超细粒级锰矿浸出矿浆絮凝沉降试验.pdf

4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 5 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 0 2 超细粒级锰矿浸出矿浆絮凝沉降试验 钱璨1 ’2 ，但智钢2 ，王辉锋2 ，史菲菲2 ，张海燕2 ，段宁2 1 ．中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中国环境科学研究院重金属清洁生产工程技术中心，北京1 0 0 0 1 2 摘要采用不同絮凝剂对电解锰锰矿浸出矿浆进行絮凝沉降试验，考察了絮凝剂电性、离子度、分子量以 及添加量对矿浆絮凝沉降效果的影响。结果表明，矿浆含固率为6 ％时，添加6 0g ／t 分子量l4 0 0 万～ 17 0 0 万、离子度3 0 ％的阳离子絮凝剂，矿浆沉降速度由自然沉降时的0 ．0 4m ／h 提高到0 ．6 9m ／h ，能够 满足电解锰行业制液工序生产要求。 关键词絮凝剂；锰矿；矿浆；沉降速度 中图分类号T F 8 0 3 ．2文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 6 0 0 0 4 0 5 T e s to fF l o c c u l a t i n gS e d i m e n t a t i o nf o rU l t r a f i n e M a n g a n e s eO r eL e a c h e dS l u r r y Q I A NC a n l ～，D A NZ h i g a n 9 2 ，W A N GH u i f e n 9 2 ， S H IF e i f e i 2 ，Z H A N GH a i y a n 2 ，D U A NN i n 9 2 1 ．S c h o o lo fC h e m i s t r ya n dE n v i r o n m e n t a lT e c h n o l o g y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 2 ．T e c h n o l o g yC e n t e rf o rH e a v yM e t a lC l e a n e rP r o d u c t i o nE n g i n e e r i n g ， C h i n e s eR e s e a r c hA c a d e m yo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t S e d i m e n t a t i o ne x p e r i m e n tf o re l e c t r o l y t i cm a n g a n e s eo r el e a c h e ds l u r r yw a sc a r r i e do u tw i t h d i f f e r e n tf l o c c u l a n t s ．T h ee f f e c t so fe l e c t r i c a lp r o p e r t y ，i o nr a t i o ，m o l e c u l a rw e i g h t ，a n dd o s a g eo f f l o c c u l a n to ns e d i m e n t a t i o nw e r ei 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 ts e t t l i n gv e l o c i t yo fl e a c h e ds l u r r y w i t hs o l i dc o n t e n to f6 ％d r o p sf r o m0 ．0 4m ／ho ff r e es e t t l i n gt o0 ．6 9m ／hu n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s i n c l u d i n g6 0g ／tc a t i o n i cf l o c c u l a n tw i t hm o l e c u l a rw e i g h to f1 4m i l l i o nt o1 7m i l l i o n ，a n di o nr a t i oo f3 0 ％， m e e t i n gt h es t a n d a r do fp u l pp r o d u c t i o np r o c e s si ne l e c t r o l y t i cm a n g a n e s ei n d u s t r y ． K e yw o r d s f l o c c u l a n t ；m a n g a n e s eo r e ；s l u r r y ；s e t t l i n gv e l o c i t y 我国电解锰生产采用锰矿加硫酸浸出的湿法工 艺，其制液工序的矿浆固液分离是生产工艺的重要 过程[ 1 ] 。目前，国内电解锰制液过程中均采用压滤 机进行浸出矿浆的固液分离。由于浸出矿浆量大、 矿浆颗粒粒度细，生产过程采用的压滤机数量较多， 导致设备投资和运行费用较高，工人劳动强度大，产 生大量洗滤布废水[ 2 { ] 。絮凝沉降在选煤和选矿等 行业得到了广泛成熟的应用[ 4 。5 ] ，在与电解锰类似的 湿法冶金过程如电解锌和铜矿浸出也有应用[ 6 。8 ] 。 由于锰矿浸出矿浆的成分复杂、颗粒细，有硅胶和除 铁产物氢氧化铁胶体等因素影响，锰矿浸出矿浆的 絮凝沉降还未见报道。筛选出合适絮凝剂 P A M 和工艺参数，实现锰矿浸出矿浆的絮凝沉降对电解 锰行业采用浓密机进行絮凝沉降有重要意义。 收稿日期2 0 1 5 - 0 1 - 1 1 基金项目国家科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A F 0 3 8 0 3 作者简介钱璨 1 9 9 2 一 ，男，安徽合肥人，硕士研究生；通信作者但智钢 1 9 7 9 一 ，男，江西九江人，副研究员． 万方数据 2 0 1 5 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 本文在分析某电解锰厂浸出矿浆基本性质的基 础上，筛选并确定不同类型絮凝剂，研究絮凝剂电 性、离子度、分子量对矿浆沉降性能的影响，分析了 絮凝剂添加量的影响，以上清液浊度为指标，预期获 得用于锰矿浸出矿浆絮凝沉降的最佳工艺参数。 1 试验部分 1 ．1 矿浆制备 1 ．1 ．1 原料 矿浆制备过程涉及的材料主要有菱锰矿 主要 组分M n C O 。 、二氧化锰矿还原焙烧粉 主要组分 M n O 、电解阳极液 p H0 ．6 1 、质量浓度9 8 ％的浓 硫酸。矿粉和阳极液均取自某电解锰厂。 1 ．1 ．2 模拟矿浆的配制方法 试验采用5L 大烧杯模拟电解锰厂锰矿酸浸过 程，获得浸出矿浆。根据现场工艺条件，浸出过程的 液固比为1 1 ．5 、酸矿比0 ．7 5 6 。首先将计量好的阳 极液加入烧杯，再加入菱锰矿粉，然后加入9 8 ％浓 硫酸进行充分反应；恒温浸出7h 后，测浸出液残酸 浓度，再加入适量焙烧粉进行收酸，恒温反应3h 获 得合格浸出矿浆。浸出矿浆含M n 2 3 6 ～4 0g ／L ， H S O 。0 ～1g ／L 时达到出液标准。浸出条件水浴 锅恒温6 5 ℃、机械搅拌速度1 0 0r ／m i n 。 1 ．2 静态沉降试验 1 ．2 ．1 絮凝剂选择及配制 已有报道锌焙砂和氧化铜矿浸出采用絮凝剂进 行沉降分离，不同厂家和不同浸出液体系采用的适 合絮凝剂类型有阴离子和阳离子，也有非离子。锰 矿浸出液与这类浸出液性质有相似之处，但采用何 种类型絮凝剂能有效沉降浸出液，与浸出液的成分、 p H 及其他成分密切相关。本试验先对阴离子、阳 离子和非离子三种类型絮凝剂的沉降效果进行试 验，确定絮凝剂类型；再设计分子量、离子度和絮凝 剂用量试验，获得絮凝剂最佳使用参数。设计的絮 凝剂见表1 。 表1 絮凝剂种类及性质 T a b l e1 T y p ea n dp r o p e r t yo ff l o c c u l a n t s 絮凝剂使用时，常温用纯水配制成质量浓度为 0 ．1 ％的溶液。 1 ．2 ．2 静态沉降试验方法 固定试验条件矿浆质量浓度6 ％、密度1 ．2 6 g ／c m 3 、p H 一2 ．1 6 、初始絮凝剂用量每吨干矿3 0g 、 室温。 絮凝性能表征取5 0 0m L 矿浆加人5 0 0m L 量 筒中，用封口膜紧密封住量筒，颠倒混合1 0 次；取下 封口膜，向量筒中加入设定量的絮凝剂，再封上封口 膜，颠倒混合1 0 次；接着将量筒放置在平台上，静 置，秒表开始计时，观察到上清液和絮团清晰的界 面，记录界面通过量筒每5 0m L 刻度值的时间，并 测量量筒5 0m L 刻度值间距为2 3m m 。通过沉降 曲线自由沉降阶段斜率计算沉降速度口。 使用2 1 0 0 A N 台式浊度仪测量上清液浊度，以 沉降速度和上清液浊度来表征絮凝沉降效果。 2 试验结果及分析 2 ．1 矿浆基本性质 浸出渣的主要化学组成 以氧化物计，％ M n O3 0 ．0 5 7 、S 0 32 7 ．3 1 4 、S i 0 21 5 ．2 5 9 、C a O 9 ．5 1 3 、M g O5 ．9 1 8 、F e 2 0 3 4 ．5 4 4 、A 1 2 0 33 ．0 9 9 、 P 。O 。2 ．6 3 7 。图1 是浸出渣烘干后的X R D 谱，表明 其主要成分为石英 S i O z 和石膏 C a S O t 2 H 2 0 ， 还有未反应完全的碳酸锰 M n C O 。 ，主要为亲水性 矿物。 山 a 一石英 S i O 。 b 一石膏 C a S O { ’2 H O C 一菱锰矿 M n C O ， 1 2 2 i i a l ．‘出C a 肌c 、．父i 曩a 。 01 02 03 04 05 06 07 0 8 0 2 0 ／ 。 图1 浸出渣的X R D 谱 F i g ．1 X R Ds p e c t r u mo fl e a c h e dr e s i d u e 图2 为浸出矿浆的粒度分布图，可以看出，颗粒 主要分布于0 ．2 ～o ．4 肛m 及1 ～5p m ，平均粒径为 1 ．5 0 2 肚I n ，说明矿浆的颗粒是微细级。 2 ．2 絮凝剂性质对矿浆沉降影响 2 ．2 ．1 电性对沉降的影响 图3 为不同电性絮凝剂作用下矿浆的沉降曲线。 万方数据 R 有色会属f 冶炼部分 h t t p ／／y s y | ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第6 期 粒径／, u m 图2 浸出渣粒度分布图 F i g ．2 P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no f l e a c h e dr e s i d u e 图3絮凝剂电性对絮凝沉降的影响 F i g ．3 E f f e c to fe l e c t r i c a lp r o p e r t yo ff l o c c u l a n t o ns e d i m e n t a t i o n 从图3 可知，自然沉降时，矿浆2h 只沉降了8 0 m m ，沉降速度为0 ．0 4m ／h 。锰矿浆的自然沉降缓 慢，其原因是浸出矿浆颗粒细，且矿粒主要组分为石 英等亲水性矿物，表面易形成水化膜，当两个矿粒互 相靠近时，矿粒表面水化膜重叠产生水化作用力。 这种强烈的排斥力能在很大程度上阻止颗粒间的相 互接触，使分散体系保持高度稳定性[ 9 - 引。阳离子、 阴离子和非离子絮凝剂加入后，均不同程度加速了 矿浆的沉降，其中阳离子沉降速度为0 ．1 4m ／h 、非 离子的为0 ．0 8m ／h 、阴离子的为0 ．0 7m ／h 。阳离 子的絮凝沉降效果最好，其沉降速度是自然沉降的 3 ．5 倍。 研究认为，p H 对阴离子P A M 吸附性能有显著 影响，H 能使酰胺基质子化，使聚合物的羧基离子 的电斥力受到抑制，分子线团发生卷曲，降低吸附性 能。而p H 也会对矿物表面的电极电位造成影响， 本矿浆的主要矿物颗粒石英的等电点为p H 一2 ，试 验矿浆p H 为2 ．1 6 ，使颗粒表面带负电。在这种条 件下，阳离子P A M 不仅有对颗粒表面的架桥吸附 作用，还有一定程度的电荷中和作用[ 1 1 。1 4 ] ，使得阳离 子沉降效果更好。 2 ．2 ．2 分子量对沉降的影响 阳离子P A M 的分子量对矿浆沉降的影响如图 4 所示。 图4阳离子P A M 分子量对絮凝沉降的影响 F i g ．4 E f f e c to fm o l e c u l a rw e i g h to fC P A M o ns e d i m e n t a t i o n P A M 分子量对矿浆沉降速度影响显著，P A M 分子量为11 0 0 万～13 0 0 万时，矿浆沉降速度为 0 ．0 8m ／h ；P A M 分子量增加到14 0 0 万～17 0 0 万 时，矿浆沉降速度进一步增大，达到0 ．1 4m ／h ；但当 其进一步增加时，矿浆沉降速度开始减小，为0 ．0 9 m ／h 。 絮凝剂分子量越大，分子链越长，所带电荷和活 性吸附点位就越多，电荷中和及桥联能力就越强，越 易形成较大絮体。对特定矿浆，受矿浆颗粒和电性 影响，存在一个较合适的分子量[ 1 5 ‘1 ⋯。本试验锰矿 浆在P A M 分子量为14 0 0 万～17 0 0 万时絮凝沉降 效果最好，分子量过大或过小，都不利于沉降。 2 ．2 ．3 离子度对沉降的影响 图5 为添加P A M 分子量14 0 0 万～17 0 0 万， 不同离子度 C P A M 一2 ，C P A M 一4 ，C P A M 一5 条件下 矿浆的沉降曲线。 由图5 可知，离子度为1 5 ％、3 0 ％和5 0 ％时，矿 浆的沉降速度分别为0 ．1 4m ／h ，0 ．2 1m ／h ，0 ．0 8 m ／h 。随着离子度的增大，矿浆沉降速度呈现先增 大后减小的趋势，离子度为3 0 ％时，沉降速度最快。 随着离子度的增大，阳离子P A M 分子链之间 静电斥力增强，有利于架桥吸附，形成大尺寸絮团。 但若分子链上阳离子基团过多，会造成絮凝剂分子 在颗粒表面的吸附过多，使能够桥连的结构减少，且 颗粒表面会因絮凝剂分子的过度吸附而带正电荷， 万方数据 2 n 15 年第6 期 有色会属f 冶炼部分1 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 4 1 J r 哥◆ 8 【牛 c C P P A A M M - 4 - 2 ～ l 1 - C P A M - 5 2 f X X l4 I X H 6 I X H }8 f X H 沉降时阳】／s 图5阳离子P A M 离子度对絮凝沉降的影响 F i g ．5 E f f e c to fi o nd e g r e eo fC P A M o ns e d i m e n t a t i o n 颗粒间斥力增大，不利于形成絮团，从而降低沉降速 度[ 1 81 9 ] 。 2 ．3 C P A M - 4 用量对沉降的影响 图6 为添加不同用量C P A M 一4 时矿浆的沉降 曲线。 C 降时间／s 图6C P A M - 4 添加量对絮凝沉降的影响 F i g ．6 E f f e c to fd o s a g eo fC P A M - 4 o ns e d i m e n t a t i o n C P A M - 4 投加量为分别3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0g ／t 干 矿 时，矿浆沉降速度分别为0 ．2 2 、0 ．6 9 、0 ．7 1 、0 ．7 2 m ／h 。加药量从3 0g ／t 增加到6 0g ／t 时，沉降速度 显著增加，但药量再增加时，沉降速度增加不明显。 考虑到电解锰厂的经济效益，选择相似沉降速度下 的最小加药量，对该矿浆C P A M 一4 的最佳投药量为 6 0g ／t 。 浊度测试结果显示，此时上清液浊度为 1 0 ．8 5 N T U ，与电解锰厂压滤机滤液4 ．0 5 N T U 的 浊度相比，二者相差不大，达到电解锰制液工序出液 要求。 7 3结论 1 锰矿浸出矿浆p H 为2 ．1 6 ，颗粒平均粒度仅 为1 ．5 0 2 且m ，矿浆中亲水性矿物石英和石膏含量 高，属于酸性超细粒级极难沉降矿浆，自然沉降速度 仅为0 ．0 4m ／h 。 2 阳离子P A M 对本矿浆有较好的絮凝沉降效 果，优于阴离子和非离子P A M 。絮凝最佳工艺条件 为P A M 分子量14 0 0 万～17 0 0 万、离子度3 0 ％、 用量6 0g ／t ，此时矿浆的沉降速度可以提高到0 ．6 9 m ／h ，絮凝沉降的上清液浊度为1 0 ．8 5 N T U ，能够满 足电解锰行业制液工序生产要求。 参考文献 [ 1 ] 杨守志，孙德垄，何方箴．固液分离[ M ] ．2 版．北京 冶金工业出版社，2 0 0 8 1 2 ． [ - 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