矿业研究与开发

含水率/%	密度/(g/cm³)	干密度/(g/cm³)	相对密度	孔隙比	孔隙率/%
6.75	2.04	1.91	2.55	0.34	25.37

含水率/%	密度/(g/cm³)	干密度/(g/cm³)	相对密度	孔隙比	孔隙率/%
6.75	2.04	1.91	2.55	0.34	25.37

设备名称	设备型号
循环水式多用真空泵	SHZ-D(Ⅲ)
电热恒温鼓风干燥箱	DHG-92
升降油浴锅	ZKYY-5L
激光粒度分析仪	Mastersizer 3000
电子显微镜	ANDONSTAR 500

设备名称	设备型号
循环水式多用真空泵	SHZ-D(Ⅲ)
电热恒温鼓风干燥箱	DHG-92
升降油浴锅	ZKYY-5L
激光粒度分析仪	Mastersizer 3000
电子显微镜	ANDONSTAR 500

本溪某铁尾矿絮凝剂沉降过程优化及细观结构研究

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王丹 ¹ , 张艺邺 ² , 王宁 ² , 胡国光 ³ , 冉迪 ¹

矿业研究与开发 | 矿山安全与环保 2025,45(1): 178-185

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矿业研究与开发 |矿山安全与环保 2025 , 45 (1) : 178 -185

本溪某铁尾矿絮凝剂沉降过程优化及细观结构研究

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王丹¹, 张艺邺², 王宁², 胡国光³, 冉迪¹

作者信息

^1.沈阳城市建设学院机械工程学院，辽宁　沈阳　110167

^2.辽宁省东合矿冶科技有限公司，辽宁　沈阳　110623

^3.本溪思山岭中泰矿业有限公司，辽宁　本溪市　117013

通讯作者:

张艺邺（1996—)，男，山东淄博人，硕士，工程师，主要从事矿物加工技术方面的研究。E-mail:qqqwwweee1860@163.com

作者简介:

王丹（1986—），女，辽宁沈阳人，硕士，高级工程师，主要从事矿山设备及工艺试验研究。E-mail:wangdan@syucu.edu.cn

Study on Optimization of Settling Process and Microstructure of Flocculant used in Benxi Iron Tailings

Dan WANG¹, Yiye ZHANG², Ning WANG², Guoguang HU³, Di RAN¹

Affiliations

^1.College of Mechanical Engineering, Shenyang Urban Construction University, Shenyang, Liaoning 110167, China

^2.Liaoning Donghe Mining & Metallurgy Technology Co., Ltd., Shenyang, Liaoning 110623, China

^3.Benxi Sishanling Zhongtai Mining Co., Ltd., Benxi, Liaoning 117013, China

出版时间: 2025-01-25

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摘要

收起

为了解决本溪某选厂铁尾矿沉降慢的问题，通过絮凝剂优选试验选择合适的絮凝剂，运用单因素试验探究了矿浆质量浓度、絮凝剂单耗和矿浆pH对絮凝沉降的影响，对沉降过程的细观结构进行显微观察，总结了铁尾矿的沉降规律。结果表明：自然沉降在600 min时基本结束，到达沉降临界点后的沉积物还会经历主固结阶段和次固结阶段，主固结阶段在2 000 min时结束，次固结阶段在3 500 min时结束，澄清层高度随即保持稳定；在絮凝剂为阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）、矿浆质量浓度为15%、絮凝剂单耗为20 g/t、矿浆pH=9的情况下絮凝效果最好，此条件下的10 min含固率为233.13 mg/L,10 min沉降率为67.15%。

关键词

铁尾矿 / 絮凝剂 / 沉降机理 / 细观结构

Abstract

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In order to solve the problem of slow settling of iron tailings in a concentrator in Benxi, the appropriate flocculant was selected through the flocculant optimization test. The effects of slurry mass concentration, flocculant unit consumption and slurry pH on flocculant settling were investigated by single factor test. The microstructure of the settling process was observed microscopically, and the settling law of iron tailings was summarized. The results show that the natural settling basically ends at 600 min, and the sediments after reaching the critical point of settling will undergo the main consolidation stage and the secondary consolidation stage. The main consolidation stage ends at 2 000 min, and the secondary consolidation stage ends at 3 500 min. The height of the clarification layer remains stable immediately. The flocculation effect is the best when the flocculant is anionic polyacrylamide (APAM), slurry mass concentration is 15%, flocculant unit consumption is 20g/t, and slurry pH=9. Under this condition, the solid content of 10 min is 233.13 mg/L, and the settling rate of 10 min is 67.15%.

Key words

Iron tailings / Flocculant / Settling mechanism / Microstructure

引用本文

王丹, 张艺邺, 王宁, 胡国光, 冉迪. 本溪某铁尾矿絮凝剂沉降过程优化及细观结构研究. 矿业研究与开发, 2025 , 45 (1) : 178 -185 .

Dan WANG, Yiye ZHANG, Ning WANG, Guoguang HU, Di RAN. Study on Optimization of Settling Process and Microstructure of Flocculant used in Benxi Iron Tailings[J]. Mining Research and Development, 2025 , 45 (1) : 178 -185 .

正文

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0　引言

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铁矿资源是钢铁产业的核心，也是人类社会发展的重要物质基础^[1-2]。我国铁矿资源丰富，储量相对较多，钢铁产量约占全球总量的一半^[3-4]。2021年，我国铁矿石原矿需求量约为21.04亿 t，是全球最大的钢铁生产和消费国，但我国铁矿以贫矿为主，嵌布粒度细且伴生组分多，据估计，平均含铁量仅为18%左右^[5]。随着铁矿石的持续开采，国内铁矿石的开采品位逐年降低^[6-7]，尾矿排放量逐渐增加，2016年，我国尾矿累计堆存量高达146亿 t，年排放量超15亿 t^[8]。铁尾矿的大量排放对尾矿库的正常运行带来了安全隐患，近年来，我国尾矿库溃坝事故频发，不仅造成人民生命财产的重大损失，也面临严重的环境污染问题^[9-10]。

提高铁尾矿的浓密效率，减少铁尾矿浆的排放是选矿企业面临的重要问题，也对选矿技术的发展具有深远的现实意义。DENG等^[11]采用4种不同絮凝剂对程潮铁尾矿进行了加速沉降试验，发现人工沉降效果明显好于自然沉降。杨子龙等^[12]对全尾砂进行了不同分子量的絮凝剂选型试验，发现分子量在1.6×10⁷~1.8×10⁷之间的阴离子型絮凝剂ZYZ对尾砂的沉降效果最好。NIU等^[13]根据温度对溢流超细铁尾矿沉降特性的影响，建立了优化模型，发现当温度高于60 ℃时，絮体的粒径、分形维数和密度均逐渐减小。XU等^[14]研究了铁尾矿絮凝沉降规律对尾矿砂力学性能的影响，测定了最佳投加方案对尾矿固结剪切强度的影响规律。王少勇等^[15]设计了深锥浓密机内部流场可视化系统，探究了进料流量对给料井内全尾砂颗粒流场的影响。郑伯坤^[16]通过响应面设计，构建了二次多项式回归模型，对全尾砂的絮凝沉降参数进行了优化。

上述研究从絮凝剂分子量、温度、入料量等方面出发，探讨了孔径分布、分形维数、密度和固结剪切强度等因素对絮凝沉降的影响，但对沉降过程的细观结构特征研究较少。因此，本研究以本溪某选厂铁尾矿为研究对象，通过静态沉降试验，探究矿浆质量浓度、絮凝剂单耗和矿浆pH对尾矿絮凝沉降的影响，并对沉降过程进行细微观察，总结沉降规律和特点，分析沉降时间对沉积物固结形态变化的影响，基于试验探讨絮凝剂的工作机理，以期解决铁尾矿沉降速度慢的问题。

1　试验部分

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1.1　试验原料

以本溪某选厂尾矿库铁尾矿为试验原料，对其进行物理性质和粒度检测，结果分别如表1和图1所示。由图1可知，小于74 μm的颗粒约占88%，小于20 μm的颗粒约占43.5%，代表粒径特征的d₁₀、d₅₀、d₉₀分别为3.72 μm、27.8 μm、87.4 μm，径距为3.008，一致性为0.929，比表面积为644.6 m²/kg，面积平均径为9.31 μm，体积平均径为37.8 μm，不均匀系数C_u（表示组成尾矿的颗粒均匀程度）为9.87，曲率系数C_c（反映了尾矿颗粒粒径分布的曲线形态)为1.38，粒径齐全且连续分布，级配良好。

1.2　药剂和设备

1.2.1　絮凝剂

试验使用了4种有机高分子絮凝剂^[17]，分别是阴离子型聚丙稀酰胺（分子量1.8×10⁷，简称为APAM)、阳离子型聚丙稀酰胺(50离子度，简称为CPAM)、非离子型聚丙稀酰胺(分子量1.2×10⁷，简称为NPAM)以及工厂现有的絮凝剂65E，均为分析纯。

1.2.2　试验设备

试验设备名称及型号参数见表2。

1.3　试验方法

为了更直观清晰地观察絮凝沉降效果，开展了静态沉降试验。静态沉降在一个由量筒模拟的沉降柱内进行，如图2所示。将配制好的絮凝剂和矿浆在量筒中充分搅拌均匀，抽取4个时间节点的上清液，通过高清电子显微镜拍摄沉降过程，记录沉降时间和澄清层界面高度。

1.4　试验指标

（1）固体浓度(ϕ_i)和沉降速率(v)。通过Kynch沉降理论^[18]可知，沉降曲线上任意点的固体浓度和沉降速率可通过式(1)和式(2)进行计算：

(1)

(2)

式中：ϕ_i为沉降曲线上任意点i的固体浓度，%；v为任意点i的沉降速率，mm/min；ϕ₀为初始悬浮液浓度，%；H₀为初始悬浮液界面高度，mm；H、T分别为过i点的切线在横坐标与纵坐标上的截距。

（2）含固率(E₁)。称取滤膜重量，将抽取的上清液用抽滤机抽滤，随后连同滤膜一起烘干，烘干后称重。含固率可通过式(3)进行计算：

(3)

式中：E₁为含固率，mg/L;W₁为滤膜和固体烘干后的总质量，mg;W_膜为滤膜质量，mg。

（3）沉降率(E₂)。称取铁盆重量，在10 min时将剩余矿浆倒入铁盆中并称取总质量，然后进行烘干，烘干后再次称取总质量。沉降率可通过式(4)进行计算：

(4)

式中：E₂为沉降率，%;W₂为矿浆和铁盆烘干后的总质量，g;W₃为矿浆和铁盆烘干前的总质量，g;W_盆为铁盆的质量，g。

2　结果与讨论

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2.1　絮凝剂优选试验

为了更好地开展单因素条件试验，絮凝剂的优选是首要工作。在矿浆质量浓度为10%的条件下，选用絮凝剂APAM、CPAM、NPAM、65E进行对照试验，并设置自然对照组。在20℃条件下，分别配制APAM、CPAM、NPAM、65E为0.2‰质量浓度的絮凝剂溶液，陈化24 h，固定絮凝剂单耗为20 g/t。观察澄清层界面高度随沉降时间的变化曲线，如图3所示，计算对应的固体浓度和沉降速率，如图4所示。

由图3和图4可知，高分子絮凝剂影响效果显著，添加絮凝剂组的沉降效果明显好于自然对照组，效果大小排序依次为：APAM>CPAM≈NPAM>65E>对照组。阴离子型絮凝剂分子链上的羧基相互排斥，在水中延展度较大，键合能力较强，使颗粒絮凝的结构更加牢固，比其他高分子絮凝剂絮凝效果更好，因此后续选用APAM作为试验絮凝剂。

2.2　单因素条件试验

2.2.1　矿浆质量浓度对絮凝沉降的影响

改变矿浆质量浓度，将配置好的APAM按单耗20g/t加入量筒，充分搅拌均匀，在1 min、3 min、7 min、10 min时抽取上清液，剩余矿浆进行烘干并称重。上清液含固率随沉降时间的变化曲线如图5所示，10 min时静态沉降指标（含固率和沉降率）随矿浆质量浓度的变化曲线如图6所示。

由图5可知，随着矿浆质量浓度的增加，含固率逐渐增加，这是因为絮凝剂单耗固定，多余部分的矿浆颗粒无法与絮凝剂充分反应，难以下沉，导致上清液含固率增加。随着沉降时间的增加，含固率逐渐降低，这是因为在重力作用下，上清液中残留的颗粒还会不断下沉。在矿浆质量浓度为15%时，上清液含固率较低，满足《铁矿采选工业污染物排放标准》（GB28661—2012）。由图6可知，随着矿浆质量浓度的增加，10 min时的含固率近似呈直线上升趋势，10 min沉降率呈先快速上升后逐渐稳定的趋势，在矿浆质量浓度为15%时，10 min含固率为237.8 mg/L,10 min沉降率为67.07%。矿浆质量浓度为15%时，沉降效果较好，符合排放标准，因此选定矿浆质量浓度15%作为后续沉降试验矿浆质量浓度。

2.2.2　絮凝剂单耗对絮凝沉降的影响

在矿浆质量浓度为15%的条件下，改变絮凝剂单耗。不同絮凝剂单耗的上清液含固率随沉降时间变化曲线如图7所示。10 min时含固率和沉降率随絮凝剂单耗变化曲线如图8所示。

由图7可知，随着絮凝剂单耗的增加，含固率呈现先降后升的趋势。单耗过低时，矿浆颗粒与絮凝剂接触困难，微细颗粒难以下沉；单耗过量时，多余的絮凝剂分子又会吸附微细颗粒，但沉降速度依然很慢，导致含固率增加。由图8可知，随着絮凝剂单耗的增加，10 min时含固率呈现先降后升的趋势，沉降率呈现先升后降的趋势。这是因为超过最佳絮凝剂单耗时，絮凝剂分子包裹矿浆颗粒，絮团内部充满大量水分，导致沉降率降低。综合考虑，选取20 g/t作为后续试验所用絮凝剂单耗。

2.2.3　矿浆pH对絮凝沉降的影响

在矿浆质量浓度为15%、絮凝剂单耗为20 g/t的条件下，调节矿浆的pH。不同pH的上清液含固率随沉降时间变化曲线如图9所示。10 min时含固率和沉降率随矿浆pH变化曲线如图10所示。

由图9和图10可知，随着pH的增加，含固率呈现先降后升的趋势，10 min时沉降率呈现先升后降的趋势。矿浆酸碱性对沉降效果排序依次为弱碱>中性>强碱>弱酸>强酸，在酸性环境中，APAM分子上的羧基会受到H+的抑制，降低解离的程度，从而导致絮凝效果不佳。综合考虑，pH=9时沉降效果最好，此时的10 min含固率为233.13 mg/L,10 min沉降率为67.15%。

3　沉降过程作用机理

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3.1　沉降分层现象

观察整个絮凝沉降过程，可以看到沉降柱内分为3个明显的区域，如图11所示。随着时间的推移，沉降柱顶部的区域逐渐变得清澈，高度不断增加，这部分被称为澄清区（A区）。在澄清区下方是悬浮区，包括沉降区（B区）和过渡区（C区），沉降区中的颗粒相互作用达到平衡，高度逐渐减少直至消失，过渡区的高度在开始时基本不变，但随着沉降区的消失而逐渐减少，最终消失。压缩区（D区）位于沉降柱底部，被截住的悬浮固体导致接触应力和浓度急剧增加，沉降速度逐渐减小至0，其高度逐渐增加。经过充分的絮凝沉降过程，B区和C区消失，只剩下A区和D区^[19]。澄清区-悬浮区界面会与悬浮区-压缩区界面重合，重合所对应的时间t_c称为临界时间，所对应的高度z_c称为临界高度，临界时间和临界高度称为沉降过程的临界点，如图12所示。

如果悬浮液是理想悬浮液，即固体颗粒完全分散，互不干扰，则沉降过程会在临界点结束。但如果固体颗粒发生絮凝反应，在经过临界点之后沉降过程会继续，压缩区持续压缩，沉降速度逐渐减少并趋向于0，直到水分从絮团内部和絮团之间完全排出，达成新的平衡。

3.2　自然沉降数学模型

本溪地区铁尾矿属于黏土矿物，粒度较细，在沉降过程中易形成絮团、絮网结构，在多种力的协同作用下沉降。定性描述可以直观地判断出沉降过程的特点，但为了更科学准确地描述黏性铁尾矿沉降过程，对600 min内的沉降数据进行非线性拟合，建立数学模型，从而做出定量描述，如图13所示。该模型中的准确度R²=0.991 47，准确度

，相关系数接近1，表明拟合程度较高，可以很好地对该矿沉降过程进行描述。沉降过程指标可以通过式(5)进行计算：

(5)

式中：y为澄清层的高度，mm;x为沉降时间，min。

3.3　沉积物的时间效应

在沉降前期，粗颗粒由于自身的重力作用会迅速下沉至筒底，形成沉积物下层的粗颗粒层；随着沉降时间的增加，细颗粒和微细颗粒也会慢慢下沉，填充粗颗粒之间的空隙，形成沉积物的中层和上层，这3层在肉眼和电子放大镜观察下都具有明显的粒度特征，沉积物的分层现象如图14所示。

在600 min时，铁尾矿自然沉降基本结束，后续沉积物的压缩过程称为铁尾矿的固结阶段，固结阶段又分为主固结阶段和次固结阶段。主固结阶段是沉积物的排水过程，在这个过程中会排出孔隙内部的水分，可以观察到澄清层界面高度持续下降，在2 000 min时，主固结阶段结束；次固结阶段是黏土矿物特有的阶段，在这个阶段，超静孔隙水压力消失，微细颗粒在自重作用下填充进排出水分的孔隙中，表现在澄清层界面略微下降，在3 500 min时，次固结结束。1 000 min内和3 500 min内的固结曲线分别如图15和图16所示。

观察沉降前期和沉降后期沉积物的变化，可以发现前期的沉积物表面上充满微小孔隙，内部也有排水通道，这是因为颗粒间充满水分，压缩还未完毕；在沉降后期，水分排出，孔隙大量减少，排水通道逐渐上移，随后消失，压缩基本完成，如图17所示。

3.4　沉降过程的絮凝剂作用

添加絮凝剂可以加速铁尾矿浆的沉降速度，有无絮凝剂条件下固液分离时间对比如图18所示。由图18可知，无絮凝剂添加的铁尾矿浆至少要1 440 min才能达到固液分离阶段，而添加絮凝剂的铁尾矿浆只需要120 min就可以达到近乎相同的固液分离阶段。用电子显微镜观察絮凝沉降各分区过程，沉降过程中的各层形态如图19所示。由图19可知，在沉降区中，絮凝剂水解，释放出长线结构的高分子聚合物，聚合物两端吸附胶粒形成“桥”，吸附悬浮颗粒；过渡区中会吸附更多的颗粒，形成粗大絮体，同时沉降过程中也会网捕卷扫细颗粒，从而加速下沉；在压缩区中，上端不断沉积的絮体向下挤压，压缩下端被筒底截住的絮体，释放出絮体内部和絮体之间的水分，逐渐达到密实，有无絮凝剂条件下24 h沉积物形态对比如图20所示。由图20可知，经过24 h后，添加絮凝剂的沉积物形态仍存在大量排水孔隙，其结构以互相挤压的大体积絮体为主，比较松散，还会随时间进一步压缩密实，直至排出所有水分，而没有添加絮凝剂的沉积物形态已压缩密实，结构牢固。

4　结论

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（1）为了解决本溪某选厂铁尾矿沉降慢的问题，通过絮凝剂优选试验选择合适的絮凝剂，与CPAM、NPAM、65E相比，APAM沉降效果更好。在矿浆质量浓度为15%、絮凝剂单耗为20 g/t、矿浆pH=9的条件下，尾矿具有最佳沉降效果，此时含固率为233.13 mg/L,10 min沉降率为67.15%，符合铁矿采选工艺污染物排放标准。

（2）自然沉降下，矿浆的沉降会出现3个明显分层，分别是澄清区、悬浮区和压缩区，悬浮区又可以分为沉降区和过渡区。到达临界点时，悬浮区消失，最终只剩下澄清区和压缩区。铁尾矿的沉降过程可以通过澄清层界面高度与沉降时间的函数关系来定量描述。

（3）压缩区中沉积物的形态变化具有时间效应。600 min时自然沉降过程基本结束，在上覆压力作用下，沉积物会经历主固结阶段和次固结阶段，可以排出多余水分，逐渐达到密实。

（4）添加絮凝剂可以加速沉降，使各区出现的时间变短，更快完成沉降过程，但会导致压缩区的沉积物结构松散，需要更多的固结时间。

基金

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辽宁省教育厅基本科研项目(JYTMS20231543)

参考文献

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文献

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2025年第45卷第1期

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接收时间：2024-03-07
首发时间：2026-10-29
出版时间：2025-01-25

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收稿日期：2024-03-07

基金

辽宁省教育厅基本科研项目(JYTMS20231543)

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^1.沈阳城市建设学院机械工程学院，辽宁　沈阳　110167

^2.辽宁省东合矿冶科技有限公司，辽宁　沈阳　110623

^3.本溪思山岭中泰矿业有限公司，辽宁　本溪市　117013

通讯作者:

张艺邺（1996—)，男，山东淄博人，硕士，工程师，主要从事矿物加工技术方面的研究。E-mail:qqqwwweee1860@163.com

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kyyjykf/CN/1322594639429882007

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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