DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.11.037

磁化水改善全尾砂絮凝沉降效果的试验研究

陈秋松¹，张钦礼¹，王新民¹，肖崇春¹，徐丹²

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 中国黄金集团公司，北京，100011)

摘要：为降低全尾砂絮凝沉降成本，提高絮凝沉降效果，将磁化水引入某矿全尾砂絮凝沉降试验中，探讨磁化水在全尾砂絮凝沉降过程中的促凝作用；研究不同磁化条件下，全尾砂絮凝沉降速度和底流极限质量分数的变化规律。研究结果表明：在磁化水-全尾砂絮凝沉降过程中，絮凝剂单耗饱和点(沉降速度最大时)与普通水的单耗饱和点相比降低1/3，沉降速度提高1.4~2.1倍，底流质量分数最大增幅达3.2%；当磁感应强度B为150~200 mT，磁化时间t为20~25 min，水循环流速v为2.0~2.5 m/s时，沉降效果最理想；在适合的磁化条件下，磁化水在降低絮凝剂单耗、提高絮凝沉降速度和底流质量分数方面具有明显的优越性。

关键词：磁化水；全尾砂；絮凝沉降；磁化机理

中图分类号：TD853             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)11-4256-06

Experimental study on effect of magnetized water on flocculating sedimentation of unclassified tailings

CHEN Qiusong¹, ZHANG Qinli¹, WANG Xinming¹, XIAO Chongchun¹, XU Dan²

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. China National Gold Group Corporation, Beijing 100011, China)

Abstract: In order to reduce the cost of flocculating sedimentation of unclassified tailings and improve the effect of sedimentation, magnetized water was introduced to the flocculating sedimentation experiment of unclassified tailings from a mine. The effect of magnetized water on flocculating sedimentation was explored. Furthermore, the changing laws of flocculating sedimentation velocity and mass fraction of underflow of unclassified tailings were researched under different magnetization conditions. The results show that in the progress of flocculating sedimentation of magnetized water-unclassified tailings, the saturation point of the unit consumption of flocculants (sedimentation velocity is maximal) is 1/3 lower than that of tap water. Moreover, the increasing amplitude of sedimentation velocity and mass fraction of underflow are 1.4-2.1 times and 3.2%, respectively. Besides, flocculating sedimentation has the best effect when the magnetic induction B is 150-200 mT, magnetized time t is 20-25 min, and cycling rate of water v is 2.0-2.5 m/s. Therefore, magnetized water is capable of reducing the unit consumption of flocculants and improving the sedimentation velocity and mass fraction of underflow under the condition of suitable magnetization.

Key words: magnetized water; unclassified tailings; flocculating sedimentation; magnetization mechanism

随着经济的快速发展和资源的大量消耗，我国矿业面临的资源开采深部化和地表尾矿废石灾害化更加突出。深部开采面临地压增大的情况，甚至产生破坏性极大的岩爆；而地表排放尾矿废石不仅会带来环境污染，而且会给生态造成长久破坏^[1]。对于这两大难题，许多研究者^[1-3]认为对井下采空区进行全尾砂胶结充填是理想的解决方案。但全尾砂细泥密度大，尾泥在立式砂仓或深锥浓密机中沉降缓慢，从而造成溢流水浑浊，无法满足工业水重复利用要求，并且超标排放污水，污染环境；同时，底流质量分数低，致使充填浓度难以提高，直接造成全尾砂充填体的强度难以提高^[4]。针对上述问题，国内外的研究主要集中在改进沉砂设施^[5-6]和添加絮凝剂等方面。絮凝沉降技术因其具有便捷性和可操作性，在矿山尾矿浓缩中得到了广泛应用^[7-8]。然而，随着经济的快速发展，絮凝剂的成本提高，而国内多数矿山开采技术条件复杂，矿石品位较低，经济效益较差，成本和效益之间的矛盾成为制约全尾砂胶结充填在矿山推广应用的重要瓶颈。磁化水即被磁场磁化了的水，由于其制备工艺简单、成本低廉、工业应用效果显著，近年来已广泛应用于工业锅炉除垢防垢、油田的防蜡降黏、医学磁化杀菌、城市污水处理、矿山充填料浆制备等领域^[9-11]。蒙志刚等^[12]将磁化技术应用于污水处理，发现磁化后的混凝效果远好于单纯添加药剂的效果；李光芝等^[13]通过室内试验，探讨了无机絮凝剂混凝效果在不同磁场条件下的变化规律，这些研究对磁化水在全尾砂絮凝沉降中的应用提供了参考。此外，霍广新等^[14]通过强度对比试验发现磁化水在提高充填体强度方面效果显著。为此，本文作者将磁化水引入全尾砂絮凝沉降试验中，以广东某铅锌矿超细粒全尾砂为例，研究磁化水在全尾砂絮凝沉降中的影响，具体分析不同磁化条件下全尾砂浆体的沉降速度和底流质量分数的变化规律，以期为全尾砂絮凝沉降提供一种低成本、高效率的新工艺。

1  试验研究

1.1  磁化水制备

磁化水装置按照磁场形式可以分为永磁式和电磁式。考虑到深井作业，电磁式磁化器电源配置不便，试验采用中国科学院工程研究所特制的可变永磁式磁水器。磁水器内部的磁感应强度可用特斯拉计进行测定^[15]。试验采用循环磁化装置，其原理如图1所示。

图1  试验装置原理图

Fig. 1  Principle diagram of test apparatus

1.2  试验材料

1) 絮凝剂，为矿山生产使用的阴离子聚丙烯酰胺(APAM)，其相对分子质量为1 540万。

2) 全尾砂，其主要物理性质及化学成分如表1和表2所示。

1.3  试验步骤

磁感应强度过高，磁化耗能大，不符合现场生产节能减排的要求；水流速度过快、磁化时间过短，水得不到充分、有效磁化。参考文献[16-18]中对磁化水处理的试验结果，其自来水最佳磁感应强度B为200~300 mT，磁化时间t在60 min内，水循环速度v为2 m/s左右。因此，本试验初步设定试验磁化条件为：磁感应强度B控制在100~400 mT，水在管径中循环流速v控制在1~4 m/s，磁化时间t控制在10~40 min，并依据试验过程对实际结果进行调整。

表1  全尾砂的物理特性

Table 1  Physical properties of unclassified tailings

表2  全尾砂的化学成分(质量分数)

                            Table 2  Chemical composition of unclassified tailings                           %

1.3.1  磁化水-全尾砂絮凝沉降效果

1) 絮凝剂溶液制备。在烧杯中配置质量分数为0.5%的絮凝剂溶液，并搅拌均匀(因聚丙烯酰胺溶解较慢，此步骤务必提前0.5~1.0 h进行)。

2) 室内磁化水制备。磁化水制备系统安放要求稳定可靠，避免外界磁干扰。本组试验旨在探究磁化水对全尾砂絮凝沉降的效果，故统一取磁感应强度B为200 mT，水流速度为2 m/s，磁化时间为20 min。

3) 磁化水-全尾砂配浆。将磁化程度各异的磁化水和全尾砂相混合，配制成质量分数为20%的全尾砂浆体(在实际生产过程中，全尾砂浆的质量分数为18%~35%，因此，对质量分数为20%的全尾砂料浆进行的试验较有代表性)，高速搅拌10 min。

4) 絮凝剂添加。按照10，20，30，40和50 g/t的絮凝剂单耗标准用移液管将溶液加入全尾砂浆中。

5) 用橡胶网孔搅拌棒搅拌, 然后静置在试验台上, 在不同时间点检测澄清液面沉降高度。

6) 对不同絮凝剂单耗的试验组均进行不添加絮凝剂的对比试验。

1.3.2  磁化条件优选试验

1) 控制磁感应强度、水流循环速度不变，测定不同磁化时间下的磁化水-全尾砂絮凝沉降速度、底流质量分数。

2) 控制水流循环速度、磁化时间不变，测定不同磁化时间下的磁化水-全尾砂絮凝沉降速度、底流质量分数。

3) 控制磁感应强度、水流循环速度不变，测定不同磁化时间下的磁化水-全尾砂絮凝沉降速度、底流质量分数。

4) 其他步骤与磁化水-全尾砂絮凝沉降效果探究试验步骤基本相同。

2  试验结果及分析

2.1  磁化水-全尾砂絮凝沉降效果

2.1.1  沉降速度

在给定磁化条件下，不同絮凝剂单耗的普通水和磁化水全尾砂絮凝沉降速度曲线如图2所示。从图2可见：1) 磁化水-全尾砂絮凝沉降试验组在絮凝剂单耗为40 g/t时达到饱和点(沉降速度最大)，而普通水试验组絮凝剂单耗的饱和点为60 g/t，前者降低1/3；2) 与普通水相比，采用磁化水的试验组沉降速度大幅度增加，最大沉降速度达223.57 cm/h，而普通水仅为106.41 cm/h，最大增幅高达2.1倍，平均增幅为1.4~2.1倍。其原因是：全尾砂絮凝沉降的原理是通过高分子链上的带电基团电中和吸附，从而在范德华引力和氢键力作用下，将细小的颗粒结合到一起从而实现加速沉降，达到加快固液分离的目的^[19]。水经磁化以后，分子键断裂，水分子极性增大，活性增强，在全尾砂颗粒表面间的排斥力减小(吸附力增大)，有利于全尾砂微粒相互靠近吸附；磁化水中存在大量长的缔合分子链和阳离子缔合物，与全尾砂结合后，与阴离子聚丙烯酰胺分子链上的阴离子电基团发生电性中和，形成大颗粒的絮状聚合体而下沉，从而大幅度提高全尾砂沉降速度；此外，磁化水对水pH的改变影响絮凝剂的工作环境，也可能是影响全尾砂絮凝沉降效果的原因^[20]。

图2  普通水和磁化水沉降速度对比

Fig. 2  Comparison of sedimentation velocity of tap water and magnetized water

2.1.2  底流质量分数

本试验取静水极限质量分数。沉降进行一定时间后，液面固定于某高度不再下降，尾矿沉降至极限状态，此时量筒上部为澄清的水柱，下部为沉降压实的尾矿，此浓度即为极限质量分数，可根据下式计算^[3]：

            (1)

式中：为静水极限质量分数，%；为水的质量，g；为全尾砂的质量，g；为澄清水柱质量，g。

通过式(1)计算各试验组底流质量分数，结果如图3所示。图3表明：1) 随APAM添加量的增加，2个试验组的底流质量分数均呈下降趋势；2) 与普通水相比，磁化水试验组底流质量分数明显提高，在絮凝剂添加量为40 g/t时，底流质量分数从54.21%提高到57.39%，增幅近3.2%。其原因如下：在全尾砂絮凝沉降过程中，沉聚区尾砂难以进一步浓缩，是由于浆体黏度的存在，导致水与颗粒间的静力平衡难以打破, 被封闭的水难以排出，从而限制底流质量分数进一步提高^[3]。磁化水由于氢键被破坏使得分子间作用力减弱，水活性增强，水的黏度和表面张力减小^[21]，从而有效地减小了全尾砂浆体的黏度，减弱了水和颗粒间的相对运动阻力，降低了水与颗粒间的静力平衡点，排除了更多被封闭的水，底流质量分数得以提高。

图3  普通水和磁化水底流质量分数对比

Fig 3  Comparison of sedimentation mass fraction of underflow of tap water and magnetized water

上述试验表明：磁化水在全尾砂絮凝沉降过程中效果显著，沉降速度、底流质量分数增幅较大，其最佳絮凝剂单耗为40 g/t。因此，后续试验的絮凝剂单耗取40 g/t。

2.2  磁化条件优选试验

2.2.1  磁化时间对全尾砂絮凝沉降效果的影响

在磁感应强度B=200 mT，水流循环速度v=2 m/s时，磁化水-全尾砂絮凝沉降的指标(沉降速度和底流质量分数)随磁化时间变化的曲线如图4所示。由图4可见：随着磁化时间的增加，磁化水-全尾砂絮凝沉降速度和底流质量分数呈先升后降的趋势；当磁化时间达到25 min时，沉降速度和底流质量分数达到最大值232.87 cm/h和57.98%；随着磁化时间的继续增加，沉降速度和底流质量分数逐渐降低。其原因如下：磁化时间过短，水分子吸收的能量不足以使氢键断裂而达到理想的磁化效果，因此，起初沉降效果随着磁化时间增加而提升；在达到最佳磁化时间后，随着时间进一步延长，水中含有的悬浮物和其他粒子在强磁场作用下产生磁能共振，其能量将水中微粒的分子键打断和重新排列而改变物质的物化性能，悬浮物和其他粒子由于键断裂，聚合体又重新分散成松散结构，使沉降效果降低^[14]。

图4  磁化时间对全尾砂絮凝沉降效果的影响

Fig. 4  Influence of magnetizing time on sedimentation of flocculation of unclassified tailings

2.2.2  磁感应强度对全尾砂絮凝沉降效果的影响

当磁化时间t=25 min，水流循环速度v=2 m/s时，磁化水-全尾砂絮凝沉降的指标随磁感应强度变化的曲线如图5所示。由图5可见：磁化水-全尾砂絮凝沉降速度和底流质量分数随着磁感应强度的增大呈先升高后降低的趋势；当磁感应强度B=150~200 mT时，沉降效果达到峰值，此时，沉降速度和底流质量分数分别为231.47 cm/h和58%左右；当磁感应强度高于200 mT时，沉降速度和底流质量分数随着磁感应强度增大而明显降低。其原因是：当磁感应强度较低时，磁场能量不足以使水分子中的氢键发生松弛并断裂，因此，在达到最佳磁感应强度前，全尾砂絮凝沉降效果随着磁感应强度的增大而大幅度提高；此后，随着磁感应强度进一步增大，过剩的能量使被拉断的氢键与其他氢键又相互靠近并重新组合，磁化效果降低，因而，沉降效果下降明显。

2.2.3  水流循环速度对全尾砂絮凝沉降效果的影响

当磁化时间t=25 min，磁感应强度B=150 mT时，磁化水-全尾砂絮凝沉降指标随水流循环速度的变化如图6所示。从图6可见：水流循环速度对磁化水-全尾砂絮凝沉降影响很大；随着水流循环速度提高，沉降速度和底流质量分数先上升后基本维持一定平衡；当在水流循环速度为2.0~2.5 m/s时，沉降速度和底流质量分数分别达到峰值235.97 cm/h和58.03%；此后，随着水流循环速度提高，沉降速度和底流质量分数基本保持不变。其原因是：当水流速度较小时，水分子获得的能量随着速度的提高而增加，逐渐使大部分氢键断裂而获得较理想的磁化效果，沉降效果自然也随之提高；此后，随着水流速度进一步提高，每次通过磁场的感应电动势能增加，水分子获得的能量逐渐增大，但速度太大造成溶液流的过度紊流及其单循环在场中停留时间减少，造成使水系统处理的效果下降^[22]，在某种程度上，能量的增加和减少实现了简单的动态平衡，因此，当水流速度增加到一定程度后，沉降速度和底流质量分数基本保持不变。

图5  磁感应强度对全尾砂絮凝沉降效果的影响

Fig. 5  Influence of magnetic induction intensity on sedimentation of flocculation of unclassified tailings

图6 水流循环速度对全尾砂絮凝沉降效果的影响

Fig. 6  Influence of water’s cycling rate on sedimentation of flocculation of unclassified tailings

3  结论

1) 通过某矿全尾砂磁化水和普通水絮凝沉降对比试验，发现磁化水提高全尾砂絮凝沉降效果显著，其絮凝剂单耗饱和点(沉降速度最大)从普通水的60 g/t降为40 g/t，降幅达1/3；同时，在同等条件下，磁化水-全尾砂絮凝最大沉降速度为普通水的2.1倍，底流质量分数相比普通水最大提高3.18%。

2) 通过磁化条件优选试验对磁化水-全尾砂絮凝沉降磁化条件进行优化选择，确定最佳磁化条件为：磁感应强度B=150~200 mT，磁化时间t=20~25 min，水循环流速v=2.0~2.5 m/s。

3) 磁化水制备器造价低廉，除必需电费外，其他成本相对于充填系统可忽略不计。在此基础上，采用磁化水能在大幅度降低絮凝剂单耗的同时，显著提高全尾砂絮凝沉降速度和底流质量分数，具有较高经济效益和广阔的应用前景。

4) 由于试验条件和试验材料所限，本次研究对于磁化水促凝作用的微观机理未进行深入分析；同时，磁化水-絮凝沉降现场应用工艺亦有待进一步研究。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-11-24；修回日期：2015-01-24

基金项目(Foundation item)：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC09B02) (Project(2012BAC09B02) supported by “12th Five Year” National Support Program of Science and Technology)

通信作者：张钦礼，博士，教授，从事采矿、充填及矿山安全研究；E-mail: zhangqinlicn@126.com