滤材沉积法回收贫液中载金粉炭试验研究

张嘉乐,李 沛,沈 鑫,苗腾飞,李 阳,张俊南,曹 钊*

(1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院; 2.内蒙古太平矿业有限公司)

引 言

低品位金矿石的回收主要采用氰化浸出工艺[1-2]。活性炭比表面积大[3]、吸附性能强[4]、成本低,作为吸附剂应用于黄金选冶工艺中[5-7]。内蒙古某金矿提金工艺为原矿破碎-筑堆堆浸-活性炭静态吸附-解吸电解获得金泥。该提金工艺会产生粉炭,降低了现场生产的经济效益。粉炭产生分为两部分:第一,活性炭在吸附槽上“提串炭”相互碰撞摩擦后粉化;第二,载金炭进入解吸柱,高温高压解吸后,加冷水降温同时泄压,热胀冷缩和压差的共同作用使活性炭发生炸裂粉化。大于350目粉炭均可被现场安全筛回收,而小于350目粉炭则随贫液汇入贫液池中,被贫液裹挟上堆。这部分粉炭比表面积大,会在浸堆继续吸附金氰络离子直到饱和,造成堆上截留金现象,且堆上粉炭载金后无法回收,导致金损失[8]。

现场曾采用袋式过滤在上堆方向管道中布置滤袋,但实践表明,该过滤方式并不能有效回收粉炭,反而阻碍了正常生产。因为粉炭过于细密,滤袋很快被堵塞,附加冲洗装置冲洗后脱附效果差,几乎没有二次使用性,且频繁拆卸管道进行维护,增加了现场工作量;频繁地关停管道阀门,易造成“水锤”现象,对管道有一定的破坏力,最终管道式布置滤袋被淘汰。

本研究在贫液池中采用滤材沉积的方式对贫液中粉炭进行沉积,实现两个目标:一是在滤材沉积的最佳工况点时达到最大沉积量,减少粉炭上堆;二是不影响贫液自由流动,不影响现场正常生产。

1 试验部分

1.1 粉炭与贫液性质

1)粉炭性质。对现场取样后获得的粉炭样品进行化验,吨炭载金量372.97 g。将贫液浓缩后取样抽滤,取得粉炭样品(抽滤所得样品是粉炭和矿泥混合物,经灰化分析,含粉炭约53 %,因试验和工业需求,不作分离,统称为“粉炭”),用激光粒度分布仪分析,结果见图1,粉炭的特征粒度D50=2.764 μm、D80=13.53 μm,为微米级颗粒。

图1 粉炭粒度分布曲线Fig.1 Powdered carbon particle size distribution curve

为比较炭随贫液上堆后吸附量差异,分别取新炭颗粒、载金炭颗粒、贫炭颗粒3种,在贫液中浸泡48 h,振磨机分别磨15 min,磨至粒级和贫液池中粉炭粒级相符,模仿粉炭泥化,分析3种炭的碘值,判断其活性。新炭碘值918 mg/g,载金炭碘值715 mg/g,贫炭碘值714 mg/g,吸附能力与碘值呈正相关。

贫液池后端粉炭密度为2.3 mg/g,贫液平均流量为3 600 m3/h,每年上堆粉炭量72.5 t,金损失达27.04 kg,这也表明回收粉炭、防止粉炭上堆的重要性。需要说明的是,贫液池前端大于350目的粉炭沉降在底部,可被提炭器定期回收。本研究所取样品均采自贫液池后端出水管,粉炭颗粒粒度小于350目,D50=2.764 μm,电动电位较高,难以沉降。

2)贫液性质。贫液中主要金属元素分析结果见表1。

表1 贫液中主要金属元素分析结果Table 1 Analysis results of main metallic elements in the barren solution

贫液中含量较高的是钠、铁、钙、铜离子,其中钠、钙为易析出离子,推测可能会影响滤材沉积回收量。为了防止氢氰酸逸出,在贫液中加入NaOH溶液以维持pH≥10。因此,在选择滤材时,应考虑耐碱性。

1.2 试验装置

1)滤材选择。目前,常用的纤维滤材根据成型方式分为机织滤材、针织滤材、无纺织滤材。其中,机织滤材和针织滤材属于平面结构,小于滤材孔径的颗粒物可轻易穿过,大于滤材孔径的颗粒物撞击滤材表面后沉积,形成沉积层。无纺织滤材属于三维结构,孔道呈曲折状,颗粒物进入孔道后撞击单根纤维实现沉积。

选择滤材时应考虑使用环境,须具备以下几个条件:耐酸碱性好,防止贫液腐蚀滤材;承压强度大,可承受反冲洗时的水压或气压;过滤精度高,需适合大部分颗粒沉积,且应尽可能有高渗透量;脱附性能好,滤材脱附后能反复使用。综合考虑,选取聚丙烯无纺滤材(丙纶无纺滤材)、聚丙烯织造滤材(丙纶织造滤材)、锦纶织造滤材(尼龙织造滤材),过滤精度分别为50 μm、20 μm、10 μm、5 μm。所选滤材参数见表2。

表2 所选滤材参数Table 2 Parameters of selected filter materials

2)沉积单元。沉积框架长、宽、高分别是50 cm、20 cm、50 cm,框架两侧为8号钢丝焊接,柱间距为2 cm,将滤材裁剪成宽48 cm的样品缠绕固定在框架上,沉积面正面对应水流方向,结构见图2,工作原理见图3。沉积时间分别为8 h、16 h、24 h、32 h、48 h,通过试验确定滤材最佳沉积工况。

图2 沉积单元实物图Fig.2 Picture of sediment units

图3 滤材沉积单元沉积捕收粉炭工作原理示意图Fig.3 Mechanism of filter materials sediment unit sedimenting and collecting powdered carbon

1.3 试验指标与表征

1)试验指标。

(1)沉积率,指一定时间内沉积在滤材上的粉炭占贫液中经过沉积单元迎水截面全部粉炭的质量比。贫液流速较稳定,且用流速仪定期测量,取平均流速。

(2)沉积量,指一定时间内沉积在滤材上的粉炭质量,是沉积后滤材经酸洗后质量与滤材质量之差。考虑到不同试验点的滤布沉积面积略有差异,为了更精确的比较,采用单位面积沉积量作为指标。

(3)渗透量,指滤材沉积前后透水速度的变化,具体方法是将滤材裁剪为直径20 cm圆片后折叠为漏斗,倒入200 mL清水后全部漏下所需时间。

(4)脱附率,指在高压气水联合脱附后,脱除的粉炭量与粉炭沉积量的质量比,脱除的粉炭量为经酸洗后滤材的质量与经反冲洗后滤材的质量之差。

(5)回收率,指滤材沉积后经反冲洗脱附的粉炭量与沉积时迎水截面全部粉炭的质量比。

2)表征手段。

(1)粗糙度。测试不同滤材表面光滑度,分析滤材沉积速度、纳污量和滤材表面粗糙度之间的关系,为最后确定沉积滤材提供依据。GT-X三维轮廓仪用于滤材表面形貌、粗糙度、三维轮廓的快速定义,该仪器分辨率为0.1 nm。扫描滤材样品时,测针会接触工作表面,实时绘制等高线,生成粗糙度轮廓曲线。

(2)沉积形貌表征。为了考察不同结构滤材对粉炭的沉积能力,需对沉积形貌加以表征。采用日立SU8020高分辨场发射扫描电镜分析粉炭形貌,其分辨率为50 nm,测试倍率为10万倍,以观测粉炭撞击滤材单根纤维后的沉积形貌。

2 试验结果

2.1 不同滤材表面粗糙度

3种滤材表面粗糙度测试结果见图4,指标见表3。3种滤材表面粗糙度顺序为:聚丙烯无纺滤材>锦纶织造滤材>聚丙烯织造滤材。结合滤材表面粗糙度指标,聚丙烯无纺滤材的最大高度最大,显得凹凸不平;聚丙烯织造滤材的最大高度最小,表面波动较小。故聚丙烯无纺滤材表面最粗糙,聚丙烯织造滤材表面最光滑。

表3 滤材表面粗糙度指标Table 3 Indicators of filter materials surface roughness

图4 滤材表面粗糙度轮廓图Fig.4 Outline of filter materials surface roughness

2.2 滤材沉积粉炭试验结果

2.2.1 滤材种类对比

试验选用精度20 μm的3种不同材质滤材,分别沉积8 h、16 h、24 h、32 h、40 h、48 h,沉积后采用5 %稀盐酸漂洗,试验结果见图5。

图5 不同滤材沉积动力学曲线Fig.5 Sedimentation dynamics curve of different filter materials

由图5可知:20 μm聚丙烯无纺滤材在沉积16 h时沉积率最大,达40 %。从滤材纳污量考虑,20 μm聚丙烯无纺滤材沉积表现好于其他两种同精度滤材。在沉积过程中,聚丙烯无纺滤材沉积率在8～16 h大幅增加,16 h达到极大值,而后急剧下降,但单位面积沉积量在稳步增加;聚丙烯织造滤材沉积率在8～24 h略有增长,24 h后稳定不变,其最大沉积率仅8 %;锦纶织造滤材或因表面材质较硬,其沉积率在8～24 h不变,32 h时增长到最大值,为9 %,而后又开始缓慢下降,表现极不稳定。从单位面积沉积量可观察到,20 μm聚丙烯无纺滤材在各时间段内的沉积量稳步增加,且较其他两种更加突出,沉积16 h、48 h时,单位面积沉积量分别为79.31 g/m2、157.60 g/m2。

由图5可以直观得到3种滤材各时间段的沉积率和单位面积沉积量,20 μm聚丙烯无纺滤材在各时间段沉积效果最佳。虽然在16 h时后沉积率开始递减,但单位面积沉积量在增加,总沉积量也在增加。

不同滤材的沉积形貌见图6。由图6可知:聚丙烯无纺滤材有三维结构,形成了大量孔道,沉积颗粒最多;锦纶织造滤材粗糙度较高,也有一定量的颗粒沉积;而聚丙烯织造滤材表面最为光滑,沉积量最小。由此可见,滤材的结构和粗糙程度决定了其沉积捕收粉炭能力。

图6 不同滤材的沉积形貌Fig.6 Sedimentation morphology of different filter materials

2.2.2 滤材精度对比

试验选用10 μm、20 μm、50 μm聚丙烯无纺滤材,分别沉积8 h、16 h、24 h、32 h、40 h、48 h,计算3个精度滤材的沉积率和单位面积沉积量,结果见图7。

图7 不同精度聚丙烯无纺滤材的沉积动力学曲线Fig.7 Sedimentation dynamics curve of non-woven polypropylene filter materials with different precision

由图7可知:10 μm精度的滤材容易在贫液池中堵塞孔道,沉积率先升高后大幅降低,单位面积沉积量增加缓慢;50 μm精度的滤材由于其孔径太大,造成贫液中大部分粉炭随贫液裹挟流出滤材,进而导致其沉积率先升高后持续走低;20 μm精度的滤材沉积效果最佳,因为其孔径适配贫液池中大部分的粉炭粒级。

2.3 沉积后滤材脱附再生试验

2.3.1 脱附率

滤材反冲洗脱附是滤材再生利用的重要手段,脱附方式分为反向气冲洗脱附和反向水冲洗脱附。本研究采用的聚丙烯无纺滤材,其孔道为曲折状,故采用反向气冲洗脱附和反向气水冲洗脱附两种方式进行对比。在滤材强度可承受范围内,利用250 kPa高压气体反吹打开已被堵塞孔道,脱附率不理想;而经过高压气体反吹洗,自来水简单冲洗后,其脱附率大大提高。滤材脱附原理见图8。

图8 滤材脱附原理示意图Fig.8 Mechanism of filter materials desorption

选择20 μm沉积16 h的聚丙烯无纺滤材进行脱附,其沉积后干质量为700.66 g,经过高压气水联合脱附后干质量为552.96 g,较原始滤材534.22 g相差不大,脱附率为88.7 %。

2.3.2 滤材再利用

20 μm沉积16 h的聚丙烯无纺滤材经高压气水联合脱附后再次投入贫液池进行沉积试验,分析沉积率和单位面积沉积量的变化,结果见表4。由表4可知:脱附后滤材沉积率和单位面积沉积量都有所下降,沉积率下降了约4百分点,单位面积沉积量减少了7.16 g/m2。

表4 20 μm聚丙烯无纺滤材脱附后再利用试验结果Table 4 Test results of 20 μm non-woven polypropylene filter materials utilization after desporption

2.3.3 形 貌

对比沉积16 h未脱附、250 kPa高压气体脱附、高压气水联合脱附3种脱附方式下20 μm聚丙烯无纺滤材形貌,结果见图9。由图9可知:高压气体脱附后纤维之间还残留有些许颗粒物,但高压气水联合脱附后清洁效果得到提升。

图9 聚丙烯无纺滤材脱附前后沉积形貌对比Fig.9 Sedimentation morphology of non-woven polypropylene filter materials before and after desorption

3 讨 论

1)沉积回收粉炭机理。贫液池中粉炭沉积是贫液裹挟粉炭冲击滤材沉积面进而沉积的结果,当贫液带动粉炭渗透滤材时[9-11],小于滤材孔径的粉炭颗粒将在孔径内部碰撞单根纤维,最后沉积黏附在孔径中;大于滤材孔径的粉炭颗粒无法透过孔径,在纤维表面碰撞沉积,由颗粒间静电吸引力和范德华作用力等共同作用实现沉积[12-14]。因此,在滤材选取时,一定要考虑使用环境对滤材的影响,尤其是重点分析所要沉积颗粒物的粒径分布,以选择适配的过滤精度[15-17],并通过不同沉积试验确定滤材最佳沉积工况。

2)工业化形式。根据小型沉积试验,20 μm滤材沉积16 h的沉积率最佳,达40 %,反冲洗后滤材二次使用沉积率可达36.2 %。按照贫液中粉炭密度为2.3 mg/g,贫液平均流量3 600 m3/h,吨炭载金量372.97 g计算,每年上堆粉炭量72.5 t,截留金27.04 kg。

工业化布置采用交错拦截的方式(见图10),这样有利于多级沉积捕收。350目粉炭颗粒沉降在贫液池前端底部,被提炭器定时回收,较细不沉降粉炭采用沉积单元沉积回收。若按照滤材沉积48 h,单位面积沉积量157.60 g/m2计算,现场布置4块50 m2无纺织滤材进行沉积,年沉积粉炭为17.25 t,直接减少截留金6.34 kg。按市场黄金价格400元/g计算,挽回损失253.6万元。贫液池滤材沉积的便捷性为随时可升降滤材,不会阻碍现场正常生产。

图10 工业滤材沉积布置方式Fig.10 Layout of industrial filter materials sedimentation

3)展望。为提高滤材沉积效率,可采用静电耦合滤材的方式沉积贫液池中粉炭,通过在滤材上加电场的方式加强滤材沉积粉炭能力,降低沉积时贫液扰动对已沉积粉炭的影响。

4 结 论

1)通过滤材沉积回收贫液中微米级粉炭的方法可行。20 μm聚丙烯无纺滤材沉积16 h效果较好,沉积率可达40 %,单位面积沉积量79.31 g/m2;经过反冲洗,脱附率达88.7 %,则综合回收率为35.5 %。例如:在金矿选冶厂应用,只要放大滤材迎水面积,可降低粉炭上堆率,减少金流失。

2)滤材沉积效率与滤材表面粗糙度呈正相关。聚丙烯无纺滤材有三维结构,形成了浅层“孔道”,明显比聚丙烯织造滤材、锦纶织造滤材更粗糙,沉积效果更好。

3)滤材精度一般选择粉炭粒径D80的1.5倍,过大则拦截不住,颗粒易穿透;过小则容易堵塞,粉炭沉积容量小,效率低。根据沉积动力学曲线,沉积时间不宜超过16 h,此时沉积率最大;超过16 h后,虽然单位面积沉积量有所增加,但整体效率下降。

4)该粉炭沉积方式在其他工程行业中亦可应用,如贵金属颗粒物的固液分离、乳化液泵中乳化液除杂等。