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非恒温条件下全尾砂浆絮凝沉降规律研究米智华(湖南有色产业投资集团有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 0 1 6)摘 要:全尾砂浆的快速絮凝沉降对于充填工艺的完善与发展具有重要意义。通过控温设备进行全尾砂浆室内絮凝沉降模拟试验,得到不同温度下浆体絮凝过程中最大沉降速度的变化曲线,然后根据温度对最大沉降速度的影响效果将其划分为5个温度影响区间,并从双电层排斥力、分子动力学及高分子絮凝原理的角度对其影响机理进行阐述。研究结果表明:在A P AM添加量为2 0g/t、矿浆质量浓度为1 0%时,浆体最大沉降速度于2 0 攀升至0.8 1c ms-1,随后在2 5 下降至0.4 2c ms-1,且在5 2 0 及2 5 4 0 之间均呈上升趋势,不同温度区间内的最大沉降速度值相差可达1 9 3%。关键词:絮凝沉降速度;温度影响区间;双电层作用0 引言随着非金属矿领域选矿工艺的快速发展,选厂直接产出的全尾砂粒级日益降低,甚至7 4m以下颗粒占比达8 0%以上。而尾砂过细将直接影响到沉砂速度和浓缩设施上部溢流水含固量1。为了实现尾砂砂浆的快速沉降,众多学者研究探讨了影响絮凝沉降的各类因素,如砂浆质量浓度、絮凝剂单耗、絮凝剂种类等。但对于地处中高纬度地域的矿山而言,显著的环境温度差异对砂浆沉降的影响却鲜有人关注。如新疆的伽师铜矿2,其最高温度4 5、最低温度-2 2,温差高达6 7。类似领域也针对环境温度对絮凝的效果进行了探讨,如林倩等3根据D L V O理论用传统的化学动力学讨论了不同温度对木质素中添加聚氯化铝铁(P A F C)絮凝的影响。张金凤等4利用控温设备模拟实际环境,分别探讨了在盐水或淡水中,温度(5 3 0)对高岭土沉降的影响,发现高岭土颗粒的沉降速度与温度呈正相关,并给出了关于温度和泥沙质量浓度的沉降速度经验公式。由此可见,温度对絮凝剂活性、絮团等具有明显影响,而针对温度对尾砂絮凝沉降的影响则鲜有报道。因此,本文利用控温装置,进行不同温度条件下的尾矿砂浆絮凝沉降试验,探讨沉降速度随温度变化的响应机制,并结合相关理论对其作 用 机 理 进 行 分 析,具 有 较 强 的 实 践 参 考意义。1 非恒温静态沉降试验1.1 全尾砂矿浆试样尾砂试样取自江西某铅锌矿。7 4m以下的颗粒约占7 2%,粒度较细。全尾砂石英(S i O2)的含量达到3 0.0 4%,黄铁矿(F e S2)占7.4 1%,高岭石占3 7.2 6%,仅从化学成分上来看,并无对絮凝沉降有较大影响的因素。1.2 试验药剂结合尾砂特性,确定适合该全尾砂特性的絮凝剂类型为阴离子型聚丙烯酰胺(A P AM)。其主要作用原理为:A P AM的非极性高分子分子链中存在带负电荷的阴离子基(C O O),在溶液中利用阴离子基团间的静电排斥作用使分子链伸展,并以伸展状态附着在胶体和微粒表面,形成链尾状固着,与尾砂颗粒实现架桥絮凝,如图1所示。图1 链尾状固着絮凝原理1.3 试验仪器马尔文激光粒度仪M a s t e r s i z e r2 0 0 0、电热恒I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3温水温箱、希玛A S 8 2 0 1红外线测温仪、J J-1 0 0 W型电动搅拌机、1 0 0 0m L烧杯、5 0 01 0 0 0m L量筒、玻璃棒、滴定管、大直径移液管、电子天平、计时器等。1.4 试验步骤在前期的选型试验中,结合沉降效果、沉降速度、沉降高度及上清液澄清度等综合评价指标,对絮凝剂型号、絮凝剂单耗及矿浆稀释质量浓度进行了优化调试,最终确定选用A N-9 1 0-S H型絮凝剂,絮凝剂单耗最佳用量为2 0g/t,矿浆最佳稀释质量浓度为1 0%。进行不同温度下全尾砂浆静态絮凝沉降试验,考虑到环境温度的范围及水的凝固点,将本次试验的温度设定为54 0,具体操作过程如下(试验流程如图2所示)。图2 试验流程 (1)用精度为0.0 1g的电子称称取1g相对分子量为1 1 07的A N-9 1 0-S H型絮凝剂,将其移至装有1 0 0 0m L自来水的烧杯中,用小型电动搅拌机以3 0 0r/m i n的速度持续搅拌6 0m i n,直至溶液里的絮凝剂全部溶解,无肉眼可见絮状物出现。为获得更好的“桥连”效果,再用量筒取5 0 0m L该溶液,加水至1 0 0 0m L稀释成浓度为0.5g/L的絮凝剂溶液备用。(2)用精度为0.1g的电子称称取适量的全尾砂,并准备一定量(5、3 0、1 0 0)的自来水,在8个不同的1 0 0 0m L量筒中将水温分别调至5、1 0、1 5、2 0、2 5、3 0、3 5、4 0,配置质量浓度为1 0%的全尾砂浆,先后置于电热恒温水温箱中(室温5 左右)。(3)用移液管按絮凝剂单耗2 0g/t分别向8个量筒中加入4m L絮凝剂溶液。(4)玻璃棒搅拌1 5s后立刻停止,按连续间隔时间0,5,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,1 2 0,1 8 0,2 4 0,3 0 0,3 6 0,4 2 0s记录全尾砂浆固液分界面高度的变化值。051采矿技术2 0 2 3,2 3(3)2 试验结果与讨论2.1 絮凝沉降试验结果通过记录不同时刻下的全尾砂浆固液分界面高度,绘制不同温度下固液分界面高度与沉降时间的变化关系。横坐标为沉降时间,持续4 2 0s,纵坐标为沉降高度,如图3所示。图3 不同温度下全尾砂浆的沉降高度曲线因主要沉降过程发生在前2 4 0s,根据图3绘制不同温度时,前2 4 0 s内的固液分界面沉降速度变化关系图,如图4所示。图4 不同温度下全尾砂浆的沉降速度曲线对不同温度下的全尾砂浆沉降速度(见图4)分析可知,在沉降时间为2 5 s时,全尾砂浆固液分界面迅速下降,沉降速度增至最大,在此阶段絮团颗粒完成加速沉降,其中,随着温度的升高,沉降速度迅速增大,在2 0 恒温时达到最大值后迅速下降,在2 5 恒温时降至最小值,继续升高温度,沉降速度则会呈缓慢增加的趋势。其中,在2 0 恒温时的絮团沉降速度为0.8 1 c ms-1,是2 5 恒温时絮团沉降速度的1.9 3倍。沉降时间为5 6 0s时,温度处于5 4 0 之间的全尾砂浆沉降速度迅速降至0.0 80.1 4 c ms-1,其中温度处于2 0 恒温的全尾砂浆的沉降末速仅为最大沉降速度时的1 6%,主要沉降过程已基本完成。沉降时间为6 0 1 2 0s时,澄清液面与沉积液面逐渐接近重合,2 0 恒温下的全尾砂浆沉降速度接近0,其余组别依旧以0.0 1 0.1 4c ms-1的残余沉降速度在重力的作用下缓慢下沉。在随后的1 2 0 2 4 0s,5、1 0、1 5、2 5、3 0、3 5、4 0 恒温下的全尾砂浆完成压密沉降阶段,沉降速度降至0。对比全尾砂浆在相同温度下,浑液面沉降速度与时间的关系,绘制5 6 0s时,温度与沉降速度的关系曲线,如图5所示。图5 不同时刻全尾砂浆随温度变化的沉降速度曲线由图5可知,不同温度的全尾砂浆均在5s时达到最大沉降速度,且存在一个最佳温度区间,全尾砂浆处于最佳温度区间时,沉降速度最大,沉降效果最佳。当环境温度位于最佳温度区间左侧时,该沉降速度随温度的增高而迅速增大,直至温度攀升至最佳温度(2 0),vm a x(2 0)=0.8 1c ms-1。当环境温度位于最佳温度区间右侧时,全尾砂浆的沉降速度在2 5 左右迅速下降至最小值,vm i n(2 5)=0.4 2c ms-1。随着环境温度的持续增高,将会以此为起点缓慢增加。在本次试验最大设定温度4 0 条件下,全尾砂浆在5s时的沉降速度为0.5 8c ms-1,与温度5 条件下时的沉降速度0.6 1c ms-1基本处于同一水平。2.2 影响区间划分对比不同环境温度下全尾砂浆的最大沉降速度,得到非恒温环境下最大沉降速度曲线,如图6所示。由图6可以看出温度对最大沉降速度的影响显著且呈非线性变化,根据温度对最大沉降速度的影响程度将其划分为5个区间。其中,A B段为低温沉降影响区;B C段为适温沉降最佳区;C D段为跃迁沉降临界区;D E段为高温沉降干扰区;E F段为151米智华:非恒温条件下全尾砂浆絮凝沉降规律研究高温沉降加强区。图6 温度 最大沉降速度曲线根据图5,在温度升高后,尾砂料浆的沉降速度显著变化主要出现在前2 0s,2 0s后的沉降速度随着温度的变化较小,说明温度对尾砂料浆沉降的影响区域主要是在沉降前期。这与万远扬等5通过室内沉降筒试验得到温度从1 4 变化到3 0 时发现最大絮凝阶段(即加速沉降段、沉降末速段、干涉沉降区6),温度对长江口悬沙沉降速度的影响最为明显的结论较为一致。而刘毅7则通过试验发现,当温度从2 6 降到5 时,黏性泥沙的有效沉降速度会随之增大;同时指出温度不仅仅通过改变水的黏滞性来影响沉降速度,还与电化学力对絮凝特性的影响有关,因此,使用斯托克斯公式去修正温度对沉降速度的影响是错误的。由此可知,温度对絮凝的影响是双重的8。一方面温度升高使颗粒双电层厚度增加,两颗粒之间的排斥力增大,不利于两颗粒的碰撞絮凝;另一方面,温度升高加剧了颗粒的布朗运动。3 机理分析3.1 双电层排斥力的演变规律根据双电层理论,尾砂粒子会通过吸附水中的离子而获得电荷,这部分电荷又会继续吸附异号离子,从而在粒子表面形成阴阳离子层即为双电层,图7为尾砂颗粒与双电层结构示意图。其中,尾砂颗粒吸附离子及部分紧附并随之移动的反离子组成吸附层,其他部分反离子由于热运动和溶剂化作用而向外扩散形成扩散层,吸附层和扩散层间脱离的界面称之为滑移面。当尾砂颗粒种类相同时,两颗粒之间的双电层排斥力为:FE L=4R1R2R1+R20r2e x p(-h)(1)式中,R1、R2表示颗粒半径;0为真空的绝对介电常数,其值为8.8 5 4 1 0-1 2C2/(Jm);r为分散介质的相对介电常数,水的相对介电常数为7 8.5;是尾砂颗粒表面与溶液内部的电势差,与颗粒和介质特性等因素有关;h为颗粒之间的距离;是D e b y e长度,单位为m,与介质绝对温度、介质中阳离子化合价和离子浓度有关,其表达式为:=2e2NAciz2i 0rk T 5.5 8 1 01 0ciziT2(2)式中,e为元电荷电量,1.61 0-1 9C;NA为阿伏伽德罗常数,6.0 2 21 02 3/m o l;k为B o l t z m a n n常数,1.3 8 1 0-2 3J/K;T为绝对温度,;ci为阳离子浓度,m o l/L,zi表示阳离子化合价,无量纲。由式(1)、式(2)可以推出,当温度T增加,1/T随之减小,减小,e x p(-h)增大,使得FE L增大。因此在温度处于54 0 时(绝对 温 度2 7 83 1 3K),随着温度的增大,尾砂颗粒间热运动增强,双电层变厚,双电层排斥力增大,使得颗粒间互相结合的难度增大,絮团发育缓慢,对尾砂浆体的絮凝沉降产生抑制作用。至于温度升高导致双电层变厚的原因,结合试验及理论推导,可以得出以下结论:当两个尾矿颗粒接近时,随着温度的升高,将会增大尾砂 水系统的活化能,使得水中离子扩散速度加快;尾砂颗粒利用吸附作用,其表面的反离子数量会随之增加;而反离子数量的不断升高,一方面,会增大滑移面与微粒边界间的电势差(即电位),使得扩散层厚度随之增大;另一方面,电位离子与反离子之间具有的正反馈效应使得电位离子的数量也不断增多,导致吸附层的厚度会随之增大。促使双电层厚度随着温度升高而不断增加,如图8所示。从而导致尾砂颗粒在运动碰撞过程中,表现为以斥力为主,宏观上则体现为抑制尾砂颗粒的絮凝沉降。图7 尾砂颗粒双电层结构251采矿技术2 0 2 3,2 3(3)图8 尾砂颗粒双电层厚度变化3.2 絮凝颗粒浓度半寿期演变规律本次室内试验模拟是在静态低扰动环境下进行的,在沉砂过程中未施加任何外力,试验中颗粒的絮凝沉降属于异向絮凝。在量化布朗运动时,通常以颗粒浓度的半寿期(t1/2)来衡量流体中颗粒布朗运动的剧烈程度,即水中颗粒浓度由初始浓度n0减少至n0/2时所需的时间。单一分散系中颗粒浓度n(以每c m3中颗粒的个数计)由于布朗运动相碰而减少的速率为:-dndt=Kpn2(3)式中,Kp为速率常数,具体为:Kp=8 pd D(4)式中,p为颗粒间黏附效率因数,即颗粒碰撞中产生永久黏聚在一起的分数;d为颗粒半径;D为颗粒扩散系数,由E i n s t e i n-s t o k e s公式可知:D=kT6 d(5)式中,为水的黏度。将式(4)、式(5)代入式(3)中,可得:-dndt=4pk T3n2(6)代入边界条件:t=0时,n=n0;t=t1/2时,n=n0/2,可得异向絮凝半寿期为:t12=34pk T n0(7)由式(7)可以看出,当温度T增加时,t1/2将会随之减小,同时t1/2又直接表示颗粒布朗运动的剧烈程度。由此可知,当温度从5 升高至4 0 后,颗粒布朗运动加剧,产出能量增加,增大了颗粒碰撞概率,使得沉降加快,絮凝效果更佳。3.3 “桥连”作用的演变规律根据絮凝剂“桥连作用”,当温度较低时,颗粒表面扩散层厚度较低,使得多个絮凝剂分子的外伸部分与单个尾砂颗粒形成多点接触,形成结构紧密、形态细小的絮体,难以分离,如图9(a)所示。另一方面,低温会抑制水中离子的电解,使得尾砂颗粒表面电荷少,絮凝剂的解离受限,分子形态卷曲,使得絮凝剂分子的外伸部分易与原先被吸附尾砂颗粒的其他空位上,导致尾砂颗粒表面因为缺少吸附空位而失去架桥作用,造成高分子絮凝剂添加过量的假象,如图9(b)所示。图9 低温下高分子絮凝剂“桥连”作用随着温度的逐渐升高,尾砂颗粒表面的扩散层厚度逐渐增大,絮凝剂分子的分子链条由卷曲状逐渐向直线状进行舒展,直至某一温度时,扩散层的厚度及分子链条的舒展程度恰能满足分子链条与尾砂颗粒形成链环状吸附,此时最大沉降速度到达极大值点,达到最佳絮凝状态,如图1 0所示。图1 0 适温下高分子絮凝剂“桥连”作用继续升高温度,扩散层厚度过大,使得两尾砂颗粒之间的扩散层厚度总和远远超过了高分子絮凝剂基团的外伸部分所能达到的距离,难以发生桥连作用。宏观上就体现为最大沉降速度降至极小值点,絮凝效果不佳,如图1 1所示。351米智华:非恒温条件下全尾砂浆絮凝沉降规律研究图1 1 高温下高分子絮凝剂“桥连”作用4 结论本文利用室内模拟沉降试验,得到全尾砂浆在非恒温条件下的沉降速度曲线,并选取絮凝沉降过程中颗粒的最大沉降速度为分析指标,结合相关理论,分析了温度对最大沉降速度的影响,得到以下主要结论。(1)浆体的最大沉降速度在低温环境(52 0)中呈上升趋势,在2 0 左右达到极大值点,随后在2 5 左右迅速下降至极小值点后继续随温度的升高而缓慢增加。其中,vm a x(2 0)/vm i n(2 5)=1 9 3%。(2)在得到非恒温条件下最大沉降速度曲线的基础上,结合试验现象,根据温度对沉降速度的影响将其划分为:低温沉降影响区、适温沉降最佳区、跃迁沉降临界区、高温沉降干扰区、高温沉降加强区。(3)结合颗粒双电层理论、布朗运动及高分子絮凝及“桥连”原理对不同温度影响区间内絮凝效果变化的机理进行阐述,为矿山充填生产实践提供理论参考。参考文献:1 张德明,王莉,赵彬.基于活性材料的全尾砂胶结充填技术J.中国矿山工程,2 0 1 0,3 9(2):6-1 0.2WA N GY o n g,WUA i x i a n g,R 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