薛廣海 李 強(qiáng) 劉 慶 陳雁南

(礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

磷礦是我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源，中低品位膠磷礦的開發(fā)和利用是保障磷礦資源的主要途徑，但其選礦工藝存在很多技術(shù)瓶頸，其中就包括精礦和尾礦的沉降問(wèn)題[1]。為達(dá)到良好的選礦效果，膠磷礦通常對(duì)磨礦細(xì)度具有很高的要求，但磨礦粒度越小，精礦和尾礦就越難沉降，往往需要通過(guò)增加濃密設(shè)備來(lái)提高產(chǎn)能或者添加沉降劑實(shí)現(xiàn)更高效率的沉降。

沉降劑在特定場(chǎng)合也稱絮凝劑，按其組成一般可分為有機(jī)沉降劑和無(wú)機(jī)沉降劑。無(wú)機(jī)沉降劑的應(yīng)用歷史悠久，但是由于投放量大、效率低，其應(yīng)用受到了限制。有機(jī)沉降劑又可分為合成高分子有機(jī)沉降劑和天然高分子有機(jī)沉降劑，合成高分子有機(jī)沉降劑曾經(jīng)在市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于其在生產(chǎn)過(guò)程中殘留、在自然降解過(guò)程中產(chǎn)生的丙烯酰胺單體具有神經(jīng)毒性，因此在實(shí)際應(yīng)用中逐步受到限制。天然高分子沉降劑具有分子量分布廣、活性基團(tuán)點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)多樣化、原料來(lái)源豐富、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，尤其是它安全無(wú)毒，可以完全被生物降解，具有良好的環(huán)境可接受性，被稱為“綠色沉降劑”，已在工業(yè)應(yīng)用中占有一席之地[2]。但目前天然高分子沉降劑性能不穩(wěn)定，價(jià)格較高，還不能完全替代無(wú)機(jī)和合成高分子沉降劑，所以開發(fā)性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)適用的天然高分子沉降劑具有十分重要的意義和市場(chǎng)前景。

瓜爾膠是一種多糖類天然高分子化合物，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。瓜爾膠主要成分為半乳甘露聚糖，主鏈由甘露糖通過(guò)β-1，4-糖苷鍵鏈接而成，半乳糖則通過(guò)α-1，6-糖苷鍵鏈接在主鏈上，通常半乳糖與甘露糖的摩爾比為1∶2。瓜爾膠主要從印度、巴基斯坦等地生產(chǎn)的瓜爾豆胚乳中提取得到，是已知水溶性最好的天然聚合物，經(jīng)過(guò)適當(dāng)改性后可廣泛應(yīng)用于油田開發(fā)、造紙、日化、食品等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，其中經(jīng)改性后作為沉降劑使用是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[3]。

圖1 瓜爾膠分子結(jié)構(gòu)圖

本文以典型膠磷礦為研究對(duì)象，針對(duì)性地開發(fā)了一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)精礦和尾礦高效沉降的新型瓜爾膠基沉降劑，探究了其最佳使用條件，并通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的應(yīng)用效果，未來(lái)可廣泛應(yīng)用于膠磷礦選礦產(chǎn)生的精礦和尾礦的沉降。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用磷精礦和磷尾礦取自國(guó)內(nèi)某膠磷礦選礦廠，其中磷精礦編號(hào)為L(zhǎng)J-1，磷尾礦編號(hào)為L(zhǎng)W-1。聚丙烯酰胺為該選礦廠現(xiàn)有藥劑，用于對(duì)比試驗(yàn)，編號(hào)為PAM-1。沉降劑為自制產(chǎn)品，由瓜爾膠根據(jù)磷精礦和磷尾礦性質(zhì)改性而得，編號(hào)為BK-ZWJ-003B。

1.2 試驗(yàn)方法

沉降劑的配制：取兩個(gè)燒杯，分別加入200 mL自來(lái)水，放置在磁力攪拌器上，開啟攪拌，然后分別準(zhǔn)確稱量0.2 g PAM-1和BK-ZWJ-003B加入兩個(gè)燒杯中，攪拌30～60 min使沉降劑充分溶解，備用。

沉降試驗(yàn)：準(zhǔn)確量取礦漿800 mL，定量加入上述沉降劑，搖晃分散一定時(shí)間后自然沉降，定時(shí)記錄澄清層高度，并在第30 min時(shí)取樣測(cè)量上清液濁度和底層沉降尾礦的含固率。

1.3 工業(yè)試驗(yàn)

工業(yè)試驗(yàn)所用藥劑采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌罐配制，配制濃度為0.1%，試驗(yàn)過(guò)程不改變?cè)泄に嚵鞒?，只使用BK-ZWJ-003B藥劑替代PAM-1藥劑，工業(yè)試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行72 h，在磷精礦和磷尾礦濃密機(jī)上同時(shí)添加，定時(shí)觀察濃密機(jī)溢流清澈度和取樣分析濃密機(jī)底流濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品基本性質(zhì)分析

磷精礦和磷尾礦樣品的基本性質(zhì)如表1所示，磷尾礦1和磷精礦分別取自濃密機(jī)前置緩沖槽，其中磷尾礦在進(jìn)入濃密機(jī)時(shí)還需要用回水稀釋，一般濃度在20%左右，因此試驗(yàn)過(guò)程中將磷尾礦1濃度從37.2%稀釋到20.0%，以便模擬濃密機(jī)沉降工況。磷尾礦泡沫較多，有一定的黏稠性，對(duì)沉降將有一定的影響，且磷精礦和磷尾礦固體顆粒都非常細(xì)，自然沉降困難。

表1 磷精礦和磷尾礦基本物性分析

2.2 室內(nèi)沉降試驗(yàn)

1)藥劑用量對(duì)沉降效果的影響

沉降劑用量是影響礦漿沉降效果的重要因素，一般都會(huì)產(chǎn)生正反兩個(gè)方面的影響：用量不足會(huì)導(dǎo)致沉降劑的電荷不足、網(wǎng)捕作用不夠而影響沉降效果，表現(xiàn)一般為礦漿雖有沉降絮體產(chǎn)生，但漿液渾濁；使用過(guò)量一方面浪費(fèi)藥劑，另一方面也會(huì)對(duì)原有選礦流程產(chǎn)生影響，因此確定合適的藥劑用量是沉降劑使用的關(guān)鍵[4]。BK-ZWJ-003B用量對(duì)LJ-1和LW-1的沉降效果影響如圖2所示。由圖2可知，隨著用量的增加沉降效果越好，但達(dá)到一定用量后澄清層高度不再增加，沉降達(dá)到平衡，綜合考慮確定LJ-1的最佳用量為25 g/t左右，LW-1最佳用量為20 g/t左右。

圖2 沉降劑用量對(duì)沉降效果的影響

2)分散時(shí)間對(duì)沉降效果的影響

分散時(shí)間同樣是影響絮凝劑使用效果的重要因素之一，在沉降劑使用過(guò)程中，通常會(huì)選擇低剪切泵(如螺桿泵等)將沉降劑加入到礦漿中，然后通過(guò)特定的分散設(shè)備(如管道混合器等)將沉降劑與礦漿混合均勻。分散時(shí)間對(duì)沉降效果的影響主要表現(xiàn)在：當(dāng)分散時(shí)間較短時(shí)，沉降劑無(wú)法與礦漿顆粒充分接觸，造成沉降效果下降，并會(huì)由于沉降劑的局部聚結(jié)而造成沉降劑的浪費(fèi)；而分散時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)將沉降形成的絮體再次打散，降低其沉降速率及澄清效果[5]。分散時(shí)間對(duì)磷精礦和磷尾礦沉降效果的影響如圖3所示，分散時(shí)間為0.5 min時(shí)，藥劑均不能與兩種礦漿充分接觸，沉降效果欠佳。分散時(shí)間1 min基本達(dá)到分散要求，絮體沉降速度和上液清澈度均良好。繼續(xù)增加分散時(shí)間，達(dá)到5 min時(shí)，雖然最終壓縮比基本相同，但礦漿初始沉降速度開始變慢，且上液清澈度明顯變差，說(shuō)明分散時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將絮體重新打碎，影響沉降效果。

圖3 分散時(shí)間對(duì)沉降效果的影響

3)與現(xiàn)用PAM-1對(duì)比沉降效果

BK-ZWJ-003B作為天然植物膠改性產(chǎn)品與常用的合成高分子聚丙烯酰胺(PAM)相比具有高官能度、易溶解和天然環(huán)保等特性。如圖4所示，就膠磷礦精礦和尾礦的沉降效果來(lái)看，BK-ZWJ-003B相較于現(xiàn)用PAM-1具有明顯優(yōu)勢(shì)，沉降速率和壓縮比都優(yōu)于現(xiàn)用PAM-1。另外兩種礦漿沉降后的上清液濁度數(shù)據(jù)如表2所示，由表2可知BK-ZWJ-003B沉降后上清液質(zhì)量也明顯優(yōu)于PAM-1，綜合來(lái)看，

圖4 BK-ZWJ-003B與PAM-1對(duì)比沉降效果

表2 上清液濁度

BK-ZWJ-003B相較現(xiàn)用PAM-1對(duì)磷精礦和磷尾礦具有更好沉降效果。

(4)新型植物膠類沉降劑沉降機(jī)理探討

從試驗(yàn)結(jié)果可知，新型植物膠類沉降劑對(duì)磷精礦和磷尾礦都具有良好的沉降效果，并且與現(xiàn)用聚丙烯酰胺類沉降劑相比也有明顯優(yōu)勢(shì)，分析認(rèn)為主要有三個(gè)方面的沉降機(jī)理：一是新型植物膠類沉降劑所使用的改性基體瓜爾膠分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基，是一個(gè)多羥基天然高分子，該性質(zhì)一方面決定了其具有非常良好的水溶性，另一方面這些羥基可與礦漿中的固體顆粒表面的化學(xué)成分結(jié)合，形成氫鍵作用，從而促使微小顆粒的沉降；二是瓜爾膠作為一種天然高分子，其分子量只有200萬(wàn)左右，為增加其分子量，采用接枝共聚的方式將功能性官能團(tuán)接枝到其活性羥基結(jié)構(gòu)上，一方面增大了其分子量，顯著增強(qiáng)了其網(wǎng)捕架橋作用，另一方面引入功能性官能團(tuán)，針對(duì)性地吸附礦漿中的特定成分，因而表現(xiàn)出良好的功能性；三是在制備過(guò)程中引入納米無(wú)機(jī)金屬離子，形成以無(wú)機(jī)納米顆粒為核、瓜爾膠為骨架、功能性官能團(tuán)為支鏈的無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合沉降劑，顯著增強(qiáng)了其電荷作用，能對(duì)礦漿中表面帶負(fù)電荷的微細(xì)顆粒進(jìn)行快速捕捉，顯著提升沉降液清澈度，降低雜質(zhì)含量。

2.3 工業(yè)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證BK-ZWJ-003B的使用效果，開展了該藥劑在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)某膠磷礦選礦廠進(jìn)行，BK-ZWJ-003B藥劑配制濃度為0.1%，溶解時(shí)間約20 min，溶解完成后由螺桿泵輸送到精礦和尾礦濃密機(jī)同時(shí)添加，控制濃密機(jī)溢流保持清澈，每隔4 h取樣分析底流濃度，數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖5可知，磷精礦在添加量15 g/t的情況下，底流平均濃度可達(dá)53.5%；磷尾礦在添加量為25 g/t的情況下，底流平均濃度可達(dá)44.2%，兩者均表現(xiàn)出良好的沉降性能，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)濃密機(jī)底流濃度及設(shè)備使用效率。另外通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際使用過(guò)程中，磷尾礦的藥劑用量要高于磷精礦藥劑用量，該結(jié)論與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果存在差異，分析認(rèn)為可能是由于兩者濃密機(jī)處理能力、現(xiàn)場(chǎng)加藥條件等外部因素造成。

圖5 工業(yè)試驗(yàn)濃密機(jī)底流濃度

3 結(jié)論

根據(jù)膠磷礦性質(zhì)，以自制植物膠類沉降劑BK-ZWJ-003B考察了其對(duì)磷精礦和磷尾礦的沉降性能，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定其最佳用量為：磷精礦為25 g/t、磷尾礦為20 g/t；最佳分散時(shí)間：磷精礦為0.5 min、磷尾礦為0.5 min。與現(xiàn)用PAM-1對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，不論從沉降速率、清液濁度和礦漿壓縮比等方面，BK-ZWJ-003B沉降效果都優(yōu)于現(xiàn)用PAM-1。為進(jìn)一步驗(yàn)證其工業(yè)應(yīng)用效果，通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)確定磷精礦在添加量為15 g/t的情況下，底流平均濃度可達(dá)53.5%，磷尾礦在添加量為25 g/t的情況下，底流濃度可達(dá)44.2%。