低腐蝕礦用清洗劑的配方開發和應用

倪瀟

上海翱鶴礦業有限公司 （上海 201708）

陶瓷過濾機是一種礦山上常用的高效節能過濾設備，尤其在使用浮選或磁選等技術的選廠應用較廣[1]。陶瓷過濾機的工作區分為吸漿區、干燥區、卸料區和反沖洗區[2]。陶瓷過濾機開始工作時，濾板浸沒在料漿槽中，在真空作用下，料漿槽中懸浮的精礦顆粒吸附在濾板上，固體物料被截留在濾板上，濾液則通過濾板循環（富余部分也會外排）；濾板離開料漿槽，進入干燥區，在真空作用下濾餅繼續脫水；干燥后的卸料區配置有刮刀，將濾餅刮下；卸料結束，濾板進入反沖洗區，過濾后的水通過分配頭進入濾板，對濾板進行反清洗，把堵塞在微孔上的顆粒沖洗下來，至此完成一個過濾操作循環[3]。

雖然每個循環都有反沖洗，但仍有礦物顆粒堵塞一部分毛細管，長時間運行后過濾效果降低，因此需要定期清洗濾板。陶瓷過濾機清洗系統分簡單物理清洗（反沖洗）裝置、深度物理清洗（超聲波）裝置和化學清洗（酸洗）裝置，三者結合工作保障陶瓷板微孔通暢，保持陶瓷板高效率地運行，防止其在周期運轉中抽濾效果降低。

簡單物理清洗（反沖洗）：由內向外對每一個循環的反沖洗區陶瓷板進行沖洗，保證陶瓷板微孔得到疏通，在開車及聯合清洗時工作。

深度物理清洗（超聲）：主要是在混合清洗時利用高頻超聲波的空化作用對陶瓷板進行清洗，在聯合清洗時工作。

化學清洗（目前為硝酸洗）：雖然超聲波能把大部分小顆粒精礦從微孔中洗出，但大顆粒會卡在微孔中，僅使用超聲很難清洗干凈。硝酸是強酸，能夠溶解大部分金屬氧化物（精礦顆粒）和結垢。清洗過程中加入硝酸會使大顆粒粒徑變小，結合物理沖洗，能將更多的大顆粒洗下來，達到更好的清洗效果[4]。

陶瓷過濾機化學清洗絕大部分采用硝酸，使用少量的草酸進行輔助浸泡。隨著環保政策越發嚴格，硝酸清洗遇到了前所未有的壓力。實際生產中，硝酸存在較大的安全管理隱患。98%硝酸俗稱發煙硝酸，屬于危險化學品，在空氣中猛烈發煙，灼傷事故頻發；酸霧對設備、管道以及廠房腐蝕較為嚴重；硝酸儲存要求高，需專門的安全環保設施；硝酸稀釋操作難度大，放熱快，需要小心緩慢操作。發煙硝酸在空氣中會釋放NO2氣體，對人員健康存在一定傷害。由于硝酸具有強腐蝕性，清洗過程安全事故頻發，清洗廢液對環境造成污染，對構筑物造成腐蝕。諸多問題促使新型環保清洗方式的研發迫在眉睫[5]。

西北某鐵礦是國內著名的大型磁鐵礦床之一，主產品為鐵精礦。鐵精礦生產過程中脫水采用陶瓷過濾機。陶瓷過濾機濾板清洗始終采用硝酸，每年消耗98%濃硝酸約90 t。開發了一種硝酸替代品，為了進一步確定其清洗效果，在現場開展工業試驗驗證。

1 實驗部分

1.1 清洗劑配方

上海翱鶴礦業有限公司根據生產痛點、難點，開展硝酸替代品的研究。通過過濾產品和濾板性質分析、清洗劑分子設計以及清洗試驗等，最終獲得一系列產品TAXX。其主要功能組分包括固體有機酸、固體無機酸式鹽、水質硬度調整劑、pH 調整劑、表面活性劑（簡稱“表活”）、活性酶。

1.2 清洗劑的配置

當前選礦廠采購98%硝酸，先稀釋至50%，再由計量泵送入反沖洗管路中，和反沖洗水混合成0.5%～1%的酸液進行清洗，流程如圖1 所示。每噸精礦的硝酸用量約為100 g。發煙硝酸需要多步稀釋，且需要給與稀釋罐體一定的時間冷卻。

圖1 陶瓷過濾機硝酸清洗流程

TA20 是直接按照目標質量分數（即硝酸質量分數的十五分之一到十分之一）配制成稀溶液。在藥劑攪拌桶內添加適量的水，然后按一定比例添加清洗劑，慢速攪拌，待全部溶解后使用；全程罐體溫度沒有明顯變化。目標質量分數（5%～7%）的水溶液配制完畢后，直接代替原稀硝酸接入原過濾機酸泵吸入即可。藥劑接入方法見圖2。

圖2 陶瓷過濾機清洗劑清洗流程

1.3 工業試驗

HX-60 陶瓷過濾機過濾面積60 m2, 濾板180片。選廠精礦過濾車間共有10 臺同型號過濾機，6臺正常使用，4 臺維修或者備用。本次工業試驗采用現場一臺正常使用陶瓷過濾機，試驗時間為1 周。

選取2 號過濾機進行TA20 的陶瓷過濾機清洗試驗，時間從2021 年3 月4 日開始，穩定運行至3月7 日。試驗流程為：（1）3 月4 日早班采用硝酸清洗劑作為對照試驗，硝酸初始質量分數為48%，由計量泵送入反沖洗管路中，淘洗機中的硝酸質量分數為0.21%，然后邊超聲邊清洗，洗滌70 min。（2）3月4 日中班開始改用TA20 清洗劑，清洗時先配制5.5%的TA20 溶液，由計量泵送入反沖洗管路中，淘洗機中的TA20 質量分數為0.05%。邊超聲邊清洗，洗滌時間為70 min（其中酸洗60 min，然后關閉計量泵用反沖水沖洗10 min）。清洗1 h 后測量清洗水pH，取清洗水樣化驗化學需氧量（COD），方法參照HJ 828—2017《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》，記錄沖洗水壓力。（3）過濾時均保持陶瓷過濾機真空度為0.1 MPa，每班每隔2 h 記錄濾餅厚度（從右往左分別記錄第2，5，8，11，14 圈共5 個取樣點的濾餅厚度，然后取平均值）；每班測一次濾餅含水率。

2 結果和討論

2.1 清洗劑配方選定

硝酸清洗中以強酸的腐蝕作用為主。TAXX 系列清洗劑以表面活性劑和固體有機酸為最初配方，在試驗中不斷改進，通過添加其他功能組分，達到類似的清洗效果。

由表1 可知，初始配方（有機酸+表活）的清洗能力在短時間內可和硝酸持平，但是到了一個班次的后期（6～8 小時），濾餅變薄，顯示該配方的持續能力不夠。因此，在原配方中加入了固體無機酸式鹽，使酸性進一步增強，這個配方的清洗能力明顯優于初始二元配方。因為現場清洗用水大部分硬度比較高、堿度大，繼續加入一個微量組分，調整水體鈣、鎂離子含量和pH，使原配方能發揮更大的作用，最終形成了一個六元配方體系。

表1 TAXX 系列清洗劑配方改進和試驗濾餅厚度cm

經過多次實驗室內靜態溶解試驗對比，確定TA20 的溶出效果最好。TA20 為白色晶體，無色無味，易溶于水，溶解速度快且溶解過程中沒有明顯的溫度變化，酸性遠弱于等質量分數的硝酸，也不會產生酸霧，安全性提升，且操作簡化。TA20 配方如表2所示。

表2 TA20 陶瓷板清洗劑配方

2.2 工業試驗

由表3 工業試驗數據可知，在洗滌時間相同（均為70 min）、陶瓷過濾機真空度均為0.1 MPa 條件下，采用TA20 清洗后的濾餅厚度與硝酸清洗的濾餅厚度基本一致，均隨著過濾時間的增加而略微減小，在8 h 內濾餅厚度的平均值為0.46～0.54 cm，含水率在8.35%～11.32%之間。

表3 工業調試生產指標

采用硝酸作為清洗劑，其清洗水pH≈2，酸度過大，如果不用石灰中和，無法直接外排；而采用TA20作為清洗劑，其清洗水pH≈6，ρ（COD）≈10 mg/L，遠低于當地環保局污水排放上限值（500 mg/L），可直接排放。

TA20 清洗劑在使用中優于硝酸，能在1/3～1/4的硝酸質量分數下達到相同的清洗效果。配置上大大簡化，消除了硝酸使用中放熱和產生酸霧的危險，減少了分步稀釋硝酸中所需要的中間酸液（50%硝酸溶液）儲罐。作為固體，其儲存和運輸也比高濃硝酸安全和方便。

3 成本分析

根據該礦業的實際生產情況，2019 年共生產137 萬t 鐵精礦，共消耗87.65 t 硝酸，硝酸單價為2 850 元/t（不含稅），可知以硝酸作為清洗劑的成本為：87.65×2 850/1 370 000=0.18 元/t。

2021 年3 月4 日至3 月7 日使用TA20 進行陶瓷過濾機的清洗工業試驗，每個班次每臺陶瓷機使用TA20 的量為4.1 kg。由此可知，每年需使用環保清洗劑TA20 的量約為4.1×3×6×330/1 000≈24.5 t。按照清洗劑售價2 萬元/t 計，生產1 t 精礦的清洗成本為0.3 元。

4 結語

（1）TA20 是一種環保礦用清洗劑，相比于硝酸清洗劑，它具有綠色環保，存儲、配制、使用及運輸過程安全、簡單、方便，對設備零部件腐蝕小等優點，可改善工作環境，降低過濾過程中的事故率。

（2）陶瓷過濾機的工業清洗試驗表明：TA20 能夠完全替代硝酸清洗劑，且清洗水pH≈6，遠高于硝酸作為清洗劑的清洗水pH（約為2）；使用TA20 的清洗水ρ（COD）≈10 mg/L，遠遠低于當地環保排放上限，無需石灰中和即可直接排放。

（3）在清洗工業試驗中，陶瓷過濾機真空度均為0.1 MPa 的條件下，采用TA20 清洗后的濾餅厚度與硝酸清洗的濾餅厚度基本一致，均隨過濾時間的增加而略微減小，在8 h 內濾餅厚度的平均值為0.46～0.54 cm，含水率在8.35%～11.32%之間。

（4）經計算，該礦業每年需使用環保清洗劑TA20 的量約為24.5 t，約為硝酸用量的28%。