尾砂沉降絮凝剂选择实验研究

彭 亮，冉维贞，尹贤刚，姚中亮

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012;2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙 410012;3.酒钢集团镜铁山铁矿， 甘肃嘉峪关市 735100)

0 引言

镜铁山铁矿充填系统采用立式砂仓，其尾砂颗粒粒径很细，－200目的颗粒累计含量达到了97.4%，平均粒径10.82 μm。在采用立式砂仓进行尾砂沉淀的时候，若仅靠尾砂自身重力沉降的话，由于自然沉降速度慢将导致砂仓顶部溢流水跑浑。

砂仓进砂时溢流浓度高会带走大量细颗粒，给生产带来一些问题，其一，溢流水不能直接回选厂循环使用，须由渣浆泵输送至尾矿库进一步沉降，从而增加运营成本，并且降低尾矿库的服务年限;其二，溢流浓度过高使尾砂充填利用率降低、充填系统不能充分发挥其生产能力，并导致采充失衡等。

为提高尾砂充填利用率和降低溢流水固体含量，通常在进行立式砂仓尾砂充填系统设计时要进行尾砂的自然沉降实验和絮凝剂沉降实验，以便找出合适的絮凝剂。由于絮凝剂添加量与尾砂絮凝沉降速度并不成正比，通常需要对絮凝剂添加量进行实验研究。

1 尾砂性质及絮凝剂的初步选择

1.1 尾砂特性

尾砂来自镜铁山铁矿，其基本物理性能见表1，该尾砂的松散容重小、孔隙率大、泌水性能差。全尾砂粒级组成分析结果见表2，尾砂浆液上部清液的pH=8.7偏碱性。－200目达到99.74%，平均粒径10.82 μm，属于细粒尾砂。

根据尾砂物理化学性质(见表1、表2、表3)，初步选择了三种絮凝剂进行实验，力图通过实验选择出最合适的絮凝剂，并找到最佳的添加量。

表1 全尾砂物理性能指标测定结果

表2 全尾砂化学成份测定结果

表3 全尾砂粒级组成

1.2 絮凝剂的初步挑选

絮凝剂大致分为无机絮凝剂和高分子絮凝剂两大类，无机絮凝剂主要是通过降低尾砂颗粒表面电位等方式起到团聚颗粒的作用，价格较低廉，但用量太大，絮凝效果不好，所以一般不选用无机絮凝剂。高分子絮凝剂一般具有长链结构，在链上含有较多的吸附能力较强的官能团，可以分别吸附于不同颗粒表面，由此产生架桥效应，形成粗大的絮团。高分子絮凝剂与颗粒间作用过程分为3步:首先，药剂与介质间相互混合;然后，药剂分散与颗粒发生凝聚作用;最后，进一步发生絮凝作用，形成絮凝团。

矿浆呈碱性的，所以絮凝剂必须优先选用阴离子絮凝剂。初步选择的3种絮凝剂都是阴离子高分子絮凝剂。

2 絮凝剂沉降对比实验

2.1 实验主要仪器设备

(1)1000 mL量筒，500 mL烧杯;

(2)絮凝剂搅拌器(100～300 r/min)和支架;

(3)秒表计时器;

(4)天平秤(精度0.01 g);

(5)坐标纸;

(6)矿浆搅拌棒;

(7)注射器;

(8)记录本。

2.2 实验方案

首先对三种絮凝剂进行横向比较，得到一个定性结论。即用500 mL的烧杯将絮凝剂浓度都调配至3‰;然后把尾砂浆调配成40%的浓度(根据现场进砂浓度确定)倒入1000 mL的量筒中。三种絮凝剂价格有所不同，根据同等运营成本原则添加不同量的絮凝剂溶液，用搅拌器进行人工搅拌，最后每隔一定时间记录固液分离界面高度。

通过观察尾砂浆的沉降速度(单位时间内浆体下降的高度)选出一种沉降速度最快的絮凝剂;由于添加量与沉降速度并不成正比，所以再对该种絮凝剂进行纵向比较，从低到高增加絮凝剂的添加量，记录每一组尾砂浆的沉降速度，从而得出一个最佳的添加量，即沉降速度最快一组的絮凝剂添加量。

2.3 实验结果

2.3.1 横向对比实验:

四组对比实验，絮凝剂添加量分别是:

1#:不添加絮凝剂，自然沉降;

2#:A絮凝剂，阴离子，分子链为网状结构，8.7 g/t干尾砂;

3#:B絮凝剂，阴离子，分子量1200万，15 g/t干尾砂;

4#:C絮凝剂，阴离子，分子量1200万，20 g/t干尾砂。

几组实验刚开始每隔10、30 s记录一个数据，120 s后每隔60 s记录一个数据，直到300 s后每隔300 s记录一个数据，直到1800 s结束。自然沉降要24 h后观察最终沉降浓度和容重。通过观察发现，自然沉降上部清液最浑浊，沉降速度快的其上部清液就越清澈，自然沉降24 h，后其上部清液比其他添加了絮凝剂尾砂浆的清液都要清澈。实验结果见图1。

图1 尾砂沉降浓度与容重对比曲线

图1是3种絮凝剂尾砂沉降的容重与浓度的变化曲线。由图1可以看到，4#代表的添加了C絮凝剂的尾砂浆变化速率最快，尾砂浆沉降浓度随着时间推移从40%上升到55%以上，相应的尾砂浆沉降容重随着时间推移从1.37 g/cm3上升到1.58 g/cm3;其中1#代表的自然沉降浓度变化速率最慢，当C絮凝沉降结束时，自然沉降尾砂浆浓度不到45%，容重仅在1.4 g/cm3左右。

通过几种絮凝剂对比实验可以看出，沉降效果从好到差的絮凝剂依次是:C絮凝剂 ＞B絮凝剂＞A絮凝剂。

2.3.2 纵向对比实验

根据铁矿尾砂絮凝沉降横向对比实验，选用C絮凝剂，将絮凝剂调制成浓度为0.3%的溶液，记录数据时间间隔同上。将它们的添加量分别设置为:

1#:C絮凝剂，阴离子，分子量1200万，10 g/t干尾砂;

2#:C絮凝剂，阴离子，分子量1200万，15 g/t干尾砂;

3#:C絮凝剂，阴离子，分子量1200万，20 g/t干尾砂;

4#:C絮凝剂，阴离子，分子量1200万，30 g/t干尾砂。

实验结果见图2。由图2可以看到，在一定时间内，几种添加量的料浆浓度与容重变化速率相差不大，但随着沉降时间的推移，添加量在20 g/t时，沉降尾砂容重和浓度变化都较快，浓度从40%上升到近60%，容重从1.37 g/cm3上升到1.65 g/cm3;添加量在10 g/t时，尾砂的容重和浓度变化最慢。当添加量在20 g/t的料浆达到最大时，其浓度仅为55%左右，容重仅为1.40 g/cm3左右。

图2 C絮凝剂不同添加量条件下尾砂沉降容重与浓度的变化

由以上可知采用C絮凝剂进行尾砂沉降时，它的添加量与沉降速度并不成正比，而是有一个最优值。根据实验结果可以得出C絮凝剂不同添加量的尾砂沉降速度快慢顺序依次是:20 g/t＞15 g/t＞30 g/t＞10 g/t。

由于絮凝剂将尾砂颗粒进行包裹后形成大大小小的絮团，尾砂颗粒之间不能完全压实;所以絮凝剂添加量越大，其最后终了沉降浓度与容重都越低。自然沉降后的尾砂浆体部分的浓度和容重最大。

由以上实验可知，相对于该种尾砂的沉降速度来说，添加C絮凝剂，添加量在20 g/t的情况下比较合适。

3 结论

(1)不添加絮凝剂时，尾砂自然沉降速度慢，至少沉降12 h后才结束沉降，沉降终了浓度约是68%左右，沉降终了容重是1.83 g/cm3左右。

(2)使用絮凝剂后，尾砂沉降速度远远要快于自然沉降速度;使用C阴离子絮凝剂后的沉降效果优于其他几种絮凝剂。

(3)C絮凝剂的单位消耗量在20 g/t、浓度3‰为最佳。

(4)达到最大沉降浓度的时间约2 h左右，此时尾砂浓度约是53.48%，容重约是1.545 g/cm3;絮凝剂单耗越大，其终了压缩部分浓度就越低。

(5)本实验仅仅是对絮凝剂的选择进行了较简单的实验，在实际生产中只适合于尾砂性质比较简单，且时间紧迫的情况下的初步应用。生产中还应该对絮凝沉降与进砂浓度、现场添加点等进行研究，还需对添加絮凝剂后尾砂试块的强度进行深入研究。

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