温度和酸碱度对铝土矿矿泥的沉降影响

任国帅, 孙刚臣,2*, 张喜伟, 胡宁, 龚子龙,3

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院, 桂林 541004; 2.广西建筑新能源与节能重点实验室, 桂林 541004;3.深圳市勘察测绘院(集团)有限公司, 深圳 518000)

中国的铝矿资源丰富,在选矿过程中产生大量的尾矿泥浆,泥浆具有颗粒细小、黏度大、比表面积大等特点,随着选矿工艺水平的提升,矿泥浆中微细颗粒的含量进一步增加,固体颗粒的沉降速度极为缓慢,高含水率的矿泥浆占用了大量的尾矿库容积,缩短了尾矿库的使用年限,需要建设大量的矿泥库以满足生产的需要。据统计,中国现有矿泥库12 655座。矿泥库一方面占用了大量的土地[1-4],一方面威胁周边环境以及当地群众的生命和财产安全[5-7]。

铝土矿矿泥中含有较多的黏土矿物,这些矿物在矿泥液中时,会吸附极性的水分子,形成扩散双电层,使矿泥颗粒间存在排斥力,导致矿泥颗粒固结沉降缓慢。利用聚丙烯酰胺(PAM)作为絮凝剂可以加速泥浆泥水分离,可以得到最佳沉降浓度并将沉降分为快速沉降阶段、缓慢沉降阶段和稳定沉降阶段[8];通过阶梯浓度矿泥浆沉积实验发现不同浓度的尾矿泥浆对沉降变化历程以及各物理参数的影响显著[9]。温度和pH也会对沉降的各因素产生影响,絮凝剂促进沉降效果研究发现投入絮凝剂会改变矿泥浆的pH,洗矿工艺对矿泥pH也有一定影响[10],而且洗矿场暴露在室外,矿泥的温度随外界温度变化。温度与pH的改变会影响矿泥颗粒表面的电性、双电层的厚度、介质溶液的黏滞系数、矿泥颗粒的布朗运动能。而矿泥的表面电性、双点层厚度、布朗运动能的变化会影响矿泥颗粒间的聚集与分散,从而对沉降速率造成影响。通过上述分析认为,调整环境温度、pH可以促进矿泥颗粒的沉降;温度变化会导致黏滞系数的变化,使沉降过程中颗粒所受阻力变化,从而对沉降速度产生影响[11-13]。

综上可知,温度和酸碱度会对尾矿泥的沉降速率造成影响,然而有利于铝土矿泥浆沉降的最佳温度和酸碱度并未给出。鉴于此,以平果铝矿泥浆为研究对象,通过分析粒度组成、矿物成分和泥线的变化,来研究温度和酸碱度对矿泥沉降速率的影响,寻找矿泥沉降的最佳外部环境,研究成果可为尾矿泥沉降环境优化、提高沉降速率和改善矿区水质提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验所用矿泥取自中国铝业广西分公司在百色市平果县的铝矿石洗矿车间,矿泥的物理性质如表1所示,主要矿物成分为高岭土、一水铝石等。矿泥颗粒较细,其颗粒分析的试验结果如表2所示。

表1 矿泥的物理性质指标

表2 矿泥颗粒组成

1.2 试验方法与数据处理

试验中所用不同浓度的矿泥浆配置如下：将矿泥倒入 500 mL 烧杯中,用搅拌机以300 r/min的速度搅拌5 min,然后测量其浓度,再添加矿泥上清液,搅拌5 min对浓度进行复测,得到试验所需浓度的矿泥。

1.2.1 不同温度下矿泥沉降试验

本试验采用500 mL量筒进行不同温度下矿泥的沉降试验,通过电加热装置对恒温水槽中水加热,温度控制装置如图1所示,将试验所用的量筒置于恒温水槽中,通过加热装置与电脑调节可实现对试验所需的水温控制,实验装置如图2所示。

图1 温控装置示意图

图2 温控设备

分别质量分数为7%、10%的矿泥在15、30、45、60 ℃下进行沉降试验,每种工况下进行3组对照试验,试验分组如表3所示。

表3 温度沉降试验分组

1.2.2 不同pH下矿泥沉降试验

采用1 000 mL量筒,配置浓度为10%的矿泥试样,把稀释之后的浓硫酸与氨水加入矿泥中搅拌均匀以调节pH,在室温下进行矿泥沉降试验,设置天然状态下(pH=7.6)的矿泥沉降对照组,按表4读数间隔进行读数,观测矿泥与上清液的的分界面(泥线)的位置变化,泥线的下降量等于上清液的高度。

表4 沉降试验读数频率设置

1.2.3 数据处理

上清液的高度变化可以反映出矿泥的沉降情况,同时上清液高度随时间的变化能反映出矿泥的沉降速度。通过读取量筒中泥线的刻度来计算上清液的高度,计算公式为

(1)

式(1)中：H为上清液高度,mm;V为量筒容积,mL;v为泥线刻度,mL;d为量筒的直径,cm。

平均沉降速度为沉降稳定后的上清液高度与时间比值。为能更好的反映出矿泥沉降速度的变化过程,取间隔时间内高度变化与时间比值,得到不同时间段的沉降速度,其计算公式为

(2)

式(2)中：u为某时间段沉降速度,mm/min;Hn为第n次读数上清液高度,mm;Hn+1为第n+1次读数上清液高度,mm;t为读数间隔时间,min。

2 试验结果与分析

2.1 不同温度对矿泥沉降的影响

2.1.1 试验结果

图3为7%矿泥在不同温度下上清液高度随时间变化的关系。图4为在和各时间段内沉降速度与时间的关系,可将沉降分为加速沉降阶段、匀速沉降阶段、干涉沉降阶段,符合典型的沉降曲线特征[14]。单个矿粒在广阔的介质空间中的独自沉降称作自由沉降,颗粒在有介质空间里的沉降称之为干涉沉降,在自由沉降中,颗粒主要受到颗粒自身的重力、介质浮力和介质阻力的作用;在干涉沉降中,颗粒因介质空间受限除自由沉降中所受力外还会受到其它颗粒的作用影响,主要影响包括碰撞、摩擦和悬浮体的作用等。颗粒之间相互影响,导致颗粒的整体速度下降,而且运动轨迹也相互影响,变得杂乱无章[11]。加速、匀速沉降阶段以自由沉降为主,并辅以部分干涉沉降。研究温度对加速、匀速沉降阶段的沉降速度以及结束时间的影响。

图3 7%矿泥不同温度沉降曲线

图4 7%矿泥不同温度沉降速度-时间曲线

由图3、图4可知,随着温度的升高每个阶段的持续时间不断减少,且矿泥的沉降速度与最终沉降量均有所增加,对于7%矿泥而言,15 ℃环境在80 min时匀速沉降阶段结束,30、45、60 ℃分别在60、45、30 min时匀速沉降阶段结束,沉降速度分别为1.70、2.25、2.83、3.43 mm/min。统计不同温度下,沉降开始时刻到匀速沉降阶段结束这一时间段的平均沉降速度如图5所示。

图5 匀速沉降阶段沉降速度-温度曲线

将匀速沉降阶段的沉降速度-温度曲线进行线性回归分析,得出沉降速度与矿泥温度变化的拟合方程y=0.038 5x+1.11,相关系数R2=0.999 6。由回归方程易知,对于7%矿泥,温度每提升10 ℃可使匀速沉降阶段的沉降速度提高0.385 mm/min。

图6为10%矿泥在不同温度下上清液高度随时间变化的关系。图7为各时间段内沉降速度与时间的关系,其沉降随温度的变化规律与7%矿泥相似,沉降开始时刻到匀速沉降阶段结束时间段的平均沉降速度如图8所示。

图6 10%矿泥不同温度沉降曲线

图7 10%矿泥不同温度沉降速度-时间曲线

图8 匀速沉降阶段沉降速度-温度曲线

对于10%矿泥而言,15 ℃环境在70 min时匀速沉降阶段结束,30、45、60 ℃分别在60、50、45 min时匀速沉降阶段结束,沉降速度分别为1.50、1.78、1.98、2.08 mm/min,进行回归分析得到沉降速度与矿泥温度变化的拟合方程y=0.013 2x+1.35,相关系数R2= 0.919。由回归方程可知,对于浓度10%的矿泥温度每提升10 ℃可使匀速沉降阶段的沉降速度提高0.132 mm/min。对比7%、10%矿泥的沉降情况可知,浓度的升高会使矿泥的升高使矿泥的沉降沉降速度与沉降量均降低,在实验测试的温度和pH范围内,浓度每提升1%会使矿泥在匀速沉降阶段的沉降速度下降0.24 mm/min,相比于温度对矿泥沉降速度的影响,浓度的变化对其造成的影响更大。

2.1.2 温度对矿泥浆颗粒沉降的影响机制分析

不同质量分数的矿泥,温度升高矿泥的沉降量与沉降速度均有所增加,这是由于环境温度的升高,颗粒的热运动能增加,使颗粒之间碰撞增多,其运动的稳定性可用颗粒之间的DLVO(Deryagin-Landau-Verwey-Overbeek)势能曲线来分析[15],矿泥颗粒表面均带负电,势能曲线如图9[14]所示。

图9 颗粒之间DLVO势能曲线[14]

随着颗粒之间的距离减小,总势能曲线(实线)依次出现次级势阱Emin2、能垒Emax、初级势阱Emin1。当外力小于次级势阱引力时,颗粒间发生松散团聚,但次级势阱引力很小易发生解聚现象;当颗粒所受外力克服次级势陷,进一步靠近时,此时能垒的大小是影响颗粒团聚的关键因素,当外力不足以克服颗粒之间的能垒,不易发生团聚[15];当颗粒所受外力克服能垒,进一步靠近时,则颗粒之间会在初级势阱的引力下形成稳定的团聚。

随着温度的升高,布朗运动能不断增大,则会克服颗粒间的能垒,在初级势阱处吸附产生稳定团聚,导致矿泥颗粒的沉降速度与沉降距离增加。另一方面,温度的升高会使介质黏滞系数降低,矿泥颗粒所受的阻力小,使矿泥颗粒的沉降速度增加[16]。

2.2 pH对矿泥沉降的影响

2.2.1 实验结果

图10、图11为10%矿泥在不同pH(设置相同条件下两组pH=7.6实验组作为对照实验)下矿泥上清液高度随时间变化的关系和各时间段内沉降速度与时间的关系。

图10 10%矿泥在不同pH下的沉降曲线

从图10、图11可以看出,在沉降初期矿泥的上清液高度与瞬时的沉降速度会发生剧烈的变化,这是因在实验开始阶段浆量筒中的矿泥浆充分搅拌,矿泥颗粒在惯性作用下高速运动造成的沉降速度突变。

在pH约为7.6时,沉降速度最快,效果也较好,沉降阶段沉降速度为7.27 mm/min,在酸性环境下矿泥的沉降速度与沉降距离均有所降低,主要对前60 min的沉降速度造成影响,在pH低于7.6时,随着pH的升高沉降速度不断提高,在pH高于7.6时,随着pH的升高,沉降速度有所降低[16],沉降情况如图12所示。

图12 不同pH下矿泥沉降情况

2.2.2 pH对矿泥浆颗粒沉降的影响机制分析

造成上述现象的原因是矿泥浆液中,主要的黏土矿物Al2O3与SiO2会跟水发生作用,形成带负电荷的胶体。

(1)

(2)

当H+含量较少时,反应式(1)、反应式(2)会向右进行,会形成更多的带负电的憎水性胶粒,当H+含量较高时,生成的憎水性胶粒减小,会造成矿泥颗粒的分散性降低。且矿泥中的主要黏土矿物为高岭土,是一种层状结构的硅酸盐,其层面间存在大量显负电的Si—O键和显两性的Al—OH键,当在碱性溶液中时,高岭土表面会络合大量OH-,增大了矿泥的负电性,通常端面与底面均为负电;在酸性溶液时,H+例子中和了表面的OH-,使颗粒间的双电层被压缩,表面电位值降低,通常底面带负电,端面带正电[17-18],易形成图13[14,19]所示的结构。

图13 矿泥部分颗粒排列示意图[14,19]

当pH较大时,由于矿泥颗粒表面会形成较多带负电的憎水性胶粒,增大了矿泥浆的分散性与稳定性,故pH>7.6时沉降速率有所降低。pH为7.1～7.6时,因pH降低,矿物颗粒表面的ζ电位绝对值降低,静电排斥作用减小,颗粒间的凝聚增强,且生成的负电憎水性胶粒减少,造成沉降速度加快。在低pH下,H+抵消了矿泥颗粒表面部分负电荷,矿泥颗粒间易边面接触,形成如图13[14,19]所示“卡片宫”的空间结构,该结构孔隙较大,且包裹较多的水,形成松散的絮团,颗粒间相互碰撞、摩擦导致沉降速度降低[14,19-20]。

3 结论

(1)浓度7%的矿泥温度每提升10 ℃可使匀速沉降阶段的沉降速度提高0.385 mm/min,浓度10%的矿泥温度每提升10 ℃可使匀速沉降阶段的沉降速度提高0.132 mm/min,该现象是由于在高温度下,颗粒的布朗运动能增大,颗粒间相互吸附的几率升高,且溶液的黏滞系数降低,共同造成了矿泥沉降速度加快。

(2)矿泥的浓度每提升1%会使矿泥在匀速沉降阶段的沉降速度下降0.24 mm/min,相比于温度浓度对矿泥沉降速度的影响更大。

(3)pH对矿泥沉降速度和沉降时间均有影响,pH在7.1～7.6时沉降效果最好,最快沉降速率可达7.27 mm/min,这是由于在该pH范围内静电排斥作用较小,颗粒间的凝聚性强,且生成的负电憎水性胶粒较少,造成沉降速度加快。

(4)在较高温度、低浓度、弱碱性的环境下更有利于矿泥颗粒沉降,可提高矿泥固液分离效率,但促进效果有限,未来研究应关注其他因素与温度、pH值的耦合影响机制,以提高矿泥的沉降速率,促进固液分离。