非离子絮凝剂对微细粒尾矿絮凝沉降的影响

韩　瑞，吕宪俊，李　琳，朱成志

(1.青岛科技大学，山东 高密 261500；2.山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛 266590)

非离子絮凝剂对微细粒尾矿絮凝沉降的影响

韩瑞1，吕宪俊2，李琳2，朱成志2

(1.青岛科技大学，山东 高密 261500；2.山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛 266590)

摘要：以d90约为20μm的微细粒难沉降尾矿为试验对象，研究了非离子型絮凝剂的分子量和用量对微细粒尾矿沉降性能的影响。结果表明：随着非离子型絮凝剂分子量的增加，尾矿的沉降速度逐渐增加，压缩区浓度有所下降；絮凝剂的用量对细粒尾矿絮凝沉降的作用是分阶段的，用量较低时，沉降速度慢且涨幅小，用量适中时，沉降速度大且涨幅较大，用量较高时，沉降速度基本稳定，没有大幅度增长；而压缩区浓度在前两个阶段都是逐渐降低，最后也基本稳定。选用N1500絮凝剂，用量为200g/t时，可以获得较好的沉降效果，沉降速度为5.46cm/min，压缩区浓度为38.46%。

关键词：非离子型絮凝剂；微细粒尾矿；沉降速度；压缩区浓度

目前尾矿处理方面应用最广的当属有机高分子絮凝剂。根据絮凝剂官能团的类型以及官能团在水中离解后所带电荷的性质，又可以将有机絮凝剂分成阴离子型、阳离子型、非离子型和两性有机高分子絮凝剂[1]。

非离子絮凝剂中所含有的官能团主要有羟基、氨基、酰胺基等，非离子絮凝剂的作用主要是通过这些非离子型官能团基团与颗粒表面形成氢键来使颗粒粘附到絮凝剂分子链上，再通过分子链的“架桥”作用形成絮团，由于非离子絮凝剂中的官能团基团水解不带电荷，所以本身也不受矿浆pH等的影响。此外，氢键作用容易形成也容易断裂，所以对尾矿的后续处理影响较小。

通常絮凝剂的絮凝沉降特性受很多因素的影响，例如：絮凝剂的种类、用量、浓度以及矿浆的粒度组成、浓度、温度、pH等[2-4]，然而对于非离子型絮凝剂的分子量和用量等因素对絮凝沉降，尤其是微细粒尾矿絮凝沉降的影响研究较少，还需要进一步探讨。

本文重点研究非离子型絮凝剂的分子量和用量对微细粒尾矿沉降特性的影响，从而为该类絮凝剂的推广应用提供科学依据。

1试验部分

1.1试验原料

1.1.1尾矿

试验尾矿试样来自南京梅山某铁矿选矿厂，对试验原料矿浆进行基本物理性质检测，用比重瓶法进行了密度的测定，测得尾矿的密度为3.21g/cm3，用激光粒度分析等方法进行了测试，粒度分析结果见表1。通过激光粒度分析仪测试得出d95约为35μm、d90约为20μm、d70约为10μm，从表2也可以看出，该尾矿-20μm细颗粒达到89.08%，-2μm含量24.46%，这说明该样品属于微细粒尾矿[5-7]。

1.1.2絮凝剂

采用的非离子絮凝剂是河南省台前县中原化工有限公司提供的粉末状非离子型聚丙烯酰胺，并依据GB/T12005.10-89和GB/17514-1998测定并计算样品固含量和分子量见表2。

表1　尾矿粒度组成

表2　聚丙烯酰胺分子量测定结果

1.2试验方法

试验研究采用传统的絮凝沉降实验方法，所用的实验设备有：1000mL量筒、秒表、天平、烧杯。

1.2.1试验原料的制备

准确配制浓度为0.1%的非离子型聚丙烯酰胺絮凝剂：准确称取100g去离子水，然后边搅拌边向水中加入0.1g非离子聚丙烯酰胺，搅拌速度在50 rpm以下，直至絮凝剂全部溶解完全，现配现用。

尾矿的浓度是影响微细粒尾矿沉降的重要因素之一，由于取样时，测定现场微细粒尾矿的平均浓度为10%，所以，在浓度为10%的尾矿条件下，考察非离子型絮凝剂对微细粒尾矿沉降性能影响。

配置浓度为10%的矿浆：准确称取100g干矿加入900g水中，并搅拌5min，放置10min，再搅拌5min，使矿浆充分混合形成浓度为10%的矿浆悬浮液。

1.2.2沉降试验方法

进行絮凝实验时，在带有刻度的1000mL量筒中加入1000g10%的矿浆，并搅拌均匀，再加入絮凝剂，封住量筒的上口，来回倒转震荡3次，使矿浆和絮凝剂混合均匀，然后放在水平的台面上，同时用秒表开始记录沉降时间和澄清层高度，澄清层每下降1cm记录沉降时间，并观察澄清层的澄清度，记录沉降时间直到压缩区高度不再变化，一般持续24h。

1.2.3评价指标

在沉降过程中分为澄清区、自由沉降区、过渡区和压缩区，根据科-克莱文杰静态沉降模型，在自由沉降区中，尾矿颗粒是区域沉降状态，沉降速度基本相同。并且此区域沉降速度越快，沉降过程所需的沉降时间也就越短，对整个沉降过程越有利[8]。而对于压缩区，我们沉降浓缩的目的就是得到高浓度的产物和澄清的上清液，并且压缩区浓度越高，说明浓缩效果越好，对尾矿的后续处理越有利。所以综合考虑多方面的因素，最终以自由沉降区的沉降速度和压缩区的浓度来作为评价指标，沉降速度越快越好，压缩区浓度越高越好。最后絮凝效果的评价要综合考虑这两个方面。根据如图1所示的沉降曲线，平均沉降速度和压缩区浓度的公式计算分别见式(1)、式(2)。[8]

(1)

式中：dH为沉降曲线中AB两点间的澄清层高度；dt为沉降曲线中AB两点间的沉降时间。

(2)

式中：m干矿为干矿质量；m总为总矿浆质量；V水为澄清层水的体积。

2试验结果与讨论

2.1自然沉降

矿浆浓度为10%的尾矿的自然沉降曲线如图2所示，横坐标为絮凝沉降时间，纵坐标为澄清区高度。通过自然沉降曲线计算出：自由沉降区的平均沉降速度为0.28cm/min，压缩区浓度为44.45%。这表明，微细粒尾矿的自然沉降效果并不好，沉降速度很慢，需要加入絮凝剂来提高沉降速度。

图1沉降曲线

图2自然沉降曲线

2.2絮凝沉降

为了加快尾矿的沉降速度，进行了添加非离子聚丙烯酰胺絮凝剂的絮凝沉降试验。同时考察非离子絮凝剂分子量和用量对微细粒尾矿的影响。

2.2.1非离子聚丙烯酰胺分子量对微细粒尾矿沉降的影响

非离子型聚丙烯酰胺的分子量对微细粒尾矿絮凝沉降实验，选用的分子量从低到高的非离子型絮凝剂；经过初步实验后选定实验的絮凝剂添加量为100g/t，其沉降曲线如图3所示，根据沉降曲线计算的沉降速度和压缩区浓度见表3。

由图3和表3可以看出，添加非离子型聚丙烯酰胺后，对微细粒尾矿的沉降都是有利的，加入絮凝剂后絮团的产生，使得微细粒尾矿的沉降速度提高，压缩区浓度略有降低。在添加N300絮凝剂时，沉降速度为0.53cm/min，是自然沉降的2倍，对尾矿的沉降有所改善，但是沉降速度依然很慢，同时，其压缩区的浓度为42.82%，比自然沉降略有下降。添加N1500絮凝剂后的絮凝沉降速度为2.61cm/min，压缩区浓度为40.0%。

图3添加不同分子量的非离子聚丙烯酰胺的沉降曲线

表3不同分子量聚丙烯酰胺的絮凝沉降

的沉降速度和压缩区浓度

絮凝剂名称沉降速度/(cm/min)压缩区浓度/%-0.2844.45N3000.5342.82N5001.0441.67N8001.2741.32N10001.2940.98N12001.5240.82N15002.6140.00

通过比较添加不同分子量的聚丙烯酰胺后尾矿的沉降情况发现：尾矿的沉降速度随着分子量的增加而提高。表明分子量对絮凝沉降速度的影响要大于对压缩区浓度的影响。这主要是非离子型聚丙烯酰胺分子量的大小与分子链的长短有关，分子量越大，其分子链越长，其通过“架桥”作用形成的絮团越大，在沉降过程中，沉降速度也就越快，同时絮团间和絮团内包裹的水也就越多，因此压缩区浓度会降低。在试验时也可以观察到，随着分子量的增加，尾矿所形成的絮团也变大，压缩区变的更松散，这些现象也验证了这一理论依据。因此，N1500絮凝剂是微细粒尾矿的最佳絮凝剂。

2.2.2非离子聚丙烯酰胺用量对微细粒尾矿沉降的影响

为了考察非离子聚丙烯酰胺的用量对微细粒尾矿的影响，通过初步试验，选用N1500非离子型聚丙烯酰胺来进行絮凝沉降试验，添加的絮凝剂用量依次是：50g/t、100g/t、150g/t、200g/t、250g/t、300g/t、350g/t、400g/t、500g/t。其沉降实验曲线如图4所示，根据沉降曲线计算出非离子聚丙烯酰胺不同用量的絮凝沉降速度和压缩区浓度见表4。

图4添加不同用量非离子型聚丙烯酰胺时的沉降曲线

图5非离子聚丙烯酰胺用量对微细粒
尾矿沉降性能的影响

表4添加不同用量非离子型聚丙烯酰胺的絮凝沉降

的沉降速度和压缩区浓度

用量沉降速度/(cm/min)压缩区浓度/%0g/t0.2844.4550g/t1.1241.67100g/t2.6140.00150g/t3.0538.91200g/t5.4638.46250g/t10.9737.74300g/t16.9837.17350g/t17.2236.91400g/t17.5036.82500g/t17.8236.74

由图4、图5可以看出，随着絮凝剂添加量的增加，沉降速度呈现先缓慢增长再快速提高、最后趋于稳定的状态。当用量在0～150g/t时，尾矿的沉降速度较小，且增长缓慢，150g/t时平均沉降速度为3.05cm/min，压缩区浓度从41.67%逐渐降低到38.91%；当用量为150～300g/t时，沉降速度较快，并且速度增长幅度较大，平均沉降速度从3.05cm/min增长到16.98cm/min，然而压缩区浓度逐渐降低至37.17%；当用量超过300g/t时，沉降速度不再无限增长，逐渐稳定在17cm/min左右，同时压缩区浓度逐渐稳定在37%左右。

絮凝剂的絮凝作用实质是在溶液中通过分子间的架桥作用，形成颗粒絮团，从而增加絮团自身的重力，增加矿物颗粒的沉降速度。根据王勇等[3]的研究，絮凝剂添加量可以分为四个区，分别是低含量阶段、合适含量阶段、高含量阶段和超高含量阶段。当非离子型聚丙烯酰胺用量为0～150g/t时，微细粒尾矿絮凝沉降速度变化不大，压缩区浓度逐渐降低，主要是因为吸附在矿物颗粒表面的絮凝剂分子较少，相互之间形成的“桥链”少，不能形成较大的絮团，絮团内和絮团间的水也少，所以尾矿沉降速度较慢，压缩区浓度略微降低。通过试验现象也可以观察到絮团很小、压缩区浓度比较均匀，裂隙也较少，所以这个阶段是部分吸附阶段。当用量在150～300g/t时，尾矿的沉降速度迅速增加，从3.05cm/min增长到16.98cm/min，这主要是因为絮凝剂含量达到一定量后，絮凝剂分子链之间形成桥链，进而形成了絮凝分子网，来网捕微细颗粒，使絮团重力增加、体积增加，从而加快了絮团的沉降速度，絮团内和絮团间的水分也增加，降低了压缩区浓度，此阶段是合适用量阶段，表现为吸附架桥作用。当用量高于300g/t时，沉降速度并没有无限增加，而是稳定在17cm/min左右，这主要是大量的絮凝剂分子将颗粒表面覆盖，不能再通过架桥作用而絮凝，形成的絮团不会无限增大，沉降速度也不会无限增加，而是逐渐稳定在17cm/min左右，压缩区浓度同样也逐渐稳定37%左右，此时絮凝剂起到的是保护作用，所以此阶段为过量保护阶段。

通过对非离子聚丙烯酰胺用量对微细粒尾矿沉降性能的影响的分析，对图5中的两条曲线分别进行拟合，得到微细粒尾矿的沉降速度以及压缩区浓度与絮凝剂用量的关系式见式(3)、式(4)。

(3)

C=-6×10-8x3+9×10-5x2-0.0417x+43.469，0≤x≤500

(4)

式中：V为沉降速度，cm/min；C为压缩区浓度，%；x为非离子聚丙烯酰胺用量，g/t。

式(3)、式(4)与实际试验值的相关系数平方R2均在0.995以上，具有良好的可信度和实用性。当絮凝剂用量在0～500g/t范围内时，可根据上式计算微细粒尾矿矿浆的理论沉降速度和压缩区浓度，可以为更深入的试验以及工业生产起到指导作用。

由于工业条件和要求不同，并不能一味的追求高的沉降速度，还要考虑压缩区浓度。因此，综合考虑沉降速度和压缩区浓度的情况下，选出最合适的絮凝剂用量是200g/t。

3结论

1)微细粒尾矿的自然沉降速度在浓度为10%时只有0.28cm/min，压缩区浓度为44.45%，沉降速度慢，浓缩效率低，需要加入絮凝剂来提高沉降速度。

2)非离子型聚丙烯酰胺对微细粒尾矿的沉降是有利的，并且随着絮凝剂分子量的增加，尾矿的沉降速度从0.53cm/min逐渐增加到2.61cm/min，压缩区浓度却有所减小，从42.82%降低至40.00%；非离子絮凝剂的分子量对沉降速度的影响大于对压缩区浓度的影响。

3)当用量为0～150g/t时，是部分吸附阶段，微细粒尾矿的沉降速度小且增长缓慢，压缩区浓度降低；当用量为150～300g/t时，是合适用量阶段，非离子型絮凝剂能够充分发挥了架桥作用，沉降速度较大且增长快，压缩区浓度降低。当用量超过300g/t时，是过量保护阶段，沉降速度逐渐稳定在17cm/min左右，同时压缩区浓度也逐渐稳定在37%左右。

4)当絮凝剂用量在0～500g/t范围内时，微细粒尾矿的沉降模型为式(3)和式(4)。

5)综合考虑沉降速度和压缩区浓度的情况下，选出最合适的非离子絮凝剂是用量为200g/t的非离子型聚丙烯酰胺N1500。

参考文献

[1]徐晓军.化学絮凝剂作用原理[M].北京:科学出版社，2005:16-18.

[2]王星，瞿圆媛，胡伟伟，等.尾矿浆絮凝沉降影响因素的试验研究[J].金属矿山，2008(5):149-151.

[3]王勇，吴爱祥，王洪江，等.絮凝剂用量对尾矿浓密的影响机理[J].北京科技大学学报，2013，35(11):1419-1423.

[4]王勇，王洪江，吴爱祥，等.细粒全尾矿絮凝沉降特性研究[J].黄金，2012，33(1):48-51.

[5]蔡清，程江涛，于沉香.细粒尾矿的定义及分类方法探讨[J].土工基础，2014，28(1):91-93.

[6]《中国有色金属尾矿库概论》编辑委员会.中国有色金属尾矿库概论[R].中国有色金属工业总公司，1992.

[7]中华人民共和国建设部.ZBJ1-90 选矿厂尾矿设施设计规范[S].北京:煤炭出版社，1990.

[8]谢广元.选矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2010：558-563．

The impact of non-ionic flocculant on the settling performance of micro-fine tailings

HAN Rui1，LV Xian-jun2，LI Lin2，ZHU Cheng-zhi2

(1.Qingdao University of Scence & Technology,Gaomi 261500,China；2.Chemical and Environmental Engineering College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:With the micro-fine tailings in which the particle content of -20μm accounted for 90% as test object，the impact of the molecular weight and dosage of non-ionic flocculant on the settling performance of micro-fine tailings was studied.The results showed that with the increase in molecular of non-ionic flocculant，the settling velocity of tailings increased and the concentration of compression zone decreased.The affect of the flocculant dosage on the settlement of fine tailings is phased：at low dosage，the sedimentation rate is slow and the amplification is little；at moderate dosage，the sedimentation rate is fast and the amplification is large；at higher dosage，the sedimentation rate is basically stable and there is no significant increase；the concentrations of compression zone are decreased at first two stages and finally stable.When flocculant selection to be N1500 and the dose is 200g/t，a better settlement results of 5.46cm/min sedimentation rate and 38.46% compression zone concentration can be obtained.

Key words：non-ionic flocculant；micro-fine tailings；the settling velocity；the concentrations of compression zone

收稿日期：2015-07-15

基金项目：山东科技大学科研创新团队支持计划项目资助(编号：2012KYTD102)；国家自然科学基金项目资助(编号：51474140)

作者简介：韩瑞(1988-)，女，山东菏泽人，硕士，主要研究方向为矿物资源综合利用。E-mail：hanrui0929@163.com。

中图分类号：TD926

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)05-0097-05