·982· 工程科学学报，第41卷，第8期 parameters such as pH,flocculant dosage,shear rate,and solid volume fraction to achieve optimal flocculation.A satisfactory floccula- tion rate of ultrafine tailings is easily achieved in a very short time using the ultra-flocculation theory,which provides a reference for the design of feed wells based on shear rate and residence time. KEY WORDS ultrafine tailings;anionic polyacrylamide;ultra-flocculation;shear rate;flocculation behavior optimization 随着我国经济社会发展对矿产品需求的持续增 电位而影响絮凝，，而国内对于尾砂处置过程中 长，我国十种有色金属产量、销量已经连续多年位居 H对超细尾砂絮凝的影响研究却相对较少， 世界第一.但是，随之而来的是每年巨量的尾砂等 絮凝是超细尾砂高效固液分离的前提，在研究 矿山固体废弃物的不断产生，并导致了严重的安全 絮凝沉降之前，有必要更加深入的研究絮凝条件对 和环境问题).同时，随着选矿技术的发展，矿石也 絮凝效果的影响，为此，本文基于超级絮凝理论，应 磨得越来越细，产生的尾砂甚至达到了超细级别 用超级絮凝测试仪)对超细尾砂絮凝行为进行优 (-10m粒径尾砂的体积分数常在50%左右)，从 化研究，为后续进一步研究超细尾砂絮凝沉降与实 而导致低浓度尾砂料浆相比分级尾砂或粗粒级尾砂 际生产中尾砂浓密设计提供参考 料浆脱水浓密更加困难，制约着尾矿安全高效处 置[2-).为此，常向低浓度尾砂料浆中添加高分子絮 1实验 凝剂，使尾砂颗粒形成尺寸更大、沉降速度更快的絮 1.1实验材料 团，并利用深锥浓密机技术，加速固液分离[) 为避免尾砂化学成分及其他可溶盐对絮凝的影 国内外学者针对全尾砂絮凝沉降进行了大量的 响6]，本文应用人造尾砂（石英砂）进行实验研究， 静态与动态絮凝沉降实验研究，重点分析了絮凝剂 经X射线衍射分析，其主要成分为Si02,质量分数 种类与单耗[6刃、尾砂料浆中固体体积分数[8-列等因 为99.87%（如图1所示）.人造尾砂密度为 素对于絮凝沉降的影响.但是，在这些沉降柱沉降 2604.04kg·m3.人造尾砂粒径非常细，中位粒径 实验研究中，都忽略了水力条件对絮凝的影响，也将 do=4.2m,而-10um尾砂体积分数高达 不可避免地对絮凝沉降行为优化产生影响.虽然在 70.62%,一般粒径在10m以下可认为是超细级 向沉降柱内添加絮凝剂后，会用搅拌棒上下搅动[] 别)]，因此可近似认为人造尾砂为超细尾砂，其具 或上下颠倒晃动沉降柱)，以促进絮凝剂与尾砂颗 体粒度分布如图2所示.BASF生产的高分子絮凝 粒充分混合，但是这种搅动或者晃动无法有效计算 剂Rheomax®DR1O50的絮凝效果相比一般的聚丙 相应的剪切速率并进行优选，且仍无法避免局部絮 烯酰胺絮凝剂效果好1】，因此本文选用其作为研究 凝剂单耗过高的问题. 用絮凝剂. 为克服这个缺陷，研究水力条件对尾砂絮凝的 4000 影响，可在絮凝料浆沉降之前通过在管道内创造不 同的水力条件（流场剪切速率）和混合时间[2]来研 3000 究剪切速率对于絮凝的影响.通常情况下，认为絮 凝像混凝一样，在高剪切条件下由于颗粒之间的相 互作用较弱而导致形成的絮团容易被破坏，所以一 1000 般认为剪切速率不超过400s-1[].但是事实上，由 于絮凝剂高分子链的存在，高分子絮凝时颗粒之间 10 20 30 40 50 60 20/) 的相互作用要比混凝时强得多.研究表明，在絮凝 图1人造尾砂化学组成 的初始阶段，使用很高的剪切速率(103~10s-1)是 Fig.I Chemical composition of artificial tailings 可以实现絮凝的.基于这个发现以及同向絮凝理论 里剪切速率越高其达到絮凝目标所需絮凝时间越短 1.2实验方案 的理论，相关学者提出了超级絮凝理论，即在数秒钟 实验采用超级絮凝测试仪进行不同条件下的相 的极短时间内施加超高的剪切速率，可实现超级絮 对絮凝率测试，超级絮凝测试仪如图3所示.人造 凝.超级絮凝和普通絮凝的本质区别在于前者的剪 尾砂料浆和絮凝剂溶液按照一定的流速进入絮凝反 切速率远高于后者，而所需时间远低于后者].同 应器内，絮凝反应6s后从反应器内排出，经过光电 时，已有研究表明，pH通过影响黏土悬浮液的Zeta 管测试其相对絮凝率并在控制盘上显示出相对絮凝工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 parameters such as pH, flocculant dosage, shear rate, and solid volume fraction to achieve optimal flocculation. A satisfactory floccula鄄 tion rate of ultrafine tailings is easily achieved in a very short time using the ultra鄄flocculation theory, which provides a reference for the design of feed wells based on shear rate and residence time. KEY WORDS ultrafine tailings; anionic polyacrylamide; ultra鄄flocculation; shear rate; flocculation behavior optimization 随着我国经济社会发展对矿产品需求的持续增 长,我国十种有色金属产量、销量已经连续多年位居 世界第一. 但是,随之而来的是每年巨量的尾砂等 矿山固体废弃物的不断产生,并导致了严重的安全 和环境问题[1] . 同时,随着选矿技术的发展,矿石也 磨得越来越细,产生的尾砂甚至达到了超细级别 ( - 10 滋m 粒径尾砂的体积分数常在 50% 左右),从 而导致低浓度尾砂料浆相比分级尾砂或粗粒级尾砂 料浆脱水浓密更加困难,制约着尾矿安全高效处 置[2鄄鄄4] . 为此,常向低浓度尾砂料浆中添加高分子絮 凝剂,使尾砂颗粒形成尺寸更大、沉降速度更快的絮 团,并利用深锥浓密机技术,加速固液分离[5] . 国内外学者针对全尾砂絮凝沉降进行了大量的 静态与动态絮凝沉降实验研究,重点分析了絮凝剂 种类与单耗[6鄄鄄7] 、尾砂料浆中固体体积分数[8鄄鄄9]等因 素对于絮凝沉降的影响. 但是,在这些沉降柱沉降 实验研究中,都忽略了水力条件对絮凝的影响,也将 不可避免地对絮凝沉降行为优化产生影响. 虽然在 向沉降柱内添加絮凝剂后,会用搅拌棒上下搅动[10] 或上下颠倒晃动沉降柱[11] ,以促进絮凝剂与尾砂颗 粒充分混合,但是这种搅动或者晃动无法有效计算 相应的剪切速率并进行优选,且仍无法避免局部絮 凝剂单耗过高的问题. 为克服这个缺陷,研究水力条件对尾砂絮凝的 影响,可在絮凝料浆沉降之前通过在管道内创造不 同的水力条件(流场剪切速率)和混合时间[12] 来研 究剪切速率对于絮凝的影响. 通常情况下,认为絮 凝像混凝一样,在高剪切条件下由于颗粒之间的相 互作用较弱而导致形成的絮团容易被破坏,所以一 般认为剪切速率不超过 400 s - 1[13] . 但是事实上,由 于絮凝剂高分子链的存在,高分子絮凝时颗粒之间 的相互作用要比混凝时强得多. 研究表明,在絮凝 的初始阶段,使用很高的剪切速率(10 3 ~ 10 4 s - 1 )是 可以实现絮凝的. 基于这个发现以及同向絮凝理论 里剪切速率越高其达到絮凝目标所需絮凝时间越短 的理论,相关学者提出了超级絮凝理论,即在数秒钟 的极短时间内施加超高的剪切速率,可实现超级絮 凝. 超级絮凝和普通絮凝的本质区别在于前者的剪 切速率远高于后者,而所需时间远低于后者[13] . 同 时,已有研究表明,pH 通过影响黏土悬浮液的 Zeta 电位而影响絮凝[14] ,而国内对于尾砂处置过程中 pH 对超细尾砂絮凝的影响研究却相对较少. 絮凝是超细尾砂高效固液分离的前提,在研究 絮凝沉降之前,有必要更加深入的研究絮凝条件对 絮凝效果的影响,为此,本文基于超级絮凝理论,应 用超级絮凝测试仪[15] 对超细尾砂絮凝行为进行优 化研究,为后续进一步研究超细尾砂絮凝沉降与实 际生产中尾砂浓密设计提供参考. 1 实验 1郾 1 实验材料 为避免尾砂化学成分及其他可溶盐对絮凝的影 响[16] ,本文应用人造尾砂(石英砂)进行实验研究, 经 X 射线衍射分析,其主要成分为 SiO2 ,质量分数 为 99郾 87% ( 如 图 1 所 示). 人 造 尾 砂 密 度 为 2604郾 04 kg·m - 3 . 人造尾砂粒径非常细,中位粒径 d50 = 4郾 2 滋m, 而 - 10 滋m 尾 砂 体 积 分 数 高 达 70郾 62% ,一般粒径在 10 滋m 以下可认为是超细级 别[17] ,因此可近似认为人造尾砂为超细尾砂,其具 体粒度分布如图 2 所示. BASF 生产的高分子絮凝 剂 Rheomax 襆 DR 1050 的絮凝效果相比一般的聚丙 烯酰胺絮凝剂效果好[18] ,因此本文选用其作为研究 用絮凝剂. 图 1 人造尾砂化学组成 Fig. 1 Chemical composition of artificial tailings 1郾 2 实验方案 实验采用超级絮凝测试仪进行不同条件下的相 对絮凝率测试,超级絮凝测试仪如图 3 所示. 人造 尾砂料浆和絮凝剂溶液按照一定的流速进入絮凝反 应器内,絮凝反应 6 s 后从反应器内排出,经过光电 管测试其相对絮凝率并在控制盘上显示出相对絮凝 ·982·