礦漿輸入能量以及時間變化在不同轉速下的圖像如表3所示，可以清晰地看出尾礦顆粒在加入絮凝劑后迅速形成大絮團，但此時絮團較松散，隨著單位體積礦漿輸入能量的增加，大絮團被逐漸打散而形成強度高但較分散的小絮團，最終形成穩態的過程。輸入相同的單位體積礦漿輸入能量，轉速越高，絮團越分散，在相同轉速下，單位體積礦漿輸入能量越高或者攪拌時間越長，絮團越分散，并逐漸趨于穩定。