磁种絮凝法澄清某铁尾矿浆试验

2018-07-27伍喜庆刘天宇

金属矿山 2018年7期

伍喜庆刘天宇岳涛

（中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙410083）

矿山尾矿废水中通常含有一定量的微细矿物颗粒（矿泥），这些来自矿物加工过程中的矿泥具有粒度微细、动量小、表面荷电等不利于澄清的特点［1］，从而导致尾矿废水自净能力差，较难高效地自然澄清［2］，影响了废水的循环利用和排放。因而，对难澄清矿山废水开展高效澄清研究具有重要的现实意义。

为了改善含微细粒固体颗粒的选矿废水的澄清效果，国内外学者除在促絮凝药剂的研制上取得了不少成果［3-8］，还有学者引入了磁电力场［9-10］等。有别于絮凝剂絮凝，磁种絮凝是以添加的强磁性粒子为物理药剂，使矿物微粒或其絮团吸附到强磁性粒子表面，从而促使矿物微粒发生磁团聚或提高絮团的紧密度，然后进行再分离的技术［11］。

传统的磁种絮凝存在着磁种用量大（2～10 g/L），絮凝澄清效果不佳等限制性特点［12-14］。笔者等［15-16］公开了一种在低磁场（0～39.81 kA/m）预磁条件下的磁性粒子与大分子絮凝剂相结合的协同絮凝新技术（MSS及 MSC），该技术主要通过微细粒（0.1～2 μm）磁种在大分子有机絮凝剂（如聚丙烯酰胺、淀粉等）与微细粒矿物颗粒之间的桥吸附作用，及磁种对矿物颗粒的磁吸引作用，在低强度的背景预磁场中实现对矿物颗粒的复合聚团，从而高效、低耗（磁种用量10～100 mg/L）、低成本地实现尾矿废水的絮凝澄清。

试验对某铁矿山含微细粒（-15 μm占99%）矿泥的尾矿废水，采用无机混凝剂聚合氯化铝（PAC）或聚合硫酸铁（PFS）、有机助凝剂聚丙烯酰胺和磁种体系进行了澄清效果研究，并对澄清机理进行了分析。

1 铁尾矿、磁种及试剂

1.1 铁尾矿

试验用铁尾矿的主要矿物成分为石英、赤铁矿等；浓度为20 g/L的矿浆浊度为2 200 NTU，在1 000 mL量筒中自然沉降5 min后，矿浆在900 mL刻度处的浊度为780 NTU。

1.2 磁种及试剂

磁种为高纯天然磁铁矿石，经磨矿、筛分得到粒度分布为-15、15～29、29～37、37～74 μm的颗粒。

无机混凝剂为PAC和PFS，配制成浓度为50 g/L的溶液供试验用。

助凝剂为聚丙烯酰胺（PAM），分别有阴离子型聚丙烯酰胺（APAM，（C2H3CONH2）n（C2H3COONa）m）、阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM，（C2H3CONHCH2N（CH3）2）n）和非离子型聚丙烯酰胺（NPAM，（CH2CHCONH2）n），分子量皆为800万左右，配制成浓度为0.4 g/L的溶液供试验用。

2 试验方法

（1）澄清试验。取20 g铁矿尾矿于1 L的烧杯中，加入约950 mL水后加入一定量、一定粒度的磁种，快速（500 r/min）搅拌3 min后加入一定量的混凝剂PAC或PFS并继续搅拌3 min，加入一定量的助凝剂PAM并定容为1 L后再慢速（300 r/min）搅拌1 min，并迅速倒入1 000 mL的量筒中，沉降一定时间后用移液管在900 mL刻度处取20 mL水样于测试瓶中，用WGZ-200S型浊度仪测其浊度。

（2）激光粒度分析。使用马尔文Mastersizer2000型激光粒度分析仪分别检测各条件下絮团的粒度，以观测絮凝前后粒度的变化情况。

（3）红外光谱分析。将磁种、赤铁矿纯矿物分别置于玛瑙研钵中研磨至-2 μm，分别置于浓度为0.4 g/L的聚丙烯酰胺溶液中作用10 min后进行离心分离，并在常温下晾干，最后将所制样品用750-FTIR型傅里叶红外光谱仪进行分析。

3 试验结果与讨论

3.1 单因子澄清试验

3.1.1 不同混凝剂澄清效果对比试验

无机混凝剂的水解产物具有压缩双电层、中和胶体电荷等能力，可以有效促进悬浮物等凝聚、沉降［17］。不同混凝剂澄清效果对比试验仅添加混凝剂，室温下结束搅拌后澄清20 min，试验结果见图1。

由图1可以看出，PFS和PAC的最佳投加量分别为1 000 mg/L和750 mg/L，PAC的澄清效果好于PFS。PFS和PAC的投加量不宜过大，这是因为投加量过大，矿物颗粒表面活性降低，会发生再稳现象，形成无吸附部位的稳定颗粒［18］，从而导致混凝效果变差。因此，后续试验以PAC为混凝剂。

3.1.2 助凝剂种类与投加量对澄清效果的影响

在PAC投加量为750 mg/L的情况下比较了助凝剂APAM、CPAM、NPAM投加量对尾矿浆澄清效果的影响，试验的澄清时间为20 min，结果见图2。

由图2可以看出，投加助凝剂有助于尾矿浆的澄清，3种助凝剂均存在最佳投加量，APAM、CPAM、NPAM的最佳投加量分别为0.2、0.5、0.7 mg/L；助凝剂投加过量不利于尾矿浆的澄清，这是因为投加过量的助凝剂聚丙烯酰胺会形成胶体保护［19-20］，聚合物分子间受到压缩变形而具有排斥势能，导致分子间的分散稳定，澄清效果变差。阴离子型聚丙烯酰胺APAM的效果优于其他2种类型助凝剂，这可能是因为APAM与PAC产生了协同作用［21］。因此，后续试验的APAM投加量为0.2 mg/L，对应的尾矿浆上清液浊度为27.8 NTU。

3.1.3 磁种强化混凝剂与助凝剂的澄清效果

控制PAC投加量为750 mg/L，APAM投加量为0.2 mg/L，添加不同粒度的磁种2 g/L进行澄清试验，考察其对澄清效果的影响，不同澄清时间下的澄清效果见图3。

由图3可以看出，在PAC与PAM用量最佳时继续投加磁种，依旧可以降低尾矿浆的浊度，说明磁种的投加有利于尾矿浆的澄清。随着磁种粒度的下降，澄清效果越来越好，一方面因为，相同量的磁种，粒度越小，颗粒数越多、比表面积越大，与胶体絮团碰撞几率也越大，更有利于磁性絮团的形成，从而加速沉降；另一方面，对于粒度较大的磁种，其沉降速度较快，还未来得及与胶体絮团发生充分吸附就自己沉淀下来。综合考虑，确定后续试验选用15～0 μm磁种。

3.1.4 磁种投加量对澄清效果的影响

在PAC的投加量为750 mg/L，APAM的投加量为0.2 mg/L，磁种粒度为15～0 μm，澄清时间为20 min情况下，考察了磁种投加量对澄清效果的影响，结果见图4。

由图4可以看出，随着磁种投加量的增大，尾矿浆上清液的浊度先下降后上升，磁种投加量为2.5 g/L时的浊度最低，为15.7 NTU。随着磁种投加量的增大，水体中磁种与胶体絮团碰撞、吸附的机会增大，更容易形成磁絮体；但当磁种投加过量时，过多的磁种不但不能有效地与胶体微粒等结合，反而会影响絮凝剂对尾矿颗粒的吸附，使得澄清效果变差。

3.2 正交试验

为了确定PAC、APAM、磁种的交互影响，在上述单因子试验的基础上进行了正交试验。

3.2.1 正交试验水平安排

确定的3因素分别为PAC（A）、APAM（B）、磁种（C），正交试验因素水平安排见表1。

3.2.2 正交试验结果

根据因素水平安排，按正交表L9（34）进行正交试验，结果见表2，表2中数据的极差分析结果见表3。

由表3可知，根据各因素的极差大小排序得到各影响因素的显著性排序为PAC投加量＞APAM投加量＞磁种投加量，各因素的优化组合为A2B3C3，对应的最佳水平为PAC投加量为750 mg/L，APAM投加量为0.3 mg/L，磁种投加量为3 g/L。

由于A2B3C3组合不在表2中，因此按此最优组合进行了验证试验，结果测得尾矿浆上清液的浊度为11.2 NTU，优于单因子试验和正交试验表中的浊度值。

3.3 磁种絮凝机理分析

3.3.1 磁种对絮凝体粒度的影响

为探究磁种的加入对絮凝体粒度的影响，对各澄清过程中絮凝体的粒度进行了测试，结果见图5。

由图5可以看出，尾矿浆中固体悬浮物粒度分布较为分散；投加PAC后粒度明显向粗粒级集中，且粒度范围明显变窄，-10 μm粒级（微粒）因吸附体积分数极低，表明混凝效果明显；继续投加APAM，粒度仍有向粗粒级偏移的趋势；投加磁种后，粒度更进一步向粗粒级集中，+100 μm粒级体积分数明显增加。说明磁种的投加可有效增大絮凝体的粒度，从而强化澄清效果。这是因为磁种粒子表面有较高的磁场梯度，因而磁种粒子与矿物粒子间具有作用距离较长的磁性作用势能，有助于磁种粒子与矿物颗粒吸附形成磁絮体［22］。

3.3.2 红外光谱分析

对磁种强化矿浆澄清的机理进一步探索，将磁种、赤铁矿纯矿物与APAM作用前后的样品进行红外光谱分析，结果见图6。

由图6可以看出，磁种与APAM作用后，3 324 cm-1处产生了—NH2的特征吸收峰；1 124 cm-1处产生了C—N的特征吸收峰；赤铁矿与APAM作用后，1 546 cm-1处产生了—COO-的特征峰，说明APAM与磁种和赤铁矿均发生了化学吸附，APAM起到吸附架桥作用，加上磁种的磁絮凝作用，二者的共同作用使形成的絮团大而稳定，有助于尾矿水的澄清。