超細(xì)全尾砂最優(yōu)絮凝劑配比優(yōu)化試驗(yàn)研究

焦國(guó)芮，鄒開華，黃毅偉，黃金華，謝敏，李斌

（1.中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 連云港 222004；2.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096；3.江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 上饒 334200）

礦業(yè)作為中國(guó)的傳統(tǒng)行業(yè)，需要加快綠色可持續(xù)發(fā)展的步伐，以充填采礦法的廣泛應(yīng)用促進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展［1-2］。全尾砂膏體充填具有不沉淀、不離析、脫水少等優(yōu)點(diǎn)，能夠保護(hù)周邊環(huán)境并提高生產(chǎn)效率［3］。在制備高濃度充填料漿過程中，全尾砂的濃密沉降是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。添加絮凝劑到礦漿中可以提高尾砂的沉降效率和底流濃度。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全尾砂漿的絮凝沉降以及高濃度充填料漿制備進(jìn)行了廣泛研究。

吳愛祥等［4］和王剛等［5］對(duì)多因素耦合條件下尾砂絮凝沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明影響絮凝沉降的重要因素包括尾砂入料濃度、絮凝劑用量和絮凝劑溶液濃度。朱建國(guó)等［6］研究了不同粒徑級(jí)配的尾砂對(duì)絮凝沉降效果的影響。王洪江等［7］和吳愛祥等［8］以單位面積固體處理量和底流體積分?jǐn)?shù)作為衡量尾砂濃密效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)開展研究，詳細(xì)考察了各種因素對(duì)尾砂濃密效果的影響。侯賀子等［9］研究了不同料漿濃度和絮凝劑用量對(duì)尾砂靜態(tài)沉降性能的影響，結(jié)果顯示在適量絮凝劑用量下，沉降速度能夠達(dá)到最大。孫浩等［10］探究了不同種類絮凝劑對(duì)鉛鋅尾礦絮凝沉降效果的影響。賀紹鑫等［11］通過測(cè)定沉降比、分形維數(shù)等方法，研究不同絮凝劑對(duì)黑臭底泥脫水性能和沉降性能的影響；楊寧等［12］通過絮凝沉降實(shí)驗(yàn)從12個(gè)類別絮凝劑中選出最佳絮凝劑，并確定最優(yōu)絮凝劑添加量；劉曉輝等［13］采用聚焦光束反射測(cè)量（FBRM）技術(shù)得出絮凝沉降速度隨其等效粒徑增大而增大。阮竹恩等［14］通過測(cè)定絮團(tuán)的弦長(zhǎng)來構(gòu)建沉降速率模型，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。田明明等［15］針對(duì)玲瓏金礦尾砂進(jìn)行絮凝劑選型并確定了最優(yōu)參數(shù)，構(gòu)建了絮凝沉降全過程力學(xué)模型。董培鑫等［16］采用正交試驗(yàn)建立了底流濃度、沉降速度與影響因素的函數(shù)關(guān)系。卞繼偉等［17］通過開展動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)來確定供料速度與底流濃度的直接關(guān)系。溫震江等［18］采用響應(yīng)面法方法(RSM)，基于RSM-BBD(Box-Behnken Design)對(duì)全尾砂料漿沉降參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并確定了最優(yōu)參數(shù)。楊子龍等［19］采用核磁共振儀器對(duì)不同沉降高度下絮團(tuán)空隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析。

這些研究結(jié)果對(duì)充填采礦法中全尾砂膏體充填過程的優(yōu)化提供了重要參考，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)礦業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。深入研究和理解全尾砂漿的絮凝沉降規(guī)律，可以更好地控制和優(yōu)化充填過程，從而提升充填效果和礦業(yè)生產(chǎn)效率。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Minitab軟件中的DOE 設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，探究了各種因素對(duì)超細(xì)尾砂絮凝沉降的相互影響，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以期實(shí)現(xiàn)沉降速度最快、底流濃度最大且成本最低的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 尾砂物化性質(zhì)

所選試驗(yàn)樣本為江西省某銅礦的全尾砂。將尾砂晾曬烘干，然后進(jìn)行粒徑分析和主要化學(xué)成分測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見圖1 和表1?；谶@些數(shù)據(jù)，計(jì)算得出其特征粒徑d10，d50 和d90 分別為3.50，12.9 和171 μm。其中，D10 指樣品累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑；D50 指樣品累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，D50 也叫中位徑或中值粒徑，常用表示粉體的平均粒度；D90 指樣品的累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑。數(shù)據(jù)顯示，該銅礦的全尾砂含有相當(dāng)比例的細(xì)顆粒，其中粒徑小于74 μm 的細(xì)顆粒約占總量的80.93%。這些微細(xì)顆粒具有細(xì)小的粒度和較大表面積，當(dāng)顆粒相互靠近時(shí)，電雙層排斥力會(huì)試圖阻止它們直接接觸，而范德瓦爾斯力會(huì)試圖將它們拉近。在兩種力的相互作用之下，顆粒會(huì)保持平衡狀態(tài)，并在顆粒外表形成一層極薄的結(jié)合水膜，這層水膜包裹并穩(wěn)定顆粒，使它們保持分散狀態(tài)。這種結(jié)合水膜的存在增加了顆粒的有效尺寸，從而降低了顆粒在水中的密度和沉降速度，導(dǎo)致自然沉降速度極其緩慢，無法達(dá)到動(dòng)態(tài)放砂的要求。因此，迫切需要采取絮凝沉降方法來解決這一問題。

表1 尾砂化學(xué)成分分析Table 1 Chemical analysis of total ailings（%，mass frac tion）

圖1 全尾砂粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of total tailings

1.2 絮凝劑

絮凝劑是那些能夠調(diào)控水中分散微粒的沉淀穩(wěn)定性和聚合穩(wěn)定性的物質(zhì)類別。絮凝劑在水體中作用于分散微粒，引發(fā)微粒之間的凝聚和結(jié)合，使之形成更大的聚集體，并最終將其從水體中除去。根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)和離子類型的差異，絮凝劑可分為3 種主要類型：陰離子型、陽離子型和非離子型。在選取絮凝劑時(shí)，需考慮水體中微粒的特性以及化學(xué)環(huán)境的影響，以確保獲得最優(yōu)的絮凝效果。尾砂通常帶有負(fù)電性，這使顆粒之間發(fā)生排斥作用，難以自發(fā)形成絮團(tuán)并迅速沉淀。陰離子型絮凝劑能中和這些負(fù)電荷，從而減少顆粒之間的排斥作用，促進(jìn)顆粒的聚集和沉降。因此，選擇陰離子型絮凝劑有助于提高尾砂沉降的效率，從而有效提高底流中的固體顆粒濃度。因此，試驗(yàn)選用的7種絮凝劑均為陰離子絮凝劑，分別標(biāo)記為X1～X7。

2 絮凝劑選型試驗(yàn)

針對(duì)不同物化性質(zhì)的尾砂，不同類型的絮凝劑會(huì)產(chǎn)生顯著的絮凝效果差異。為了選擇合適的絮凝劑，配置相同料漿濃度（12%），采用相同絮凝劑濃度以及相同絮凝劑單耗的7 種絮凝劑進(jìn)行全尾砂靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)，圖2 展現(xiàn)了7 種不同類型絮凝劑的沉降曲線。沉降曲線是通過對(duì)每種絮凝劑進(jìn)行試驗(yàn)觀察得出的，它反映了在絮凝劑作用下水中微粒的沉降行為。通過觀察曲線的形態(tài)和趨勢(shì)，可以評(píng)估絮凝劑的沉降效果及其在不同時(shí)間段內(nèi)的性能差異。

圖2 不同絮凝劑沉降曲線圖Fig.2 Sedimentation curves of different flocculants

絮凝劑沉降過程如圖3所示。從圖3可以清晰地觀察到，在全尾砂料漿中加入絮凝劑后的效果。首先，隨著絮凝劑的加入，全尾砂料漿的分散微粒開始凝聚成聚集體，導(dǎo)致料漿的穩(wěn)定性發(fā)生變化。其次，絮凝劑使得料漿中的微粒逐漸沉淀下來，形成沉淀物。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，剛開始時(shí)絮凝劑沉降速率最大，隨后逐步減小，3 min 后基本穩(wěn)定。不同絮凝劑的沉降速率由快到慢依次為X5>X2>X1=X4=X7>X3>X6。可見，不同絮凝劑表現(xiàn)出的沉降效果完全不同，其中X5 絮凝劑沉降效果最為明顯。

圖3 絮凝沉降過程Fig.3 Flocculation and sedimentation process

3 絮凝沉降試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

礦漿的絮凝沉降速度與礦漿性質(zhì)、絮凝劑等多種因素有關(guān)，其中礦漿二次稀釋后濃度、絮凝劑濃度以及絮凝劑添加量是目前公認(rèn)的對(duì)沉降效果影響最大的因素，當(dāng)這三者配比達(dá)到最優(yōu)時(shí)，不僅能夠提升絮凝沉降效果，而且能夠有效降低成本。為了研究礦漿濃度、絮凝劑濃度以及絮凝劑單耗對(duì)底流濃度和沉降效果的影響并確定最優(yōu)方案，設(shè)計(jì)構(gòu)建三因素三水平全因子試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experimental design

1）試驗(yàn)樣品：分別取工業(yè)水900，860和820 g與烘干的尾砂100，140 和180 g，配置濃度分別為10%，14%以及18%的礦漿1000 g；

2）礦漿pH 值測(cè)定：在實(shí)驗(yàn)開始之前，測(cè)定每個(gè)礦漿樣品的pH值，以確保試驗(yàn)在相同的pH環(huán)境下進(jìn)行，以消除pH值變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3）絮凝劑濃度的配制：量取200 mL 的工業(yè)水置于250 mL 容量的燒杯中，分別稱取100，200 和300 mg 絮凝劑加入燒杯中，攪拌30 min，將絮凝劑濃度配置為0.05‰，0.10‰，0.15‰；

4）混合礦漿和絮凝劑：將攪拌均勻的礦漿加入100 mL 的量筒中至滿刻度；根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的絮凝劑用量，用注射器分別吸取不同體積的配好的絮凝劑溶液，加入裝有礦漿的量筒中，用攪拌棒上下攪拌3 次之后，確保均勻混合，并立即開始沉降計(jì)時(shí)；

5）分別在沉降5，15，30，60，120，180，240和300 s 時(shí)記錄沉積物的下降位置，并觀察沉降過程中上清液的顏色，確定最佳絮凝劑類型和用量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4是分別控制單一變量絮凝劑添加量、絮凝劑濃度以及料漿濃度對(duì)沉降效果和底流濃度的影響曲線。

圖4 單因素影響分析Fig.4 Single factor impact analysis（a）10%-0.05%；（b）10%-0.10%；（c）10%-0.15%；（d）14%-15g/t；（e）14%-35g/t ；（f）14%-55g/t；（g）15g/t -0.1%；（h）35g/t -0.1%；（i）55g/t -0.1%

3.2.1 各指標(biāo)單因素對(duì)絮凝效果影響

根據(jù)圖4（a～c）中A1～A9 的情況可見，在絮凝劑濃度為0.05%和0.1%時(shí)，絮凝劑單耗為35 g/t（A2 和A6）表現(xiàn)出最顯著的沉降效果，而過多或過少的絮凝劑單耗都會(huì)對(duì)沉降效果產(chǎn)生負(fù)面影響，降低沉降效率。當(dāng)絮凝劑單耗超過一定量時(shí)，礦漿會(huì)形成較大的絮團(tuán)，導(dǎo)致沉降過程中水阻力增加，進(jìn)而影響沉降效果。在絮凝劑濃度為0.15%的情況下，三者的最終效果基本一致。隨著絮凝劑單耗的增加，初始沉降速度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，即隨著絮凝劑單耗的增加而逐漸增大。然而，最終各組的沉降效果趨于一致。這一發(fā)現(xiàn)說明絮凝劑的單耗不是越大越好，而是存在一個(gè)最優(yōu)使用量。

根據(jù)圖4（d～f）中B1～B9 的情況可見，在保持料漿濃度和絮凝劑單耗不變的情況下，低絮凝劑單耗和低濃度絮凝劑表現(xiàn)出更好的效果。隨著絮凝劑添加量的增加，絮凝劑的沉降效果在絮凝劑添加濃度增加的初期得到改善，但當(dāng)濃度過高時(shí)，絮凝劑溶液的黏稠度增加，使得絮凝劑難以均勻分散到尾砂溶液中，大量絮凝劑分子無法充分發(fā)揮作用，從而導(dǎo)致沉降速度減緩。

對(duì)不同濃度礦漿添加相同濃度絮凝劑，由于不同濃度料漿下降速率差別較大，故需通過計(jì)算底流濃度進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)Coe-Clevenger 提出的靜態(tài)沉降模型和Kynch的沉降理論，可以計(jì)算出沉降曲線上任意點(diǎn)的固體濃度和沉降速率，可由式（1）和式（2）計(jì)算：

式中，φi和v(φ)為過沉降曲線任意點(diǎn)i作一條切線，對(duì)應(yīng)于此點(diǎn)的固體濃度和沉降速率；φ0為懸浮液的初始濃度；H0為懸浮液的初始高度；H，T分別為過i點(diǎn)的切線在橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)上的截距。

從圖4（g～i）中C1～C9的數(shù)據(jù)可以得知，在相同的絮凝劑添加量條件下，隨著料漿濃度的降低，沉降速度逐漸增加，且在10 min 內(nèi)最終底流濃度越來越高。當(dāng)保持絮凝劑濃度不變而增加添加量時(shí)，高濃度料漿的沉降速度加快，同時(shí)底流濃度也會(huì)提高。特別是在絮凝劑添加量為35 g/t時(shí)，14%濃度的料漿底流濃度超過了10%料漿的底流濃度，這表明此時(shí)其配比的沉降效果更為優(yōu)越。此外，隨著絮凝劑單耗達(dá)到55 g/t，更多的絮凝劑優(yōu)先形成絮團(tuán)，從而影響了絮凝沉降的效果。這些結(jié)果說明絮凝劑單耗和料漿濃度之間存在著最優(yōu)的組合關(guān)系。

3.2.2 靜態(tài)絮凝試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)建的三因素三水平開展了絮凝沉降試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。利用Minitab軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得出回歸方程如式（3）所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

式中，M為底流濃度，N1為料漿濃度，N2為絮凝劑單耗，N3為絮凝劑濃度。

為了評(píng)估回歸函數(shù)模型的可靠性，進(jìn)行了方差分析，并將結(jié)果詳細(xì)列示于表4 中。由表4 可以看出，當(dāng)模型自由度P＜0.05，則表明模型回歸效果顯著。從方差分析看出：F料漿濃度>F單耗>F絮凝濃度，說明本試驗(yàn)探討的3個(gè)因素中，料漿濃度對(duì)絮凝沉降效果的影響最大，絮凝劑濃度影響最低。從方差分析的交互項(xiàng)中可以看出，N1N2的P值＜0.05，而N1N3和N2N3的P值均＞0.5。結(jié)果表明，料漿濃度（N1）和絮凝劑單耗（N2）之間存在著顯著的交互作用，對(duì)全尾砂絮凝沉降效果產(chǎn)生了重要影響。這意味著N1和N2的變化不僅會(huì)各自對(duì)沉降效果產(chǎn)生單獨(dú)的影響，而且它們之間的相互作用也對(duì)結(jié)果有顯著影響。

表4 方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance results

根據(jù)所構(gòu)建的擬合模型，將試驗(yàn)配比參數(shù)代入所建立的回歸模型中進(jìn)行運(yùn)算，得到擬合值與實(shí)測(cè)值如圖5 所示?？梢钥闯?，除個(gè)別點(diǎn)外，底流濃度實(shí)測(cè)值與理論值的誤差均在5%以內(nèi)，具有較高的吻合度，表明模型可靠性高。

圖5 計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.5 Comparison of calculated and experimental values

在確定最佳的絮凝沉降工藝參數(shù)時(shí)，為獲得最優(yōu)的絮凝沉降效果，需要對(duì)料漿濃度、絮凝劑單耗和絮凝劑溶液濃度等因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。本研究以極限底流濃度為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定最佳參數(shù)：料漿濃度10.0%、絮凝劑單耗20 g/t、絮凝劑溶液濃度0.05%。

4 結(jié)論

1）本研究所使用的試驗(yàn)樣品為全尾砂，其主要成分為SiO2。全尾砂中含有大量細(xì)小顆粒，其中粒徑＜74 μm 的細(xì)顆粒占總量的80.93%。由于顆粒粒度過細(xì)，表面積較大，僅采用傳統(tǒng)的沉降方法無法滿足動(dòng)態(tài)放砂的要求。因此，必須采用絮凝沉降技術(shù)來處理全尾砂樣品。通過使用絮凝劑，可以有效將細(xì)小顆粒凝聚成較大的顆粒，促進(jìn)其沉降和與尾砂的分離。

2）通過對(duì)比分析7 種不同絮凝劑的沉降效果，確定了與該銅礦全尾砂性質(zhì)最為匹配的絮凝劑型號(hào)，并通過試驗(yàn)證明了該型號(hào)絮凝劑在沉降效果方面的性能表現(xiàn)最佳。

3）全尾砂的絮凝沉降會(huì)受到多個(gè)因素的影響，其中料漿濃度對(duì)沉降效果的影響最為顯著，其次是絮凝劑單耗，而絮凝劑溶液濃度對(duì)沉降效果的影響相對(duì)較小。此外，絮凝劑單耗和料漿濃度之間的交互作用也會(huì)對(duì)沉降效果產(chǎn)生顯著影響。

4）經(jīng)過試驗(yàn)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，得出全尾砂絮凝沉降的最優(yōu)參數(shù)組合為：料漿濃度為10%，絮凝劑單耗為20 g/t，絮凝劑溶液濃度為0.05%。為驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)的有效性，進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，全尾砂絮凝沉降效果得到顯著改善，底流濃度達(dá)到了73.55%，可滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝的要求。這為礦山生產(chǎn)實(shí)踐提供了有力的指導(dǎo)，同時(shí)也為進(jìn)一步的參數(shù)優(yōu)化和工藝改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

5）本文僅探索了三種影響因素對(duì)絮凝沉降效果的影響，而實(shí)際工作中還會(huì)受到其他因素的影響，建議后續(xù)開展pH 值、試驗(yàn)環(huán)境溫度、尾砂粒徑級(jí)配等因素對(duì)絮凝沉降影響的研究。