絮凝剂对细粒铁精矿沉降效果的影响

陈婉琦 张 芹 王天正 戴柯进

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.绿色制造与节能减排科技研究中心，湖北 武汉 430081)

絮凝剂对细粒铁精矿沉降效果的影响

陈婉琦1,2张 芹1,2王天正1,2戴柯进1,2

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.绿色制造与节能减排科技研究中心，湖北 武汉 430081)

为改善细粒赤铁矿精矿在浓缩脱水过程中存在的沉降时间长、过滤速率低、穿漏现象严重、滤饼含水率高等问题，以巴西某赤铁矿精矿为研究对象，考察了絮凝剂种类及用量、矿浆pH、温度及混匀程度等对赤铁矿沉降行为的影响。结果表明：絮凝剂添加量对赤铁矿精矿沉降效果有显著影响，用量过低时，对改善沉降效果不明显，用量过高时会产生“胶体保护”，沉降速率不再随絮凝剂用量增加而提高；聚丙烯酸钠类絮凝剂在酸性条件下对精矿的沉降效果好，聚丙烯酰胺类在碱性条件下沉降效果较好；温度较低时，不利于絮凝剂与矿物颗粒作用，沉降效果差，温度过高时，絮凝剂发生降解，沉降效果变差；翻转混匀次数少时絮凝剂分子分散不好，精矿沉降速率低，在充分混合时，细粒赤铁矿沉降速率达到最大值，进一步增加翻转混匀次数，会造成絮团断裂，精矿沉降速率降低。试验结果对赤铁矿精矿沉降时选取合适的絮凝剂，提高精矿沉降效果具有重要意义。

细粒赤铁矿 絮凝剂 沉降速率

我国铁矿资源丰富，但优质铁矿资源匮乏，全国铁矿石平均铁品位仅30%左右，97%以上为铁品位34%以下的低品位铁矿石，而其中微细粒铁矿石储量约30亿～40亿t[1]，必须经过细磨才能实现该类矿石的分选，但过细的矿物颗粒在后续浓缩脱水过程中存在沉降时间长、过滤速率低、穿漏现象严重、滤饼含水率高等问题。加之选矿过程加入的浮选药剂使得矿物的表面性质发生改变，矿浆具有浓度高、所含固体颗粒粒度细、表面电负性强等特点，矿物颗粒表面容易形成水化膜，颗粒间产生水化排斥力，不利于凝聚沉降[2]。浮选精矿的浓缩过滤作业常常成为制约选矿生产的瓶颈。针对这一问题，可通过添加絮凝剂，利用网捕、桥联等作用使矿物颗粒絮团，表观上变成较大颗粒，改善其沉降效果[3]。本研究以巴西某赤铁矿精矿产品为研究对象，考察了絮凝剂种类、用量、pH、温度、絮凝剂与矿浆的混匀程度对赤铁矿精矿沉降速率的影响。

1 试样和药剂

1.1 试验矿样

试验用矿样为武钢工业港的巴西赤铁矿精矿产品，密度为4.1 g/cm3，铁品位为62.02%，磨细至 -150 μm作为试验用样，其粒度分布见表l。

表1 试样粒度分析结果

1.2 试验药剂

试验用pH调整剂为NaOH、HCl溶液。

试验用絮凝剂如表2所示，均配制成浓度为0.1%的溶液使用。

表2 试验用絮凝剂

2 试验方法

(1)称取20 g试样置于100 mL的烧杯中，加入50 mL蒸馏水。

(2)将烧杯置于搅拌器上，以350 r/min的转速搅拌10 min。

(3)将搅拌好的矿浆迅速移入100 mL的沉降瓶中，添加一定量絮凝剂后定容至100 mL。

(4)塞紧瓶塞后以均等幅度上下翻转摇匀。

(5)将沉降瓶静置于水平桌面上并开始计时，固液界面高度每下降10 mL(对应高度为15.5 mm)记录1次。

(6)数据处理。绘制尾矿矿浆的沉降曲线，根据沉降曲线计算沉降速率。

根据沉降曲线计算沉降速率的方法[4]如图1所示。以初始段的沉降曲线向下做切线，再以沉降压缩后的曲线向左作切线，两条切线相交于点R，从点R作两条切线所形成的角的角平分线，与沉降曲线交于点P，P点即是计算沉降速率的临界沉降点。在P点作垂线于横坐标轴的交点即为沉降时间tP，作水平线与纵坐标轴的交点即为沉降高度HP，则相应点的沉降速率为vP=HP/tP。

图1 沉降曲线

3 试验结果与讨论

3.1 絮凝剂种类对精矿沉降效果的影响

在絮凝剂用量均为50 g/t、自然pH(pH=7)、混匀次数为10次条件下，考察不同种类絮凝剂对精矿沉降效果的影响，结果见图2。

图2 絮凝剂种类对精矿沉降效果的影响

◆—M110；■—M216；▼—M002；●—M213；◀—M100；◇—NTL-850；▽—M220；△—S10；□—S15；▲—S20；○—空白组

由图2可知：添加絮凝剂后，精矿的沉降过程均得到不同程度的改善；聚丙烯酰胺类(PAM)絮凝剂中M216、M110、M002、M213对精矿的沉降效果相对较好；聚丙烯酸钠类(PAAS)絮凝剂中，对精矿沉降效果由强到弱依次为S20>S15>S10。试验用PAAS 类絮凝剂中分子量由大到小依次为S20>S15>S10，说明PAAS 类絮凝剂的分子量越大，赤铁矿精矿的沉降效果越好，且试验过程发现添加S20沉降时，所得上清液比添加其他几种絮凝剂时更为清澈。为继续比较两类絮凝剂的效果，选择PASS类絮凝剂中效果最好的S20与PAM类絮凝剂M110、M216、M002、M213进行后续试验。

3.2 絮凝剂用量对精矿沉降速率的影响

根据絮凝机理，絮凝剂添加量过少会产生絮凝剂失效[5]，过多则会发生“胶体保护”[6]，沉降速率不再随絮凝剂用量增加而提高。在自然pH、混匀次数为10次条件下进行不同种类絮凝剂最佳用量试验，结果见图3。

图3 絮凝剂用量对精矿沉降速率的影响

由图3可见：添加M213、S20的精矿沉降速率随着絮凝剂用量的增加呈线性逐渐提高；添加M110、M216、M002的精矿沉降速率随絮凝剂用量的增加逐渐提高，但提高幅度逐渐降低。综合考虑，选择絮凝剂用量为50 g/t。

3.3 矿浆pH对精矿沉降速率的影响

矿浆pH会影响赤铁矿矿物颗粒表面电性以及药剂与矿物颗粒表面的作用，图4为药剂用量50 g/t、混匀次数10次时， 矿浆pH对精矿沉降速率的影响。

图4 矿浆pH对精矿沉降速率的影响

由图4可见：添加M216、M110的精矿沉降速率变化较为相似，均在酸性条件下随pH增加小幅升高，当pH>7后沉降速率明显提高并在pH=10时达到最大，随着矿浆pH进一步提高，其对精矿的沉降速率迅速下降，且试验过程发现上清液也愈发浑浊；添加M002的精矿在pH=7时有较高的沉降速率，且在pH>7后沉降速率逐渐下降；pH对添加M213的精矿沉降速率影响不明显；S20则在酸性条件下表现出良好的絮凝作用，且在pH=4时，精矿沉降速率达到最大值，但其在碱性条件下沉降效果较PAM类略差。

悬浮液中由加入高分子絮凝剂引发的絮凝通常有3种作用机理，即架桥作用、电中和作用和疏水化作用机理(耗散机理)。PAAS类絮凝剂分子中的 —COONa电离产生的—COO-易与表面荷正电的矿物发生絮凝。赤铁矿的零电点为pH=7.8[7]，当矿浆pH值小于零电点时，精矿颗粒表面荷正电，因此S20在酸性条件下通过电荷中和表现出良好的絮凝性能。然而PAAS类絮凝剂在酸性条件下的絮凝效果较差，这是因为pH较低时，虽然絮凝剂黏均相对分子质量较高，但易发生分子内和分子间的亚酰化反应，形成支链或交联型产物，从而导致絮凝剂分子溶解性能下降，使得电性中和不再起主导作用；而在pH值较高时，丙烯酰胺生成氮川三丙烯酰胺(NTP)，NTP是潜在的还原剂，含量越高，反应速率越快，同时其也是链转移剂，会导致絮凝剂黏均相对分子质量降低，溶解性增强，且此时赤铁矿颗粒表面所带负电不强，聚合物中—CONH3+官能团与赤铁矿之间的吸引力大于其排斥力，因此，M216和M110在pH=10左右时表现出较好的絮凝效果。然而随着pH值的进一步升高，絮凝剂的黏均相对分子质量降低和赤铁矿颗粒表面的负电性所造成的影响超过其溶解性增强带来的效果时，矿物颗粒的沉降速率也随之下降。阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂M002在pH>7后絮凝效果变差，这是由于碱性环境下—OH-消耗了M002的阳离子，导致其实际与矿物颗粒作用的絮凝剂量减少，使得絮凝沉降效果较差。M213为非离子型絮凝剂，主要通过吸附架桥作用使矿物颗粒絮凝沉降[8]，故对矿浆pH变化不敏感。

3.4 矿浆温度对精矿沉降速率的影响

由于浓缩机通常位于室外，浓缩机中矿浆温度易受环境温度的影响，因此浓缩脱水生产实践应考虑温度的影响[9]。考虑到夏冬两季温度极差，考察了在5～35 ℃时添加絮凝剂对精矿沉降速率的影响。图5为药剂用量50 g/t、混匀次数10次时，自然pH条件下矿浆温度对精矿沉降速率的影响。

从图5可以看出：M216对赤铁矿精矿的絮凝效果受矿浆温度的影响最为明显，矿浆温度低于15 ℃时沉降速率较低，且随温度升高无明显变化，矿浆温度大于15 ℃时，随着矿浆温度升高，其沉降速率明显增大，当温度超过25 ℃时，沉降效果开始恶化，且试验过程发现上清液浊度增加；添加M110和S20的精矿沉降速率均随温度升高而提高，并在15～25 ℃时，随温度升高，沉降速率升高较快；添加M002的精矿沉降速率随着温度的升高先逐渐增强，并在15 ℃时沉降最快，随后缓慢下降；M213对沉降速率的影响随温度升高无明显变化。大分子絮凝剂对温度的变化较为敏感，当温度超过一定范围时会发生降解使得其分子量降低，从而影响絮凝效果。除M002外,其余几种药剂的最佳使用温度均为25 ℃左右。

图5 矿浆温度对精矿沉降速率的影响

3.5 絮凝剂与矿浆混匀程度对精矿沉降速率的影响

高分子絮凝剂溶液在一般的操作浓度下黏度比较高，其均匀分布在整个悬浮液中需要一定的时间，絮凝沉降作用的发生有一个滞后过程。当絮凝剂用量固定时，达到最大固液分离的效率取决于絮凝剂溶液与悬浮液的混合均匀程度[10-11]。

试验中絮凝剂与矿浆的混匀过程通过匀速翻转沉降瓶(1次/s)进行，即使用翻转沉降瓶的次数度量其混匀程度。在药剂用量为50 g/t、自然pH、温度25 ℃的条件下，考察沉降速率与混匀次数的关系，结果如图6所示。

图6 混匀程度对精矿沉降速率的影响

从图6可以看出：添加S20、M216的精矿沉降效果受混匀程度的影响最大，添加S20的精矿在翻转次数为15次时沉降速率最高，添加M216、M110、M002、M213的精矿均在翻转次数为10次时沉降速率达到最高。所用絮凝剂为高分子链状物质，运动黏度较大，翻转次数少时絮凝剂分子分散不好，精矿沉降速率低，在充分混合时，精矿沉降速率达到最大值，进一步增加翻转次数，会造成絮团断裂，精矿沉降速率降低。

4 结 论

(1)絮凝剂添加量对赤铁矿精矿沉降效果有显著影响，用量过低时，对改善沉降效果不明显，用量过高时会产生“胶体保护”，沉降速率不再随絮凝剂用量增加而提高。

(2)矿浆pH对使用离子型絮凝剂时赤铁矿精矿的沉降速率有显著影响。聚丙烯酰胺类絮凝剂M110、M216在碱性条件下表现出更好的沉降效果，在pH=10时沉降速率最高；聚丙烯酸钠类絮凝剂则在pH=4时沉降速率最高。

(3)试验用絮凝剂中M216、M110、S20的最佳使用温度为25 ℃，Y2的最佳使用温度为15 ℃，M213则对矿浆温度变化不敏感。温度较低时，不利于絮凝剂与矿物颗粒作用，沉降效果差，温度过高时，絮凝剂发生降解，沉降效果变差。

(4)混匀程度对矿浆絮凝沉降的效率有显著影响。添加S20在沉降瓶匀速翻转15次时使赤铁矿精矿沉降达到最大速率，M110、M216、M002、M213均在翻转次数为10次时使赤铁矿精矿沉降达到最大速率。翻转次数少时絮凝剂分子分散不好，精矿沉降速率低，在充分混合时，精矿沉降速率达到最大值，进一步增加翻转次数，会造成絮团断裂，精矿沉降速率降低。

[1] 刘 杰，周明顺，翟立委，等.中国复杂难选铁矿的研究现状[J].中国矿业，2011，20(5):63-69. Liu Jie，Zhou Mingshun，Zhai Liwei，et al.Present status of China's complex refractory iron ore study[J].China Mining Magazine，2011，20(5):63-69.

[2] 刘焦萍，黄春成.铝土矿正浮选尾矿浆沉降新工艺研究[J].轻金属，2006(5)：8-13. Liu Jiaoping，Huang Chuncheng.New process of tailing slurry settlement after the bauxite forward flotation[J].Light Metals，2006(5)：8-13.

[3] 李慧梅，陈建国，袁玉萍.高含沙浑水在絮凝剂作用下的絮凝沉降试验研究[J].泥沙研究，2006(4) :73-77. Li Huimei，Chen Jianguo，Yuan Yuping.Experimental research on flocculated sediment settling in high sediment-contents under flocculating admixture[J].Journal of Sediment Research，2006(4) :73-77.

[4] 周兴龙，张文彬，王文潜.量筒内进行矿浆沉降试验的方法 [J].有色金属:选矿部分，2005(5)：30-32. Zhou Xinglong，Zhang Wenbin，Wang Wenqian.Methods for settlement experiment of slurry in the measuring cylinder[J].Nonferrous Metals：Mineral Procesing Section，2005(5)：30-32.

[5] Besra L，Sengupta D K，Roy S K，et al.Influence of polymer adsorption and conformation on flocculation and dewatering of kaolin suspension[J].Separation and Purification Technology，2004,37(3)：231-246.

[6] 沈 雷.阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂(APAM)的制备及应用研究[D].重庆：重庆大学，2011. Shen Lei.Preparation and Applications of Anionic Polyacrylamide Flocculant APAM[D].Chongqing：Chongqing University，2011.

[7] 左 倩.微细粒赤铁矿分散行为及机理研究[D].武汉：武汉科技大学，2012. Zuo Qian.Study on Behaviors and Mechanism of Dispersion of Hematite Fines[D].Wuhan：Wuhan University of Science and Technology，2012.

[8] 郭艳华，戴惠新，杨俊龙.不同絮凝剂对高泥氧化铜浸出液沉降的影响[J].过程工程学报，2013，13(5) ：812-816. Guo Yanhua，Dai Huixin，Yang Junlong.Effects of flocculants on sedimentation of high-mud copper oxide leaching pulp[J].The Chinese Journal of Process Engineering，2013,13(5)：812-816.

[9] 齐丁丁.温度对微细尾矿沉降性能的影响[J].矿冶工程，2003,23(4) :27-29. Qi Dingding.Effect of temperature on settling of superfine tailings[J].Mining and Metallurgical Engineering，2003,23(4):27-29.

[10] Weir S，Moody G M.The importance of flocculant choice with consideration to mixing energy to achieve efficient solid/liquid separation[J].Minerals Engineering，2003,6(2) :109-113.

[11] 闵凡飞，张明旭，朱金波.高泥化煤泥水沉降特性及凝聚剂作用机理研究[J].矿冶工程，2011,31(4)：55-62. Min Fanfei，Zhang Mingxu，Zhu Jinbo.Settling property of highly-argillized coal slurry and reaction mechanism of coagulants[J].Mining and Metallurgical Engineering，2011,31(4)：55-62.

(责任编辑 王亚琴)

Influence of Flocculants on Sedimentation Effect of Ultrafine Hematite

Chen Wanqi1,2Zhang Qin1,2Wang Tianzheng1,2Dai Kejin1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China；2.ResearchCenterofGreenManufacturing，EnergyConservationandEmissionReductionTechnologies，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China)

In order to improve the problems of long settling time，low filtration rate，severe wear leakage phenomenon，low content in filter cake during thickening and dehydration for fine grained hematite concentrate.Effects of types and dosage of flocculants，slurry pH，temperature，and degree of mixedness on the sedimentation behavior were studied，using an iron concentrate from Brazil as research object.The results indicated that：there were significant influence on sedimentation of hematite concentrate by adjusting flocculants addition，for too low addition have no obvious improvement on the sedimentation rate，with excessive addition could initiate colloid protecting，and the sedimentation velocity will not increase with dosage increase of flocculants.Sodium polyacrylate flocculants have good settling performance in alkaline conditions，while polyacrylamide flocculants have good settling performance in acidic condition.Hypothermia have disadvantage in improving the sedimentation rate，hyperthermia would lead to degradation of flocculants.Sufficient reversal and mixing was conducive to sedimentation，excessive mixing will worsen sedimentation effects.The results have important implications for suitable flocculant selection in iron concentrate settling and improve the concentrate sedimentation.

Ultrafine hematite， Flocculants，Sedimentation rate

2015-06-28

陈婉琦(1991—)，女，硕士研究生。

TD926.2

A

1001-1250(2015)-10-095-05