鄧 旭, 孫剛臣, 張喜偉

1. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004; 2. 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004

1 研究背景

中國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國(guó), 鋁土資源的儲(chǔ)量位居世界第4, 隨著中國(guó)氧化鋁工業(yè)的高速發(fā)展, 氧化鋁產(chǎn)量逐年增高, 而氧化鋁生產(chǎn)時(shí)需要用到大量的水來(lái)沖洗原礦, 洗礦后的廢水經(jīng)過(guò)沉降, 形成的高含水量泥漿稱之為礦泥, 據(jù)統(tǒng)計(jì), 每生產(chǎn)1 t 氧化鋁需要排出礦泥1～2.5 t[1]。 僅2015 年中國(guó)的礦泥排放量就超過(guò)8 000 萬(wàn)t[2], 截至2016 年, 中國(guó)礦泥累計(jì)存量超過(guò)3.5 億t[3], 如此大量的尾礦堆積, 不僅浪費(fèi)了大量的土地資源, 還給自然環(huán)境與人類造成大量污染及巨大危害。

尾礦泥在工業(yè)生產(chǎn)中的回收方式主要為露天堆存使其自由沉降, 使礦泥顆粒自由遷移后脫水回收, 在自由沉降中, 顆粒主要受到顆粒自身的重力、 介質(zhì)浮力和顆粒粒徑組成的影響[4]。 根據(jù)廣西冶金研究所《那豆礦區(qū)堆積鋁土礦洗礦工業(yè)試驗(yàn)報(bào)告》 提供的礦泥粒度組成分析: “礦泥很細(xì), 尤以粘、 膠粒含量高,其中小于75 μm 的細(xì)微顆粒平均質(zhì)量占比超過(guò)90%,按照土工試驗(yàn)規(guī)程中的土的分類方法, 其屬于高液限粉土?！?梁越等[5]認(rèn)為在反濾試驗(yàn)中基料顆粒粒徑越小, 試驗(yàn)過(guò)程中水力梯度從顆粒起動(dòng)臨界水力梯度值到整體破壞水力梯度值的變化量更小, 整體破壞發(fā)生得越突然; 反之粒徑越大, 顆粒起動(dòng)水力梯度至整體破壞水力梯度的變化量更大, 整體破壞所需時(shí)間越長(zhǎng)。

梁越等[5]研究發(fā)現(xiàn)均勻土基料級(jí)配相同情況下,顆粒臨界水力梯度與破壞水力梯度與濾層顆粒粒徑呈線性關(guān)系。 減小濾層顆粒粒徑一定程度上可以提高基料顆粒起動(dòng)臨界水力梯度, 但減少達(dá)到一定值后繼續(xù)減小濾層顆粒粒徑臨界水力梯度反而減小。 濾層顆粒級(jí)配與基料顆粒級(jí)配之間存在最佳級(jí)配。 使濾層反濾效果達(dá)到最大, 基料不均勻系數(shù)Cu=d60/d10 較小時(shí), 基料顆粒越均勻, 顆粒級(jí)配越單一, 顆粒反而越不容易起動(dòng)。 當(dāng)顆粒不均勻系數(shù)達(dá)到1.86 以后, 基料顆粒起動(dòng)臨界水力梯度隨不均勻系數(shù)增大基本保持不變。 肖芳玲、 張愛(ài)軍指出, 易流失土顆粒主要是小顆粒, 皆小于被保護(hù)土中值粒徑d50[6]。 張升等[7]在研究砂—粉土混合料在列車荷載作用下細(xì)顆粒遷移機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn), 細(xì)顆粒遷移現(xiàn)象試樣淺層區(qū)較為顯著, 且顆粒粒徑越細(xì), 遷移量總體越明顯。 隨著時(shí)間的推移, 細(xì)顆粒遷移促使試樣軸向顆粒級(jí)配的差異性逐漸增強(qiáng), 試樣軸向水力性質(zhì)的改變進(jìn)一步加劇孔隙水和細(xì)顆粒發(fā)生遷移。 陳輪[8]和顏永國(guó)等[9]認(rèn)為, 在應(yīng)力條件和土顆粒屬性條件一定的情況下, 濾層表面土顆粒拱結(jié)構(gòu)的形成受顆粒級(jí)配的影響。 而土拱結(jié)構(gòu)或團(tuán)聚體的形成也會(huì)反作用于土顆粒的遷移過(guò)程。Chang[10]指出, 細(xì)粒含量多、 級(jí)配差、 粘聚力小、內(nèi)部不穩(wěn)定的土, 在相同情況下更容易遷移。

由上可知, 國(guó)內(nèi)外對(duì)礦泥漿懸浮顆粒的遷移已經(jīng)進(jìn)行了一些有益的研究, 但主要集中于較大顆粒(大于75 μm) 之間的規(guī)律, 而對(duì)顆粒較細(xì)的礦泥漿(小于75 微米級(jí)細(xì)顆粒占比70%～90%) 研究尚不完善; 且大多研究的是懸浮狀態(tài)下的大顆粒遷移現(xiàn)象, 而對(duì)鋁礦泥漿這種近流塑狀態(tài)的土顆粒遷移情況研究較少。 因此, 有必要進(jìn)一步研究微米級(jí)細(xì)顆粒顆粒級(jí)配、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)礦泥漿顆粒遷移影響規(guī)律, 以揭示礦泥漿內(nèi)部顆粒遷移形成過(guò)程和發(fā)展的機(jī)理。 故研究尾礦泥顆粒中小于75 μm 的粒徑組成規(guī)律是研究礦泥顆粒遷移規(guī)律的關(guān)鍵點(diǎn)之一。 目前, 由于傳統(tǒng)土工試驗(yàn)測(cè)量中測(cè)試小于75 μm 細(xì)顆粒粒徑的方法如密度計(jì)法、 移液管法受人為操作因素影響較大, 激光粒度儀的動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量被廣泛用于測(cè)量顆粒級(jí)配的分析中[11], 動(dòng)態(tài)光散射(DLS) 測(cè)量布朗運(yùn)動(dòng), 并將此運(yùn)動(dòng)與粒徑相關(guān), 這是通過(guò)激光照射粒子, 分析散射光的光強(qiáng)波動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。 其基于米氏光散射理論, 其基本原理是: 激光被顆粒散射后, 其散射角與顆粒的直徑呈反比, 通過(guò)探測(cè)器接收散射光的分布, 利用合適的光學(xué)模型和數(shù)學(xué)程序來(lái)獲得待測(cè)顆粒的粒度分布[12], 例如丹東百特公司的Bettersize2600、 Bettersize3000 激光粒度分布儀等設(shè)備, 其顆粒粒徑測(cè)量范圍在0.02～2 600 μm, 基本滿足小于75 μm 顆粒的測(cè)量要求。 本文依托于廣西基金, 研究鋁尾礦泥漿中微米級(jí)細(xì)顆粒的自然沉降規(guī)律, 為進(jìn)一步研究顆粒遷移規(guī)律提供了一定的理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)礦泥取自平果鋁廠洗礦車間排出后進(jìn)入濃縮池之經(jīng)初步沉淀的礦泥, 取回后利用軟管排出上部析出水分后靜置2～3 個(gè)月, 以模擬現(xiàn)場(chǎng)尾礦庫(kù)的自然沉降情況, 經(jīng)土工試驗(yàn)測(cè)得礦泥比重為2.628, 塑限為49.57%, 液限為73.15%, 塑性指數(shù)為25.56, 液性指數(shù)為33.76, 故該原狀礦泥處于流塑狀態(tài), 礦泥如圖1 所示。

圖1 礦泥示意圖Fig.1 Picture of slime

3 試驗(yàn)方法

3.1 桶內(nèi)取樣

由于礦泥漿呈流塑狀態(tài), 為了防止礦泥漿在取出時(shí)受擾動(dòng), 設(shè)計(jì)特制新型取樣器, 取樣器由推拉式活塞和兩端開(kāi)口的有機(jī)玻璃管組成, 有機(jī)玻璃管長(zhǎng)40 cm, 直徑15 mm, 表面粘貼刻度條以控制樣品推出的量, 如圖2 所示:

圖2 礦泥取樣Fig.2 Slime sampling

利用自制取樣器進(jìn)行連續(xù)取樣, 并以每5 cm 劃分緩緩將樣品推出至不同的樣品盒或燒杯備用。

3.2 含水率測(cè)試

含水率是礦泥的基本物理指標(biāo)之一, 它反映礦泥的物理狀態(tài), 含水率的變化將使礦泥的一系列力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化[13], 它是影響顆粒沉降、 遷移過(guò)程的重要指標(biāo)之一, 礦泥漿經(jīng)取樣管取出后烘干、 計(jì)算得其含水率與深度關(guān)系如表1 所示。

3.3 礦泥預(yù)處理

向取出的礦泥中分別加入足量(1 000 mL 左右)的蒸餾水, 并向每組中分別加入4%的六偏磷酸鈉(分散劑) 10 mL, 充分混合后按取樣深度命名為7 組, 如表1 所示。 試驗(yàn)前, 利用電動(dòng)攪拌機(jī)以1 500 r/min 攪拌10 min 后, 將混合液過(guò)75 μm 洗篩漏斗后進(jìn)入燒杯, 并從燒杯中取少量懸濁液放入激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。

表1 礦泥樣品及含水率變化Table 1 Slime sample and moisture content change

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 激光粒度儀試驗(yàn)結(jié)果

將激光粒度儀的測(cè)試結(jié)果匯總, 畫出顆粒級(jí)配曲線如圖3, 對(duì)比2-1、 2-4、 2-5、 2-6、 2-7 可見(jiàn), 在小于75 μm 粒徑中, 礦泥中較大顆粒所占百分比隨著深度降低而逐漸減小, 對(duì)比較底層礦泥2-1、 2-2,礦泥的級(jí)配曲線分別在較大粒徑4.783 μm、 較小粒徑0.078 μm 處相交, 在對(duì)比2-1、 2-3 可見(jiàn), 礦泥的級(jí)配曲線分別在較大粒徑2.360 μm、 較小粒徑0.078 μm 處相交。

圖3 礦泥漿顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Slime particle grading curve

4.2 礦泥顆粒特征粒徑與深度的相關(guān)性

由于礦泥取樣為連續(xù)取樣且取樣段較短(5 cm),故可假定每組樣內(nèi)礦泥粒徑組成均勻變化, 根據(jù)激光粒度儀試驗(yàn)結(jié)果, 將各深度礦泥的特征粒徑統(tǒng)計(jì)如下圖4 所示。 可見(jiàn), 隨著深度逐漸變大, 其有效粒徑d10、 中值粒徑d50、 及d90均呈現(xiàn)增大趨勢(shì), 其特征粒徑和深度具有較好的正相關(guān)性且有效粒徑d10在較深20～30 cm 處隨著深度加深迅速增大, 而中位粒徑d50在深度5～10 cm 段隨著深度增加而有所減小。

圖4 礦泥顆粒特征粒徑-深度變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of characteristic size-depth variation of slime particles

4.3 礦泥含水率、 體積平均粒徑與深度的關(guān)系

將不同深度的各組樣品的含水率與其對(duì)應(yīng)的體積平均粒徑線性擬合可見(jiàn), 礦泥漿含水率隨深度加深逐漸降低, 由趨勢(shì)線可見(jiàn)兩者呈負(fù)線性相關(guān), 線性擬合公式為y=-0.869 1x+136.84, 擬合度R2=0.732 2;而顆粒體積平均直徑隨深度逐漸上升, 由趨勢(shì)線可見(jiàn)兩者呈正線性相關(guān), 線性擬合公式為y=0.156 2x+2.971 2, 擬合度R2=0.939 6, 如下圖5 所示。

圖5 含水率-體積平均徑與深度擬合示意圖Fig.5 Fitting diagram of water content-volume mean diameter and depth

4.4 顆粒沉降及礦泥分層討論

為了便于計(jì)算, 假定礦泥顆粒為規(guī)則球體, 由于礦泥取回后靜置數(shù)月, 桶內(nèi)顆粒受重力、 介質(zhì)濃度及機(jī)械阻力的影響。 由于礦粒的沉降末速同顆粒密度、形狀有密切關(guān)系, 因此假定顆粒在流體中受到的力F, 則有:

其中:V為顆粒的體積;ρ和ρ0分別為顆粒和介質(zhì)的密度;g為重力加速度。

當(dāng)ρ ＞ρ0時(shí), 顆粒下沉運(yùn)動(dòng)。 然而顆粒下沉?xí)r必會(huì)受到介質(zhì)摩擦阻力, 隨著顆粒不斷運(yùn)動(dòng), 其受到的阻力最終將等于F, 達(dá)到平衡, 即:

其中:v為顆粒的沉降速度;f為阻力系數(shù)。

對(duì)于球形顆粒, 由Stokes 定律可知, 阻力系數(shù)和介質(zhì)黏度、 球體半徑有關(guān):

由球體體積計(jì)算公式:

簡(jiǎn)化得:

即為重力場(chǎng)中的沉降公式, 從式中可以看出: 沉降速度與顆粒半徑的平方成正比, 與介質(zhì)的黏度成反比, 顆粒的大小對(duì)沉降的速度影響較大, 在靜置過(guò)程中, 相對(duì)較大的顆粒沉降速度更快, 聚集在底部[14](25～35 cm), 而更細(xì)的顆粒則懸浮在桶中層(15 ～25 cm) 或漂浮在表層(0～15 cm)。 桶體較下層由于顆粒的不斷沉降, 其顆粒濃度不斷增加, 相當(dāng)于增加了介質(zhì)的濃度, 由于顆粒間帶電, 根據(jù)雙電層理論,由于礦泥顆粒表面帶電, 顆粒與顆粒之間受到靜電斥力的作用而相互排斥, 而其之間又存在范德華力導(dǎo)致其存在吸引力, 當(dāng)吸力大于斥力時(shí), 顆粒間相互吸引, 團(tuán)聚形成顆粒團(tuán), 反之則阻止顆粒團(tuán)的形成, 阻止顆粒團(tuán)沉降[15]。

而礦泥漿中富含大量的Al (OH)3, 在含水率高的泥漿中Al (OH)3可發(fā)生如下水解反應(yīng)[16]:

其中:h為水解度,Kw為水的離子積,Kb為鹽的電離常數(shù),C為摩爾濃度。

由上文可知, 由于下層顆粒濃度不斷增加, 相當(dāng)于增加了介質(zhì)的濃度, 即式(7) 中摩爾濃度C上升,而在一定溫度下, 水的離子積常數(shù)和鹽的電離常數(shù)為固定值, 則式(6) 反應(yīng)向左移動(dòng), 生成的負(fù)電荷膠粒濃度降低, 從而減少顆粒與顆粒之間的靜電斥力,則顆粒相互吸引、 團(tuán)聚, 促使顆粒團(tuán)體積變大, 因此底部(25～35 cm) 處其有效粒徑迅速增大。

漂浮在表層的礦泥顆粒由于含水率較高, 細(xì)小礦泥顆粒間易受取樣、 振動(dòng)等因素?cái)_動(dòng), 故表層區(qū)域0～5 cm 處中粒徑存在一段減小的波動(dòng)段, 而中間段過(guò)渡層, 礦泥顆粒介于表層段與沉降凝聚段之間, 受重力作用下, 礦泥顆粒呈較規(guī)律的隨深度線性變化段, 符合Stokes 定律。

故可根據(jù)礦泥的沉降, 可將桶內(nèi)的礦泥分為3層: 表層、 過(guò)渡層及沉降團(tuán)聚層。

表層(0～15 cm): 顆粒粒徑最小, 顆粒間距大,受擾動(dòng)程度高。

過(guò)渡層(15～25 cm): 顆粒大小隨深度呈正線性相關(guān)關(guān)系。

沉降團(tuán)聚層(25～35 cm): 顆粒較大, 由于顆粒間距小、 濃度高, 影響帶電粒子水解, 顆粒間斥力減小, 團(tuán)聚沉降。

5 結(jié)論

本文從Stokes 定律及礦物顆粒水解的電平衡角度進(jìn)行分析, 研究了自然沉降條件下微米級(jí)礦泥顆粒的沉降規(guī)律, 得出以下結(jié)論:

(1) 微米級(jí)礦泥顆粒的體積平均徑與礦泥所處深度呈線性相關(guān), 隨深度增加礦泥顆粒的體積平均徑呈線性增加, 其擬合度較高, 達(dá)R2=0.939 6, 故深度從一定程度上能夠反映礦泥顆粒的變化情況。

(2) 根據(jù)雙電層理論, 在較底層區(qū)域, 礦泥漿中由于微米級(jí)顆粒濃度的增加, Al (OH)3的水解反應(yīng)向左移動(dòng), 使生成的帶電膠粒濃度降低, 促進(jìn)了礦泥顆粒間的團(tuán)聚作用, 故底層相對(duì)于上部其有效粒徑迅速增大。

(3) 由于在沉降過(guò)程中, 顆粒逐漸向下移動(dòng), 上部顆粒少, 含水率高, 故表層處顆粒易受擾動(dòng), 規(guī)律性較差, 而中間段, 礦泥顆粒呈較規(guī)律的隨深度正線性相關(guān), 因此將微米級(jí)鋁尾礦泥顆粒受自然沉降過(guò)程中分為表層、 過(guò)渡層、 沉降團(tuán)聚層3 層, 此分層可以一定程度上作為尾礦庫(kù)中現(xiàn)場(chǎng)研究礦泥自然沉降情況的理論依據(jù)。