濾材沉積法回收貧液中載金粉炭試驗研究

張嘉樂,李 沛,沈 鑫,苗騰飛,李 陽,張俊南,曹 釗*

(1.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院; 2.內蒙古太平礦業有限公司)

引 言

低品位金礦石的回收主要采用氰化浸出工藝[1-2]?；钚蕴勘缺砻娣e大[3]、吸附性能強[4]、成本低,作為吸附劑應用于黃金選冶工藝中[5-7]。內蒙古某金礦提金工藝為原礦破碎-筑堆堆浸-活性炭靜態吸附-解吸電解獲得金泥。該提金工藝會產生粉炭,降低了現場生產的經濟效益。粉炭產生分為兩部分:第一,活性炭在吸附槽上“提串炭”相互碰撞摩擦后粉化;第二,載金炭進入解吸柱,高溫高壓解吸后,加冷水降溫同時泄壓,熱脹冷縮和壓差的共同作用使活性炭發生炸裂粉化。大于350目粉炭均可被現場安全篩回收,而小于350目粉炭則隨貧液匯入貧液池中,被貧液裹挾上堆。這部分粉炭比表面積大,會在浸堆繼續吸附金氰絡離子直到飽和,造成堆上截留金現象,且堆上粉炭載金后無法回收,導致金損失[8]。

現場曾采用袋式過濾在上堆方向管道中布置濾袋,但實踐表明,該過濾方式并不能有效回收粉炭,反而阻礙了正常生產。因為粉炭過于細密,濾袋很快被堵塞,附加沖洗裝置沖洗后脫附效果差,幾乎沒有二次使用性,且頻繁拆卸管道進行維護,增加了現場工作量;頻繁地關停管道閥門,易造成“水錘”現象,對管道有一定的破壞力,最終管道式布置濾袋被淘汰。

本研究在貧液池中采用濾材沉積的方式對貧液中粉炭進行沉積,實現兩個目標:一是在濾材沉積的最佳工況點時達到最大沉積量,減少粉炭上堆;二是不影響貧液自由流動,不影響現場正常生產。

1 試驗部分

1.1 粉炭與貧液性質

1)粉炭性質。對現場取樣后獲得的粉炭樣品進行化驗,噸炭載金量372.97 g。將貧液濃縮后取樣抽濾,取得粉炭樣品(抽濾所得樣品是粉炭和礦泥混合物,經灰化分析,含粉炭約53 %,因試驗和工業需求,不作分離,統稱為“粉炭”),用激光粒度分布儀分析,結果見圖1,粉炭的特征粒度D50=2.764 μm、D80=13.53 μm,為微米級顆粒。

圖1 粉炭粒度分布曲線Fig.1 Powdered carbon particle size distribution curve

為比較炭隨貧液上堆后吸附量差異,分別取新炭顆粒、載金炭顆粒、貧炭顆粒3種,在貧液中浸泡48 h,振磨機分別磨15 min,磨至粒級和貧液池中粉炭粒級相符,模仿粉炭泥化,分析3種炭的碘值,判斷其活性。新炭碘值918 mg/g,載金炭碘值715 mg/g,貧炭碘值714 mg/g,吸附能力與碘值呈正相關。

貧液池后端粉炭密度為2.3 mg/g,貧液平均流量為3 600 m3/h,每年上堆粉炭量72.5 t,金損失達27.04 kg,這也表明回收粉炭、防止粉炭上堆的重要性。需要說明的是,貧液池前端大于350目的粉炭沉降在底部,可被提炭器定期回收。本研究所取樣品均采自貧液池后端出水管,粉炭顆粒粒度小于350目,D50=2.764 μm,電動電位較高,難以沉降。

2)貧液性質。貧液中主要金屬元素分析結果見表1。

表1 貧液中主要金屬元素分析結果Table 1 Analysis results of main metallic elements in the barren solution

貧液中含量較高的是鈉、鐵、鈣、銅離子,其中鈉、鈣為易析出離子,推測可能會影響濾材沉積回收量。為了防止氫氰酸逸出,在貧液中加入NaOH溶液以維持pH≥10。因此,在選擇濾材時,應考慮耐堿性。

1.2 試驗裝置

1)濾材選擇。目前,常用的纖維濾材根據成型方式分為機織濾材、針織濾材、無紡織濾材。其中,機織濾材和針織濾材屬于平面結構,小于濾材孔徑的顆粒物可輕易穿過,大于濾材孔徑的顆粒物撞擊濾材表面后沉積,形成沉積層。無紡織濾材屬于三維結構,孔道呈曲折狀,顆粒物進入孔道后撞擊單根纖維實現沉積。

選擇濾材時應考慮使用環境,須具備以下幾個條件:耐酸堿性好,防止貧液腐蝕濾材;承壓強度大,可承受反沖洗時的水壓或氣壓;過濾精度高,需適合大部分顆粒沉積,且應盡可能有高滲透量;脫附性能好,濾材脫附后能反復使用。綜合考慮,選取聚丙烯無紡濾材(丙綸無紡濾材)、聚丙烯織造濾材(丙綸織造濾材)、錦綸織造濾材(尼龍織造濾材),過濾精度分別為50 μm、20 μm、10 μm、5 μm。所選濾材參數見表2。

表2 所選濾材參數Table 2 Parameters of selected filter materials

2)沉積單元。沉積框架長、寬、高分別是50 cm、20 cm、50 cm,框架兩側為8號鋼絲焊接,柱間距為2 cm,將濾材裁剪成寬48 cm的樣品纏繞固定在框架上,沉積面正面對應水流方向,結構見圖2,工作原理見圖3。沉積時間分別為8 h、16 h、24 h、32 h、48 h,通過試驗確定濾材最佳沉積工況。

圖2 沉積單元實物圖Fig.2 Picture of sediment units

圖3 濾材沉積單元沉積捕收粉炭工作原理示意圖Fig.3 Mechanism of filter materials sediment unit sedimenting and collecting powdered carbon

1.3 試驗指標與表征

1)試驗指標。

(1)沉積率,指一定時間內沉積在濾材上的粉炭占貧液中經過沉積單元迎水截面全部粉炭的質量比。貧液流速較穩定,且用流速儀定期測量,取平均流速。

(2)沉積量,指一定時間內沉積在濾材上的粉炭質量,是沉積后濾材經酸洗后質量與濾材質量之差?？紤]到不同試驗點的濾布沉積面積略有差異,為了更精確的比較,采用單位面積沉積量作為指標。

(3)滲透量,指濾材沉積前后透水速度的變化,具體方法是將濾材裁剪為直徑20 cm圓片后折疊為漏斗,倒入200 mL清水后全部漏下所需時間。

(4)脫附率,指在高壓氣水聯合脫附后,脫除的粉炭量與粉炭沉積量的質量比,脫除的粉炭量為經酸洗后濾材的質量與經反沖洗后濾材的質量之差。

(5)回收率,指濾材沉積后經反沖洗脫附的粉炭量與沉積時迎水截面全部粉炭的質量比。

2)表征手段。

(1)粗糙度。測試不同濾材表面光滑度,分析濾材沉積速度、納污量和濾材表面粗糙度之間的關系,為最后確定沉積濾材提供依據。GT-X三維輪廓儀用于濾材表面形貌、粗糙度、三維輪廓的快速定義,該儀器分辨率為0.1 nm。掃描濾材樣品時,測針會接觸工作表面,實時繪制等高線,生成粗糙度輪廓曲線。

(2)沉積形貌表征。為了考察不同結構濾材對粉炭的沉積能力,需對沉積形貌加以表征。采用日立SU8020高分辨場發射掃描電鏡分析粉炭形貌,其分辨率為50 nm,測試倍率為10萬倍,以觀測粉炭撞擊濾材單根纖維后的沉積形貌。

2 試驗結果

2.1 不同濾材表面粗糙度

3種濾材表面粗糙度測試結果見圖4,指標見表3。3種濾材表面粗糙度順序為:聚丙烯無紡濾材>錦綸織造濾材>聚丙烯織造濾材。結合濾材表面粗糙度指標,聚丙烯無紡濾材的最大高度最大,顯得凹凸不平;聚丙烯織造濾材的最大高度最小,表面波動較小。故聚丙烯無紡濾材表面最粗糙,聚丙烯織造濾材表面最光滑。

表3 濾材表面粗糙度指標Table 3 Indicators of filter materials surface roughness

圖4 濾材表面粗糙度輪廓圖Fig.4 Outline of filter materials surface roughness

2.2 濾材沉積粉炭試驗結果

2.2.1 濾材種類對比

試驗選用精度20 μm的3種不同材質濾材,分別沉積8 h、16 h、24 h、32 h、40 h、48 h,沉積后采用5 %稀鹽酸漂洗,試驗結果見圖5。

圖5 不同濾材沉積動力學曲線Fig.5 Sedimentation dynamics curve of different filter materials

由圖5可知:20 μm聚丙烯無紡濾材在沉積16 h時沉積率最大,達40 %。從濾材納污量考慮,20 μm聚丙烯無紡濾材沉積表現好于其他兩種同精度濾材。在沉積過程中,聚丙烯無紡濾材沉積率在8～16 h大幅增加,16 h達到極大值,而后急劇下降,但單位面積沉積量在穩步增加;聚丙烯織造濾材沉積率在8～24 h略有增長,24 h后穩定不變,其最大沉積率僅8 %;錦綸織造濾材或因表面材質較硬,其沉積率在8～24 h不變,32 h時增長到最大值,為9 %,而后又開始緩慢下降,表現極不穩定。從單位面積沉積量可觀察到,20 μm聚丙烯無紡濾材在各時間段內的沉積量穩步增加,且較其他兩種更加突出,沉積16 h、48 h時,單位面積沉積量分別為79.31 g/m2、157.60 g/m2。

由圖5可以直觀得到3種濾材各時間段的沉積率和單位面積沉積量,20 μm聚丙烯無紡濾材在各時間段沉積效果最佳。雖然在16 h時后沉積率開始遞減,但單位面積沉積量在增加,總沉積量也在增加。

不同濾材的沉積形貌見圖6。由圖6可知:聚丙烯無紡濾材有三維結構,形成了大量孔道,沉積顆粒最多;錦綸織造濾材粗糙度較高,也有一定量的顆粒沉積;而聚丙烯織造濾材表面最為光滑,沉積量最小。由此可見,濾材的結構和粗糙程度決定了其沉積捕收粉炭能力。

圖6 不同濾材的沉積形貌Fig.6 Sedimentation morphology of different filter materials

2.2.2 濾材精度對比

試驗選用10 μm、20 μm、50 μm聚丙烯無紡濾材,分別沉積8 h、16 h、24 h、32 h、40 h、48 h,計算3個精度濾材的沉積率和單位面積沉積量,結果見圖7。

圖7 不同精度聚丙烯無紡濾材的沉積動力學曲線Fig.7 Sedimentation dynamics curve of non-woven polypropylene filter materials with different precision

由圖7可知:10 μm精度的濾材容易在貧液池中堵塞孔道,沉積率先升高后大幅降低,單位面積沉積量增加緩慢;50 μm精度的濾材由于其孔徑太大,造成貧液中大部分粉炭隨貧液裹挾流出濾材,進而導致其沉積率先升高后持續走低;20 μm精度的濾材沉積效果最佳,因為其孔徑適配貧液池中大部分的粉炭粒級。

2.3 沉積后濾材脫附再生試驗

2.3.1 脫附率

濾材反沖洗脫附是濾材再生利用的重要手段,脫附方式分為反向氣沖洗脫附和反向水沖洗脫附。本研究采用的聚丙烯無紡濾材,其孔道為曲折狀,故采用反向氣沖洗脫附和反向氣水沖洗脫附兩種方式進行對比。在濾材強度可承受范圍內,利用250 kPa高壓氣體反吹打開已被堵塞孔道,脫附率不理想;而經過高壓氣體反吹洗,自來水簡單沖洗后,其脫附率大大提高。濾材脫附原理見圖8。

圖8 濾材脫附原理示意圖Fig.8 Mechanism of filter materials desorption

選擇20 μm沉積16 h的聚丙烯無紡濾材進行脫附,其沉積后干質量為700.66 g,經過高壓氣水聯合脫附后干質量為552.96 g,較原始濾材534.22 g相差不大,脫附率為88.7 %。

2.3.2 濾材再利用

20 μm沉積16 h的聚丙烯無紡濾材經高壓氣水聯合脫附后再次投入貧液池進行沉積試驗,分析沉積率和單位面積沉積量的變化,結果見表4。由表4可知:脫附后濾材沉積率和單位面積沉積量都有所下降,沉積率下降了約4百分點,單位面積沉積量減少了7.16 g/m2。

表4 20 μm聚丙烯無紡濾材脫附后再利用試驗結果Table 4 Test results of 20 μm non-woven polypropylene filter materials utilization after desporption

2.3.3 形 貌

對比沉積16 h未脫附、250 kPa高壓氣體脫附、高壓氣水聯合脫附3種脫附方式下20 μm聚丙烯無紡濾材形貌,結果見圖9。由圖9可知:高壓氣體脫附后纖維之間還殘留有些許顆粒物,但高壓氣水聯合脫附后清潔效果得到提升。

圖9 聚丙烯無紡濾材脫附前后沉積形貌對比Fig.9 Sedimentation morphology of non-woven polypropylene filter materials before and after desorption

3 討 論

1)沉積回收粉炭機理。貧液池中粉炭沉積是貧液裹挾粉炭沖擊濾材沉積面進而沉積的結果,當貧液帶動粉炭滲透濾材時[9-11],小于濾材孔徑的粉炭顆粒將在孔徑內部碰撞單根纖維,最后沉積黏附在孔徑中;大于濾材孔徑的粉炭顆粒無法透過孔徑,在纖維表面碰撞沉積,由顆粒間靜電吸引力和范德華作用力等共同作用實現沉積[12-14]。因此,在濾材選取時,一定要考慮使用環境對濾材的影響,尤其是重點分析所要沉積顆粒物的粒徑分布,以選擇適配的過濾精度[15-17],并通過不同沉積試驗確定濾材最佳沉積工況。

2)工業化形式。根據小型沉積試驗,20 μm濾材沉積16 h的沉積率最佳,達40 %,反沖洗后濾材二次使用沉積率可達36.2 %。按照貧液中粉炭密度為2.3 mg/g,貧液平均流量3 600 m3/h,噸炭載金量372.97 g計算,每年上堆粉炭量72.5 t,截留金27.04 kg。

工業化布置采用交錯攔截的方式(見圖10),這樣有利于多級沉積捕收。350目粉炭顆粒沉降在貧液池前端底部,被提炭器定時回收,較細不沉降粉炭采用沉積單元沉積回收。若按照濾材沉積48 h,單位面積沉積量157.60 g/m2計算,現場布置4塊50 m2無紡織濾材進行沉積,年沉積粉炭為17.25 t,直接減少截留金6.34 kg。按市場黃金價格400元/g計算,挽回損失253.6萬元。貧液池濾材沉積的便捷性為隨時可升降濾材,不會阻礙現場正常生產。

圖10 工業濾材沉積布置方式Fig.10 Layout of industrial filter materials sedimentation

3)展望。為提高濾材沉積效率,可采用靜電耦合濾材的方式沉積貧液池中粉炭,通過在濾材上加電場的方式加強濾材沉積粉炭能力,降低沉積時貧液擾動對已沉積粉炭的影響。

4 結 論

1)通過濾材沉積回收貧液中微米級粉炭的方法可行。20 μm聚丙烯無紡濾材沉積16 h效果較好,沉積率可達40 %,單位面積沉積量79.31 g/m2;經過反沖洗,脫附率達88.7 %,則綜合回收率為35.5 %。例如:在金礦選冶廠應用,只要放大濾材迎水面積,可降低粉炭上堆率,減少金流失。

2)濾材沉積效率與濾材表面粗糙度呈正相關。聚丙烯無紡濾材有三維結構,形成了淺層“孔道”,明顯比聚丙烯織造濾材、錦綸織造濾材更粗糙,沉積效果更好。

3)濾材精度一般選擇粉炭粒徑D80的1.5倍,過大則攔截不住,顆粒易穿透;過小則容易堵塞,粉炭沉積容量小,效率低。根據沉積動力學曲線,沉積時間不宜超過16 h,此時沉積率最大;超過16 h后,雖然單位面積沉積量有所增加,但整體效率下降。

4)該粉炭沉積方式在其他工程行業中亦可應用,如貴金屬顆粒物的固液分離、乳化液泵中乳化液除雜等。