低腐蚀矿用清洗剂的配方开发和应用

倪潇

上海翱鹤矿业有限公司 （上海 201708）

陶瓷过滤机是一种矿山上常用的高效节能过滤设备，尤其在使用浮选或磁选等技术的选厂应用较广[1]。陶瓷过滤机的工作区分为吸浆区、干燥区、卸料区和反冲洗区[2]。陶瓷过滤机开始工作时，滤板浸没在料浆槽中，在真空作用下，料浆槽中悬浮的精矿颗粒吸附在滤板上，固体物料被截留在滤板上，滤液则通过滤板循环（富余部分也会外排）；滤板离开料浆槽，进入干燥区，在真空作用下滤饼继续脱水；干燥后的卸料区配置有刮刀，将滤饼刮下；卸料结束，滤板进入反冲洗区，过滤后的水通过分配头进入滤板，对滤板进行反清洗，把堵塞在微孔上的颗粒冲洗下来，至此完成一个过滤操作循环[3]。

虽然每个循环都有反冲洗，但仍有矿物颗粒堵塞一部分毛细管，长时间运行后过滤效果降低，因此需要定期清洗滤板。陶瓷过滤机清洗系统分简单物理清洗（反冲洗）装置、深度物理清洗（超声波）装置和化学清洗（酸洗）装置，三者结合工作保障陶瓷板微孔通畅，保持陶瓷板高效率地运行，防止其在周期运转中抽滤效果降低。

简单物理清洗（反冲洗）：由内向外对每一个循环的反冲洗区陶瓷板进行冲洗，保证陶瓷板微孔得到疏通，在开车及联合清洗时工作。

深度物理清洗（超声）：主要是在混合清洗时利用高频超声波的空化作用对陶瓷板进行清洗，在联合清洗时工作。

化学清洗（目前为硝酸洗）：虽然超声波能把大部分小颗粒精矿从微孔中洗出，但大颗粒会卡在微孔中，仅使用超声很难清洗干净。硝酸是强酸，能够溶解大部分金属氧化物（精矿颗粒）和结垢。清洗过程中加入硝酸会使大颗粒粒径变小，结合物理冲洗，能将更多的大颗粒洗下来，达到更好的清洗效果[4]。

陶瓷过滤机化学清洗绝大部分采用硝酸，使用少量的草酸进行辅助浸泡。随着环保政策越发严格，硝酸清洗遇到了前所未有的压力。实际生产中，硝酸存在较大的安全管理隐患。98%硝酸俗称发烟硝酸，属于危险化学品，在空气中猛烈发烟，灼伤事故频发；酸雾对设备、管道以及厂房腐蚀较为严重；硝酸储存要求高，需专门的安全环保设施；硝酸稀释操作难度大，放热快，需要小心缓慢操作。发烟硝酸在空气中会释放NO2气体，对人员健康存在一定伤害。由于硝酸具有强腐蚀性，清洗过程安全事故频发，清洗废液对环境造成污染，对构筑物造成腐蚀。诸多问题促使新型环保清洗方式的研发迫在眉睫[5]。

西北某铁矿是国内著名的大型磁铁矿床之一，主产品为铁精矿。铁精矿生产过程中脱水采用陶瓷过滤机。陶瓷过滤机滤板清洗始终采用硝酸，每年消耗98%浓硝酸约90 t。开发了一种硝酸替代品，为了进一步确定其清洗效果，在现场开展工业试验验证。

1 实验部分

1.1 清洗剂配方

上海翱鹤矿业有限公司根据生产痛点、难点，开展硝酸替代品的研究。通过过滤产品和滤板性质分析、清洗剂分子设计以及清洗试验等，最终获得一系列产品TAXX。其主要功能组分包括固体有机酸、固体无机酸式盐、水质硬度调整剂、pH 调整剂、表面活性剂（简称“表活”）、活性酶。

1.2 清洗剂的配置

当前选矿厂采购98%硝酸，先稀释至50%，再由计量泵送入反冲洗管路中，和反冲洗水混合成0.5%～1%的酸液进行清洗，流程如图1 所示。每吨精矿的硝酸用量约为100 g。发烟硝酸需要多步稀释，且需要给与稀释罐体一定的时间冷却。

图1 陶瓷过滤机硝酸清洗流程

TA20 是直接按照目标质量分数（即硝酸质量分数的十五分之一到十分之一）配制成稀溶液。在药剂搅拌桶内添加适量的水，然后按一定比例添加清洗剂，慢速搅拌，待全部溶解后使用；全程罐体温度没有明显变化。目标质量分数（5%～7%）的水溶液配制完毕后，直接代替原稀硝酸接入原过滤机酸泵吸入即可。药剂接入方法见图2。

图2 陶瓷过滤机清洗剂清洗流程

1.3 工业试验

HX-60 陶瓷过滤机过滤面积60 m2, 滤板180片。选厂精矿过滤车间共有10 台同型号过滤机，6台正常使用，4 台维修或者备用。本次工业试验采用现场一台正常使用陶瓷过滤机，试验时间为1 周。

选取2 号过滤机进行TA20 的陶瓷过滤机清洗试验，时间从2021 年3 月4 日开始，稳定运行至3月7 日。试验流程为：（1）3 月4 日早班采用硝酸清洗剂作为对照试验，硝酸初始质量分数为48%，由计量泵送入反冲洗管路中，淘洗机中的硝酸质量分数为0.21%，然后边超声边清洗，洗涤70 min。（2）3月4 日中班开始改用TA20 清洗剂，清洗时先配制5.5%的TA20 溶液，由计量泵送入反冲洗管路中，淘洗机中的TA20 质量分数为0.05%。边超声边清洗，洗涤时间为70 min（其中酸洗60 min，然后关闭计量泵用反冲水冲洗10 min）。清洗1 h 后测量清洗水pH，取清洗水样化验化学需氧量（COD），方法参照HJ 828—2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》，记录冲洗水压力。（3）过滤时均保持陶瓷过滤机真空度为0.1 MPa，每班每隔2 h 记录滤饼厚度（从右往左分别记录第2，5，8，11，14 圈共5 个取样点的滤饼厚度，然后取平均值）；每班测一次滤饼含水率。

2 结果和讨论

2.1 清洗剂配方选定

硝酸清洗中以强酸的腐蚀作用为主。TAXX 系列清洗剂以表面活性剂和固体有机酸为最初配方，在试验中不断改进，通过添加其他功能组分，达到类似的清洗效果。

由表1 可知，初始配方（有机酸+表活）的清洗能力在短时间内可和硝酸持平，但是到了一个班次的后期（6～8 小时），滤饼变薄，显示该配方的持续能力不够。因此，在原配方中加入了固体无机酸式盐，使酸性进一步增强，这个配方的清洗能力明显优于初始二元配方。因为现场清洗用水大部分硬度比较高、碱度大，继续加入一个微量组分，调整水体钙、镁离子含量和pH，使原配方能发挥更大的作用，最终形成了一个六元配方体系。

表1 TAXX 系列清洗剂配方改进和试验滤饼厚度cm

经过多次实验室内静态溶解试验对比，确定TA20 的溶出效果最好。TA20 为白色晶体，无色无味，易溶于水，溶解速度快且溶解过程中没有明显的温度变化，酸性远弱于等质量分数的硝酸，也不会产生酸雾，安全性提升，且操作简化。TA20 配方如表2所示。

表2 TA20 陶瓷板清洗剂配方

2.2 工业试验

由表3 工业试验数据可知，在洗涤时间相同（均为70 min）、陶瓷过滤机真空度均为0.1 MPa 条件下，采用TA20 清洗后的滤饼厚度与硝酸清洗的滤饼厚度基本一致，均随着过滤时间的增加而略微减小，在8 h 内滤饼厚度的平均值为0.46～0.54 cm，含水率在8.35%～11.32%之间。

表3 工业调试生产指标

采用硝酸作为清洗剂，其清洗水pH≈2，酸度过大，如果不用石灰中和，无法直接外排；而采用TA20作为清洗剂，其清洗水pH≈6，ρ（COD）≈10 mg/L，远低于当地环保局污水排放上限值（500 mg/L），可直接排放。

TA20 清洗剂在使用中优于硝酸，能在1/3～1/4的硝酸质量分数下达到相同的清洗效果。配置上大大简化，消除了硝酸使用中放热和产生酸雾的危险，减少了分步稀释硝酸中所需要的中间酸液（50%硝酸溶液）储罐。作为固体，其储存和运输也比高浓硝酸安全和方便。

3 成本分析

根据该矿业的实际生产情况，2019 年共生产137 万t 铁精矿，共消耗87.65 t 硝酸，硝酸单价为2 850 元/t（不含税），可知以硝酸作为清洗剂的成本为：87.65×2 850/1 370 000=0.18 元/t。

2021 年3 月4 日至3 月7 日使用TA20 进行陶瓷过滤机的清洗工业试验，每个班次每台陶瓷机使用TA20 的量为4.1 kg。由此可知，每年需使用环保清洗剂TA20 的量约为4.1×3×6×330/1 000≈24.5 t。按照清洗剂售价2 万元/t 计，生产1 t 精矿的清洗成本为0.3 元。

4 结语

（1）TA20 是一种环保矿用清洗剂，相比于硝酸清洗剂，它具有绿色环保，存储、配制、使用及运输过程安全、简单、方便，对设备零部件腐蚀小等优点，可改善工作环境，降低过滤过程中的事故率。

（2）陶瓷过滤机的工业清洗试验表明：TA20 能够完全替代硝酸清洗剂，且清洗水pH≈6，远高于硝酸作为清洗剂的清洗水pH（约为2）；使用TA20 的清洗水ρ（COD）≈10 mg/L，远远低于当地环保排放上限，无需石灰中和即可直接排放。

（3）在清洗工业试验中，陶瓷过滤机真空度均为0.1 MPa 的条件下，采用TA20 清洗后的滤饼厚度与硝酸清洗的滤饼厚度基本一致，均随过滤时间的增加而略微减小，在8 h 内滤饼厚度的平均值为0.46～0.54 cm，含水率在8.35%～11.32%之间。

（4）经计算，该矿业每年需使用环保清洗剂TA20 的量约为24.5 t，约为硝酸用量的28%。