王洪江，楊亞楠,3，郭佳賓

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；3.西部黃金股份有限公司，烏魯木齊，830001)

膏體充填是實(shí)現(xiàn)地下金屬礦綠色開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)，具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的特點(diǎn)，被廣泛用于尾礦庫(kù)與采空區(qū)的協(xié)同治理[1-3]。尾礦濃密是膏體充填的首要環(huán)節(jié)，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)工藝具有重要影響[4-5]。尾砂絮凝通常是向低濃度尾砂料漿中添加絮凝劑，以克服顆粒之間的勢(shì)能屏障，使其進(jìn)入范德華引力和聚合物橋接引力的有效范圍，引發(fā)懸浮顆粒的失穩(wěn)與絮凝[6-7]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)尾砂濃密脫水。

隨著選礦技術(shù)不斷進(jìn)步，尾砂粒徑越來(lái)越小，甚至達(dá)到了超細(xì)級(jí)別[8-9]。超細(xì)尾砂具有特殊的物化特性，如細(xì)顆粒含量大、固結(jié)性差、重金屬離子多等，使得絮凝劑與尾砂顆粒之間的相互作用復(fù)雜，甚至破壞絮凝劑的性能。使用傳統(tǒng)的單一絮凝技術(shù)處理超細(xì)尾砂時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)微細(xì)顆粒捕獲失效、絮體尺寸小等問(wèn)題，導(dǎo)致固液分離難度增大，且無(wú)法在保持較高尾砂沉降速度的情況下，提高上清液的澄清度和底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此，探索和開(kāi)發(fā)一種新型絮凝工藝，既能實(shí)現(xiàn)顆粒的快速沉降，又有足夠的漿體脫水能力，同時(shí)回收澄清的溢流水，對(duì)超細(xì)尾砂處理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

多重絮凝技術(shù)是指采用2種或2種以上絮凝劑對(duì)漿體進(jìn)行固液分離，通過(guò)多種絮凝劑的協(xié)同作用，逐步增加顆粒表面結(jié)合位點(diǎn)，不斷強(qiáng)化顆粒絮凝效果?，F(xiàn)階段，針對(duì)多重絮凝技術(shù)的研究主要集中在采用2種絮凝劑(雙重絮凝體系)進(jìn)行固液分離[10-13]。LEMANOWICZ 等[14]研究了2 種未改性絮凝劑組合作用下煤礦漿的固液分離過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在高劑量區(qū)域，雙重絮凝系統(tǒng)形成的絮體尺寸均大于其中任何一種絮凝劑單獨(dú)作用下的絮體尺寸。LEE 等[15]研究了2 種絮凝劑對(duì)活性污泥的脫水情況，發(fā)現(xiàn)雙重絮凝可以顯著提高漿體的脫水效果，并降低絮凝劑添加過(guò)量的概率。YU等[16]研究了氧化鋁微粒的雙重絮凝體系，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)添加帶相反電荷的聚合物組合可以增強(qiáng)絮凝效果。LU 等[17]開(kāi)發(fā)了一種新型絮凝工藝，使用2種帶相反電荷的絮凝劑處理油砂尾礦，在保持較高沉降速度的情況下，顯著提高了溢流水質(zhì)量。SABAH 等[18]使用沉降速度和上清液濁度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)首先向煤礦漿中添加非離子絮凝劑，再使用陽(yáng)離子絮凝劑作為二次絮凝劑，可獲得最高的沉降速度，而“陰離子-非離子”組合可獲得較低的溢流水濁度。LI 等[19]證明了絮凝劑和混凝劑的組合可以提高油砂尾礦的脫水效果，且在雙重絮凝系統(tǒng)中，低相對(duì)分子質(zhì)量陽(yáng)離子聚合物與高分子量聚合物的組合效果最優(yōu)。多重絮凝技術(shù)廣泛用于處理煤礦和油砂開(kāi)采產(chǎn)生的尾礦，也常用于水處理領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)超細(xì)雜質(zhì)去除和溢流水回收。然而，對(duì)多重絮凝技術(shù)在金屬礦尾砂濃密中的研究較少。

為此，本文基于靜態(tài)絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，以尾砂沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)和上清液濁度為宏觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析絮凝劑類(lèi)型和絮凝劑組合方式對(duì)超細(xì)尾砂濃密脫水效果的影響規(guī)律，對(duì)比單一絮凝工藝與雙重絮凝工藝的絮凝濃密性能，明確雙重絮凝技術(shù)在金屬礦超細(xì)尾砂處理上的適用性。根據(jù)雙重絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果篩選出最優(yōu)絮凝劑組合，利用聚焦光束反射測(cè)量?jī)x(focused beam reflectance measurement，F(xiàn)BRM)和高倍顯微鏡研究最優(yōu)絮凝劑組合下絮體的尺寸、數(shù)量分布與細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步分析雙重聚合物的絮凝機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

全尾砂取自云南某鉛鋅礦，密度為2.96 g/cm3。利用水篩法和激光粒度儀對(duì)尾砂顆粒進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1。全尾砂主要為粒徑小于100 μm 的顆粒，其中，粒徑小于19 μm 的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.2%，粒徑小于37 μm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74.1%，粒徑小于74 μm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78.6%，屬于超細(xì)尾砂。

圖1 全尾砂粒徑分布Fig.1 Grain size distribution of unclassified tailings

本文使用3種絮凝劑，分別為DF125陽(yáng)離子絮凝劑、DF615V 陰離子絮凝劑和DF600S 非離子絮凝劑，相關(guān)物理特性見(jiàn)表1。

表1 絮凝劑物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of flocculants

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 單一絮凝沉降實(shí)驗(yàn)

設(shè)定尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，絮凝劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%，絮凝劑單耗為20 g/t。

首先，采用去離子水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的3 種絮凝劑溶液，即DF125 陽(yáng)離子絮凝劑溶液、DF615V 陰離子絮凝劑溶液和DF600S 非離子絮凝劑溶液。

其次，將尾砂烘干后配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的尾砂料漿，以500 r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌10 min。向料漿中添加7.5 g 絮凝劑溶液(對(duì)應(yīng)絮凝劑單耗20 g/t)，并立即停止攪拌，以避免破壞絮體。記錄3種絮凝劑處理下固液界面隨時(shí)間的變化規(guī)律。沉降30 min 后，采用HACH 2100 型濁度計(jì)測(cè)試上清液濁度，采用式(1)計(jì)算底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并利用空心管提取泥層，采用稱(chēng)質(zhì)量法測(cè)試其孔隙率。

式中：w為底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ms為干尾砂質(zhì)量，g；ml為水質(zhì)量，g；h1為料漿液面最高處刻度，cm；h2為最終固液分離界面處刻度，cm；S為量筒橫截面積，cm2；Gwt為純水密度，g/cm3。

1.2.2 雙重絮凝沉降實(shí)驗(yàn)

按照“初次絮凝劑+二次絮凝劑”組合模式，將上述3 種絮凝劑進(jìn)行排列，設(shè)計(jì)6 組絮凝劑組合，并設(shè)置空白對(duì)照組，如表2所示。

表2 絮凝劑組合設(shè)計(jì)Table 2 Design of flocculant combination

設(shè)置尾砂料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，絮凝劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%，初次絮凝劑和二次絮凝劑單耗均為20 g/t，溶液制備方式及絮凝劑添加方式與單一絮凝沉降實(shí)驗(yàn)的相同。在雙重絮凝過(guò)程中，將初次絮凝劑首先添加到尾砂料漿中，然后在10 s內(nèi)添加二次絮凝劑。將所得混合物轉(zhuǎn)移到250 mL 量筒中，輕輕翻轉(zhuǎn)量筒30 次。記錄固液界面隨時(shí)間的變化，沉降30 min 后，采用濁度計(jì)測(cè)量上清液濁度，并測(cè)試底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及泥層孔隙率。

1.2.3 最優(yōu)雙重絮凝組合絮體弦長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)測(cè)試

針對(duì)最優(yōu)絮凝劑組合，采用聚焦光束反射測(cè)量?jī)x(FBRM)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絮凝沉降過(guò)程懸浮液中的絮體尺寸和數(shù)量[20]。絮凝劑添加過(guò)程遵循與雙重絮凝沉降實(shí)驗(yàn)相同的程序，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，F(xiàn)BRM探頭在0.5～1 000.0 μm 測(cè)量范圍內(nèi)以2 s 的掃描速率記錄粒子的弦長(zhǎng)。測(cè)得的粒子平均弦長(zhǎng)實(shí)時(shí)顯示顆粒尺寸的變化，粒子總數(shù)則反映懸浮液中顆粒數(shù)量的變化[21-22]。

利用自制的“酒提子”型提取器捕捉絮凝劑添加前、初次絮凝劑添加后、二次絮凝劑添加后沉降區(qū)的尾砂絮團(tuán)，將提取的絮團(tuán)轉(zhuǎn)移至載玻片，覆蓋蓋玻片。采用瑞士Olympus CX33 高倍顯微鏡觀察絮團(tuán)，深入研究絮團(tuán)結(jié)構(gòu)特征以及水溶液的渾濁情況，分析2 種絮凝劑在各階段的作用機(jī)理，驗(yàn)證雙重絮凝工藝的絮凝濃密性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 單一絮凝工藝的絮凝濃密性能

圖2所示為單一絮凝劑處理下固液界面高度及其沉降速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖2(a)可知，各組實(shí)驗(yàn)前2 min 固液界面高度下降較快，2 min 后下降速率減緩，可將前2 min界面平均沉降速度視為整體絮凝沉降實(shí)驗(yàn)的有效沉降速度。由圖2(b)可知，陽(yáng)離子絮凝劑添加后，固液界面沉降速度最快，有效沉降速度達(dá)到68.89 mm/min，添加陰離子絮凝劑后的固液界面沉降速度最慢，有效沉降速度為67.78 mm/min。非離子絮凝劑的界面有效沉降速度為68.22 mm/min，其顆粒絮凝沉降性能介于陰離子與陽(yáng)離子絮凝劑之間。

圖2 單一絮凝固液界面特性Fig.2 Characteristics of solid-liquid interface in single flocculation experiment

以圖2(a)中沉降區(qū)延長(zhǎng)線與壓縮區(qū)延長(zhǎng)線的交點(diǎn)向沉降曲線作角平分線，估算出沉降區(qū)與壓縮區(qū)的分界點(diǎn)，進(jìn)而得到沉降區(qū)顆粒群沉降速度曲線以及壓縮區(qū)泥層壓密排水速度曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知：

圖3 單一絮凝沉降區(qū)與壓縮區(qū)尾砂速度特性Fig.3 Tailings velocity characteristics in settlement and compression zones in single flocculation experiment

1)初始絮凝沉降階段(OA)。絮凝劑與尾砂顆粒接觸混合進(jìn)行絮凝反應(yīng)。該階段陽(yáng)離子絮凝劑DF125 與尾砂顆粒反應(yīng)迅速，顆粒群沉降速度最快，非離子絮凝劑DF600S的沉降速度次之，陰離子絮凝劑DF615V的沉降速度最慢。

2)干涉沉降階段(AB)。陽(yáng)離子絮凝劑DF125處理的顆粒群沉降速度不斷減小，直至與陰離子絮凝劑DF615V處理的顆粒群沉降速度同步，而該階段非離子絮凝劑DF600S處理的顆粒群沉降速度最快。

3)穩(wěn)定沉降階段(BC)。3種絮凝劑處理的顆粒群呈現(xiàn)同步且等速下降狀態(tài)。穩(wěn)定沉降階段后期，對(duì)照組顆粒群沉降速度比實(shí)驗(yàn)組的大，這是因?yàn)榻咏纸琰c(diǎn)，顆粒間相互作用增強(qiáng)，添加絮凝劑的漿體黏度較大，導(dǎo)致顆粒沉降阻力比對(duì)照組的大。

由圖3(b)可知，對(duì)照組泥層壓密排水速度遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)組的大，且3 個(gè)實(shí)驗(yàn)組泥層壓密排水速度同步。這是因?yàn)樘砑有跄齽┖螅S著固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，泥層多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加，滲透能力減小，壓縮屈服應(yīng)力比對(duì)照組的大。

圖4所示為單一絮凝劑處理下底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)和上清液濁度。從圖4 可見(jiàn)：添加陽(yáng)離子絮凝劑后，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為61.1%，上清液濁度最大，為63.1×10-6。與陽(yáng)離子絮凝劑效果相反，陰離子絮凝劑添加后底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，為56.8%，上清液濁度最小，為40.3×10-6。添加非離子絮凝劑的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.4%，上清液濁度為53.4×10-6，其尾砂濃密性能和溢流水處理能力同樣介于陰離子絮凝劑和陽(yáng)離子絮凝劑之間。

圖4 單一絮凝底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)和上清液濁度Fig.4 Underflow mass fraction and supernatant turbidity in single flocculation experiment

圖5所示為單一絮凝劑處理下壓縮區(qū)的泥層孔隙率。由于料漿呈弱堿性，超細(xì)顆粒電負(fù)性較強(qiáng)。添加陰離子絮凝劑會(huì)增大絮體內(nèi)部顆粒之間的靜電排斥作用，使得沉降區(qū)絮體結(jié)構(gòu)松散，壓縮區(qū)泥層孔隙率較大，為58.46%，進(jìn)而產(chǎn)生較小的尾砂沉降速度和較低的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)[23]。而陽(yáng)離子絮凝劑與電負(fù)性顆粒發(fā)生電中和作用，降低膠粒間的排斥力，使得微粒失穩(wěn)而相互碰撞聚集[24-25]，絮體結(jié)構(gòu)密實(shí)，泥層孔隙率較小，為54.08%。

圖5 單一絮凝壓縮區(qū)泥層孔隙率Fig.5 Mud porosity in compression zone of single flocculation experiment

綜上可知，3 種絮凝劑單獨(dú)作用時(shí)各有優(yōu)勢(shì)，但都不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高沉降速度、高底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及低上清液濁度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 雙重絮凝工藝的絮凝濃密性能

2.2.1 尾砂沉降速度

不同絮凝劑組合下固液界面高度及其沉降速度曲線如圖6所示。由圖6(a)可知，類(lèi)似于單一絮凝實(shí)驗(yàn)，可將前2 min固液界面平均沉降速度視為整體實(shí)驗(yàn)的有效沉降速度。由圖6(b)可知，6 個(gè)實(shí)驗(yàn)組的固液界面沉降速度分為3個(gè)層次：

圖6 雙重絮凝固液界面特性Fig.6 Characteristics of solid-liquid interface in dual flocculation experiment

1)5 號(hào)和6 號(hào)組合的界面沉降速度最快，為第1層次，即絮凝劑種類(lèi)是雙重絮凝工藝的重要影響因素。離子型絮凝劑組合形成的破碎絮團(tuán)，電荷量更高，結(jié)合位點(diǎn)更多，吸附作用也更強(qiáng)，絮凝沉降效果優(yōu)于非離子型絮凝劑組合。

2)2號(hào)和4號(hào)組合的界面沉降速度小于5號(hào)和6號(hào)組合，為第2層次。

3)1 號(hào)和3 號(hào)組合的界面沉降速度最慢，為第3 層次。對(duì)比第2 層次與第3 層次，可知絮凝劑添加順序?qū)﹄p重絮凝效果也有重要影響，就尾砂沉降速度而言，“非離子+離子”絮凝劑組合效果優(yōu)于“離子+非離子”組合。

圖7所示為沉降區(qū)顆粒群沉降速度曲線以及壓縮區(qū)泥層壓密排水速度曲線。由圖7(a)可知：

圖7 雙重絮凝沉降區(qū)與壓縮區(qū)尾砂速度特性Fig.7 Tailings velocity characteristics in settlement and compression zones of dual flocculation experiment

1)初始絮凝沉降階段(OA)。5 號(hào)和6 號(hào)組合的初次絮凝劑與二次絮凝劑匹配性較好，顆粒群沉降速度最快，2號(hào)與4號(hào)組合顆粒群沉降速度次之，1號(hào)與3號(hào)組合的顆粒群沉降速度最慢。

2)干涉沉降階段(AB)。除了3號(hào)組合外，其他組合的顆粒群沉降速度很快趨于一致，且速度變化率較大。

3)穩(wěn)定沉降階段(BC)。1 號(hào)和3 號(hào)組合顆粒群沉降速度最快，其他組合仍處于同步下降狀態(tài)，且沉降速度較慢，僅略高于對(duì)照組的顆粒群沉降速度。

在整個(gè)沉降區(qū)，6個(gè)實(shí)驗(yàn)組的顆粒群沉降速度均高于對(duì)照組的顆粒群沉降速度。這是因?yàn)橄噍^于單一絮凝，雙重絮凝工藝能夠形成體積更大且結(jié)構(gòu)更加致密的絮體，固液密度差增加，絮體所受重力遠(yuǎn)大于水力曳力，沉降速度顯著提高。

由圖7(b)可知，對(duì)照組泥層壓密排水速度比實(shí)驗(yàn)組的大。1號(hào)與3號(hào)組合泥層壓密排水速度最快，2號(hào)與4號(hào)組合的壓密排水速度其次，5號(hào)與6號(hào)組合的壓密排水速度最慢。因此，“離子+非離子”絮凝劑組合處理的漿體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)壓縮屈服應(yīng)力較低。當(dāng)外力一定時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部顆粒之間的連接易被破壞，重新排列構(gòu)成孔隙通道，從而促進(jìn)泥層的壓密排水。

2.2.2 底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)

為了綜合表征超細(xì)尾砂絮凝濃密效果，以沉降過(guò)程前2 min平均沉降速度和30 min時(shí)底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積來(lái)表征濃密效果因子，其值越大，表明絮凝劑匹配性越好，見(jiàn)式(2)。

式中：f(φ)為濃密效果因子，mm/min；φ30為30 min時(shí)的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；uu2(φ)為沉降前2 min的平均沉降速度，mm/min。

圖8所示為不同絮凝劑組合的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)和濃密效果因子，圖9所示為不同絮凝劑組合的壓縮區(qū)泥層孔隙率。由圖8 可知，2 號(hào)和5 號(hào)組合的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為69.7%，5 號(hào)組合的濃密效果因子最大，為55.06。由圖9可知，5號(hào)組合最終壓密后的泥層孔隙率最小，為44.57%。因此，以陽(yáng)離子絮凝劑作為二次絮凝劑，在二次絮凝過(guò)程中充分發(fā)揮其電荷中和作用，降低顆粒之間以及顆粒與絮凝劑之間的靜電排斥，并與顆粒形成鑲嵌式固著模型，有利于促進(jìn)膠體顆粒絮凝，減少泥層中的無(wú)效孔隙，顯著提高底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)[26-27]。

圖8 雙重絮凝底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)和濃密效果因子Fig.8 Underflow mass fraction and dense effect factor in dual flocculation experiment

圖9 雙重絮凝壓縮區(qū)泥層孔隙率Fig.9 Mud porosity in compression zone of dual flocculation experiment

2.2.3 溢流水濁度

不同絮凝劑組合的上清液濁度如圖10所示。由圖10 可知，4 號(hào)和6 號(hào)組合的上清液濁度較小，1 號(hào)和2 號(hào)組合的上清液濁度較大，即含有陰離子絮凝劑的絮凝劑組合能夠有效降低上清液濁度，得到澄清度較高的溢流水。這是因?yàn)殛庪x子絮凝劑的大分子長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮吸附架橋機(jī)制，使得微細(xì)顆粒快速成長(zhǎng)為粒度較大的絮體。此外，陰離子絮凝劑還可以通過(guò)羥基(—CO=)、氨基(—NH2)等官能團(tuán)與尾砂顆粒形成高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)揮網(wǎng)捕作用，進(jìn)一步提高超細(xì)顆粒的絮凝效果，如圖11所示[28-29]。

圖10 雙重絮凝上清液濁度曲線圖Fig.10 Supernatant turbidity of dual flocculation experiment

圖11 陰離子絮凝劑架橋吸附原理Fig.11 Adsorption mechanism of anionic flocculant bridging

綜上可知，5號(hào)“陰離子絮凝劑DF615V+陽(yáng)離子絮凝劑DF125”組合綜合了2 種聚合物的優(yōu)點(diǎn)，既能發(fā)揮初次陰離子絮凝劑吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃的功能，降低上清液濁度，又可以通過(guò)二次陽(yáng)離子絮凝劑的電荷中和作用，提高尾砂沉降速度和底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)，整體絮凝濃密效果最優(yōu)。

2.3 雙重絮凝與單一絮凝濃密脫水效果對(duì)比

對(duì)比2種絮凝工藝的三重評(píng)價(jià)指標(biāo)，即有效沉降速度、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及上清液濁度，結(jié)果如表3所示。

表3 單一絮凝與雙重絮凝結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of experimental results between single flocculation and dual flocculation

在單一絮凝實(shí)驗(yàn)中，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組最大有效沉降速度為68.89 mm/min，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為61.1%，上清液濁度最小為40.3×10-6。而在6組雙重絮凝實(shí)驗(yàn)中，尾砂有效沉降速度均大于70 mm/min，最大為79 mm/min；底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于65%，最高達(dá)到69.7%；除了2 號(hào)組合外，其他組合的上清液濁度均小于30×10-6，溢流水質(zhì)量有了較大提高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)組合(5 號(hào))的有效沉降速度為79 mm/min，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69.7%，上清液濁度為25.6×10-6。因此，相較于傳統(tǒng)的單一絮凝工藝，采用不同絮凝劑組合的雙重絮凝工藝表現(xiàn)出了良好的顆粒絮體化和協(xié)同作用效應(yīng)[29-30]，顯著提高了金屬礦超細(xì)尾砂的濃密脫水效果。

3 雙重絮凝機(jī)制討論

3.1 雙重絮凝過(guò)程中絮團(tuán)演化規(guī)律

為了探索2種聚合物的絮凝機(jī)制，采用FBRM測(cè)量法，對(duì)5 號(hào)“DF615V+DF125”組合的絮團(tuán)數(shù)量和尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，采用Olympus CX33高倍顯微鏡觀察絮團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征。

3.1.1 絮團(tuán)數(shù)量

不同尺寸絮團(tuán)的數(shù)量變化如圖12所示。由圖12可知：

圖12 絮團(tuán)數(shù)量隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Variation curve of the number of flocs with time

1)初次絮凝劑添加后，弦長(zhǎng)小于10 μm以及弦長(zhǎng)為10～100 μm 的顆粒數(shù)量均大幅減少，弦長(zhǎng)為100～1 000 μm 的顆粒數(shù)量大幅增加，即初次陰離子絮凝劑添加后，懸浮液中微細(xì)顆粒數(shù)量大幅度減小。

2)添加二次絮凝劑后，弦長(zhǎng)小于100 μm 的絮團(tuán)數(shù)量繼續(xù)減少，而弦長(zhǎng)為100～1 000 μm 的絮團(tuán)數(shù)量也大幅度減少。這是因?yàn)樵诙侮?yáng)離子絮凝劑作用下，初次絮凝后的絮團(tuán)尺寸繼續(xù)增長(zhǎng)，成為弦長(zhǎng)大于1 000 μm 的特大絮團(tuán)，特大絮團(tuán)的弦長(zhǎng)已超出儀器監(jiān)測(cè)范圍。絮團(tuán)的數(shù)量分布特征進(jìn)一步說(shuō)明相比于單一絮凝，雙重絮凝體系在捕獲細(xì)顆粒和形成更大絮體方面具有較大優(yōu)勢(shì)[30]。

3.1.2 絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)

絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)隨時(shí)間的變化曲線如圖13所示。從圖13可見(jiàn)：

圖13 絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Variation curve of average chord length of flocs with time

1)絮凝作用發(fā)生前，超細(xì)尾砂顆粒分布均勻且穩(wěn)定，平均弦長(zhǎng)為22.67 μm；

2)初次絮凝作用開(kāi)始后，細(xì)顆粒絮凝成為大尺寸絮團(tuán)，平均弦長(zhǎng)增長(zhǎng)至174.04 μm；

3)初次絮凝作用結(jié)束后，在攪拌剪切作用下，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，平均弦長(zhǎng)減小至163.24 μm；

4)二次絮凝劑添加后，破碎絮團(tuán)二次絮凝成為弦長(zhǎng)大于1 000 μm 的特大絮團(tuán)，平均弦長(zhǎng)增長(zhǎng)為313.00 μm。

5)受攪拌剪切的影響，最終平衡時(shí)絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)約為246.13 μm。

強(qiáng)度和再生性是絮團(tuán)的2個(gè)重要特性。引入強(qiáng)度因子F1和再生因子F2(分別如式(3)和(4))，考察初次絮凝和二次絮凝過(guò)程中絮團(tuán)的破碎與再生[30-31]。

式中：d1為破碎前的絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)，μm；d2為破碎后的絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)，μm；d3為再生長(zhǎng)后的絮團(tuán)平均弦長(zhǎng)，μm。

根據(jù)式(3)得到初次絮凝和二次絮凝的絮團(tuán)強(qiáng)度因子分別為0.94和0.82，因此，初次陰離子絮凝劑誘導(dǎo)的絮團(tuán)強(qiáng)度更高，能夠承受一定的外界剪切作用。二次陽(yáng)離子絮凝劑誘導(dǎo)的絮團(tuán)強(qiáng)度較低，在攪拌剪切下容易分解。然而，即使在連續(xù)紊動(dòng)剪切影響下，與單一絮凝相比，雙重絮凝得到的絮團(tuán)仍具有更大的尺寸。

根據(jù)式(4)得到二次絮凝的絮團(tuán)再生因子為1.36，大于1.00。這表明二次陽(yáng)離子絮凝劑的電荷中和作用可以促使破碎絮團(tuán)重新聚并生長(zhǎng)，重新聚集的絮團(tuán)內(nèi)部包裹水更少。致密的大尺寸絮團(tuán)結(jié)構(gòu)是料漿快速濃密脫水的關(guān)鍵，這與雙重絮凝實(shí)驗(yàn)中顆粒沉降速度和底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)一致。

3.1.3 絮團(tuán)結(jié)構(gòu)

絮團(tuán)顯微觀測(cè)圖像如圖14所示。從圖14 可見(jiàn)：未添加絮凝劑時(shí)，尾砂顆粒極細(xì)小。添加初次陰離子絮凝劑后，低倍鏡中出現(xiàn)了4 個(gè)初次絮團(tuán)，其中包含1個(gè)完整絮團(tuán)。在高倍鏡下觀察該完整絮團(tuán)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)較致密，但水溶液中仍存在微細(xì)顆粒。

圖14 絮團(tuán)顯微觀測(cè)圖像Fig.14 Microscopic image of floc

添加二次陽(yáng)離子絮凝劑之后，絮團(tuán)尺寸進(jìn)一步增大，在高倍鏡下發(fā)現(xiàn)絮團(tuán)顏色深且致密，絮團(tuán)外部的水溶液中幾乎觀察不到微細(xì)顆粒，即雙重絮凝工藝的顆粒絮凝和去濁效果極佳。

3.2 雙重絮凝作用機(jī)理分析

基于絮凝濃密實(shí)驗(yàn)，將雙重絮凝過(guò)程分為初次絮體形成、絮體剪切破壞和二次絮體形成3個(gè)階段，如圖15所示[32]。

圖15 雙重絮凝工藝原理圖Fig.15 Schematic diagrams of dual flocculation process

1)初次絮體形成階段。以陰離子絮凝劑為初次絮凝劑，高分子陰離子絮凝劑具有較長(zhǎng)的分子鏈，主要的絮凝機(jī)制為吸附架橋。由于料漿呈堿性，尾砂顆粒帶負(fù)電，陰離子絮凝劑增強(qiáng)了尾砂顆粒之間的排斥力，形成結(jié)構(gòu)松散的初次絮體[33]。

2)絮體剪切破壞階段。由于剪切作用的影響，吸附架橋形成的初次絮體大規(guī)模破碎，尺寸減小。同時(shí)，顆粒表面與初次絮凝劑的部分結(jié)合位點(diǎn)釋放[34]，尾砂顆粒與初次絮凝劑分子處于傾向于吸附的不穩(wěn)定狀態(tài)。

3)二次絮體形成階段。添加陽(yáng)離子絮凝劑后，破碎絮體的雙電層作用減弱，通過(guò)電荷中和作用與二次絮凝劑結(jié)合，形成二次絮體。二次絮體經(jīng)歷破壞—再生長(zhǎng)后體積更大，結(jié)構(gòu)更加致密，有利于提高沉降速度和底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外，初次和二次絮凝劑分子在顆粒表面形成穩(wěn)定的伸展?fàn)顟B(tài)，二者分子鏈尾部同時(shí)伸向溶液[35]，再次增加了微細(xì)顆粒架橋概率，為形成澄清度較高的溢流提供了保障。

4 結(jié)論

1)尾砂表面電負(fù)性較強(qiáng)時(shí)，陽(yáng)離子絮凝劑有利于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)密實(shí)的絮體，卻難以捕捉微細(xì)顆粒，導(dǎo)致底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，但上清液濁度大。非離子和陰離子絮凝劑有利于捕獲微細(xì)顆粒，降低上清液濁度，但形成的絮體結(jié)構(gòu)松散，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。

2)與單一絮凝相比，雙重絮凝可以降低上清液濁度(＜30×10-6)，且尾砂沉降速度較大(＞70 mm/min)，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(＞65%)。雙重絮凝工藝綜合了2種聚合物的優(yōu)點(diǎn)，在絮凝過(guò)程各階段運(yùn)用不同的絮凝機(jī)制，同時(shí)改善了絮凝濃密效果的3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3)雙重絮凝的影響因素有絮凝劑種類(lèi)和絮凝劑添加順序。在各類(lèi)絮凝劑組合中，“陰離子+陽(yáng)離子”組合的絮凝濃密效果最優(yōu)。

4)雙重絮凝過(guò)程分為初次絮體形成、絮體剪切破壞和二次絮體形成3個(gè)階段。在初次陰離子絮凝劑吸附架橋作用下，微細(xì)顆粒(＜100 μm)數(shù)量大幅度減小。在二次陽(yáng)離子絮凝劑電中和作用下，破碎絮團(tuán)增長(zhǎng)為弦長(zhǎng)大于1 000 μm的可再生絮團(tuán)。雙重絮凝工藝有利于捕獲微細(xì)顆粒和形成大體積絮體。