新型植物胶类沉降剂对胶磷矿的沉降性能

薛广海 李 强 刘 庆 陈雁南

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

磷矿是我国重要的战略资源，中低品位胶磷矿的开发和利用是保障磷矿资源的主要途径，但其选矿工艺存在很多技术瓶颈，其中就包括精矿和尾矿的沉降问题[1]。为达到良好的选矿效果，胶磷矿通常对磨矿细度具有很高的要求，但磨矿粒度越小，精矿和尾矿就越难沉降，往往需要通过增加浓密设备来提高产能或者添加沉降剂实现更高效率的沉降。

沉降剂在特定场合也称絮凝剂，按其组成一般可分为有机沉降剂和无机沉降剂。无机沉降剂的应用历史悠久，但是由于投放量大、效率低，其应用受到了限制。有机沉降剂又可分为合成高分子有机沉降剂和天然高分子有机沉降剂，合成高分子有机沉降剂曾经在市场占据主导地位，但由于其在生产过程中残留、在自然降解过程中产生的丙烯酰胺单体具有神经毒性，因此在实际应用中逐步受到限制。天然高分子沉降剂具有分子量分布广、活性基团点多、结构多样化、原料来源丰富、机械强度高等特点，尤其是它安全无毒，可以完全被生物降解，具有良好的环境可接受性，被称为“绿色沉降剂”，已在工业应用中占有一席之地[2]。但目前天然高分子沉降剂性能不稳定，价格较高，还不能完全替代无机和合成高分子沉降剂，所以开发性能稳定、经济适用的天然高分子沉降剂具有十分重要的意义和市场前景。

瓜尔胶是一种多糖类天然高分子化合物，其分子结构如图1所示。瓜尔胶主要成分为半乳甘露聚糖，主链由甘露糖通过β-1，4-糖苷键链接而成，半乳糖则通过α-1，6-糖苷键链接在主链上，通常半乳糖与甘露糖的摩尔比为1∶2。瓜尔胶主要从印度、巴基斯坦等地生产的瓜尔豆胚乳中提取得到，是已知水溶性最好的天然聚合物，经过适当改性后可广泛应用于油田开发、造纸、日化、食品等多个行业领域，其中经改性后作为沉降剂使用是近年来国内外学者研究的热点[3]。

图1 瓜尔胶分子结构图

本文以典型胶磷矿为研究对象，针对性地开发了一种能同时实现精矿和尾矿高效沉降的新型瓜尔胶基沉降剂，探究了其最佳使用条件，并通过工业试验验证了其良好的应用效果，未来可广泛应用于胶磷矿选矿产生的精矿和尾矿的沉降。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验所用磷精矿和磷尾矿取自国内某胶磷矿选矿厂，其中磷精矿编号为LJ-1，磷尾矿编号为LW-1。聚丙烯酰胺为该选矿厂现有药剂，用于对比试验，编号为PAM-1。沉降剂为自制产品，由瓜尔胶根据磷精矿和磷尾矿性质改性而得，编号为BK-ZWJ-003B。

1.2 试验方法

沉降剂的配制：取两个烧杯，分别加入200 mL自来水，放置在磁力搅拌器上，开启搅拌，然后分别准确称量0.2 g PAM-1和BK-ZWJ-003B加入两个烧杯中，搅拌30～60 min使沉降剂充分溶解，备用。

沉降试验：准确量取矿浆800 mL，定量加入上述沉降剂，摇晃分散一定时间后自然沉降，定时记录澄清层高度，并在第30 min时取样测量上清液浊度和底层沉降尾矿的含固率。

1.3 工业试验

工业试验所用药剂采用现场搅拌罐配制，配制浓度为0.1%，试验过程不改变原有工艺流程，只使用BK-ZWJ-003B药剂替代PAM-1药剂，工业试验连续运行72 h，在磷精矿和磷尾矿浓密机上同时添加，定时观察浓密机溢流清澈度和取样分析浓密机底流浓度。

2 结果与讨论

2.1 样品基本性质分析

磷精矿和磷尾矿样品的基本性质如表1所示，磷尾矿1和磷精矿分别取自浓密机前置缓冲槽，其中磷尾矿在进入浓密机时还需要用回水稀释，一般浓度在20%左右，因此试验过程中将磷尾矿1浓度从37.2%稀释到20.0%，以便模拟浓密机沉降工况。磷尾矿泡沫较多，有一定的黏稠性，对沉降将有一定的影响，且磷精矿和磷尾矿固体颗粒都非常细，自然沉降困难。

表1 磷精矿和磷尾矿基本物性分析

2.2 室内沉降试验

1)药剂用量对沉降效果的影响

沉降剂用量是影响矿浆沉降效果的重要因素，一般都会产生正反两个方面的影响：用量不足会导致沉降剂的电荷不足、网捕作用不够而影响沉降效果，表现一般为矿浆虽有沉降絮体产生，但浆液浑浊；使用过量一方面浪费药剂，另一方面也会对原有选矿流程产生影响，因此确定合适的药剂用量是沉降剂使用的关键[4]。BK-ZWJ-003B用量对LJ-1和LW-1的沉降效果影响如图2所示。由图2可知，随着用量的增加沉降效果越好，但达到一定用量后澄清层高度不再增加，沉降达到平衡，综合考虑确定LJ-1的最佳用量为25 g/t左右，LW-1最佳用量为20 g/t左右。

图2 沉降剂用量对沉降效果的影响

2)分散时间对沉降效果的影响

分散时间同样是影响絮凝剂使用效果的重要因素之一，在沉降剂使用过程中，通常会选择低剪切泵(如螺杆泵等)将沉降剂加入到矿浆中，然后通过特定的分散设备(如管道混合器等)将沉降剂与矿浆混合均匀。分散时间对沉降效果的影响主要表现在：当分散时间较短时，沉降剂无法与矿浆颗粒充分接触，造成沉降效果下降，并会由于沉降剂的局部聚结而造成沉降剂的浪费；而分散时间过长则会将沉降形成的絮体再次打散，降低其沉降速率及澄清效果[5]。分散时间对磷精矿和磷尾矿沉降效果的影响如图3所示，分散时间为0.5 min时，药剂均不能与两种矿浆充分接触，沉降效果欠佳。分散时间1 min基本达到分散要求，絮体沉降速度和上液清澈度均良好。继续增加分散时间，达到5 min时，虽然最终压缩比基本相同，但矿浆初始沉降速度开始变慢，且上液清澈度明显变差，说明分散时间过长将絮体重新打碎，影响沉降效果。

图3 分散时间对沉降效果的影响

3)与现用PAM-1对比沉降效果

BK-ZWJ-003B作为天然植物胶改性产品与常用的合成高分子聚丙烯酰胺(PAM)相比具有高官能度、易溶解和天然环保等特性。如图4所示，就胶磷矿精矿和尾矿的沉降效果来看，BK-ZWJ-003B相较于现用PAM-1具有明显优势，沉降速率和压缩比都优于现用PAM-1。另外两种矿浆沉降后的上清液浊度数据如表2所示，由表2可知BK-ZWJ-003B沉降后上清液质量也明显优于PAM-1，综合来看，

图4 BK-ZWJ-003B与PAM-1对比沉降效果

表2 上清液浊度

BK-ZWJ-003B相较现用PAM-1对磷精矿和磷尾矿具有更好沉降效果。

(4)新型植物胶类沉降剂沉降机理探讨

从试验结果可知，新型植物胶类沉降剂对磷精矿和磷尾矿都具有良好的沉降效果，并且与现用聚丙烯酰胺类沉降剂相比也有明显优势，分析认为主要有三个方面的沉降机理：一是新型植物胶类沉降剂所使用的改性基体瓜尔胶分子结构中含有大量的羟基，是一个多羟基天然高分子，该性质一方面决定了其具有非常良好的水溶性，另一方面这些羟基可与矿浆中的固体颗粒表面的化学成分结合，形成氢键作用，从而促使微小颗粒的沉降；二是瓜尔胶作为一种天然高分子，其分子量只有200万左右，为增加其分子量，采用接枝共聚的方式将功能性官能团接枝到其活性羟基结构上，一方面增大了其分子量，显著增强了其网捕架桥作用，另一方面引入功能性官能团，针对性地吸附矿浆中的特定成分，因而表现出良好的功能性；三是在制备过程中引入纳米无机金属离子，形成以无机纳米颗粒为核、瓜尔胶为骨架、功能性官能团为支链的无机-有机复合沉降剂，显著增强了其电荷作用，能对矿浆中表面带负电荷的微细颗粒进行快速捕捉，显著提升沉降液清澈度，降低杂质含量。

2.3 工业试验

为进一步验证BK-ZWJ-003B的使用效果，开展了该药剂在工业现场应用试验，试验在国内某胶磷矿选矿厂进行，BK-ZWJ-003B药剂配制浓度为0.1%，溶解时间约20 min，溶解完成后由螺杆泵输送到精矿和尾矿浓密机同时添加，控制浓密机溢流保持清澈，每隔4 h取样分析底流浓度，数据如图5所示。由图5可知，磷精矿在添加量15 g/t的情况下，底流平均浓度可达53.5%；磷尾矿在添加量为25 g/t的情况下，底流平均浓度可达44.2%，两者均表现出良好的沉降性能，大大提高了现场浓密机底流浓度及设备使用效率。另外通过现场试验还发现，在实际使用过程中，磷尾矿的药剂用量要高于磷精矿药剂用量，该结论与室内试验结果存在差异，分析认为可能是由于两者浓密机处理能力、现场加药条件等外部因素造成。

图5 工业试验浓密机底流浓度

3 结论

根据胶磷矿性质，以自制植物胶类沉降剂BK-ZWJ-003B考察了其对磷精矿和磷尾矿的沉降性能，通过室内试验确定其最佳用量为：磷精矿为25 g/t、磷尾矿为20 g/t；最佳分散时间：磷精矿为0.5 min、磷尾矿为0.5 min。与现用PAM-1对比试验结果表明，不论从沉降速率、清液浊度和矿浆压缩比等方面，BK-ZWJ-003B沉降效果都优于现用PAM-1。为进一步验证其工业应用效果，通过工业试验确定磷精矿在添加量为15 g/t的情况下，底流平均浓度可达53.5%，磷尾矿在添加量为25 g/t的情况下，底流浓度可达44.2%。