無機和有機絮凝劑復配對鐵尾礦沉降特性研究

梁 效 王勇海，3 吳天驕 趙笑益

（1.西安西北有色地質研究院有限公司，陜西西安710054；2.陜西省礦產資源綜合利用工程技術研究中心，陜西西安710054；3.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙410083）

我國鐵礦石大多是貧、細礦，在分選的過程中多通過細磨提高鐵礦物與脈石的解離度，從而提高其分選指標。但這也造成了選礦后尾礦粒度細、沉降難度大、尾礦水濁度高等問題［1-3］。如果尾礦水回用，會惡化浮選過程；尾礦水直接排放，又會對周邊水體造成污染。因此，尾礦絮凝沉降對提高尾礦水水質、加強尾礦水的回用至關重要。目前，對尾礦絮凝沉降的研究和應用廣泛，多數尾礦通過添加高分子絮凝劑即可加速沉降、凈化回水［4-7］。但由于礦山生產技術提高、尾礦性質變差等原因，常規絮凝劑對尾礦的沉降效果可能無法滿足實際生產的需要。近年來，研發新型絮凝劑及采用絮凝劑復配來提高尾礦的絮凝沉降效果成為研究的新方向［8-10］。如TLT8626［11］、FS3802［12］、BSF8140［1］、N1500［13］、AL9020［14］等新型高分子絮凝劑在鋁土礦、金礦、鐵礦尾礦及煤泥水沉降中表現出較好的性能，聚合氯化鋁+聚丙烯酰胺［15］、水合硫酸亞鐵+聚丙烯酰胺［16］、氯化鎂+AL9020［17］、TLT8626+AS3318［11］等絮凝劑復配能夠提高含泥量高的尾礦的沉降效果，這些新型絮凝劑及絮凝劑復配的研究與應用對選廠尾礦沉降及與之相關的技術改進起著重要的作用。

陜西某鐵礦選礦廠處理量為30萬t/a，尾礦沉降速度慢、尾水濁度高、質量差，一直未回用。為了提高尾礦的沉降效果，促進尾水回用，通過單獨使用聚合氯化鋁、明礬、氯化鐵無機絮凝劑和陽離子50#、陰離子聚丙烯酰胺、新型AL9020有機高分子絮凝劑以及采用絮凝劑復配的方式對尾礦進行沉降試驗研究，分析了無機和有機絮凝劑復配對尾礦沉降的作用機理，為選廠尾礦快速沉降，提高尾水質量，加強尾水回用提供依據。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

試驗用鐵尾礦采自陜西某鐵礦選礦廠，測得礦漿質量濃度為16.4%，pH為7.04。使用激光粒度分析儀對尾礦進行粒度分析，結果見表1。由表1結果可知，尾礦樣粒度很細，-75 μm粒級產率為79.37%，-10 μm粒級產率為33.35%，因此，在自然狀態下尾礦沉降困難，尾礦水質量較差，需要進行絮凝沉降以提高尾礦的沉降效率。

1.2 試驗藥劑

試驗藥劑主要為3種常規的無機絮凝劑：聚合氯化鋁（PAC）、明礬和氯化鐵（FeCl3）；3種有機絮凝劑：陽離子50#絮凝劑（Y-50#）、分子量為1 200萬的陰離子聚丙烯酰胺（APAM-1200）和新型AL9020絮凝劑。各絮凝劑來源及純度見表2。

試驗過程中使用絮凝劑時，將無機絮凝劑配制成濃度為3%的溶液，有機絮凝劑配制成濃度為1‰的溶液。

1.3 試驗方法

將絮凝劑配制成溶液，每次量取等量的尾礦漿置入1 L量筒中，用注射器加入絮凝劑。量筒加蓋并上下翻轉10次，使絮凝劑與礦物顆粒充分作用。靜置后開始計時，并記錄澄清層的下降距離，按公式（1）計算沉降速度。20 min時測定澄清層的濁度，最后以尾礦的沉降速度和澄清層的濁度來評價沉降效果。沉降速度計算公式：

式中：v為沉降速度，m/d；H為臨界點澄清層高度，米；t為到達臨界點的澄清時間，h。

2 結果與討論

2.1 自然沉降和絮凝劑種類試驗

對尾礦進行自然沉降，并使用3種無機絮凝劑和3種有機絮凝劑分別對尾礦進行絮凝沉降試驗。無機絮凝劑加入量為300 g/m3；有機絮凝劑加入量為15 g/m3。自然沉降及不同絮凝劑對尾礦的沉降曲線見圖1，沉降速度和澄清層濁度結果見表3。

從圖1和表3結果可以看出，尾礦自然沉降速度慢，需要進行絮凝加快沉降速度。使用有機絮凝劑時，尾礦的絮凝沉降速度遠大于使用無機絮凝劑時，在有機絮凝劑中，使用APAM-1200和AL9020尾礦絮凝沉降速度快，而使用Y-50#絮凝劑時尾礦沉降速度相對較慢；在無機絮凝劑中，使用FeCl3時尾礦絮凝沉降速度優于使用PAC和明礬絮凝沉降的尾礦。

從試驗現象及濁度結果來看，尾礦自然沉降澄清層渾濁，濁度最大。使用有機絮凝劑絮凝沉降時澄清層較渾濁，其中Y-50#澄清層的濁度最大，APAM-1200和AL9020澄清層濁度相差不大。使用無機絮凝劑絮凝時澄清層透明，濁度均很小。無機絮凝劑絮凝后尾礦顆粒形成的絮團小且松散，堆積體積大，而有機絮凝劑絮凝后形成的絮團大，很快沉降，堆積后的體積小。

綜合來看，AL9020對尾礦的絮凝沉降速度最大，但澄清層較渾濁；3種無機絮凝劑絮凝沉降速度較有機絮凝劑慢很多，但澄清層透亮，因此，無機和有機絮凝劑配合使用效果可能會更好。3種無機絮凝劑中FeCl3對尾礦的沉降效果最好，因此選擇FeCl3與新型AL9020有機絮凝劑復配對尾礦進行沉降試驗研究。

2.2 FeCl3和AL9020復配絮凝沉降試驗

FeCl3的用量選擇分別為 150、200、250、300 g/m3，并以FeCl3每次的用量為定量，分別加入5、10、15、20 g/m3的AL9020。兩種絮凝劑配合使用時尾礦的沉降曲線見圖2～圖5，沉降速度和澄清層濁度結果見表4。

從圖2～圖5以及表4的結果可知，隨著FeCl3和AL9020用量的增大，尾礦的絮凝沉降速度均有增大的趨勢。但沉降速度增大的主要原因是AL9020用量的增大，當AL9020用量從5 g/m3增大到15 g/m3時，尾礦的沉降速度呈線性增大；當AL9020用量≥15 g/m3時，尾礦的沉降速度增幅不明顯。加入FeCl3后，澄清層濁度均很低，在21～27NTU之間。FeCl3和AL9020配合使用時，既提高了尾礦的沉降速度，又降低了澄清層濁度，發揮了兩者各自的優勢。

試驗中發現FeCl3用量為300 g/m3，AL9020用量≥15 g/m3時，產生大量棉狀絮團，導致尾礦沉降后體積蓬松，需要很長時間才能自然壓實。綜合考慮藥劑成本，選擇FeCl3和AL9020的用量分別為200 g/m3和15 g/m3比較適宜，此時尾礦的沉降速度為301.68 m/d，澄清層濁度為23NTU，沉降效率較兩者單獨使用時大幅提高。

2.3 無機和有機絮凝劑復配絮凝沉降機理分析

尾礦漿中的粗顆粒沉降后，微細顆粒在水中呈懸浮狀態，很難沉降。測得尾礦自然狀態下的Zeta電位為-18.26 mV，說明尾礦中顆粒表面帶有負電荷。不同FeCl3用量下礦漿的Zeta電位變化情況見圖6。

由圖6可以看出，隨著FeCl3用量的增大，尾礦的Zeta電位逐漸增大，并趨近于0。這說明添加無機絮凝劑可以降低尾礦顆粒表面的負電荷，從而減弱顆粒間的靜電斥力，增加范德華引力，提高顆粒之間相互碰撞的幾率，進而促進微細顆粒凝聚成較大的顆粒而沉淀。有機高分子絮凝劑分子量大、分子結構鏈長，能夠通過架橋作用使凝聚的顆粒迅速聚連成較大的絮團而沉淀下來。無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑之間的協同效應過程見圖7。

如圖7所示，將無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑配合使用，先利用無機絮凝劑中和電荷，使微細顆粒凝聚成較大的顆粒，再通過有機高分子絮凝劑的橋聯作用使顆粒快速形成體積大的絮凝物，能夠加快細顆粒的沉降速度，最終提高尾礦的沉降效果。

3 結 論

（1）鐵尾礦粒度細，小于74 μm的含量近80%。尾礦自然沉降速度慢，為6.60 m/d，且澄清層渾濁，濁度為237NTU，需要加入絮凝劑加速沉降。

（2）有機高分子絮凝劑能夠顯著提高鐵尾礦的沉降速度，且AL9020對尾礦的絮凝沉降效果優于Y-50#和APAM-1200。無機絮凝劑對降低澄清層濁度作用明顯，但在提高尾礦的絮凝沉降速度方面不如有機絮凝劑，3種無機絮凝劑的沉降效果為：FeCl3＞PAC＞明礬。

（3）無機和有機絮凝劑配合使用，一方面通過無機絮凝劑消除尾礦顆粒間的靜電斥力，另一方面通過有機高分子絮凝劑的橋連作用使得顆粒形成大絮團，既能降低澄清層的濁度，又能加快尾礦的沉降速度。當FeCl3用量為200 g/m3、AL9020用量為15 g/m3時，尾礦的沉降速度為301.68 m/d，澄清層濁度為23NTU，沉降速度較自然沉降提高了45倍，澄清層濁度降低了10倍。