唐丽群,梁斌,黄 东,陈 伟,吴兆清,李 辉

(1.广西大学,广西南宁 530004;2.湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

选矿中絮凝剂的应用

唐丽群1,梁斌1,黄 东1,陈 伟2,吴兆清2,李 辉2

(1.广西大学,广西南宁 530004;2.湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

随着选择性絮凝工艺的发展和应用,絮凝剂在矿泥或者处理胶体矿物、细粒或极细嵌布的矿石等选矿过程中得到了应用,获得了满意的效果。文章论述了絮凝剂的种类、分类和絮凝机理,总结了其在选矿中的主要应用方向。

絮凝剂;选矿;应用

矿石中有用矿物常常存在于大量的脉石中。为了使有用矿物同脉石分离,必须将矿石磨得足够细,采用重选、磁选、浮选等技术将其尽量分开。在许多湿法冶炼过程中,有用组分同杂质分离经常面临沉淀产生慢、悬浮物不沉降和渣的过滤难等问题。特别是处理某些含泥物质多或在过程中产生某些胶体物的矿石,液固分离的困难有时会导致流程无法进行,而恰当地选择及使用性能优良的絮凝剂可以很好地解决以上问题。近些年来众多学者、专家对絮凝剂在选冶方面的应用进行了大量的研究,以下主要综述了其反应机理及其在矿物加工上的应用。

1 絮凝机理

絮凝作用是加入具有有效官能团的线状高分子化合物,由这种聚合物通过电荷效应、色散力或氢键键合等作用吸附于颗粒表面上,它像一条长绳将许多微粒捆扎在一起,实现聚焦、长大,形成一个个絮团,从而加速沉降。高分子絮凝作用机理是极其复杂的物理化学过程,目前对其多局限于定性的解释。“吸附架桥”即“桥连作用机理”受到普遍采用。桥连作用的实质是高分子同时在两个以上的胶体或微粒表面吸附,借助自身的长链特征把胶体或微粒连接在一起[1]。

高分子絮凝机理如图1所示:(1)高分子絮凝剂分子和胶体或微粒在液相中分散;(2)分子间相互碰撞,高分子絮凝剂分子中的某些基团吸附在胶体或微粒表面,其余部分则朝外伸向溶液中;(3)具有一些吸附空位的胶体或微粒接触到高分子絮凝剂分子的外伸部分,发生附着,两个、多个胶体或微粒借助于高分子絮凝剂分子的作用形成聚集体;(4)高分子絮凝剂添加过量时,胶体或微粒表面被高分子絮凝剂分子所饱和,胶体或微粒表面已无吸附空位而使高分子絮凝剂失去架桥作用,胶体或微粒又处于稳定分散状态。

图1 高分子絮凝机理

2 絮凝剂的分类

目前,国内外使用的絮凝剂多种多样,根据其化学成分的不同,可以分为无机、有机和微生物絮凝剂三类。无机絮凝剂虽然价格低廉,但效果较差,特别是在某些冶炼过程中添加,实质上是加入了杂质,因此应用较少。有机高分子絮凝剂较无机絮凝剂具有产品稳定性好、吸附架桥能力强、絮凝效果好、投料量少、絮凝速度快、产生的污泥量少、形成的絮凝体过滤性好等优点,而得到越来越广泛的应用[2,3]。微生物絮凝剂较无机和有机絮凝剂具有高效且能自然降解、无二次污染等特点,因而越来越受到人们的重视,并成为絮凝剂研究的重要方向。

2.1 天然高分子絮凝剂

天然高分子聚合物在现代选冶中仍有所应用,不过其价格较低的优点被需要高的加入量所抵消,而且它们易受酶的作用发生生物降解而失去絮凝活性。20世纪70年代以来,许多国家开始重视化学改性天然高分子絮凝剂的研制。目前,天然改性高分子絮凝剂可分为淀粉衍生物、纤维素衍生物、壳聚糖及甲壳素改性产物、植物胶改性产物、多糖类及蛋白质改性产物等[4]。经改性后的天然高分子絮凝剂与合成的有机高分子絮凝剂相比,具有选择性大、无毒、价廉等显著特点。

2.1.1 淀粉衍生物

天然的淀粉其絮凝效果通常不理想,通过淀粉分子的相应改性反应就能取得良好的絮凝效果。淀粉的衍生物是通过其分子中葡萄糖单元上羟基与某些化学试剂在一定条件下反应而制得的[1]。淀粉与丙烯酞胺的接枝共聚反应所得产品与聚丙烯酞胺相比具有稳定性强、适应范围广、絮凝能力强等特点。因此,淀粉接枝聚丙烯酞胺类具有广泛的应用前景。

2.1.2 壳聚糖类

在自然界中,甲壳素是仅次于纤维素的第二类天然高分子化合物,它是甲壳类动物和昆虫外骨骼的主要成分。人们对甲壳素进行改造,脱去乙酞基,得到壳聚糖。壳聚糖作为一种线性聚胺,当它在酸性介质中溶解以后,随着氨基的质子化,即表现出阳离子聚电解质的性质,不仅对重金属具有鳌合吸附作用,还可有效地吸附水中带负电荷微细颗粒[5]。

2.1.3 木质素类

木质素是由三种不同类型的苯丙烷单体通过脱氧聚合生成的无定形三维高分子聚合物,通过烷基化、羟甲基化、酯化、酰化等反应进行改性,可得到性能良好的絮凝剂[1]。据报道,添加木质素改性产物后的絮凝剂,固液分离时悬浊物容易过滤。

2.1.4 植物胶类

植物胶是从植物或植物的种子中提取而得到的,其主要成分为半乳甘露聚糖,属多糖类天然高分子化合物,分子量因来源不同而异。半乳糖-甘露糖结构具有较好的水溶性和交联性,且在低浓度下能形成高粘度的稳定性水溶液。

2.2 合成有机高分子絮凝剂

合成有机高分子絮凝剂按官能团离子型,一般可分为非离子型、阴离子型、阳离子型和两性型[6]四类。主要包括聚丙烯酰胺、磺化聚乙烯苯、聚乙烯醚等系列,其中以聚丙烯酰胺系列应用最为广泛[4]。

2.2.1 阳离子型

分子中含有的带电基团常常是氨基(-NH3+)、亚氨基(-NH2R+)、季铵基(-NR4+)。其絮凝性能不仅表现在可通过电荷中和使悬浮胶体粒子絮凝,而且还可与带负电荷的溶解物进行反应,生成不溶性的盐。它可与水中微粒起电荷中和及吸附架桥作用,从而使体系中的微粒脱稳、絮凝而有助于沉降和过滤脱水[7]。代表物有:聚乙烯胺、聚乙烯亚胺、聚二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵。

2.2.2 阴离子型

分子中所含的可电离基团常常是羧基(-COOM)(其中M为氢离子或金属离子)、磺酸基(-SO3H)、磷酸基(-PO3H)。常见的有聚丙烯酸钠、AM与丙烯酸钠共聚物、聚苯乙烯磺酸钠等。此类絮凝剂研制开发较早,技术比较成熟,但由于受应用范围的限制,相关研究报道较少。

2.2.3 非离子型

在合成中不引入带电基团的有机高分子聚合物,如聚丙基酰胺、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚等。

2.2.4 两性型

一般由含有阴、阳离子基团的乙烯类单体通过自由基共聚反应以及高分子改性得到,其中阴离子基团为羧基(-COOM)、磺酸基(-SO3H),阳离子基团为季铵盐基()、嘧啶嗡离子基和喹啉嗡离子基。代表物有:蛋白质、动物胶。两性高分子絮凝剂[8]不仅有电性中和、吸附架桥,而且有分子间的“缠绕”包裹作用。

2.3 微生物絮凝剂[9,10]

微生物絮凝剂是一类由微生物产生的有絮凝活性的代谢产物,一般利用生物技术,通过细菌、真菌等微生物发酵、抽提、精炼而取得,主要有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和DNA等。微生物絮凝剂具有安全、高效、可生物降解、不污染环境、可消除二次污染等特点,具有其它絮凝剂无法比拟的优势。根据近些年对微生物絮凝剂的研究与报道,可把它分为4大类:(1)直接利用微生物细菌作为絮凝剂,如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母等,它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中;(2)从微生物细胞壁提取的絮凝剂,如酵母细胞壁葡聚糖、蛋白质和N—乙酰葡萄糖胺等成分均可作絮凝剂使用;(3)从微生物细胞代谢产生絮凝剂,这类絮凝剂主要是细菌的荚膜和粘液质,其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物等;(4)利用克隆技术所获得的絮凝剂,这类絮凝剂是用基因工程技术和现代分子生物学,把高效絮凝基因转移到便于发酵的菌中,构造高效遗传菌株,克隆絮凝基因能在多种降解中产出有效的微生物絮凝剂。

3 絮凝剂在选冶中的应用

从低分子到高分子,从单一型到复合型,随着对絮凝剂不断的了解和研究,絮凝剂的优越性得到了显示,并有了很广泛的应用。在选矿中絮凝剂的使用取得了显著效果,其应用主要体现在几个方面。

3.1 选矿废水的处理

在矿业生产中产生大量的选矿废水,这些废水具有排放量大、成分复杂、悬浮物含量高、有毒有害成分较多而浓度较低等特点,若不及时对选矿废水进行处理,势必对矿区周边环境产生危害,也造成了水资源的极大浪费。李晓君[11]等对黄沙坪铅锌矿选矿废水选用聚铁为絮凝剂,投加量为0.3 mg/L,助凝剂聚丙烯酰胺的投加量为0.5 mg/L,处理出水的80%回用为生产用水,其余出水达标外排。卢国俭[12]等在絮凝剂PAM加入量0.5 mg/L等条件下,采用化学氧化-絮凝沉降法对矿坑废水进行扩大试验,Pb、Zn、Cd和黄药去除率均在95%以上,出水悬浮物质量浓度小于10 mg/L。杨丽芳[13]等取阴离子型高分子絮凝剂DPW-1355不同剂量对某磷酸盐选矿废水进行分次加药及加砂絮凝沉降实验研究,结果显示有很好的效果。

3.2 细颗粒有用矿物的选择性絮凝

选择性絮凝是往处于良好分散状态的矿浆中添加适量的选择性絮凝剂,使目的矿物选择性絮凝成团,而脉石矿物仍处于分散状态。选择性絮凝工艺是有效解决微细物料分选的工艺。王毓华[14]等以HSPA为絮凝剂,用量7 g/t,以碳酸钠为矿浆分散剂,用量5 kg/t,处理一水硬铝石型铝土矿,取得了精矿铝硅质量分数比为8.9、Al2O3回收率86.98%的好效果。刘苗华[15]等以苛化淀粉为絮凝剂, NaOH为调整剂,水玻璃为分散剂,对某细粒铁矿石进行连续磨矿-选择性絮凝脱泥-阳离子反浮选实验室试验,获得了铁精矿品位为65.50%、回收率为83.09%的较好指标。蒋善勇[16]等对极细煤泥进行了絮凝剂用量、分散剂用量等各因素的单因素试验研究和正交试验研究,在最优条件下,可制备洁净燃料,对小于0.045 mm占68%的太西煤,可得灰分1.29%的精煤,产率为41.26%。郭宇峰[17]等以油酸为絮凝剂对某镍冶金渣(铁含量接近50%)进行选择性絮凝-磁选研究,絮凝剂用量0.8 kg/t、碳酸钠用量为2 kg/t及磁感应强度为0.2 T的条件下,可获得铁品位 56.68%,回收率为 81.72%的磁铁精矿。

3.3 尾矿浆的处理

随着原矿处理量的逐年增加,选矿厂排出的尾矿量也逐年增加,尾矿的低浓度输送导致经营费用越来越高。提高尾矿排放浓度是各选矿厂急待解决的问题,采用絮凝剂是使尾矿达到高浓度浓缩的高效且实用的方法。王延坤[18]等使用阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂,用量为5～10 g/t,对南芬尾矿絮凝效果很好,不仅产生的絮团较大,沉降速度快,而且药剂用量少,效率高。张学英[19]等使用改良型ZSH -J絮凝剂对铝土矿浮选尾矿浆进行絮凝沉降,可以使尾矿压缩液固比由原来的13左右降为3.6左右。

4 结 语

根据以上分析可以看出,合适的絮凝剂在精矿中的浓缩、过滤以及尾矿水的净化中起到了相当重要的作用,选择性絮凝这一工艺得到了很快的发展,絮凝剂在选矿过程中具有广阔的应用前景。

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Application of Flocculant in the Beneficiation

TANGLi-qun1,LIANGBin-jun1,HUANGDong1,CHEN Wei2, WU Zhao-qing2,LI Hui2
(1.Guangxi University,Nanning530004,China;2.Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

With the development and application of selective flocculation process,flocculant agent has been applied in many mineral processing,for example the mineral separation of the slurry,the disposal of colloid mineral,the granule ore,and has obtained satisfactory results.This article discussed the type of flocculant,classification and flocculation mechanism,and summarized the main application direction of flocculant agent in mineral processing.

flocculant;beneficiation;application

TD923+.1

A

1003-5540(2010)06-0010-03

唐丽群(1985-),女,研究生,主要从事矿物材料的研究。

2010-10-10