超細全尾砂最優絮凝劑配比優化試驗研究

焦國芮，鄒開華，黃毅偉，黃金華，謝敏，李斌

（1.中藍連海設計研究院有限公司，江蘇 連云港 222004；2.江西銅業技術研究院有限公司，江西 南昌 330096；3.江西銅業集團銀山礦業有限責任公司，江西 上饒 334200）

礦業作為中國的傳統行業，需要加快綠色可持續發展的步伐，以充填采礦法的廣泛應用促進行業高質量發展［1-2］。全尾砂膏體充填具有不沉淀、不離析、脫水少等優點，能夠保護周邊環境并提高生產效率［3］。在制備高濃度充填料漿過程中，全尾砂的濃密沉降是一個關鍵環節。添加絮凝劑到礦漿中可以提高尾砂的沉降效率和底流濃度。因此，國內外學者對全尾砂漿的絮凝沉降以及高濃度充填料漿制備進行了廣泛研究。

吳愛祥等［4］和王剛等［5］對多因素耦合條件下尾砂絮凝沉降規律進行了研究，結果表明影響絮凝沉降的重要因素包括尾砂入料濃度、絮凝劑用量和絮凝劑溶液濃度。朱建國等［6］研究了不同粒徑級配的尾砂對絮凝沉降效果的影響。王洪江等［7］和吳愛祥等［8］以單位面積固體處理量和底流體積分數作為衡量尾砂濃密效果的評價指標開展研究，詳細考察了各種因素對尾砂濃密效果的影響。侯賀子等［9］研究了不同料漿濃度和絮凝劑用量對尾砂靜態沉降性能的影響，結果顯示在適量絮凝劑用量下，沉降速度能夠達到最大。孫浩等［10］探究了不同種類絮凝劑對鉛鋅尾礦絮凝沉降效果的影響。賀紹鑫等［11］通過測定沉降比、分形維數等方法，研究不同絮凝劑對黑臭底泥脫水性能和沉降性能的影響；楊寧等［12］通過絮凝沉降實驗從12個類別絮凝劑中選出最佳絮凝劑，并確定最優絮凝劑添加量；劉曉輝等［13］采用聚焦光束反射測量（FBRM）技術得出絮凝沉降速度隨其等效粒徑增大而增大。阮竹恩等［14］通過測定絮團的弦長來構建沉降速率模型，為實際生產提供理論依據。田明明等［15］針對玲瓏金礦尾砂進行絮凝劑選型并確定了最優參數，構建了絮凝沉降全過程力學模型。董培鑫等［16］采用正交試驗建立了底流濃度、沉降速度與影響因素的函數關系。卞繼偉等［17］通過開展動態絮凝沉降試驗來確定供料速度與底流濃度的直接關系。溫震江等［18］采用響應面法方法(RSM)，基于RSM-BBD(Box-Behnken Design)對全尾砂料漿沉降參數進行了優化，并確定了最優參數。楊子龍等［19］采用核磁共振儀器對不同沉降高度下絮團空隙結構特征進行了分析。

這些研究結果對充填采礦法中全尾砂膏體充填過程的優化提供了重要參考，同時也為實現礦業的綠色可持續發展提供了理論基礎。深入研究和理解全尾砂漿的絮凝沉降規律，可以更好地控制和優化充填過程，從而提升充填效果和礦業生產效率。本文在前人研究的基礎上，運用Minitab軟件中的DOE 設計試驗方法，探究了各種因素對超細尾砂絮凝沉降的相互影響，并對各參數進行了優化，以期實現沉降速度最快、底流濃度最大且成本最低的目標。

1 試驗材料

1.1 尾砂物化性質

所選試驗樣本為江西省某銅礦的全尾砂。將尾砂晾曬烘干，然后進行粒徑分析和主要化學成分測定，試驗結果見圖1 和表1?；谶@些數據，計算得出其特征粒徑d10，d50 和d90 分別為3.50，12.9 和171 μm。其中，D10 指樣品累計粒度分布數達到10%時所對應的粒徑；D50 指樣品累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑，D50 也叫中位徑或中值粒徑，常用表示粉體的平均粒度；D90 指樣品的累計粒度分布數達到90%時所對應的粒徑。數據顯示，該銅礦的全尾砂含有相當比例的細顆粒，其中粒徑小于74 μm 的細顆粒約占總量的80.93%。這些微細顆粒具有細小的粒度和較大表面積，當顆粒相互靠近時，電雙層排斥力會試圖阻止它們直接接觸，而范德瓦爾斯力會試圖將它們拉近。在兩種力的相互作用之下，顆粒會保持平衡狀態，并在顆粒外表形成一層極薄的結合水膜，這層水膜包裹并穩定顆粒，使它們保持分散狀態。這種結合水膜的存在增加了顆粒的有效尺寸，從而降低了顆粒在水中的密度和沉降速度，導致自然沉降速度極其緩慢，無法達到動態放砂的要求。因此，迫切需要采取絮凝沉降方法來解決這一問題。

表1 尾砂化學成分分析Table 1 Chemical analysis of total ailings（%，mass frac tion）

圖1 全尾砂粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of total tailings

1.2 絮凝劑

絮凝劑是那些能夠調控水中分散微粒的沉淀穩定性和聚合穩定性的物質類別。絮凝劑在水體中作用于分散微粒，引發微粒之間的凝聚和結合，使之形成更大的聚集體，并最終將其從水體中除去。根據其化學性質和離子類型的差異，絮凝劑可分為3 種主要類型：陰離子型、陽離子型和非離子型。在選取絮凝劑時，需考慮水體中微粒的特性以及化學環境的影響，以確保獲得最優的絮凝效果。尾砂通常帶有負電性，這使顆粒之間發生排斥作用，難以自發形成絮團并迅速沉淀。陰離子型絮凝劑能中和這些負電荷，從而減少顆粒之間的排斥作用，促進顆粒的聚集和沉降。因此，選擇陰離子型絮凝劑有助于提高尾砂沉降的效率，從而有效提高底流中的固體顆粒濃度。因此，試驗選用的7種絮凝劑均為陰離子絮凝劑，分別標記為X1～X7。

2 絮凝劑選型試驗

針對不同物化性質的尾砂，不同類型的絮凝劑會產生顯著的絮凝效果差異。為了選擇合適的絮凝劑，配置相同料漿濃度（12%），采用相同絮凝劑濃度以及相同絮凝劑單耗的7 種絮凝劑進行全尾砂靜態絮凝沉降試驗，圖2 展現了7 種不同類型絮凝劑的沉降曲線。沉降曲線是通過對每種絮凝劑進行試驗觀察得出的，它反映了在絮凝劑作用下水中微粒的沉降行為。通過觀察曲線的形態和趨勢，可以評估絮凝劑的沉降效果及其在不同時間段內的性能差異。

圖2 不同絮凝劑沉降曲線圖Fig.2 Sedimentation curves of different flocculants

絮凝劑沉降過程如圖3所示。從圖3可以清晰地觀察到，在全尾砂料漿中加入絮凝劑后的效果。首先，隨著絮凝劑的加入，全尾砂料漿的分散微粒開始凝聚成聚集體，導致料漿的穩定性發生變化。其次，絮凝劑使得料漿中的微粒逐漸沉淀下來，形成沉淀物。結合圖2可以發現，剛開始時絮凝劑沉降速率最大，隨后逐步減小，3 min 后基本穩定。不同絮凝劑的沉降速率由快到慢依次為X5>X2>X1=X4=X7>X3>X6?？梢?，不同絮凝劑表現出的沉降效果完全不同，其中X5 絮凝劑沉降效果最為明顯。

圖3 絮凝沉降過程Fig.3 Flocculation and sedimentation process

3 絮凝沉降試驗

3.1 試驗方案

礦漿的絮凝沉降速度與礦漿性質、絮凝劑等多種因素有關，其中礦漿二次稀釋后濃度、絮凝劑濃度以及絮凝劑添加量是目前公認的對沉降效果影響最大的因素，當這三者配比達到最優時，不僅能夠提升絮凝沉降效果，而且能夠有效降低成本。為了研究礦漿濃度、絮凝劑濃度以及絮凝劑單耗對底流濃度和沉降效果的影響并確定最優方案，設計構建三因素三水平全因子試驗，具體試驗參數見表2。

表2 試驗方案Table 2 Experimental design

1）試驗樣品：分別取工業水900，860和820 g與烘干的尾砂100，140 和180 g，配置濃度分別為10%，14%以及18%的礦漿1000 g；

2）礦漿pH 值測定：在實驗開始之前，測定每個礦漿樣品的pH值，以確保試驗在相同的pH環境下進行，以消除pH值變化對實驗結果的影響。

3）絮凝劑濃度的配制：量取200 mL 的工業水置于250 mL 容量的燒杯中，分別稱取100，200 和300 mg 絮凝劑加入燒杯中，攪拌30 min，將絮凝劑濃度配置為0.05‰，0.10‰，0.15‰；

4）混合礦漿和絮凝劑：將攪拌均勻的礦漿加入100 mL 的量筒中至滿刻度；根據實驗設置的絮凝劑用量，用注射器分別吸取不同體積的配好的絮凝劑溶液，加入裝有礦漿的量筒中，用攪拌棒上下攪拌3 次之后，確保均勻混合，并立即開始沉降計時；

5）分別在沉降5，15，30，60，120，180，240和300 s 時記錄沉積物的下降位置，并觀察沉降過程中上清液的顏色，確定最佳絮凝劑類型和用量。

3.2 試驗結果分析

圖4是分別控制單一變量絮凝劑添加量、絮凝劑濃度以及料漿濃度對沉降效果和底流濃度的影響曲線。

圖4 單因素影響分析Fig.4 Single factor impact analysis（a）10%-0.05%；（b）10%-0.10%；（c）10%-0.15%；（d）14%-15g/t；（e）14%-35g/t ；（f）14%-55g/t；（g）15g/t -0.1%；（h）35g/t -0.1%；（i）55g/t -0.1%

3.2.1 各指標單因素對絮凝效果影響

根據圖4（a～c）中A1～A9 的情況可見，在絮凝劑濃度為0.05%和0.1%時，絮凝劑單耗為35 g/t（A2 和A6）表現出最顯著的沉降效果，而過多或過少的絮凝劑單耗都會對沉降效果產生負面影響，降低沉降效率。當絮凝劑單耗超過一定量時，礦漿會形成較大的絮團，導致沉降過程中水阻力增加，進而影響沉降效果。在絮凝劑濃度為0.15%的情況下，三者的最終效果基本一致。隨著絮凝劑單耗的增加，初始沉降速度呈現上升趨勢，即隨著絮凝劑單耗的增加而逐漸增大。然而，最終各組的沉降效果趨于一致。這一發現說明絮凝劑的單耗不是越大越好，而是存在一個最優使用量。

根據圖4（d～f）中B1～B9 的情況可見，在保持料漿濃度和絮凝劑單耗不變的情況下，低絮凝劑單耗和低濃度絮凝劑表現出更好的效果。隨著絮凝劑添加量的增加，絮凝劑的沉降效果在絮凝劑添加濃度增加的初期得到改善，但當濃度過高時，絮凝劑溶液的黏稠度增加，使得絮凝劑難以均勻分散到尾砂溶液中，大量絮凝劑分子無法充分發揮作用，從而導致沉降速度減緩。

對不同濃度礦漿添加相同濃度絮凝劑，由于不同濃度料漿下降速率差別較大，故需通過計算底流濃度進行對比。根據Coe-Clevenger 提出的靜態沉降模型和Kynch的沉降理論，可以計算出沉降曲線上任意點的固體濃度和沉降速率，可由式（1）和式（2）計算：

式中，φi和v(φ)為過沉降曲線任意點i作一條切線，對應于此點的固體濃度和沉降速率；φ0為懸浮液的初始濃度；H0為懸浮液的初始高度；H，T分別為過i點的切線在橫坐標與縱坐標上的截距。

從圖4（g～i）中C1～C9的數據可以得知，在相同的絮凝劑添加量條件下，隨著料漿濃度的降低，沉降速度逐漸增加，且在10 min 內最終底流濃度越來越高。當保持絮凝劑濃度不變而增加添加量時，高濃度料漿的沉降速度加快，同時底流濃度也會提高。特別是在絮凝劑添加量為35 g/t時，14%濃度的料漿底流濃度超過了10%料漿的底流濃度，這表明此時其配比的沉降效果更為優越。此外，隨著絮凝劑單耗達到55 g/t，更多的絮凝劑優先形成絮團，從而影響了絮凝沉降的效果。這些結果說明絮凝劑單耗和料漿濃度之間存在著最優的組合關系。

3.2.2 靜態絮凝試驗結果分析

根據設計構建的三因素三水平開展了絮凝沉降試驗，試驗結果見表3。利用Minitab軟件對試驗結果進行多元回歸擬合，得出回歸方程如式（3）所示。

表3 試驗結果Table 3 Test results

式中，M為底流濃度，N1為料漿濃度，N2為絮凝劑單耗，N3為絮凝劑濃度。

為了評估回歸函數模型的可靠性，進行了方差分析，并將結果詳細列示于表4 中。由表4 可以看出，當模型自由度P＜0.05，則表明模型回歸效果顯著。從方差分析看出：F料漿濃度>F單耗>F絮凝濃度，說明本試驗探討的3個因素中，料漿濃度對絮凝沉降效果的影響最大，絮凝劑濃度影響最低。從方差分析的交互項中可以看出，N1N2的P值＜0.05，而N1N3和N2N3的P值均＞0.5。結果表明，料漿濃度（N1）和絮凝劑單耗（N2）之間存在著顯著的交互作用，對全尾砂絮凝沉降效果產生了重要影響。這意味著N1和N2的變化不僅會各自對沉降效果產生單獨的影響，而且它們之間的相互作用也對結果有顯著影響。

表4 方差分析結果Table 4 Analysis of variance results

根據所構建的擬合模型，將試驗配比參數代入所建立的回歸模型中進行運算，得到擬合值與實測值如圖5 所示?？梢钥闯?，除個別點外，底流濃度實測值與理論值的誤差均在5%以內，具有較高的吻合度，表明模型可靠性高。

圖5 計算值與試驗值比較Fig.5 Comparison of calculated and experimental values

在確定最佳的絮凝沉降工藝參數時，為獲得最優的絮凝沉降效果，需要對料漿濃度、絮凝劑單耗和絮凝劑溶液濃度等因素進行參數優化。本研究以極限底流濃度為優化目標進行參數優化，確定最佳參數：料漿濃度10.0%、絮凝劑單耗20 g/t、絮凝劑溶液濃度0.05%。

4 結論

1）本研究所使用的試驗樣品為全尾砂，其主要成分為SiO2。全尾砂中含有大量細小顆粒，其中粒徑＜74 μm 的細顆粒占總量的80.93%。由于顆粒粒度過細，表面積較大，僅采用傳統的沉降方法無法滿足動態放砂的要求。因此，必須采用絮凝沉降技術來處理全尾砂樣品。通過使用絮凝劑，可以有效將細小顆粒凝聚成較大的顆粒，促進其沉降和與尾砂的分離。

2）通過對比分析7 種不同絮凝劑的沉降效果，確定了與該銅礦全尾砂性質最為匹配的絮凝劑型號，并通過試驗證明了該型號絮凝劑在沉降效果方面的性能表現最佳。

3）全尾砂的絮凝沉降會受到多個因素的影響，其中料漿濃度對沉降效果的影響最為顯著，其次是絮凝劑單耗，而絮凝劑溶液濃度對沉降效果的影響相對較小。此外，絮凝劑單耗和料漿濃度之間的交互作用也會對沉降效果產生顯著影響。

4）經過試驗設計和參數優化，得出全尾砂絮凝沉降的最優參數組合為：料漿濃度為10%，絮凝劑單耗為20 g/t，絮凝劑溶液濃度為0.05%。為驗證最優參數的有效性，進行了相關的驗證試驗。試驗證明，全尾砂絮凝沉降效果得到顯著改善，底流濃度達到了73.55%，可滿足現場工藝的要求。這為礦山生產實踐提供了有力的指導，同時也為進一步的參數優化和工藝改進提供了參考依據。

5）本文僅探索了三種影響因素對絮凝沉降效果的影響，而實際工作中還會受到其他因素的影響，建議后續開展pH 值、試驗環境溫度、尾砂粒徑級配等因素對絮凝沉降影響的研究。