铝土矿洗矿泥絮凝沉降试验研究

陈 斌，祝怡斌，翟文龙

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

铝土矿洗矿泥矿物成分主要为高岭石、一(三)水硬铝石、赤铁矿等，主要化学成分是Al2O3和SiO2，矿泥分散性大，粒度极细，小于0.02 mm的粒子约占65%，泥浆显负电性，现状铝土矿企业洗矿工序形成的泥浆水固含量10%左右，浓密后底流(固含量30%左右)用泵输送到排泥库存放，最终尾矿含水率高、流动性强，排泥库堆存环保风险高，水循环利用率低。根据现有排泥库经验，洗矿泥排入排泥库后，颗粒的沉积非常缓慢，且在沉积时形成“超架空结构”，即使矿泥沉积时间达10～20年，其下层矿泥仍为流塑状态[1-2]。

马俊伟等[3-6]对铝土矿矿泥进行了絮凝试验研究，结果表明，pH中性条件有利于洗矿泥的沉降，阴离子型PAM对洗矿泥的絮凝效果明显优于阳离子型PAM、PAC、PFC、PAFC，原因为阴离子有机絮凝剂絮凝原理为化学吸附，对洗矿泥，这种化学吸附作用力强于静电作用。对有机、无机絮凝剂复合使用对洗矿泥沉降效果的相关研究较少，本文考察了阴离子型PAM、PAFC及二者复合使用对某铝土矿洗矿泥沉降试验效果，探求铝土矿洗矿泥最佳絮凝沉降方案。

1 试验部分

1.1 试样、试剂及仪器

洗矿泥样品来自平果铝业公司。对洗矿泥样品采用激光粒度分析仪进行了粒度分析，分析结果见表1，洗矿泥的平均粒度为16.69 μm。

表1 洗矿泥粒度组成

对洗矿泥样品进行了X 射线衍射分析，分析结果见图1。

图1 洗矿泥样品的 X 射线衍射图Fig.1 X-ray diffraction pattern of washing mud

由图1可见，洗矿泥矿物成分主要为三水硬铝石(Al(OH)3)、高岭土(Al2Si2O5(OH)4)。

试验采用的无机絮凝剂为聚合氯化铝铁(PAFC)，为工业级，使用配制浓度为10%，采用的有机絮凝剂为阴离子PAM(化学纯)，分子量14 000，使用配制浓度为0.1%。

1.2 试验方法

配制质量浓度为10%的洗矿泥浆，每次取体积相同的洗矿泥浆，装入250 mL的烧杯中，用电子恒速六联搅拌机在转速150 r/min下搅拌均匀，然后添加絮凝剂，用电子恒速六联搅拌机，先快速搅拌，速度300 r/min，搅拌时间2 min，再慢速搅拌，速度80 r/min，搅拌时间5 min，然后将洗矿泥浆移入100 mL量筒中，静置，并按照一定时间间隔记录固液分界面刻度值，并于30 min时抽取液面下1 cm处上清液10 mL进行浊度测试，以考查洗矿泥在不同条件下的沉降效果。

根据研究目的，进行试验安排：第一，进行投加阴离子型PAM的洗矿泥沉降试验；第二，进行投加PAFC的洗矿泥沉降试验；第三，进行复配投加PAM和PAFC的洗矿泥沉降试验。

2 试验结果与讨论

2.1 不同阴离子型PAM用量试验

阴离子型PAM配制浓度1‰，投加量分别为0、2、5、10、20 mg/L时，考察它们对洗矿泥沉降的影响。试验结果见图2和表2、表3。

图2 不同PAM投加量洗矿泥沉降曲线Fig.2 Washing mud settlement curves at different PAM dosages

表2 上清液pH

表3 30 min时上清液浊度

可见，洗矿泥本身呈中性，投加阴离子型PAM后，上清液pH稍有增加，但变化不大，仍维持在7左右，随着阴离子型PAM投加量增加，洗矿泥沉降速度明显加快，但当PAM投加量超过10 mg/L时，沉降速度不再明显变化，且投加PAM后上清液浊度较大，原因为PAM不能捕获较小颗粒，导致出水浑浊。综合确定阴离子型PAM最佳投加量5 mg/L，10 min内即迅速完成沉降。

2.2 不同PAFC用量试验

PAFC配制浓度为10%，投加量分别为100、200、500、1 000、2 000 mg/L时，考察它们对洗矿泥沉降的影响。沉降30 min时，试验结果见图3，对投加PAFC的洗矿泥浆上清液pH进行测试，结果见表4。

图3 30 min时洗矿泥沉降试验照片Fig.3 Photo of washing mud sedimentation at 30 min

表4 上清液pH

由图3可见，随着PAFC投加量的增加，当投加量超过200 mg/L时，洗矿泥颗粒沉降困难，上清液浊度明显增大，其原因为加入PAFC后，洗矿泥浆体系pH降低所致，而根据大量研究，洗矿泥浆沉降最佳pH为7[4]，因此，在投加PAFC的同时，须调整洗矿泥浆体系pH至7，再进行絮凝沉降试验，调整后试验结果见图4和表5。

表5 30 min时上清液浊度

图4 不同PAFC投加量洗矿泥沉降曲线Fig.4 Washing mud settlement curves at different PAFC dosages

可见，投加PAFC后不能明显提高沉降速率，但能提高上清液浊度，当PAFC投加量达到2 000 mg/L时，沉降速度反而降低，上清液浊度也相应增加。这是因为PAFC过量后，铁、铝离子在矿物颗粒表面大量吸附，导致矿物颗粒间的静电排斥力增加，产生部分微细粒的“复稳”现象。单一采用PAFC，不能实现铝土矿洗矿泥浆的快速沉降。试验确定PAFC最佳投加量为100 mg/L。

2.3 阴离子型PAM、PAFC复配使用试验

由上述试验结果可看出，阴离子型PAM虽然与洗矿泥浆带相同电荷即负电荷，但由于其与洗矿泥之间极强的化学吸附作用，明显提高了洗矿泥的沉降速率，且其效果不易受体系pH的影响，确定阴离子型PAM为洗矿泥沉降首选絮凝剂。但考虑到其价格较高，且絮凝沉降后上清液浊度相对较大，本研究将其与PAFC复配使用，一方面，基于双电层理论，利用PAFC水解后形成金属正电荷与洗矿泥颗粒发生电性中和，降低胶体间的电势能，有助于PAM后续的吸附和网捕作用，降低PAM用量，另一方面，弥补了PAM不能捕获较小颗粒，导致出水浑浊的缺陷。

按照表6方案将配置好的浓度为1‰PAM溶液、10%赤泥基脱水剂溶液，按照先加入阴离子型PAM，后加入PAFC的顺序加入至3组制备好的洗矿泥溶液中。絮凝沉降试验结果见图5和表7。

表6 PAM、PAFC配比表

图5 PAM、PAFC复配投加洗矿泥沉降曲线Fig.5 Washing mud settlement curves at different PAM and PAFC dosages

表7 30 min时上清液浊度

根据上述试验结果，确定阴离子型PAM投加量2 mg/L、PAFC投加量50 mg/L时，絮凝沉降效果最好，沉降速率与PAM投加量5 mg/L时相当，且上清液浊度明显优于PAM投加量5 mg/L时。

3 结论

使用阴离子型PAM对铝土矿洗矿泥进行絮凝，沉降速度快，但上清液较浑浊，使用PAFC对洗矿泥进行絮凝，沉降速度没有明显加快，但上清液较清，二者复配使用，沉降效果较好，且降低PAM用量。本试验确定的最佳洗矿泥絮凝方案为：先投加PAFC，投加量50 mg/L，再投加阴离子PAM，投加量2 mg/L，沉降效果好，10 min即可完成沉降，上清液浊度小于30 NTU。