柯愈賢，王新民，張欽禮

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全尾砂料漿磁化絮凝沉降特性

柯愈賢，王新民，張欽禮

(中南大學資源與安全工程學院，長沙 410083)

為了提高全尾砂料漿(CTR)的絮凝沉降指標，將磁化處理技術(shù)引入到全尾砂料漿沉降試驗中，分析自然沉降、磁化沉降、絮凝沉降和磁化絮凝沉降4種條件下全尾砂料漿沉降速度和底流質(zhì)量濃度的變化特性，探索磁化處理在全尾砂料漿絮凝沉降中的作用機理。結(jié)果表明：與未經(jīng)磁化處理的全尾砂料漿相比，磁化處理后的全尾砂料漿沉降指標達到飽和時，PAC添加量節(jié)約40%；相同PAC添加量下，磁化處理后的全尾砂料漿沉降速度提高18~55 cm/h、底流濃度提高約0.8%~2.0%。全尾砂料漿磁化絮凝沉降的最優(yōu)條件為：磁感應強度0.2 T，料漿速度2 m/s，磁化時間2 min，PAC添加量30 g/t；適合磁化處理條件下，對全尾砂料漿進行磁化處理可明顯提高其沉降指標。

全尾砂；絮凝沉降；磁化處理；磁化機理

礦業(yè)正面臨兩大難題：地表尾砂廢石災害化和資源開深部化[1?2]。目前業(yè)內(nèi)學者普遍認為解決上述兩大難題的最理想方法是采用全尾砂充填采礦法，將尾砂回填至井下采空區(qū)[3?5]。但是隨著選礦技術(shù)的發(fā)展，選礦廠排出的尾砂粒度越來越細，直接造成尾砂在砂倉或濃密機中沉降速度緩慢，放砂濃度低，充填料漿濃度難以提高，充填體強度進而難以提高；同時還造成溢流水渾濁，難以達到工業(yè)水重復利用或排放標準，浪費水資源，污染環(huán)境。針對上述問題，國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在添加絮凝劑上，絮凝沉降技術(shù)也因其操作簡便、效果好等優(yōu)點得到了廣泛應用[6?9]。然而，絮凝劑的添加不僅增加了采礦成本，還會對充填體的強度帶來不利影響，從一定程度上限制了全尾砂充填的全面推廣應用。

工業(yè)污水處理[10?11]、空氣防塵除霾[12]、油田防蠟降黏[13]等領(lǐng)域研究表明，較強磁場下對水溶液進行磁化處理，可增強水的物化活性，減小溶液中固體顆粒表面的水化膜厚度和電位值，促進水溶液中的固液分離。因此，本文作者將磁化處理技術(shù)引入到全尾砂料漿(CTR)沉降試驗中，分析自然沉降、磁化沉降、絮凝沉降和磁化絮凝沉降4種條件下全尾砂料漿沉降速度和底流質(zhì)量濃度(以下簡稱底流濃度)的變化特性，揭示全尾砂料漿磁化處理的作用機理，以期為全尾砂料漿的沉降提供一種經(jīng)濟、高效的新工藝。

1 實驗

1.1 試驗材料與設(shè)備

1) 全尾砂，取至某鐵礦選廠尾砂排放口，其主要化學成分見表1，粒級組成見圖1。從圖1可知，74 μm以下顆粒質(zhì)量所占比例達67.73%，中值粒徑(50)僅為32 μm，全尾砂粒度很細。根據(jù)絮凝沉降理論，全尾砂顆粒粒徑越小，其所受的浮力與黏滯力越大，越難沉降澄清。

2) 絮凝劑，選用礦山目前使用效果較好的聚合氯化鋁(PAC)。

3) 磁化處理設(shè)備，采用中科院特制的試驗專用的可變永磁式磁水器，磁水器內(nèi)的磁感應強度采用SG?4L型高靈敏數(shù)字特斯拉計測定。

表1 全尾砂的主要化學成分

圖1 全尾砂粒級組成

1.2 試驗方法

1) 全尾砂料漿制備，用自來水和全尾砂配置量濃度為15%的料漿(礦山選廠排出的全尾砂料漿濃度約為10%~20%，試驗中取平均值)。

2) PAC絮凝劑溶液制備，在1000 mL的燒杯中配置質(zhì)量濃度為1%的絮凝劑溶液并充分攪拌均勻。

3) 磁化料漿制備(見圖2)，取部分配置好的質(zhì)量濃度為15%的全尾砂料漿進行磁化處理，本組試驗主要是為了探究磁化處理對全尾砂料漿沉降效果的影響，故磁感應強度設(shè)置為0.2 T，料漿速度為2 m/s，磁化時間為2 min。

圖2 全尾砂料漿磁化處理示意圖

4) 全尾砂沉降試驗，依次用1000 mL的量筒取4份全尾砂料漿(2份為經(jīng)過磁處理料漿，2份為未經(jīng)過磁處理的料漿)，分別進行自然沉降、磁化沉降、絮凝沉降(PAC添加量為20g/t)和磁化絮凝沉降(PAC添加量為20 g/t)試驗，記錄不同時間點對應的固液分界面高度以及3 d后的固液分界面高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉降速度

自然沉降、磁化沉降、絮凝沉降和磁化絮凝沉降4種條件下全尾砂料漿固液分界面高度的變化如圖3所示，根據(jù)圖3計算的全尾砂最大沉降速度見圖4。

圖3 固液分離界面高度變化曲線

圖4 全尾砂的最大沉降速度和底流濃度

從圖4中可知：1) 與自然沉降相比，磁化沉降的最大沉降速度大幅提高，其最大沉降速度為30.15 cm/h，較自然沉降的13.07 cm/h增加了2.31倍；2) 與絮凝沉降相比，磁化絮凝沉降的最大沉降速度也有較 大增加，其最大沉降速度為141.57 cm/h，較絮凝沉降的80.21 cm/h增加了1.76倍。這主要是因為：1) 全尾砂料漿經(jīng)過較強磁場時，洛侖茲力使料漿中較大極性水分子團中的水分子重新排列，原來較大的水分子團變成了較小的水分子團或者單個水分子(見圖5)，同時洛侖茲力也使水分子中氫鍵發(fā)生松弛并斷裂，減小了水的黏度和表面張力，增強了水的活性，減小了全尾砂顆粒間的斥力，加速了全尾砂顆粒的沉降[8, 14?15]；2) 全尾砂料漿經(jīng)過較強磁場時，料漿中懸浮固體顆粒表面的吸附水層和類晶體結(jié)構(gòu)被破壞，減小了固體顆粒表面的水化膜厚度和電位值，固體顆粒變得不穩(wěn)定，相互接觸粘合加速沉降[16]。

圖5 磁場對水分子的作用

2.2 底流濃度

底流濃度取靜水極限質(zhì)量濃度，即全尾砂料漿沉降達到一定時間后(本次試驗取3 d)，固液分界面不再下降，全尾砂沉降至極限狀態(tài)時的質(zhì)量濃度，其計算公式如下：

式中：d為底流濃度，%；s為全尾砂的質(zhì)量，g；w為水的總質(zhì)量，g；w為上層澄清水的質(zhì)量，g。

通過式(1)計算的4種沉降條件下全尾砂的底流濃度如圖4所示，從圖4中可知：1)與自然沉降相比，磁化沉降的底流濃度增大了2.19%，增幅為4.72%；2) 與絮凝沉降相比，磁化絮凝沉降的底流濃度增大了1.79%，增幅為3.14%。這主要是因為：1) 如前所述，全尾砂料漿經(jīng)過較強磁場處理后，水的黏度和表面張力減小，料漿沉降區(qū)封閉的水更容易排出，提高了底流濃度；2) 全尾砂料漿經(jīng)過較強磁場處理后，料漿中原本較大的全尾砂團狀或絮狀顆粒在洛侖茲力定向作用下分解重排，其中包裹的“自由水”得以釋放，全尾砂顆粒中包裹的“自由水”減少(見圖6)，增大了底流濃度[17?18]。

圖6 磁場對全尾砂顆粒的作用

3 全尾砂磁化絮凝沉降參數(shù)優(yōu)選

上述試驗研究表明：全尾砂料漿經(jīng)過磁感應強度為0.2 T、料漿速度為2 m/s、磁化時間為2 min時的磁化處理后，進行的磁化沉降和PAC添加量為20 g/t的磁化絮凝沉降的沉降速度和底流濃度均有較大增幅，因此有必要進一步研究磁感應強度、磁化時間、水流速度和PAC添加量對全尾砂料漿沉降速度和底流濃度的影響。

3.1 磁感應強度對絮凝沉降的影響分析

磁化時間控制為2 min，料漿速度為2 m/s，PAC添加量為20 g/t時，全尾砂料漿磁化絮凝沉降指標與磁感應強度的關(guān)系如圖7所示。從圖7中可知：全尾砂料漿的沉降速度和底流濃度隨著磁感應強度的增大均呈先增大后減小的趨勢，當磁感應強度為0.2 T時，沉降速度和底流濃度均達到最大值，分別為141.57 cm/h、58.72%，過大的磁感應強度反而造成沉降速度和底流濃度的減小。這主要是因為：1) 磁感應強度較小時，洛侖茲力隨著磁感應強度的增加而增加，加速了料漿中較大極性水分子團中的水分子重排、分解成較小的水分子團或者單個水分子，并也加速了水分子中的氫鍵的松弛或斷裂，水的黏度和表面張力隨之減小，沉降速度和底流濃度隨之增大；其次洛倫茲力的增大又加速了全尾砂料漿中固體顆粒表面的吸附水層和類晶體結(jié)構(gòu)的破壞，固體顆粒表面的水化膜厚度和電位值減小，同時也加速了料漿中原本較大的全尾砂團狀或絮狀顆粒分解重排，釋放出其中包裹的“自由水”，進而有助于沉降速度和底流濃度的提高；2) 磁感應強度過大時，水分子中原本被拉斷的氫鍵又互相靠近并重新組合，水的黏度和表面張力增大，同時全尾砂料漿中固體顆粒表面的吸附水層和類晶體結(jié)構(gòu)的破壞與生成又趨于穩(wěn)定，從而造成沉降速度和底流濃度下降[8,16]。

3.2 料漿速度對絮凝沉降的影響分析

磁感應強度控制為0.2 T，磁化時間為2 min，PAC添加量為20 g/t時，全尾砂料漿磁化絮凝沉降指標與料漿速度的關(guān)系如圖8所示。從圖8中可知：全尾砂料漿的沉降速度和底流濃度隨著料漿速度的增大也均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當料漿速度為2 m/s時，沉降速度和底流濃度均達到最大值，分別為141.57 cm/h、58.72%，當料漿速度進一步增大后，沉降速度和底流濃度也呈下降趨勢。這主要是因為：1) 料漿速度較小時，料漿中極性的水分子和懸浮固體顆粒通過磁場時獲得的能量隨著料漿速度的增加而增加，從而加速了較大極性水分子團中分解成較小的水分子團或者單個水分子、氫鍵的斷裂、懸浮固體顆粒表面的水化膜厚度和電位值的減小、較大的團狀或絮狀全尾砂顆粒的分解重排，沉降速度和底流濃度也相應的隨之增大；2) 當料漿速度過大時，造成料漿的過渡紊流或其他某種相互作用，全尾砂料漿磁化處理效果欠佳，降低了沉降速度和底流濃度[8]。

圖7 磁感應強度對全尾砂料漿絮凝沉降的影響

圖8 全尾砂料速度對絮凝沉降的影響

3.3 磁化處理時間對絮凝沉降的影響分析

磁感應強度控制為0.2 T、料漿速度為2 m/s，PAC添加量為20 g/t時，全尾砂料漿磁化絮凝沉降指標與磁化處理時間的關(guān)系如圖9所示。從圖9中可知：磁化處理時間較短時，全尾砂料漿的沉降速度和底流濃度均隨磁化處理時間的呈先增大后減小的趨勢，當磁化處理時間2 min時，沉降速度和底流濃度均達到最大值，分別為141.57 cm/h、58.72%，當磁化時間進一步延長后，沉降速度和底流濃度亦表現(xiàn)出下降趨勢。這主要是因為：1) 磁化處理時間較短時，料漿中極性的水分子和懸浮固體顆粒通過磁場時獲得的能量隨磁化處理時間的延長而增加，有助于提高沉降速度和底流濃度；2) 磁化處理時間過長時，全尾砂料漿中極性水分子和固體顆粒因積蓄了較大能量產(chǎn)生磁能共振，分散的較小水分子團或固體顆粒又重新聚合，造成沉降速度和底流濃度降低[17]。

圖9 磁化時間對全尾砂料漿絮凝沉降的影響

3.4 PAC添加量對絮凝沉降的影響分析

根據(jù)前面試驗分析可知：PAC添加量為20 g/t時，最合適的磁化處理條件為磁感應強度0.2 T、料漿速度為2 m/s、磁化處理時間為2 min。此磁化處理條件下，全尾砂料漿的絮凝沉降、磁化絮凝沉降指標與PAC添加量的關(guān)系如圖10所示。從圖10中可知：1) 磁化處理后的全尾砂料漿沉降指標達到飽和(沉降速度和底流濃度最大)時的PAC添加量為30 g/t，較未經(jīng)磁化處理的50 g/t節(jié)約PAC用量40%；2) 與未經(jīng)未經(jīng)磁化處理全尾砂料漿相比，相同PAC添加量下，磁化處理后的全尾砂料漿沉降速度提高了約18~55 cm/h，增幅約1.1~2.9倍，底流濃度提高約0.8%~2.0%，增幅約1.3%~3.6%；3) PAC添加量較小時，與未經(jīng)磁化處理全尾砂料漿相比，磁化處理后全尾砂料漿沉降速度和底流濃度大幅增加；PAC添加量進一步增加時，兩組試驗的沉降速度和底流濃度逐漸增大后基本保持穩(wěn)定。主要原因是PAC添加量較少時，其水解產(chǎn)物的壓縮雙電層、電性中和、卷帶網(wǎng)捕以及吸附橋連4個方面的作用隨著PAC添加量的增加而增強，加速了懸浮顆粒的沉降、提高了底流濃度；隨著PAC添加量的進一步增加，上述4方面的作用趨于飽和，沉降速度和底流濃度也趨于穩(wěn)定。

圖10 PAC添加量對全尾砂料漿絮凝沉降的影響

綜合上述試驗分析，全尾砂料漿磁化絮凝的的最優(yōu)條件為：磁感應強度0.2 T，料漿速度2 m/s，磁化時間2 min，PAC添加量30 g/t。

4 結(jié)論

1) 通過自然沉降、磁化沉降、絮凝沉降和磁化絮凝沉降4種試驗，發(fā)現(xiàn)對全尾砂料漿進行磁化處理可明顯提高其沉降速度和底流濃度。

2) 與未經(jīng)磁化處理全尾砂料漿相比，相同PAC添加量下，磁化處理后的全尾砂料漿沉降速度提高18~55 cm/h，底流濃度提高0.8%~2.0%；磁化處理后的全尾砂料漿沉降指標達到飽和時的PAC添加量為30 g/t，較未經(jīng)磁化處理的50g/t節(jié)約用量40%。

3) 全尾砂料漿磁化絮凝沉降的最優(yōu)條件為：磁感應強度0.2 T，料漿速度2 m/s，磁化時間2 min，PAC添加量30 g/t。

4) 由于試驗條件的限制，本研究未對全尾砂料漿磁化絮凝沉降的微觀作用機理未做深入分析；此外全尾砂料漿磁化絮凝沉降的工業(yè)應用和多因數(shù)耦合作用下的最優(yōu)磁化條件將在后續(xù)研究中進一步研究。

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Flocculating sedimentation characteristic of pre-magnetized crude tailings slurry

KE Yu-xian, WANG Xin-min, ZHANG Qin-li

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)

In order to improve flocculating sedimentation effect of crude tailings slurry (CTR), magnetic treatment technique was introduced into sedimentation experiment of CTR. The variational laws of sedimentation velocity and underflow density of CTR were investigated under natural sedimentation, pre-magnetized sedimentation, flocculating sedimentation and pre-magnetized flocculating sedimentation experiments, and their magnetic mechanism was discussed. The experimental results show that compared with unmagnetized CTR, PAC addition amount for pre-magnetized CTR decreased by 40% at saturation sedimentation, sedimentation velocity and underflow density of pre-magnetized CTR increases by 18?55 cm/h and 0.8%?2.0%, respectively, at the same PAC addition amount. The experimental results also suggest that flocculating sedimentation has the best effect when magnetic induction is 0.2 T, CTR’s cycling velocity is 2 m/s, magnetizing time is 2 min, and PAC addition amount is 30 g/t, and the sedimentation effect of CTR can be improved under suitable condition of magnetic treatment.

crude tailings slurry; flocculating sedimentation; magnetic treatment; magnetic mechanism

(編輯 王 超)

Project(2008BAB32B03) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 11th “Five-year” Plan Period, China

2016-03-28; Accepted date:2016-07-29

WANG Xin-min; Tel: +86-13187011058; E-mail: wxm1958@126.com

1004-0609(2017)-02-0392-07

X753

A

國家“十一五”科技支撐計劃資助項目(2008BAB32B03)

2016-03-28；

2016-07-29

王新民，教授，博士；電話：13187011058；E-mail: wxm1958@126.com