十六烷基三甲基溴化铵对磷尾矿基充填材料输送特性的影响研究①

陈九艳，张 覃，程 伟，3，4

（1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州科学院，贵州 贵阳 550001；3.喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室，贵州 贵阳 550025；4.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025）

磷尾矿是磷矿选矿作业中的固体废弃物，我国每 年产出磷尾矿约700万吨［1］。目前磷尾矿利用率仅5%，其余大量堆存，不利于环境友好［2］，磷尾矿综合利用迫在眉睫。

以固体废弃物为集料，辅以胶凝材料制备高浓度料浆充填采空区能有效解决尾矿堆存和采空区塌陷问题［3－4］。料浆高浓度管道输送直接关系到充填系统能否正常运行［5］，为防止管道堵塞，料浆应具有一定的流动性［6］，研究充填料浆的流变特性对于管道输送设计尤为重要［7］。料浆中细颗粒物质的性质是影响料浆流变行为的主要因素［8］；控制颗粒的表面化学性能可以改变流体的流变性能，这可通过使用低分子量带电聚合物改变它们所吸附的矿物表面性质来实现［9］。

十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）是一种常用的阳离子表面活性剂，可用于改变材料的表面性能［10］。本文以贵州某磷尾矿为主要集料，通过添加粉煤灰和水泥配制成充填料浆，向其中添加一定量的CTAB，研究料浆在管道内的输送效果及影响机理，对降低高浓度料浆管道输送过程中的流动阻力、管道磨损、输送能耗具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料和药剂

试验所用磷尾矿取自贵州某磷矿经浮选后的尾矿，用其作为胶结充填的骨料，与水泥、粉煤灰按一定比例配制成充填料浆。粉煤灰取自贵州某电厂。水泥为贵州麟山水泥公司新型干法生产的袋装复合硅酸盐水泥P·C32.5R。减阻剂为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）。试验用水为自制去离子水。

采用激光粒度仪对粉煤灰和磷尾矿进行了粒度分析，结果见图1。由图1可见，粉煤灰和磷尾矿整体粒度较细，其中磷尾矿－52.62μm粒级占比64.75%、－150μm粒级占比接近100%，粉煤灰－52.62μm粒级占比78.03%、－150μm粒级占比接近100%。

图1 粉煤灰和磷尾矿粒度分析结果

采用X射线衍射仪对粉煤灰和磷尾矿进行了矿物组成分析，结果见图2。可见磷尾矿主要含白云石、氟磷灰石、方解石、石英等成分，粉煤灰主要含石英、莫来石、赤铁矿等成分。

图2 磷尾矿和粉煤灰X射线衍射图谱

1.2 试验方法

使用实验室自制输送装置（见图3）进行输送量的测定。

图3 输送装置示意图

磷尾矿基充填材料（PTFM）的制备：按质量比6∶2∶1称取磷尾矿、粉煤灰和水泥，量取去离子水，将已称好的磷尾矿、粉煤灰和水泥添加至搅拌机内干式搅拌2 min，将减阻剂添加至去离子水中溶解，随后将减阻剂溶液添加至混凝土搅拌机再次搅拌5 min。磷尾矿料浆指单一添加磷尾矿的料浆。分别将以上2种料浆添加至给料桶，启动灌浆机，管道内料浆流动基本均匀，记下料浆流出一定体积所需要的时间，再计算相应的输送量。

使用输送量测定中的料浆配制方法配制备用料浆，在20℃的室温条件下，采用数字黏度仪测量各因素下料浆的动力黏度。

沉降试验在500 mL沉降量筒中进行，5 g矿物和500 mL去离子水在一个带有挡板的搅拌槽中混合，添加一定量减阻剂，在1 992 r／min下强烈搅拌10 min使其充分分散，全部转移到500 mL的玻璃沉降量筒里，用搅拌棒上下搅动10次后，立即放置在沉降颗粒分析仪上测定沉降质量随时间的变化，沉降高度21 cm。在搅拌机中调浆后转移至沉降量筒中，沉淀一定时间，抽取上部20 mL悬浮液，在哈希2100Q浊度仪中测量浊度。每组试验测量3次浊度，取平均值。

用沉降试验中的料浆配制方法配制备用料浆，搅拌完成后，静置10 min，随后用针管吸取3 mL左右悬浮液测定其Zeta电位值。参考混凝土试模标准JG 237—2008制备充填体试样，分别测定试样7 d、14 d和28 d的抗压强度。

2 试验结果与讨论

2.1 CTAB添加量对料浆输送量和黏度的影响

输送设备的输送量是衡量输送效率的重要参数，输送量越大，输送设备的输送效果越好。CTAB添加量对PTFM（74%）和磷尾矿（80%）输送量的影响见图4。由图4可见，随着CTAB添加量增加，PTFM输送量先迅速增加而后缓慢增加。CTAB的加入可有效提高PTFM料浆流动性，提高输送效率。试验过程中发现，未添加CTAB时，磷尾矿料浆加入输送装置后，管道堵塞；加入CTAB后，磷尾矿可以输送，输送量随着CTAB添加量增加而增大。从输送量的增加速率和经济成本考虑，CTAB的合适添加量为600 g／t。

图4 CTAB添加量对PTFM和磷尾矿料浆输送量的影响

CTAB添加量对PTFM和磷尾矿料浆黏度的影响见图5。无论低浓度还是高浓度，CTAB的添加都对PTFM充填材料的流变性产生影响，随着CTAB添加量增加，PTFM黏度整体呈减小趋势。在试验中观察到，未加CTAB时，输送浓度太高会影响黏度计的测量结果，所以选择接近输送的浓度。当输送浓度为72%时，随着CTAB添加量增加，PTFM料浆黏度先迅速减小，而后缓慢减小。随着CTAB添加量增加，磷尾矿料浆黏度表现出与PTFM相同的变化规律。在料浆输送过程中，料浆的运动受颗粒间阻力的影响，黏度减小，说明料浆运动时所受阻力减小，会进一步提高料浆输送效率。

图5 CTAB添加量对PTFM和磷尾矿料浆黏度的影响

2.2 CTAB添加量对料浆Zeta电位的影响

料浆的流变性不仅受固体含量的控制，还受颗粒和溶液性质的控制，流变性能的改变可能与减阻剂对浆体表面性质的影响有关［4］。为了进一步研究CTAB对料浆流变性影响机理，测定料浆悬浮液的Zeta电位与CTAB添加量的关系如图6所示。由图6可见，随着CTAB添加量增加，PTFM和磷尾矿料浆悬浮液Zeta电位逐渐增加，说明添加CTAB使得料浆颗粒之间的静电斥力增大，料浆分散性增强。

图6 CTAB添加量对PTFM和磷尾矿悬浮液Zeta电位的影响

PTFM含有硅酸盐和铝酸盐，表面有SiO32－和AlO32－，水中带有正电离子H＋，料浆吸附水中的H＋，使得水分子发生极化，从而使料浆与水产生电势差，所以料浆悬浮液中存在Zeta电位。CTAB为阳离子型活性剂，溶于水中呈正电性，将CTAB添加至PTFM中可能产生静电引力使CTAB吸附在PTFM上。相同的带电基面和边缘可能通过粒子间静电相互作用而发生分散，PTFM料浆黏度减小。这与文献［11］研究充填材料流变性改变机理时得出的分子间静电斥力和空间力改变可以导致粒子分散的结论一致。

2.3 CTAB添加量对沉降质量的影响

浊度和沉降质量可以表征颗粒在料浆中的分散行为，浊度越大且沉降质量越小，颗粒越容易在料浆中分散形成稳定的悬浮液，矿物颗粒之间的分散效果越好。图7为不同沉降时间下，料浆上清液的浊度与CTAB添加量的关系。由图7可见，在PTFM和磷尾矿中添加CTAB后，随着CTAB添加量增加，上清液浊度逐渐增大，说明CTAB的添加能增强固体颗粒之间的分散作用。

图7 CTAB添加量对PTFM和磷尾矿料浆浊度的影响

图8为CTAB添加量对PTFM、磷尾矿、粉煤灰和水泥沉降质量的影响。由图8可见，随着CTAB添加量增加，PTFM沉降质量逐渐增大；CTAB添加量从0 g／t增至400 g／t时，磷尾矿沉降质量变化趋势不明显，CTAB添加量从400 g／t增至600 g／t时，磷尾矿沉降质量增大趋势较为显著，再继续增加CTAB添加量，磷尾矿沉降质量增加幅度变小。CTAB添加量的变化对粉煤灰沉降质量的影响没有对其他组分的影响明显。随着CTAB添加量增加，水泥沉降质量逐渐增大。综上可知，添加CTAB导致颗粒的分散效果增大，这种分散效果在磷尾矿中较为明显，粉煤灰次之，而在水泥中表现为抑制颗粒分散。

图8 CTAB添加量对PTFM及各主要成分沉降质量的影响

2.4 CTAB添加量对PTFM抗压强度的影响

磷尾矿、粉煤灰、水泥质量比6∶2∶1，PTFM料浆浓度74%，不同养护时间下CTAB添加量对PTFM抗压强度的影响见图9。由图9可见，随着CTAB添加量增加，PTFM养护后的抗压强度先减小后增大，合理控制CTAB添加量，对PTFM抗压强度有改善效果，养护28 d后PTFM最大抗压强度为2.66 MPa。

图9 CTAB添加量对PTFM抗压强度的影响

3 结 论

以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为减阻剂，研究了磷尾矿基充填材料PTFM的输送特性。输送试验结果表明，添加减阻剂CTAB可使PTFM输送量逐渐增大。Zeta电位测定结果表明，随着CTAB添加量增加，PTFM料浆悬浮液动电位逐渐增大。添加CTAB后，相同的带电基面和边缘通过粒子间静电相互作用而发生分散，PTFM黏度减小。抗压强度测量结果表明，当磷尾矿、粉煤灰、水泥质量比6∶2∶1、PTFM浓度74%时，CTAB的添加对PTFM养护后的抗压强度有改善效果，养护28 d后PTFM最大抗压强度为2.66 MPa。综合考虑PTFM料浆的输送量和养护后的抗压强度，CTAB的合适添加量为600 g／t。