溫度和酸堿度對鋁土礦礦泥的沉降影響

任國帥, 孫剛臣,2*, 張喜偉, 胡寧, 龔子龍,3

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院, 桂林 541004; 2.廣西建筑新能源與節能重點實驗室, 桂林 541004;3.深圳市勘察測繪院(集團)有限公司, 深圳 518000)

中國的鋁礦資源豐富,在選礦過程中產生大量的尾礦泥漿,泥漿具有顆粒細小、黏度大、比表面積大等特點,隨著選礦工藝水平的提升,礦泥漿中微細顆粒的含量進一步增加,固體顆粒的沉降速度極為緩慢,高含水率的礦泥漿占用了大量的尾礦庫容積,縮短了尾礦庫的使用年限,需要建設大量的礦泥庫以滿足生產的需要。據統計,中國現有礦泥庫12 655座。礦泥庫一方面占用了大量的土地[1-4],一方面威脅周邊環境以及當地群眾的生命和財產安全[5-7]。

鋁土礦礦泥中含有較多的黏土礦物,這些礦物在礦泥液中時,會吸附極性的水分子,形成擴散雙電層,使礦泥顆粒間存在排斥力,導致礦泥顆粒固結沉降緩慢。利用聚丙烯酰胺(PAM)作為絮凝劑可以加速泥漿泥水分離,可以得到最佳沉降濃度并將沉降分為快速沉降階段、緩慢沉降階段和穩定沉降階段[8];通過階梯濃度礦泥漿沉積實驗發現不同濃度的尾礦泥漿對沉降變化歷程以及各物理參數的影響顯著[9]。溫度和pH也會對沉降的各因素產生影響,絮凝劑促進沉降效果研究發現投入絮凝劑會改變礦泥漿的pH,洗礦工藝對礦泥pH也有一定影響[10],而且洗礦場暴露在室外,礦泥的溫度隨外界溫度變化。溫度與pH的改變會影響礦泥顆粒表面的電性、雙電層的厚度、介質溶液的黏滯系數、礦泥顆粒的布朗運動能。而礦泥的表面電性、雙點層厚度、布朗運動能的變化會影響礦泥顆粒間的聚集與分散,從而對沉降速率造成影響。通過上述分析認為,調整環境溫度、pH可以促進礦泥顆粒的沉降;溫度變化會導致黏滯系數的變化,使沉降過程中顆粒所受阻力變化,從而對沉降速度產生影響[11-13]。

綜上可知,溫度和酸堿度會對尾礦泥的沉降速率造成影響,然而有利于鋁土礦泥漿沉降的最佳溫度和酸堿度并未給出。鑒于此,以平果鋁礦泥漿為研究對象,通過分析粒度組成、礦物成分和泥線的變化,來研究溫度和酸堿度對礦泥沉降速率的影響,尋找礦泥沉降的最佳外部環境,研究成果可為尾礦泥沉降環境優化、提高沉降速率和改善礦區水質提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗所用礦泥取自中國鋁業廣西分公司在百色市平果縣的鋁礦石洗礦車間,礦泥的物理性質如表1所示,主要礦物成分為高嶺土、一水鋁石等。礦泥顆粒較細,其顆粒分析的試驗結果如表2所示。

表1 礦泥的物理性質指標

表2 礦泥顆粒組成

1.2 試驗方法與數據處理

試驗中所用不同濃度的礦泥漿配置如下：將礦泥倒入 500 mL 燒杯中,用攪拌機以300 r/min的速度攪拌5 min,然后測量其濃度,再添加礦泥上清液,攪拌5 min對濃度進行復測,得到試驗所需濃度的礦泥。

1.2.1 不同溫度下礦泥沉降試驗

本試驗采用500 mL量筒進行不同溫度下礦泥的沉降試驗,通過電加熱裝置對恒溫水槽中水加熱,溫度控制裝置如圖1所示,將試驗所用的量筒置于恒溫水槽中,通過加熱裝置與電腦調節可實現對試驗所需的水溫控制,實驗裝置如圖2所示。

圖1 溫控裝置示意圖

圖2 溫控設備

分別質量分數為7%、10%的礦泥在15、30、45、60 ℃下進行沉降試驗,每種工況下進行3組對照試驗,試驗分組如表3所示。

表3 溫度沉降試驗分組

1.2.2 不同pH下礦泥沉降試驗

采用1 000 mL量筒,配置濃度為10%的礦泥試樣,把稀釋之后的濃硫酸與氨水加入礦泥中攪拌均勻以調節pH,在室溫下進行礦泥沉降試驗,設置天然狀態下(pH=7.6)的礦泥沉降對照組,按表4讀數間隔進行讀數,觀測礦泥與上清液的的分界面(泥線)的位置變化,泥線的下降量等于上清液的高度。

表4 沉降試驗讀數頻率設置

1.2.3 數據處理

上清液的高度變化可以反映出礦泥的沉降情況,同時上清液高度隨時間的變化能反映出礦泥的沉降速度。通過讀取量筒中泥線的刻度來計算上清液的高度,計算公式為

(1)

式(1)中：H為上清液高度,mm;V為量筒容積,mL;v為泥線刻度,mL;d為量筒的直徑,cm。

平均沉降速度為沉降穩定后的上清液高度與時間比值。為能更好的反映出礦泥沉降速度的變化過程,取間隔時間內高度變化與時間比值,得到不同時間段的沉降速度,其計算公式為

(2)

式(2)中：u為某時間段沉降速度,mm/min;Hn為第n次讀數上清液高度,mm;Hn+1為第n+1次讀數上清液高度,mm;t為讀數間隔時間,min。

2 試驗結果與分析

2.1 不同溫度對礦泥沉降的影響

2.1.1 試驗結果

圖3為7%礦泥在不同溫度下上清液高度隨時間變化的關系。圖4為在和各時間段內沉降速度與時間的關系,可將沉降分為加速沉降階段、勻速沉降階段、干涉沉降階段,符合典型的沉降曲線特征[14]。單個礦粒在廣闊的介質空間中的獨自沉降稱作自由沉降,顆粒在有介質空間里的沉降稱之為干涉沉降,在自由沉降中,顆粒主要受到顆粒自身的重力、介質浮力和介質阻力的作用;在干涉沉降中,顆粒因介質空間受限除自由沉降中所受力外還會受到其它顆粒的作用影響,主要影響包括碰撞、摩擦和懸浮體的作用等。顆粒之間相互影響,導致顆粒的整體速度下降,而且運動軌跡也相互影響,變得雜亂無章[11]。加速、勻速沉降階段以自由沉降為主,并輔以部分干涉沉降。研究溫度對加速、勻速沉降階段的沉降速度以及結束時間的影響。

圖3 7%礦泥不同溫度沉降曲線

圖4 7%礦泥不同溫度沉降速度-時間曲線

由圖3、圖4可知,隨著溫度的升高每個階段的持續時間不斷減少,且礦泥的沉降速度與最終沉降量均有所增加,對于7%礦泥而言,15 ℃環境在80 min時勻速沉降階段結束,30、45、60 ℃分別在60、45、30 min時勻速沉降階段結束,沉降速度分別為1.70、2.25、2.83、3.43 mm/min。統計不同溫度下,沉降開始時刻到勻速沉降階段結束這一時間段的平均沉降速度如圖5所示。

圖5 勻速沉降階段沉降速度-溫度曲線

將勻速沉降階段的沉降速度-溫度曲線進行線性回歸分析,得出沉降速度與礦泥溫度變化的擬合方程y=0.038 5x+1.11,相關系數R2=0.999 6。由回歸方程易知,對于7%礦泥,溫度每提升10 ℃可使勻速沉降階段的沉降速度提高0.385 mm/min。

圖6為10%礦泥在不同溫度下上清液高度隨時間變化的關系。圖7為各時間段內沉降速度與時間的關系,其沉降隨溫度的變化規律與7%礦泥相似,沉降開始時刻到勻速沉降階段結束時間段的平均沉降速度如圖8所示。

圖6 10%礦泥不同溫度沉降曲線

圖7 10%礦泥不同溫度沉降速度-時間曲線

圖8 勻速沉降階段沉降速度-溫度曲線

對于10%礦泥而言,15 ℃環境在70 min時勻速沉降階段結束,30、45、60 ℃分別在60、50、45 min時勻速沉降階段結束,沉降速度分別為1.50、1.78、1.98、2.08 mm/min,進行回歸分析得到沉降速度與礦泥溫度變化的擬合方程y=0.013 2x+1.35,相關系數R2= 0.919。由回歸方程可知,對于濃度10%的礦泥溫度每提升10 ℃可使勻速沉降階段的沉降速度提高0.132 mm/min。對比7%、10%礦泥的沉降情況可知,濃度的升高會使礦泥的升高使礦泥的沉降沉降速度與沉降量均降低,在實驗測試的溫度和pH范圍內,濃度每提升1%會使礦泥在勻速沉降階段的沉降速度下降0.24 mm/min,相比于溫度對礦泥沉降速度的影響,濃度的變化對其造成的影響更大。

2.1.2 溫度對礦泥漿顆粒沉降的影響機制分析

不同質量分數的礦泥,溫度升高礦泥的沉降量與沉降速度均有所增加,這是由于環境溫度的升高,顆粒的熱運動能增加,使顆粒之間碰撞增多,其運動的穩定性可用顆粒之間的DLVO(Deryagin-Landau-Verwey-Overbeek)勢能曲線來分析[15],礦泥顆粒表面均帶負電,勢能曲線如圖9[14]所示。

圖9 顆粒之間DLVO勢能曲線[14]

隨著顆粒之間的距離減小,總勢能曲線(實線)依次出現次級勢阱Emin2、能壘Emax、初級勢阱Emin1。當外力小于次級勢阱引力時,顆粒間發生松散團聚,但次級勢阱引力很小易發生解聚現象;當顆粒所受外力克服次級勢陷,進一步靠近時,此時能壘的大小是影響顆粒團聚的關鍵因素,當外力不足以克服顆粒之間的能壘,不易發生團聚[15];當顆粒所受外力克服能壘,進一步靠近時,則顆粒之間會在初級勢阱的引力下形成穩定的團聚。

隨著溫度的升高,布朗運動能不斷增大,則會克服顆粒間的能壘,在初級勢阱處吸附產生穩定團聚,導致礦泥顆粒的沉降速度與沉降距離增加。另一方面,溫度的升高會使介質黏滯系數降低,礦泥顆粒所受的阻力小,使礦泥顆粒的沉降速度增加[16]。

2.2 pH對礦泥沉降的影響

2.2.1 實驗結果

圖10、圖11為10%礦泥在不同pH(設置相同條件下兩組pH=7.6實驗組作為對照實驗)下礦泥上清液高度隨時間變化的關系和各時間段內沉降速度與時間的關系。

圖10 10%礦泥在不同pH下的沉降曲線

從圖10、圖11可以看出,在沉降初期礦泥的上清液高度與瞬時的沉降速度會發生劇烈的變化,這是因在實驗開始階段漿量筒中的礦泥漿充分攪拌,礦泥顆粒在慣性作用下高速運動造成的沉降速度突變。

在pH約為7.6時,沉降速度最快,效果也較好,沉降階段沉降速度為7.27 mm/min,在酸性環境下礦泥的沉降速度與沉降距離均有所降低,主要對前60 min的沉降速度造成影響,在pH低于7.6時,隨著pH的升高沉降速度不斷提高,在pH高于7.6時,隨著pH的升高,沉降速度有所降低[16],沉降情況如圖12所示。

圖12 不同pH下礦泥沉降情況

2.2.2 pH對礦泥漿顆粒沉降的影響機制分析

造成上述現象的原因是礦泥漿液中,主要的黏土礦物Al2O3與SiO2會跟水發生作用,形成帶負電荷的膠體。

(1)

(2)

當H+含量較少時,反應式(1)、反應式(2)會向右進行,會形成更多的帶負電的憎水性膠粒,當H+含量較高時,生成的憎水性膠粒減小,會造成礦泥顆粒的分散性降低。且礦泥中的主要黏土礦物為高嶺土,是一種層狀結構的硅酸鹽,其層面間存在大量顯負電的Si—O鍵和顯兩性的Al—OH鍵,當在堿性溶液中時,高嶺土表面會絡合大量OH-,增大了礦泥的負電性,通常端面與底面均為負電;在酸性溶液時,H+例子中和了表面的OH-,使顆粒間的雙電層被壓縮,表面電位值降低,通常底面帶負電,端面帶正電[17-18],易形成圖13[14,19]所示的結構。

圖13 礦泥部分顆粒排列示意圖[14,19]

當pH較大時,由于礦泥顆粒表面會形成較多帶負電的憎水性膠粒,增大了礦泥漿的分散性與穩定性,故pH>7.6時沉降速率有所降低。pH為7.1～7.6時,因pH降低,礦物顆粒表面的ζ電位絕對值降低,靜電排斥作用減小,顆粒間的凝聚增強,且生成的負電憎水性膠粒減少,造成沉降速度加快。在低pH下,H+抵消了礦泥顆粒表面部分負電荷,礦泥顆粒間易邊面接觸,形成如圖13[14,19]所示“卡片宮”的空間結構,該結構孔隙較大,且包裹較多的水,形成松散的絮團,顆粒間相互碰撞、摩擦導致沉降速度降低[14,19-20]。

3 結論

(1)濃度7%的礦泥溫度每提升10 ℃可使勻速沉降階段的沉降速度提高0.385 mm/min,濃度10%的礦泥溫度每提升10 ℃可使勻速沉降階段的沉降速度提高0.132 mm/min,該現象是由于在高溫度下,顆粒的布朗運動能增大,顆粒間相互吸附的幾率升高,且溶液的黏滯系數降低,共同造成了礦泥沉降速度加快。

(2)礦泥的濃度每提升1%會使礦泥在勻速沉降階段的沉降速度下降0.24 mm/min,相比于溫度濃度對礦泥沉降速度的影響更大。

(3)pH對礦泥沉降速度和沉降時間均有影響,pH在7.1～7.6時沉降效果最好,最快沉降速率可達7.27 mm/min,這是由于在該pH范圍內靜電排斥作用較小,顆粒間的凝聚性強,且生成的負電憎水性膠粒較少,造成沉降速度加快。

(4)在較高溫度、低濃度、弱堿性的環境下更有利于礦泥顆粒沉降,可提高礦泥固液分離效率,但促進效果有限,未來研究應關注其他因素與溫度、pH值的耦合影響機制,以提高礦泥的沉降速率,促進固液分離。