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第5 8 卷第2 期 2 0 06 年5 月 有色金属 N o n f e r l “ o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．2 M a y 20 06 水溶性聚合物在铝土矿浸出渣沉降中的作用 曹文仲1 ，钟宏1 ，占昌朝2 1 ．中南大学化学化工学院，长沙4 10 0 8 3 ；2 ．江西九江学院化学化工学院，江西九江3 3 2 0 0 5 摘要研究铝土矿浸出矿浆沉降过程中，浸出渣与水溶性高分子聚合物之间的作用。结果表明，浸出悬浮浆液的物化性质 和悬浮渣微粒的表面荷电性是选择最优水溶性高分子聚合物的基础。只有水溶性聚合物分子量超过1 0 0 万时，才能在两个带相 同电荷的渣微粒间越过势能峰，起到吸附凝聚作用，分子量1 0 0 0 万左右凝聚效果最优。水溶性高分子聚合物使用应用预先配成 万分之一左右浓度，使分子链成初步伸展状态。搅拌溶解时应控制搅拌线速度小于4 m ／s 。聚合物与浸出矿浆混合操作要控制区 分聚沉过程分散期、吸附凝聚期和沉降期三个不同阶段的混合搅拌条件。 关键词冶金技术；氧化铝；水溶性聚合物；键合作用；絮凝 中图分类号T F 8 2 1 ；T F l l l ．3 2 ；T F 8 0 3 ．2 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 7 8 0 4 水溶性高分子聚合物大多数作为悬浮微粒絮凝 剂，自1 9 5 4 年美国首先开发出商品聚丙烯酰胺以 来，高分子絮凝剂的生产和应用一直快速发展。目 前冶金矿渣分离应用最广的丙烯酸、丙烯酰胺共聚 高分子聚合物，对悬浮微粒的聚沉作用，一方面是该 系列絮凝剂线性分子链上有带负电荷的吸附官能 团，中和了浸出矿浆中带正电荷的矿渣微粒的表面 电荷，另一方面是这类聚合物中大分子链架桥作用。 对于不同的悬浮浸出矿浆究竟该应用何种类型的水 溶性高分子聚合物，最佳用量及其操作工艺条件，通 常都要通过试验加以确定，再根据现场的具体条件， 对产品形态、价格及其他因素进行综合评定，以选择 最优的方案。 1实验方法 1 ．1 试验原料和试剂 絮凝剂，X C A 0 7 和A L C L A R 6 0 0 ；分析纯无水碳 酸钠和氢氧化钠；化学纯氢氧化钙；烧结法浸出赤泥 和拜尔法浸出赤泥。 1 ．2 试验过程 铝矿石经破碎、研细，用调整液配比在混合槽中 配制矿浆。置入高压釜中进行高压浸出9 0 r a i n ，浸 出的矿浆经冷却减压至常压，加入洗涤液稀释到一 收稿日期2 0 0 5 1 1 一1 4 基金项目“十五”国家重大科技专项 8 6 3 资助项目 2 0 0 2 A A 2 2 4 2 9 作者简介曹文仲 1 9 6 3 一 ，男，江西波阳县人，教授，博士生，主要 从事化学工艺和湿法冶金等方面的研究。 定浓度进行沉降分离试验。铝矿石和稀释后浸出矿 浆的组成分别见表1 和表2 。 表1 铝土矿平均组分 T a b l e1B a u x i t em i n e r a lc o m p o n e n t s 组分S i 0 2F e 2 0 3A 1 2 0 3 C a OT i 0 2 含量／％1 6 ，6 6 1 4 ．4 06 3 ．8 20 ．8 6 2 ．9 7 沉降试验在恒温水浴中进行，沉降管尺寸为 q b 3 0 2 5 0 m m 。溢流液或“上清”液浊度的测定采用 肉眼观测、过滤称重和光电比浊法。对于低色度“上 清”液样，采用分光光度计在波长6 6 0 n m 处用l c m 比色皿测定浊度标准液吸光度，在标准曲线上查得 相应的浊度值。矿渣矿物组成采用x 射线衍射定 量分析。 表2 拜耳法浸出矿浆稀释后组分 T a b l e2S l u r r yc o m p o n e n t sf r o mB a y e rp r o c e s s 组分A 1 2 0 3N a 2 0 kN a 2 0 T固含量吨 含量／ g L 。1 1 3 3 ．6 01 3 7 ．4 01 5 5 ．8 45 1 ．7 1 ．6 9 注N a 2 0 k 荷性钠含量，N a 2 0 T 全部碱含量。 2 水溶性聚合物选择 2 ．1 聚合物与矿渣微粒的键合作用 水溶性线状聚合物之所以能够产生聚合作用， 主要是因为该类聚合物能与悬浮微粒形成大絮团的 性质，一般认为水溶性聚合物与悬浮微粒的键合作 用是产生凝聚的基础，键合作用分三种静电键、氢 键和共价键。在凝聚过程中，哪种键合作用起主导 作用，由聚合物的性质、悬浮微粒的表面性质以及介 质性质决定。一般情况下，往往是多种键合作用同 时发生，如铝土矿浸出矿浆的絮凝沉降过程就是以 万方数据 第2 期曹文仲等水溶性聚合物在铝土矿浸出渣沉降中的作用7 9 静电中和作用和氢键吸附作用为主。所以，针对悬 浮浆液的物化性质和悬浮微粒的表面荷电性选择最 优的絮凝聚合物。 表面荷电的悬浮粒子，在不同的悬浮液条件下 不同p H ，显示的微粒表面电位 ℃电位 不同。譬 如，氧化铝赤泥中针铁矿微粒，当p H 6 ．8 时，矿物表面的℃电位为“一”，这时，用阳离子型或 非离子型聚合物可以较好地与之凝聚。因此，水溶 性聚合物选择，考察不同p H 条件下矿物微粒的表 面荷电性质是基础。因为聚合物对悬浮矿物微粒的 凝聚分离都是以矿物颗粒表面的物化性质为基础 的，所以了解和改变矿物颗粒表面性质，分析不同浸 出工艺产生悬浮微粒的矿物组成等，可以有针对性 地选择最有效的水溶性聚合物。 采用x 射线衍射分析一水硬铝石型铝土矿浸 出赤泥，拜耳法铝土矿浸出赤泥和烧结法浸出赤泥 的主要矿物组成分别见表3 和表4 。表3 和表4 显 示，拜耳法铝土矿浸出赤泥矿物组成与烧结法赤泥 的矿物组成有很大差异。针对这两种不同氧化铝生 产工艺的赤泥凝聚分离，应分别分析、测试不同悬浮 液条件下，各矿物表面荷电特性，以选择最优处理的 聚合物。 表3 拜耳法铝土矿浸出赤泥的矿物组成 T a b l e 3M i n e r a lc o m p o s i t i o no fr e dm u df r o mB a y e rp r o c e s s 组分 兰鬈 钙钛矿钠硅渣 尝 针铁矿碳酸钙 含量／％ 6 7 ．08 ．64 ．08 ．05 ．02 ．5 2 ．2 水溶性聚合物分子量与凝聚效果 高分子量是絮凝水溶性聚合物最基本的性能参 数，浸出渣分离用聚合物的选择更要求测量其分子 量的大小。所以，许多湿法冶金厂家将聚合物分子 量大小作为衡量聚合物好坏的一个标准。分子量的 大小对凝聚效果有显著影响，一般情况下，聚合物分 子量越大，其链节上所含有的有效官能团越多，对悬 浮液中矿渣微粒的凝聚效率也随之增加。但试验发 现，当聚合物分子量过大，由于线状聚合物分子链太 长，在溶液中不易充分伸展，降低了聚合物链节上官 能团与矿物微粒的接触，影响聚合物凝聚作用的充 分发挥。应用于铝土矿浸出赤泥分离的水溶性聚合 物，只有当分子量超过1 0 0 万时，聚合物才能在两个 带相同电荷的颗粒之间越过其势能峰，起到吸附凝 聚作用。 图1 分子量与聚沉效果关系显示，聚合物分子 量在2 0 0 ～1 0 0 0 万范围内，分子量愈高，聚沉效果愈 好。当分子量超过1 0 0 0 万时，分子量再增高，则出 现因为线状聚合物不能充分伸展，聚沉效果趋向不 变的倾向。因此，在选择悬浮矿渣分离用聚合物时， 力求保持分子量在1 0 0 0 万左右，同时增强特殊官能 团效能。 5 5 5 0 E {4 5 魁 控 进4 0 蜉 3 5 2 0 0甜M 6 0 08 0 01 0 0 01 2 m1 4 0 0 相对分子量／1 0 图1分子量与聚沉效果的关系 5 m i n 沉降高度 F i g ．1 E f f e c t so fp o l y m e rm o l e c u l a r m a s so ns l u r r yf l o c c u l a t i o n 2 ．3 聚合物选择 按悬浮液条件，在粗选出适当离子类型的高分 子聚合物的基础上，根据所要考察的技术指标 如沉 降速度、浮游物含量等 和设备条件进行絮凝试验。 对于铝土矿浆这样高碱含量，高固含的悬浮液，采用 量筒试验。 在2 5 0 m L 带刻度的量筒中，注入2 2 0 m L 的试 悬浮液，将配制好的不同聚合物水溶液按预定量加 入悬浮液。用带网孑L 的不锈钢搅拌棒上下搅拌5 ～ 6 次后静置。按规定的间隔时间测定其沉降、澄清 性能。试验后，测定压缩赤泥层中的液固比 L ／S 。 絮凝沉降的量筒试验是进行聚合物种型选择及 其用量测定的常用方法，采用此方法对X 4 0 7 与 A L C L A R 6 0 0 聚合物的对比试验表明，在同等悬浮 液条件下，X 4 0 7 聚合物沉降分离的各项技术指标均 达到了英产A L C L A R 6 0 0 聚合物标准。表5 为该两 种聚合物选择试验结果。 万方数据 8 0有色金属第5 8 卷 表5 聚合物的选择试验结果显示，在同样的试 验条件，赤泥絮团的沉降速度，压缩液固比以及上清 液中浮游物含量基本相似，添加量同为万分之一时 聚合物／干赤泥 ，该两种聚合物沉降技术指标均达 到工业生产的分离技术要求。 3水溶性聚合物应用 3 ．1 聚合物溶液的陈化和使用浓度 水溶性聚合物，只要在避光、远离高温源下封 存，就可以长期保存而不降低其应用效果，但是聚合 物水溶液，尤其在低浓度下，由于分子链的松驰作用 和微生物降解作用，随着时间延长，其水溶液黏度逐 渐下降，发生变质陈化，严重影响吸附凝聚功能。所 以要求溶解过程中溶剂清洁，随用随配。像所有水 溶性高分子聚合物一样，絮凝剂水溶液的浓度越高， 黏度越大，在水中不容易分散开。所以聚合物粉料 是不能直接用于凝聚操作的，通常在使用前都要预 先配制成一定浓度的溶液，目的是为使其分子链初 步伸展，以便于在使用时得到均匀分散。经试验，聚 合物工业使用浓度以万分之一左右为宜。 3 ．2 聚合物溶解 粉料水溶性聚合物，虽然溶解性能较好，但是因 分子量高，并且在憎水性的主链上带有较多亲水性 极性基团，因而溶解操作在生产过程中显得尤为关 键。在水中溶解时，常要经过浸润，溶胀，溶解等阶 段。所以，溶解粉料高分子聚合物时，不能把整袋的 粉剂同时倾倒在溶解槽中，应该均匀散加溶解，溶解 槽必须带有搅拌装置，否则，粉状聚合物得不到充分 浸润，造成结团而成为“内生外熟”的“鱼眼”。 用于一般凝聚操作的粉料水溶性聚合物溶解操 作步骤溶解槽中加入定量的工业循环水 6 5 ～ 7 0 ℃ ；搅拌下将预定量的粉状水溶性聚合物经由振 动筛或人工缓慢地撤入溶解槽；控制搅拌线速度在 2 m ／s 左右，搅拌溶解4 5 m i n 。因高速叶片式搅拌所 产生的较大剪切力会使聚合物高分子键受到剪切破 坏，溶解槽搅拌速度不宜太高，线速度高于4 m ／s 时，聚合物的聚沉效果明显降低，如图2 所示。 k 1 7 ．5 毯 嫠1 5 ．o 斌 23456 絮凝剂添加量／ m s ．1 ．‘ 图2叶片搅拌速度对聚沉效果的影响 F i g ．2 E f f e c t so fa g i t a t ev e l o c i t yo ns l u r r yf l o c c u l a t i o n 3 ．3 浸出矿浆与聚合物的混合 聚沉过程分分散期、吸附凝聚期和沉降期三个 阶段。由于这三个阶段没有明显的界限，且对应的 操作条件不同，所以，聚沉过程应严格控制混合搅拌 的操作条件。 聚合物与浸出矿浆初始混合阶段，混合搅拌的 目的是让聚合物尽快地与待处理悬浮微粒接触，所 以要求一定强度的搅拌。混合结束后，聚合物迅速 地与悬浮微粒发生吸附，架桥作用，形成较大的絮 团，此时，强烈的剪切搅拌或经强紊流输送都会破坏 已形成的絮团，造成悬浮液的重新稳定。第三阶段 是指已形成絮团的自然沉降过程，此时，絮凝体对搅 拌仍然具有敏感性，如果对沉降槽快速搅拌，就无法 得到高质量的溢流。 4结论 浸出悬浮浆液的物化性质和悬浮渣微粒的表面 荷电性是选择最优水溶性高分子聚合物的基础。只 有水溶性聚合物分子量超过1 0 0 万时，才能在两个 带相同电荷的渣微粒间越过势能峰，起到吸附凝聚 作用，分子量1 0 0 0 万左右凝聚效果最优。水溶性高 分子聚合物使用应用预先配成万分之一左右浓度， 使分子链成初步伸展状态。搅拌溶解时应控制搅拌 万方数据 第2 期 曹文仲等水溶性聚合物在铝土矿浸出渣沉降中的作用 8 1 线速度小于4 m ／s 。聚合物与浸出矿浆混合操作要 控制区分聚沉过程分散期、吸附凝聚期和沉降期三 参考文献 个不同阶段的混合搅拌条件。 [ 1 ] 曹文仲，顾松青．合成高分子絮凝剂的物化性质和应用技术研究[ J ] ．轻金属，1 9 9 6 ，2 1 2 5 [ 2 ] 吕子剑，曹文仲．P A S 一1 絮凝剂的选择和专门处理技术研究[ J ] ．轻金属，1 9 9 8 ，2 3 4 3 1 8 [ 3 ] 亨特．氧化铝工业中化学添加剂的进展[ K ] ．有色金属及合金材料国际学术会议交流资料． [ 4 ] S p i t z eDP ，R o t h e n b e r gAS ，H e i t n e rHI ，e ta 1 ．D e v e l o p m e n to fn e wb a y e rp r o c e s sf l o c c u l a n t s 1 6 7 1 7 1 ． 8 1 3 ． 一2 2 ． 沈阳东北大学，1 9 9 5 ． [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 1 [ 5 ] F a n e i t t eM ，G a l a r r a g aA ，F o s t e rT ．U t i l i z a t i o no fn e wp o l y m e ri na l u m i n u mi n d u s t r y [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 4 1 2 9 1 3 1 ． [ 6 ] K e e n d yRL ．S i m p l er e a g e n tt e c h n i q u e st oi m p r o v ea l u m i n u mo x i d ep r o c e s s i n g [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 0 1 4 1 1 4 5 ． [ 73W e i rS ，M o o d yGM ．T h ei m p o r t a n c eo ff l o e c u l a n tc h o i c ew i t hc o n s i d e r a t i o nt om i x i n ge n e r g yt oa c h i e v ee f f i c i e n ts o l i d l i q u i d s e p a r a t i o n [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，1 6 2 1 0 9 1 1 3 ． [ 8 ] L e s t e rA DC h i n ．C h e m i c a la d d i t i v e si nb a y e rp r o c e s s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 1 1 5 5 1 5 8 ． E f f e c to fW a t e r - s o l u b l eP o l y m e ro nB a u x i t eD i g e s t i o nR e s i d u eS e t t l e m e n t C A O W e n 。z h o n 9 1 ”，Z H O N GH o n 9 1 ，Z H A NC h a n g - c h a 0 2 1 ．C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a 2 ．C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，J i u j i a n gU n i v e r s i t yo f J i a n g x i ，J i u j i a n g3 3 2 0 0 5 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t T h el i n k a g eo fl e a c h i n gr e s i d u et ow a t e r s o l u b l ep o l y m e rd u r i n gt h ef l o c c u l a t i o ns e t t l e m e n tp r o c e s so fb a u x ．． i t el e a c h i n gs l u r r yi si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t yo ft h ep a r t i c l e si n t h es l u r r ya n dt h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t yo ft h es l u r r ya r et h ef o u n d a t i o no ft h eo p t i m a ls u s p e n s i o ns e p a r a t i o n p o l y m e rs e l e c t i o n ．T h ep o l y m e rc a nn o tc r o s st h ee n e r g yp e a kb e t w e e nt w op a r t i c l e sw i t hs a m ee l e c t r i cc h a r g eo f t h el e a c h i n gr e s i d u et op l a yar o l ei nf l o c c u l a t i o ns e t t l e m e n t ，u n l e s st h ep o l y m e rm o l e c u l a rm a s si so v e r1m i l l i o n ， t h eo p t i m a lf l o c c u l a t i o ne f f e c ti 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