液态聚醚/丙二醇提高铁精矿滤饼结构渗透性

李 蕊 潘昱蒿 冯泽宇 张文强 李宏亮

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西 太原 030024;2.太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西 晋中 030600)

随着铁矿资源消耗量的增大、易选矿石短缺,大量贫矿和复杂矿的使用,使选矿过程中铁矿的磨矿粒度极低,洗选的铁精矿难以过滤,成球性能呈现不同程度的下降,对整个球团工业造成了重大影响[1-4]。开采出的低品位铁矿石矿物组成复杂,氧化、半氧化矿物占大多数,这些低品位铁矿石一般TFe品位8%～25%,处理量大、精矿产率低[5]。在分选前需要进行细磨处理,细磨后的脉石矿物与目标矿物的分离方法有多种,其中磁选法和浮选法是湿法分离铁精矿的最主要方法[6]。分选后的铁精矿矿浆须经脱水后方可生产球团造粒,因此,铁精矿的过滤性能对铁精矿产品指标有着重要影响。在不改变现有过滤工艺的条件下,研发合适的铁精矿助滤药剂是一种有效的方法,为今后微细铁矿大规模入选提供保障。

随着高分子溶液理论的不断发展,高分子聚合物在选矿厂中被广泛使用[7-8]。高分子聚合物强化细粒物料脱水是一个复杂的过程,受到细粒物料性质和高分子聚合物在颗粒表面吸附特性等因素的影响[9]。Sartori A等认为了聚合物有两种吸附状态:一是“蘑菇”型吸附;二是“刷子”型吸附[10]。基于高分子聚合物在颗粒界面的紧凑的“蘑菇”型吸附,本文提出了以下思路来促进铁精矿的过滤:高分子聚合物在铁精矿的颗粒表面形成“蘑菇”型吸附,造成颗粒间的位阻排斥作用,从而在滤饼中制造更多的孔洞,提高铁精矿过滤的效率。

综上所述,本文以液态聚醚/丙二醇为铁精矿表面“蘑菇”型吸附的试剂,造成颗粒间的位阻排斥作用,从而在滤饼中制造更多的孔洞,提高铁精矿过滤的效率。首先进行助滤剂寻优试验并探索了不同类型助滤剂对铁精矿过滤效果的影响。为进一步降低滤饼水分,对液态聚醚进行复配试验。最后采用X射线CT扫描技术(X-CT)对铁精矿滤饼结构进行分析,探究液态聚醚/丙二醇在过滤过程中的作用机理。研究结论为提高铁精矿过滤速度,降低滤饼水分提供了方法。

1 试验原料及试验方法

1.1 试验原料

试验矿样采集于太原钢铁集团有限公司旗下的繁峙峨口铁矿,采用激光粒度仪进行铁精矿粒度分布测试,结果如图1所示。试样d50=33 μm,粒径-45 μm的细颗粒占比高达73.8%,表明铁精矿的细粒级含量极高,存在脱水困难的问题。铁精矿的XRD图谱(图2)分析表明,试样主要含有磁铁矿、赤铁矿、铬铁矿和少量的锌铁尖晶石。

图1 铁精矿粒度分布Fig.1 Particle size distribution of iron concentrate

图2 铁精矿的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of iron concentrate

1.2 设备和药剂

试验设备包括JL-6000型干湿两用激光粒度仪、帕纳科Empyrean型X射线衍射仪、HJ-6B多头磁力搅拌器、SHZ-D(Ⅲ)不锈钢型循环水真空泵、DHG-9070电热鼓风干燥箱和天津三英精密仪器有限公司研发的nanoVoxel-3000系列X射线三维显微镜。试验所用的主要药剂如表1所示。

表1 试验药剂Table 1 Test agents

1.3 试验方法

1.3.1 过滤试验

称量65g铁精矿,加水制成质量浓度65%的铁精矿矿浆,加入助滤剂至150 g/t(按干物料计),搅拌5 min;将已润湿的滤纸置于布氏漏斗中,并调节过滤试验装置阀门,控制真空压力稳定在0.05 MPa,对样品进行抽滤。待漏斗下方30 s内无滤液滴落时,停止抽滤,记录滤液体积V以及过滤时间t,并取出滤饼进行称量。在105 ℃的条件下烘干3 h,称量烘干后的滤饼重量,并计算滤饼水分。

1.3.2 X-CT试验

采取X-CT技术分别对未添加及加入150 g/t液态聚醚/丙二醇形成的铁精矿滤饼进行扫描,表征滤饼孔隙结构差异。针对滤饼结构松散易毁坏的难题,采用冯泽宇等提出的固化滤饼的方法进行处理[11]。固化后的滤饼转移至载物台上,放至扫描区域,启动X射线源,设置扫描电压60 kV,电流25 μA,曝光时间60 s,物镜耦合探测器镜头的放大倍数设置为20倍,对滤饼结构进行扫描[12-13]。

2 试验结果与讨论

2.1 过滤试验结果

2.1.1 不同类型助滤剂过滤效果对比

不同类型助滤剂对铁精矿过滤效果影响试验结果如图3所示。图3结果表明,不添加助滤剂时铁精矿的滤饼水分是14.74%,过滤速度较慢。而加入不同类型的助滤剂后,可以有效降低滤饼水分,提高过滤速度。其中加入液态聚醚的效果最好,比对照组滤饼水分降低了4.72个百分点,过滤速度提高了1.3倍。因此,液态聚醚是一种比较有效的助滤剂,具有较好的过滤效果,可用于铁精矿的过滤。

图3 不同类型助滤剂助滤铁精矿效果Fig.3 Effect of filter aid type on iron concentrate filtration

液态聚醚的分子链可与固体颗粒表面发生吸附作用。当液态聚醚分子链其中一端被化学吸附或物理吸附在固体颗粒表面时,另一端伸入溶液中,自由旋转,不受相互作用干扰,形成扩散聚合物层。液态聚醚分子链在固体颗粒表面的吸附构象大致可分为两种:“蘑菇”型吸附和“刷子”型吸附。当温度较低时,链与表面间无明显作用,呈“蘑菇”型吸附[14]。“蘑菇”型吸附相邻分子链之间没有重叠或纠缠,并且每个链独立于其他链与相对的表面相互作用。液态聚醚与铁精矿吸附时,其表面产生“蘑菇”型吸附,链的一端吸附于微粒,另一端自由旋转蜷曲,通过碰撞接触吸附于其他微粒表面,造成颗粒堆叠的柱撑蓬松,扩大了滤饼的孔隙结构,使内部脱水速度加快。

温度升高时,链与链间产生体积排斥效应使液态聚醚分子链延伸得较远,形成“刷子”型吸附,且蜷曲的分子链伸展。图4为液态聚醚添加量1%的水溶液在不同温度下呈现的状态。20 ℃时溶液中含有大量的白色絮团,这些絮团是液态聚醚分子链蜷曲收缩造成。随着温度的升高,絮团逐渐消失,分子链逐渐伸展,液态聚醚分子链在铁精矿表面的吸附构象由“蘑菇”型吸附转变为“刷子”型吸附。

图4 不同温度下液态聚醚水溶液Fig.4 Dispersion of liquid polyether aqueous solution at different temperatures

称量65 g铁精矿,加水制成质量浓度65%的铁精矿矿浆,液态聚醚的加入量为150 g/t,搅拌5 min,控制真空压力稳定在0.05 MPa,在温度为20、30、40、50、60 ℃时进行过滤试验,结果如图5所示。温度为20 ℃时,滤饼水分为8.61%,当温度达到60 ℃时,滤饼水分达到了11.22%。在高温条件下,液态聚醚分子链在铁精矿表面形成“刷子”形吸附,滤饼颗粒间的液态聚醚分子链伸展,滤饼内部包裹的水分较难脱除。

图5 不同温度下液态聚醚助滤铁精矿滤饼水分Fig.5 Moisture content of concentrated iron filter cake treated by liquid polyether-aided at different temperatures

2.1.2 助滤剂复配试验

丙二醇与液态聚醚不同比例复配药剂作用下的铁精矿过滤效果如图6所示。液态聚醚与丙二醇质量比为7∶3时,助滤效果最佳,铁精矿的滤饼水分低至8.48%,较未添加时降低了6.26个百分点,过滤速度提高了1.8倍。因此,采用液态聚醚与丙二醇质量比7∶3作为助滤剂进行后续试验。

图6 液态聚醚与丙二醇质量比对铁精矿过滤效果的影响Fig.6 Effect of mass ratio of liquid polyether to propylene glycol on iron concentrate filtration

图7为液态聚醚/丙二醇总用量为0、50、100、150、200、300、400 g/t条件下的助滤试验研究。结果表明,总药耗为150 g/t时,滤饼水分为8.35%,降低了6.39%,过滤速度较不添加助滤剂时提高了1.5倍。

图7 液态聚醚与丙二醇总用量对过滤效果的影响Fig.7 Effect of total amount of liquid polyether and propylene glycol on filtration

图8是加入0、50、100、150、200、300、400 g/t丙二醇时铁精矿的过滤效果试验研究。结果表明丙二醇对铁精矿的过滤效果没有直接影响,但是丙二醇可以作为液态聚醚的辅助剂来提高液态聚醚对铁精矿的助滤效果。丙二醇具有良好的溶解性,可以使液态聚醚在水中更好地分散,提高其在铁精矿表面的吸附效率,增强液态聚醚的助滤效果。

图8 丙二醇对过滤效果的影响Fig.8 Effect of propylene glycol on filtration

2.2 滤饼的结构表征

2.2.1 滤饼CT图像预处理和三维重建

为进一步研究液态聚醚/丙二醇的助滤机理,采用X-CT技术分别对未添加及加入150 g/t液态聚醚/丙二醇形成的铁精矿滤饼孔隙结构进行表征。在此过程中,首先对CT扫描得到的原始切片图进行中值滤波及阈值分割处理,其次进行三维成像处理及REV分析。对分割后的孔隙对象的尺寸特性和拓扑特性进行研究并建立相应的滤饼孔隙网络模型[15],然后进行中值滤波处理,方便后续孔隙结构的表征[16]。液态聚醚/丙二醇的添加可提高滤饼的孔隙率,改善过滤效果,而滤饼孔隙率的增加是液态聚醚/丙二醇在铁精矿表面吸附的结果。图9为阈值分割效果,经阈值分割处理后,对预处理后的切片图进行三维重建操作,结果如图10所示。由于三维重建后体系十分庞大,需要在Avizo软件中的Extract volume模块对滤饼样品裁剪成正方体单元,进行REV分析,以选择合适的代表性元素体积,结果如图11所示。加入液态聚醚/丙二醇后的铁精矿滤饼孔隙率整体增大,且铁精矿的孔隙率随着样品体积的增大而增大,当样品的子体积达到500 μm后,其孔隙率趋于稳定,因此确定铁精矿的最小表征单元体积为500 μm×500 μm×500 μm[17]。

图9 阈值分割效果Fig.9 Threshold segmentation renderings

图10 三维重建结果Fig.10 3D reconstruction results

图11 REV尺寸分析Fig.11 REV size analysis chart

2.2.2 孔隙尺寸

在滤饼的孔隙结构分析中,需要从三维重建后的图像数据中提取孔隙相数据。一些孔隙具有连通性,对粘连在一起的孔隙需要将其单独分离,并对分离后的孔隙对象进行量化分析。在孔隙对象的计算中,将不规则形状粒子等效为具有相同体积的球体直径,引入等效直径R的概念[18]。

选取0～10 μm、10～20 μm和+20 μm这3种尺度对未添加及加入150 g/t液态聚醚/丙二醇的铁精矿滤饼孔隙空间进行提取,结果如表2、表3所示。结果表明,未添加及添加150 g/t液态聚醚/丙二醇的滤饼孔数量分别为6 740和4 616,孔体积是1.29×107和1.61×107μm3,孔面积是4.58×106和7.77×106μm2。虽然添加液态聚醚/丙二醇后样品孔数量减少,但大孔径的孔隙占比增加,孔体积和孔表面积也有所增加,从而加速水的迁移,使水分减少。

表2 滤饼的孔隙尺寸参数统计(0 g/t)Table 2 Statistics of pore size parameters of filter cake with the absence of filtration aid

表3 滤饼的孔隙尺寸参数统计(150 g/t)Table 3 Statistics of pore size parameters of filter cake treated by 150 g/t filtration aid

对铁精矿滤饼的孔径分布进行统计分析,结果如图12所示。加入液态聚醚/丙二醇后10 μm以下的孔径减少,孔径大多集中在10～30 μm。液态聚醚/丙二醇的加入可以扩大滤饼孔径,加速水分的流动,提高过滤速度。

图12 滤饼孔径分布Fig.12 Filter cake pore size distribution

2.2.3 滤饼迂曲度分析

连通性也是影响滤饼水分的重要概念,当孔隙空间连接时,多孔材料的流体通道才能连通。由此引入孔隙配位数,便于孔隙连通性的评估,其定义是孔隙所连接喉道的数量。确定并计算未添加及加入150 g/t液态聚醚/丙二醇的铁精矿孔隙配位数分布结果如图13所示。结果表明,铁精矿滤饼的孔隙配位数的加权平均值为0.88,加入液态聚醚/丙二醇后,加权平均值扩大到1.29。由此可见,液态聚醚/丙二醇可提高滤饼孔隙的连通性,使盲孔数量减少,从而降低滤饼水分。

图13 孔隙配位数的相对分布Fig.13 Relative distribution diagram of pore coordination number

迂曲度是反映多孔材料曲折程度的重要特征,其定义是流体粒子流动的实际路径与两点之间的直线距离的比值[19]。渗透率和迂曲度的二次方是反比的关系,较大的迂曲度具有较小的渗透率。表4是迂曲度的计算结果,加入液态聚醚/丙二醇后滤饼的迂曲度降低,渗透率增大,可有效降低滤饼水分,提高过滤速度。

表4 滤饼的孔隙迂曲度计算结果Table 4 Calculation results of pore tortuosity of filter cake

2.2.4 滤饼孔隙网络模型分析

孔隙的空间具有复杂性需要用单元化的孔隙网络进行简化处理[20],使用最大球法提取并建立孔隙网络模型。采用最大球法对未添加及加入150 g/t液态聚醚/丙二醇的铁精矿孔隙空间进行建模后,对孔隙网络模型进行数据分析,结果如表5所示。加入液态聚醚/丙二醇的铁精矿滤饼孔隙半径、孔喉半径增大而孔喉的长度减少,有利于水分的流动,提高过滤效率。

表5 孔隙网络模型的特性分析Table 5 Analysis of the properties of the pore network model

铁精矿滤饼孔隙网络模型如图14所示。球体的大小代表孔隙的大小,球体的半径越大,孔隙半径也就越大,模型中的圆柱体表示孔喉,圆柱体的半径越大,则孔喉半径也就越大。由图14可知,液态聚醚/丙二醇的加入可扩大孔隙半径,增加喉道体积,有利于水分的排出。

图14 孔隙网络模型Fig.14 Pore network model

2.3 “蘑菇”型吸附对滤饼结构的影响

图15为液态聚醚/丙二醇在铁精矿颗粒表面的“蘑菇”型吸附对滤饼结构的改变。其中,[图(a)、(b)]为铁精矿形成紧密的滤饼结构示意,这种结构使得水分很难渗透通过滤饼[图(c)]。将液态聚醚/丙二醇与铁精矿均匀接触后[图(d)、(e)],液态聚醚在铁精矿的表面产生“蘑菇”型吸附。液态聚醚分子链一端固定在铁精矿颗粒上,另一端伸向溶液中自由内转、不断蜷曲。当颗粒与颗粒彼此接近时,分子链首先接触,颗粒之间会受到蜷曲的分子链排斥作用,形成的滤饼结构[图(e)]较未吸附试剂的滤饼结构[图(b)]的松散度高。CT结果显示液态聚醚/丙二醇的存在扩大了滤饼颗粒之间的孔隙,减少了盲孔数量,提高了滤饼渗透率,使滤饼水分降低、过滤速度加快[图(f)]。

图15 液态聚醚/丙二醇作用机理Fig.15 Mechanism of filtration effect of polymer liquidpolyether/propylene glycol on iron concentrate pulp

3 结 论

提出了一种液态聚醚/丙二醇(质量比为7∶3)助滤剂,可有效降低铁精矿的滤饼水分、提高过滤速度。液态聚醚/丙二醇的助滤机理主要归结于“蘑菇”型吸附对滤饼的微观结构造成了影响。液态聚醚吸附在铁精矿表面形成“蘑菇”型吸附,其分子链一端与铁精矿表面结合,另一端向外团聚收缩。当滤饼颗粒接近时,链与链之间产生位阻排斥作用,造成颗粒与颗粒之间结构蓬松,扩大滤饼的孔隙结构,从而加速脱水的速度,降低滤饼中水分的残留。丙二醇和液态聚醚的“协同作用”提高了液态聚醚在水溶液中的分散性,进一步降低滤饼的水分至8.35%,较未添加液态聚醚/丙二醇的铁精矿滤饼水分少6.39%。

通过X射线CT扫描研究了滤饼的孔隙结构变化,铁精矿滤饼本身孔径分布以小孔为主,流通性差,脱水困难。加入液态聚醚/丙二醇后,滤饼孔径增大,连通性得到改善,迂曲度和盲孔数量减少,提高了滤饼的渗透率。同时加入液态聚醚/丙二醇的滤饼具有更大的孔隙尺寸和比表面积,使过滤效率提高。本试验研究采用的液态聚醚/丙二醇可以有效降低滤饼水分,提高过滤速度,为铁精矿的助滤提供了新思路。