不同絮凝剂对铅锌尾矿沉降效果的影响

孙浩， 李茂林,3， 崔瑞， 宁江峰， 李瑞杰， 施佳

1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；

2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081；

3.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012

引 言

随着矿产资源的日益“贫、细、杂、难”化，为了使矿物能够得到充分解离，有时选矿过程中需要将矿石磨细，而细粒级的颗粒沉降比较困难，容易在水中悬浮，因此尾矿的高度浓缩近来颇受关注[1]。尾矿的高浓度输送，可以降低运输成本，提高尾矿库利用率，也能响应国家对于矿山环保的号召。另一方面尾矿胶结作为充填料进行矿山采空区回填，也需要将选矿厂排放的低浓度矿浆进行高度浓缩[2]。

絮凝剂是一种通过吸附-电性中和作用、吸附架桥作用、网铺-卷扫作用而使微细颗粒聚集的药剂。絮凝剂处理是一种国内外普遍使用的增加沉降速率和提高水质的经济而简便的方法。目前主要使用的絮凝剂有无机絮凝剂、有机絮凝剂、复合絮凝剂和生物絮凝剂四大类[3-4]。

夏雄[5]等采用共聚法制备了高分子无机-有机复合絮凝剂PSAF，同时选取制备的PSAF和聚合氯化铝(PAC)作为对比，探究一种对印染废水具有高效除磷效果的新型复合絮凝剂。杨开吉[6]总结了各类复合絮凝剂的絮凝机理，指出高分子复合絮凝剂未来研究的重点。姚彬[7]等综述了无机-有机高分子复合絮凝剂的研究进展，指出高分子化、复合化、多功能化是絮凝剂发展的方向，应充分发挥无机和有机组分的协同增效作用。

为了提高铅锌尾矿沉降速率和提升水质，分别考察了两种无机高分子絮凝剂和两种有机高分子絮凝剂的用量对铅锌尾矿絮凝浓缩的影响，根据絮凝效果，选择其中两种絮凝剂进行药剂复配、相应的絮凝沉降试验以及显微镜絮团图像分析，并讨论了絮凝机理，旨在揭示无机絮凝剂、有机絮凝剂以及复合絮凝剂与絮凝效果的关系。

1 试验材料和方法

1.1 试验原料与仪器

试验矿样取自广东省凡口铅锌选矿厂，该铅锌尾矿硫化铅锌矿的浮选尾矿。质量浓度为10%的原矿浆PH为6.52，尾矿密度为3.19 g/cm3，该铅锌尾矿粒度组成由马尔文激光粒度分析仪所测得，负累积粒度分布曲线(小于某一尺寸的颗粒所占的质量百分比)如图1所示，d10为1.076 μm，d50为6.936 μm，d90为28.884 μm。

图1 某铅锌尾矿负累积粒度分布曲线Fig. 1 Negative cumulative particle size distribution curve of a lead-zinc tailing

对浮选尾矿进行化学多元素测定，测定结果如表1所示。由表1可知浮选尾矿中，硫品位为7.46%，所取矿样硫品位略高于该铅锌矿浮选尾矿全年平均硫品位，主要的脉石成分为SiO2、Al2O3、CaO和MgO，四者合计含量为54.73%。浮选尾矿中还含有As、Cd等成分。表2为所选样品的矿物组成和含量，其中金属矿物主要为黄铁矿，含量为16.60%，脉石矿物主要为石英、方解石、白云石、云母以及石膏。

表1 化学多元素分析结果Table 1 Chemical multi-element result

表2 样品中主要矿物的含量Table 2 Contents of main minerals in the sample

试验仪器：磁力搅拌器；PM6000透光偏光型显微镜；浊度仪；恒温水槽。

本试验选取絮凝剂类型为：聚合氯化铝(PAC，分析纯)、聚合硫酸铁(PFS，分析纯)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM，分析纯，分子量：1 200万)、阴离子聚丙烯酰胺(APAM，分析纯，分子量：1 200万)。

1.2 试验方法

(1)用电子天平称取矿样53.7 g，加入到500 mL的烧杯中，加入450 mL去离子水，用玻璃棒搅拌均匀。

(2)使用磁力搅拌器使矿浆均匀分散，转速为500 r/min，搅拌时间为10 min。

(3)将混匀的矿浆快速转移到沉降瓶中，加入絮凝剂后将溶液定容至500 mL。

(4)塞紧沉降瓶瓶塞，翻转沉降瓶，使絮凝剂高分子与矿浆充分混匀。

(5)将其静置在试验台上，此时作为计时的零点，每过1 min记录一次沉降层下降高度。

1.3 指标检测

沉降速率：根据记录的不同时间沉降层高度，绘制铅锌尾矿的沉降曲线，从而计算铅锌尾矿的沉降速度。

根据沉降曲线计算铅锌尾矿沉降速率的方法[12-13]如图2所示，则铅锌尾矿的沉降速率为：

图2 沉降曲线Fig. 2 Settlement curve

Vp=Hp/Tp

(1)

分形维数[8-11]：絮凝体分形维数的测定，使用胶头滴管吸取适量的絮凝体，将其稀释后加入0.2%的六偏磷酸钠，滴取少许置于载玻片上，自然晾干后，通过 PM6000 透光偏光型显微镜采集的不同粒度絮凝体的图像，用CAD计算出相应粒度絮凝体图形的最长距离以及投影面积。

依据公式:

A=BLDf

(2)

通过对等号两边取对数，可得:

lnA=lnB+DflnL

(3)

式中: A为截面面积；B为比例常数；L为最长距离(也称为特征长度)；Df为分形维数。

根据所得投影面积A和最大长度L，做出lnA与lnL的拟合直线关系图，则斜率就是絮凝体的分形维数。

浊度；用注射器抽取沉降液面上清液后，先用标准液标定浊度仪，再将上清液置于测量容器中摇匀，将容器擦拭干净，进行测定，浊度仪上显示的数值即为该溶液浊度，单位为NTU(每NTU代表溶液中固体悬浮物为1 mg/L)。

2 结果和讨论

2.1 无机絮凝剂种类及其用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为探究

图3为不同PAC用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响，从图3可以看出，原矿沉降速率为2.75 mm/min,PAC能略微提升速率，且随PAC用量增加到120～160 g/t时，沉降速率提升了18.9%～22.9%，沉降速率提升不明显，当PAC用量达到120 g/t时，其上清液浊度由774NTU降低到41.2 NTU。图4为不同PFS对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响，从图4可以看出，和PAC类似，在PFS用量达到120～160 g/t时，沉降速率提升了20.4%～24%，当PFS用量达到120 g/t时，其上清液浊度由774NTU降低到35.5NTU，且随着用量继续增加，其去除浊度效果提升缓慢。图5为不同用量下PAC和PFS絮凝沉降行为对比，从图5可以看出，在去除浊度方面，PAC和PFS相差不大，当金属离子浓度达到120 g/t以上时，皆低于国家一级工业废水排放标准70 NTU，但沉降速率方面，PFS略微优于PAC，故无机絮凝剂选择PFS进行复配。

图3 不同PAC用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响Fig. 3 Influence of different PAC concentrations on flocculation and settlement behavior of lead-zinc tailings

图4 不同PFS用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响Fig. 4 Influence of different PFS concentrations on flocculation and settlement behavior of lead-zinc tailings

图5 不同絮凝剂用量下，PAC和PFS的絮凝沉降行为对比Fig. 5 The flocculation and sedimentation behaviors of PAC and PFS were compared under different metal ion concentrations

2.2 有机絮凝剂种类及其用量对铅锌尾矿的絮凝沉降行为探究

图6为不同CPAM用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响，从图6可以看出，当CPAM用量达到120 g/t时，其沉降速率由2.75 mm/min提升到6.93 mm/min，其上清液浊度由774 NTU降低到134 NTU，随着用量继续增加，沉降速率提升幅度减缓，当CPAM用量达到200 g/t时，其上清液浊度降低到65.7 NTU，略低于国家一级工业废水排放标准70 NTU。图7为不同APAM用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响，从图7可以看出，当APAM用量达到160 g/t时，其上清液浊度由774 NTU降低到113 NTU，随着用量继续增加，沉降速率提升幅度减缓，当APAM用量达到200 g/t时，其上清液浊度降低到82.1 NTU，依然高于于国家一级工业废水排放标准70 NTU。图8为在不同絮凝剂用量下，CPAM和APAM的絮凝沉降行为对比，从图8可以看出，当絮凝剂用量超过80 g/t时，CPAM无论是沉降速率还是上清液浊度都优于APAM，故有机絮凝剂选择CPAM进行复配。

图6 不同CPAM用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响Fig. 6 Influence of different CPAM dosage on flocculation and settlement behavior of lead-zinc tailings

图7 不同APAM用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响Fig. 7 Influence of different APAM dosage on flocculation and settlement behavior of lead-zinc tailings

图8 不同絮凝剂用量下，CPAM和APAM的絮凝沉降行为对比Fig. 8 The flocculation and sedimentation behaviors of CPAM and APAM were compared with each other at different flocculant consumption

2.3 无机-有机复合絮凝剂对铅锌尾矿絮凝沉降行为探究

无机凝聚剂在聚沉微细颗粒、提升回水水质方面效果显著，有机高分子絮凝剂可将不同种类的矿物联结形成絮体进而大幅度降低尾矿沉降时间。将无机絮凝剂和有机絮凝剂复合使用观察其能否产生协同作用。图9为PFS-CPAM按质量比1：1复合使用时，复合絮凝剂用量对铅锌尾矿絮凝沉降行为的影响，尾矿沉降速率由原矿的2.75 mm/min最大能提升到8.33 mm/min。图10为PFS-CPAM复合絮凝剂与单加CPAM的在不同CPAM单耗下絮凝沉降行为对比，从图10可以看出，PFS-CPAM复合絮凝效果无论沉降速率还是上清液浊度都优于单加CPAM，而沉降速率远远大于单加PFS，PFS和CPAM在复合絮凝时呈现协同作用。

图9 不同絮凝剂类型下，药剂用量对铅锌尾矿沉降速率的影响Fig. 9 Effect of dosage of flocculant on settlement rate of lead-zinc tailings under different flocculant types

图10 不同絮凝剂类型下，药剂用量对铅锌尾矿上清液浊度的影响Fig. 10 Effect of dosage of flocculant on turbidity of supernatant of lead-zinc tailings under different flocculant types

2.4 显微观测分析和絮团分形维数

在三种药剂制度下，使用胶头滴管吸取适量的絮凝体，将其稀释后加入0.2%的六偏磷酸钠，滴取少许置于载玻片上，自然晾干后，通过 PM6000 透光偏光型显微镜采集的不同粒度絮凝体的图像，挑选其中较为清晰的絮团图像，每种药剂制度下取10个不同大小的絮团进行分形维数的拟合。

图11～图13为显微镜观测的单加PFS、单加CPAM以及PFS-CPAM复合絮凝的絮团图像，以及对图像中絮团进行分形维数的拟和，从3组图中可以看出，单加PFS的絮团较小，而PFS-CPAM复合絮凝以及单加CPAM的絮团较大，絮团分形维数：单加PFS>PFS-CPAM>单加CPAM，PFS形成的铅锌尾矿絮团小而紧实，CPAM形成的铅锌尾矿絮团大而松散，而PFS-CPAM复合絮凝剂所形成的铅锌尾矿大而紧实。

图11 只添加PFS的絮团图像及其分形维数Fig. 11 Only the PFS's flocculation image and its fractal dimension are added

图12 只添加CPAM的絮团图像及其分形维数Fig. 12 Only CPAM flocculation images and their fractal dimensions were added

图13 PFS和CPAM共同添加的絮团图像和分形维数Fig. 13 PFS and CPAM add together the flocculation image and fractal dimension

3 结论

(1)PAC和PFS等无机絮凝剂对铅锌尾矿沉降速率影响较低，但其去除上清液浊度方面效果显著。在去除浊度方面，PAC和PFS相差不大，当PAC用量达到120 g/t时，其上清液浊度由774 NTU降低到41.2 NTU，当PFS用量达到120 g/t时，其上清液浊度由774NTU降低到35.5 NTU，在沉降速率方面，PFS略微优于PAC。

(2)CPAM和APAM等有机絮凝剂对铅锌尾矿沉降速率提升较大，但其上清液浊度很难达到国家一级工业废水排放标准70 NTU，当CPAM用量达到120 g/t时，其沉降速率由2.75 mm/min提升到6.93 mm/min，CPAM用量达到200 g/t时，其上清液浊度降低到65.7NTU，略低于国家一级工业废水排放标准70 NTU，APAM用量达到200 g/t时，其上清液浊度降低到82.1 NTU，依然高于于国家一级工业废水排放标准70 NTU。当絮凝剂用量超过80 g/t时，CPAM无论是沉降速率还是上清液浊度都优于APAM。

(3)PFS-CPAM复合絮凝剂在保证较低的上清液浊度的同时，极大提升了沉降速率，PFS-CPAM按质量比1：1复合使用时，尾矿沉降速率由原矿的2.75 mm/min最大能提升到8.33 mm/min。当复合絮凝剂用量超过80 g/t时，上清液浊度始终低于国家一级工业废水排放标准70 NTU，PFS和CPAM在铅锌尾矿絮凝沉降行为影响中体现了协同作用。

(4)在对絮团的显微图像分析中可知，PFS形成的铅锌尾矿絮团小而紧实，CPAM形成的铅锌尾矿絮团大而松散，而PFS-CPAM复合絮凝剂所形成的铅锌尾矿大而紧实。