铝土矿洗矿尾矿中铝、铁矿物综合利用研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ UDC ⋯⋯⋯⋯⋯ 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 十I 匆大粤 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目焦点壁选壁垦堑．盘焦 煞堑拖绽 金型用巫塞 学科、专业矿物加工工程 研究生姓名 吴承桧 导师姓名及 专业技术职务邓海波副教授 杨文高级工程师 ▲IrII■罗l■r- ● ●■一●l 分类号U D C 硕士学位论文 密级 铝土矿洗矿尾矿中铝、铁矿物综合利用研究 S t u d yoo r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fa l u m i n u mndnc o m o r e l l e n s i v eu U l i z a t i o n U ma n t l0 i r o nm i n e r a l si nt h ew a s h i n gt a i l i n gf r o mb a u x i t eorelronm i n e r a l si nt l l ew a s n l n gt a l l l n g sI r o mD a u x l t e0 r e 论文答辩日期 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料a _ 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名婆器毖 日期2 1 】年王月且日 学位论文版权使用授权书 ’本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 在开发利用我国广西岩溶堆积型铝土矿过程中，铝土矿洗矿尾矿 以下简称“尾矿” 是主要废弃物之一。由于具有含水量大、颗粒细 小、比表面积大等特点，该类型尾矿的自然沉降过程极其缓慢。该类 型尾矿的大量堆存不仅占用土地，还危及矿区及周边生态环境，已成 为制约企业可持续发展的因素之一。研究科学合理且经济的新技术、 新方法来处理该类型尾矿是十分必要的。 该尾矿含有大量的铝矿物和铁矿物，其中A 1 2 0 3 和F e 2 0 3 之和达 5 2 ．5 3 ％。为了实现该尾矿中铝、铁矿物的综合利用，本论文从两个方 面进行了研究一、对尾矿中铝矿物和铁矿物进行了分选富集探讨性 研究；二、开展了利用铝土矿洗矿尾矿制备聚合硫酸铝铁的研究。 在铝矿物和铁矿物的分选富集研究中，进行了脱泥、捕收剂、抑 制剂、分散剂、低浓度浮选、铝土矿反浮选以及磁选等试验，利用 X R D 和电镜扫描对矿物组成和矿物微观结构进行了分析。在利用尾矿 A BS T R A C T I nt h ep r o c e s so fe x p l o i t i n gk a r s ta c c u m u l a t i v eb a u x i t ei nG u a n g x i ， t h et a i l i n g so fb a u x i t eo r ew a s h i n g h e r e i n a f t e ra st a i l i n g s i so n eo ft h e m a i nw a s t e s ．T h i st y p eo f t a i l i n g s ，d u et ol a r g em o i s t u r ec o n t e n t ，h i g hf i n e p a r t i c l e s ，l a r g es p e c i f i cs u r f a c ea r e ae t c ．，i sd i f f i c u l tt o s e t t l ed o w n n a t u r a l l y ．M a s sa c c u m u l a t i o n so f t h et a i l i n g sd i s c h a r g e ，l e a d st on o to n l y o c c u p a t i o no fl a n db u ta l s ot h r e a t e n i n gt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to f t h e m i n i n g a r e aa n dt h e s u r r o u n d i n g ，w h i c hh a sb e e no n e o ff a c t o r s r e s t r i c t i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e s ．S oi t i se s s e n t i a lt o d e v e l o ps c i e n t i f i c ，r a t i o n a la n de c o n o m i c a ln e wt e c h n o l o g i e sa n dn e w w a y st od e a lw i t ht h i st y p eo ft a i l i n g s ． ’T h i st y p eo ft a i l i n gc o n s i s t so fl a r g ea m o u n to fa l u m i n u ma n di r o n m i n e r a la n dt h et o t a la m o u n to fA 1 2 0 3a n dF e 2 0 3i S u pt o5 2 ．5 3 ％．T o a c c o m p l i s hc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fa l u m i n u ma n di r o nm i n e r a li n m i n e r a lc o m p o s i t i o n ，i n c o m p l e t ed i s s o c i a t i o no fv a l u a b l em i n e r a l si nt h e t a i l i n g s ．A f t e re x p e r i m e n t so fp r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o no fP A F S ，t h e u l t i m a t ep a r a m e t e r so ft e c h n o l o g yc o n d i t i o nw e r ec o n f i r m e d w h e na c i d l e a c h i n g ，a d d i n gs u l f u r i ca c i do n e - t i m e ，c o n c e n t r a t i o no fs u l f u r i ca c i d 35 ％- - - 41 ％，h e a t i n gt i m e3 0 m i n ，p u l p c o n c e n t r a t i o no fw a t e r - b a t h 7 ．7 ％～9 ．1 ％，t e m p e r a t u r eo f w a t e r - b a t h5 0 ℃，t i m eo f w a t e r - b a t h3 h ；w h e n p o l y m e r i z i n g ，b a s i f i e r 1m o l ／L N a H C 0 3 ，t e m p e r a t u r eo fp o l y m e r i z a t i o n 8 0 。C ，p Ho fP A F Si nt h er a n g eo f2 ．8 ～3 ．1 ．T h et e c h n o l o g yi se a s yt o i m p l e m e n ta n dp e r f o r m a n c eo fp r o d u c tw a se x c e l l e n t ，c o m p a r e dw i t h c o m m e r c i a lP A Su n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，t u r b i d i t yr e m o v i n gr a t ea n d C O Dr e m o v i n gr a t eo fs e l f - m a d eP A F Sw e r eu pt o9 0 ％a n d8 0 ％ r e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r eb e t t e rt h a nc o m m e r c i a lP A S ．1 1 1 et e c h n o l o g y a c c o m p l i s hc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fa l u m i n u ma n di r o nm i n e r a l si n t h et a i l i n g s ，a n dp r o v i d ean e ww a yt od e a lw i t ht h i st y p et a i l i n g so f b a u x i t eo r ew a s h i n gs c i e n t i f i c a l l ya n dr a t i o n a l l y ． K E Y W O R D Sb a u x i t e ，o r ew a s h i n gt a i l i n g s ，f l o t a t i o n ，c h e m i c a l l e a c h i n g ，P A F S ，c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n H I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． l | 录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 、I ， 第一章文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 平果铝洗矿尾矿基本概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外关于铝土矿尾矿研究利用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 ．1 关于平果铝洗矿尾矿研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．2 关于其它类型铝土矿尾矿研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 絮凝剂种类及研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．1 絮凝剂分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．2 常规絮凝剂的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．3 无机高分子絮凝剂的发展⋯⋯⋯k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．4 有机高分子絮凝剂的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．5 微生物絮凝剂的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 聚铝、铁高分子絮凝剂合成原理与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．4 ．1 聚合铝高分子絮凝剂合成原理与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．2 聚合铁高分子絮凝剂合成原理与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．5 聚合铝铁复合型高分子絮凝剂研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 1 ．6 本论文研究内容及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 4 1 ．6 ．1 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．6 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 第二章研究物料性质和研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．1 研究物料性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．1 ．1 尾矿氧化物分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．2 尾矿矿物组成分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．1 ．3 尾矿的粒级分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．1 ．4 其他性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 试验药剂与仪器设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 ．1 试验药剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．2 ．2 仪器设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．3 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 2 ．3 ．1 试验流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 ．2X 射线衍射分析 X R D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．3 电镜扫描 S E M ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．4 浊度检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．3 ．5C O D 检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．6 红外光谱分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 第三章洗矿尾矿中铝、铁矿物的分选富集探讨性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 铝土矿浮选概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 尾矿直接浮选试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．1 尾矿常规正浮选试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 Ⅳ 3 ．2 ．2 低浓度浮选试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．3 射流浮选机浮选试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．4 反浮选 正浮选试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 尾矿脱泥分级- 沉砂浮选试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．3 ．1 脱泥分级试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 - 2 沉砂浮选条件试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．3 ．3 沉砂反浮选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 强磁选铁试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．5 试验物料中铝、铁矿物难富集分选的原因探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．5 ．1 微细粒矿物对浮选过程的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 ．2 试验产物的矿物组成和微观结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 第四章利用洗矿尾矿制备P A F S 絮凝剂的工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 4 4 ．1 酸浸条件试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．1 ．1 酸的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．1 ．2 硫酸用量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．1 ．3 加热时间的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．1 ．4 加酸方式的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．1 ．5 水浴的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 4 ．1 ．6 酸浸渣中铝物相分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 碱化剂的选择试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 ．1 聚合原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 ．2 聚合试验因素水平的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．2 ．3 氢氧化钠作碱化剂正交试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 ．4 碳酸钠作碱化剂正交试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．5 碳酸氢钠作碱化剂正交试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．6 聚合正交试验小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 4 ．3 聚合条件优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 聚合液p H 值的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．2A 1 3 F e 3 物质的量比的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 4 4 ．3 ．3 聚合温度的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 5 4 ．4 自制P A F S 絮凝性能检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4 ．1 加药量对自制P A F S 絮凝性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 ．2 作用时间自制P A F S 絮凝性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．4 ．3 废水p H 值对自制P A F S 絮凝性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．5 本章小结及后续研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 第五章酸浸过程热力学及P A F S 的絮凝机理与结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．1 酸浸过程热力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 5 ．2P A F S 絮凝机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．2 ．1 絮凝体形成的作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．2 絮凝过程中的动力学⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．3A r 、F e 3 的溶液化学特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．4 自制P A F S 的结构表征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．4 ．1 自制P A F S 红外光谱 I R 分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 V V I 1 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．。．。。．．．。．．．．。 硕七学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 ．1 平果铝洗矿尾矿基本概况 平果铝业公司 以下简称“平果铝” 位于我国广西百色地区，是我国主要的 铝材生产基地之一。平果铝铝土矿资源具有以下特点【l 捌矿体分布点多、面广； 矿床规模大，铝品位高，硅低铁高、富镓；矿层薄，埋藏浅，适于露采；含泥率 高，达4 0 ％- - 6 5 ％。针对该矿含泥率高、铝品位高的特点，我国科研人员开发出 了高效的洗矿工艺流程【3 】，实践证明该工艺流程经济实用，但在生产过程中产生 大量的洗矿尾矿。该尾矿具有含水量大、颗粒细小、比表面积大等特点[ 4 1 ，因此 在自然条件下，难以排水泌干，完成自重固结则需要上百年的时间。 由于尾矿自身特性，尾矿库成了泥浆库。至2 0 0 3 年底，平果铝尾矿堆存量已 达到近1 0 0 0 万吨，二期于2 0 0 3 年竣工，尾矿堆存量每年以近1 7 0 万吨的速度在递 增，三期工程投产以后，尾矿排出量还将增力1 1 2 “ - - 3 倍【5 J 。尾矿大量堆存，不仅占 用大量土地，而且蕴藏着环境问题。因为尾矿库场地处于岩溶地区，地质条件复 杂，又滨临右江，下游有平果、隆安、南宁等大小城镇。因此，平果铝在尾矿库 基建和日常维护等方面投入大量的资金。 据统计，自投产后到2 0 0 3 年底，平果铝在尾矿治理上的费用累计已超过6 0 0 0 万元 堆场建设费除外 【6 J o 按平果铝目前年产9 2 万吨氧化铝的生产规模加上拟建 三期年产8 0 万吨的生产规模，尾矿量将以每年3 5 0 万吨递增，每年治理尾矿的费 用将在2 0 0 0 万元以上。近年建成的广西华银铝业公司每年的尾矿排放量达3 5 0 万 吨以上，而投资达2 亿多元建设的尾矿堆场只能使用五年，以后每年所需的尾矿 坝维护费和重新建坝的费用另计。 目前对于该尾矿的处理，平果铝仍采用泥浆直接泵送入库、静置、泌干的工 艺。此工艺存在三方面明显缺陷[ 7 1 一是尾矿库建于岩溶地区洼地，矿区内各种 岩溶构造齐备，断层、溶沟溶槽纵横交错，由于岩溶的复杂和不可知性，一旦引 起渗漏，渗径难于查清，堵截量大且极为困难，其带来环境污染问题将非常严重； 二是尾矿在库内泌干，排水固结时间长，滤水通道失效的可能性大；三是尾矿库 建库投资巨大，选址要求高。因此，如何科学合理且经济地处理平果铝洗矿尾矿， 减少土地占用，达到治理环境，增加经济效益，是十分必要的。 1 ．2 国内外关于铝土矿尾矿研究利用现状 1 ．2 ．1 关于平果铝洗矿尾矿研究概况 平果铝洗矿尾矿具有含水量大、颗粒细小、比表面积大等特点，近似于胶体， 硕士学位论文第一章文献综述 很难自然沉降。针对平果铝洗矿尾矿具有的上述特点，我国科研工作者从沉降、 固化、复垦等方面做了大量研究，并取得了一定的成果。 1 平果铝洗矿尾矿沉降研究 吴琼珍、苏汝民等【8 】对平果铝洗矿尾矿的絮凝沉降进行了详细研究，发现采 用分子量大于6 0 0 万的阴离子及非离子型聚烯酰胺处理平果铝土矿洗矿尾矿获 得很好的沉降效果，而碱式氯化铝、聚氯化铝等无机盐絮凝剂的絮凝沉降效果较 差，其原因主要为尾矿中细粒级含量高、矿浆的粘度大等。近年来，对混合用药 研究较多，因为在协同作用下，混合用药可使各药剂的优点得到充分发挥，其絮 凝效果明显由于单一用药。黄健芳、张令芬等【9 】采用淀粉和聚丙烯酰胺混合用药 来对高浊度洗矿水进行沉降试验研究，絮凝效果较佳，沉降泥中的含水量降到 6 0 ％；欧孝夺、曹净等【l o ] N 利用无机絮凝剂聚氯化铝的电荷中和作用使尾矿颗粒 间排斥能减弱，从而增加尾矿颗粒相互间碰撞次数，再加入聚丙烯酰胺，使被中 和的尾矿细粒迅速被吸附和桥连起来，从而形成絮凝体，该法取得的絮凝沉降效 果也非常好。 此外，一些新的絮凝技术及工艺也被应用于尾矿的絮凝沉降研究。刘宝臣【4 】 采用电泳沉降法对洗矿尾矿进行了沉降试验研究，也取得了较好的效果，不过该 工艺目前仍停留在实验室研究阶段，如要现场应用，则需对电泳沉降机理、电泳 法的工业应用技术等方面作进一步研究。 2 平果铝洗矿尾矿固化研究 根据固化理论，以水化反应为主要手段的固结方法，其固结反应大多为硅 酸盐体系和铝酸盐体系。平果铝洗矿尾矿具有细粒级含量高、矿泥含水量大等不 利于沉降固结的特点，但其同时含有可激化的铝、硅、钙等物质，具有形成稳定 的水泥人工石的基本成分，只要补给足量的金属阳离子就能形成具有一定强度的 硬化体，此类硬化体主要为含结晶水高的物质，如水化硅酸钙、水化铝酸钙、钙 矾石等。 杜长学【5 J 对平果铝洗矿尾矿的固化进行了深入地研究。研究发现，由于尾矿 中矿物对水泥水化物的C a 2 和O H 。的吸附和吸收作用较强，如单一用水泥固化尾 矿，水泥的正常水化会受到抑制，无法形成足够胶凝性的水化物，因此强度较低； 当采用石灰作为固化剂时，尾矿的早期强度低，细粒干缩系数大，抗裂性差；当 采用配料比为水泥7 2 ％、石灰5 ％、石膏2 0 ％、硫酸钠3 ％的固化材料，取得的 固化效果较好，成本较低。其主要原理为首先利用水泥提高产品的早期强度， 使其在胶结料的水化反应中起晶核作用；其次石灰则提供过饱和的C a O l q h 液相 环境，使粉煤灰的化学活性得以激活，并作为钙质材料参与同粉煤灰中活性S i 0 2 、 A 1 2 0 3 的水化反应，生成凝胶体。固化反应的早期产物主要是钙矾石，后期以钙 2 硕士学位论文 第一章文献综述 矾石、氢氧化钙、氢氧化铝凝胶以及水化硅酸钙凝胶等为主。 3 平果铝洗矿尾矿复垦研究 平果铝铝土矿储量大、矿床埋藏浅，但矿体较分散，每年因采矿而需征用 大量土地，矿区周围耕地少，土层薄，矿区生态环境脆弱，因此需对采空区进行 复垦，而采矿剥离物常常不能满足复垦场地对复垦材料的需求【9 】。为了使含水量 大的洗矿尾矿能用于矿山的采空区复垦，现场曾采用压滤机对洗矿尾矿进行固液 分离，过滤所得清水回收利用，产生的滤饼则用于采空区复垦。经过实践后，发 现该类滤饼具有颗粒极细、粘塑性指数大、有机质含量低等特点，在复垦应用中 遇水易膨胀，干后则板结、龟裂，透气性差，粉化现象严重。 针对尾矿复垦中出现的问题，罗秀光、马少健等【l l 】采用添加适量粉煤灰和 大豆培肥的方法，对复垦土壤进行改良。该工艺的基本原理为粉煤灰粒度较粗， 偏碱性，有机质含量高，且含有丰富的微量元素，与滤饼混合能够降低滤饼的酸 性和粘性，改善土壤的透气性，能提高土壤肥力；将大豆作为绿肥，能增加复垦 土壤中的有机质含量。对比试验结果表明，在经过培肥熟化后的复垦土层中种植 的农作物产量超过了当地同种农作物的产量，土壤改良效果良好。 张文敏、马彦卿等1 1 2 J 贝l J 将经过固液分离后的尾矿作为采空区的回填材料， 同时利用平果铝采矿的剥离土和底板土作为新耕层的土壤材料，添加2 0 ％屹5 ％ 的粉煤灰来改良新耕层的土壤，综合应用生物技术、菌根技术等，加速土壤熟化 及植被重建，在复垦地区重建了以农业耕地为主、林草优化的人工生态系统，改 善了矿区的生态环境。 1 ．2 ．2 关于其它类型铝土矿尾矿研究概况 国内外铝土矿尾矿性质存在很大的差异，科研人员对于铝土矿尾矿的综合利 用的研究角度是不同的，但出发点都是为了实现铝土矿尾矿综合利用。 1 利用铝土矿尾矿作建筑材料 我国山东铝厂在上世纪6 0 年代开展了利用铝土矿尾矿生产普通硅酸盐水泥 的研究【l 引。当水泥生料中尾矿配比为2 0 ％～3 8 ．5 ％，水泥的尾矿利用量2 0 0 - 4 2 0 k g ／t ，制得的水泥产品与市售普通水泥产品相比，除抗压强度偏低外，其他性能 皆等于或优于市售普通水泥，特别是早期抗压强度、抗折强度和抗硫酸盐侵蚀系 数等方面尤为明显，最终实现产出尾矿的综合利用率达3 0 ％～5 5 ％。有人则利用 铝土矿尾矿作新型墙材，通过向尾矿中加入粉煤灰、页岩等工业废渣和少量的天 然矿物添加剂，然后采用陶瓷制备技术制成新型空心砖，该产品具有质轻、保温、 强度高的特点，符合国家新型建材的技术要求，可以大量消化铝土矿尾矿、节约 土地，同时可以改善环境【1 4 1 。 3 硕士学位论文 第一章文献综述 根据近几年的研究报道，有人以铝土矿尾矿、石英、长石、铬矿渣等为基本 原料，经球磨、熔制、微晶化处理可以制得微晶玻璃，该产品具有耐磨、耐腐蚀、 机械性能好等特点【1 5 】；安松琦【1 6 】则以铝土矿尾矿、粉煤灰为原料制取陶瓷材料， 得到的陶瓷产品具有抗压强度可达6 5 ～1 0 5 M P a 、吸水率达2 ．2 ～3 ．5 ％的良好指标， 生产此建筑陶瓷能实现尾矿利用率可高达到6 6 ％，粉煤灰利用率可达2 2 ％，即对 铝土矿尾矿和粉煤灰两者的利用率高达8 8 ％。 此外，还有人通过向铝土矿尾矿中添加粉煤灰、石灰以及少量的化学添加剂 等，成功配制出低成本、性能优良的道路基层材料，可减少土地的占用，产生显 著的社会效益与经济效益【1 7 , 1 8 1 。 2 利用铝土矿尾矿作充填材料 随着塑料加工及表面处理技术的不断发展，有人对铝土矿尾矿作为塑料充填 材料进行了研究。氧化铝工业中产生的铝土矿尾矿具有粒度细、级配合理、比表 面积大、有活性等特点，能被P V C 聚氯乙烯 严密包裹，而且相互间有P V C “韧带” 联结，使铝土矿尾矿P V C 复合材料的机械性能明显地优于滑石粉、碳酸钙、硅藻 土、高岭土、粉煤灰等材料，除此之外，铝土矿尾矿对P V C 具有显著的热稳定作 用，它与P V C 常用稳定剂并用时具有协调效应，使填充后的P V C 的制品具有优良 的抗老化性能，从而延长制品的寿命，与普通的P V C 制品相比，使用寿命可长2 3 倍，且由于矿泥聚氯乙烯复合塑料具有阻燃性，可将其用于生产建筑型材。解竹 柏进行了铝土矿尾矿充填C P E 防水卷材的研究，以氯化聚乙烯为主要原料，配入 烘干后的铝土矿尾矿泥和适量的稳定剂、增塑剂等制成弹性体防水材料，研究表 明尾矿泥的细度对产品性能影响不大，但含水量的影响较大，因此铝土矿尾矿必 须烘干，如再混入一定比例的陶土则可进一步提高防水卷材的性能【l 昭叭。 除上述填充材料研究外，铝土矿尾矿被用于矿山采空区的填充【2 l 】。山东铝 业公司与长沙矿山研究院合作，在湖田矿区采用泵送铝土矿尾矿胶结充填采矿法 获得成功。通过实践证明，该工艺技术可靠，经济合理，可提高矿石回收率2 3 ％，同时减少采矿坑木消耗，从而降低开采成本，此外还能控制采场地压，保护 地表建筑、铁路等，为顶板不稳定的薄矿层的开采找到了一条比较成功的新路。 矿山充填对充填物的需求量较大，这为铝土矿尾矿大量利用提供了条件，同时减 少尾矿带来的次生环境危害。 3 利用铝土矿尾矿作农业化肥 硅肥是继钾肥、氮肥、磷肥之后的第四大元素肥料，其对多种农作物具有较 好的营养作用，可以改善植物的细胞组织，提高作物果实的品质。铝土矿尾矿中 不仅含有大量S i 0 2 ，还含有植物生长所必需的F e 、M n 、M g 、K 、C u 、Z n 、P 、B 等微量元素，是生产碱性复合肥料的良好原料。近年，国内相关研究院所对利用 4 硕士学位论文第一章文献综述 铝土矿尾矿制备硅肥进行了大量研究，研制出了独特的硅肥添加剂，取得了较好 的社会经济效益。 河南科学院硅肥工程技术中心蔡德龙、钱发军等1 2 2 l 以郑州铝厂的尾矿为主 要原料，通过添加一定成分的添加剂，经混合、干燥、球磨等工艺处理后制得硅 肥，将此种硅肥含有大量的S i 0 2 和C a O 等对花生的生长较为有利的成分，在黄淮 海平原的花生种植的应用，使花生产量获得了较大的提高，同时节约了生产成本。 其它实际应用结果表I 弭[ 2 0 1 ，每亩施硅钙肥7 5 ～1 0 0 k g ，水稻增产8 ～1 3 ％，小麦每亩 施5 0 ～6 0 k g ，增产7 ～1 0 ％，玉米、地瓜、花生、苹果、棉花、蔬菜施用后，均有 增产效果。矿泥硅钙肥与农家肥混合使用效果更好，也可沟施、穴施追肥。大力 发展硅肥，是铝土矿尾矿综合利用的又一可行途径。 4 提取有价金属 随着工业经济发展，今年来我国对矿产资源需求量激增，多种矿石的自给率 不断降低。铝土矿尾矿含有一定量的铁、钪、钛等有价金属元素，如能实现这些 有价金属元素的规模化回收利用，能提高我国相应的矿产资源储备，为我国工业 经济发展提高保障。 近年来，国内外在回收铝土矿尾矿中有价金属方面做了大量研究。M i s h r a ， B ．S t a l e y 等人【2 3 ’2 4 】以焦炭作还原剂对铝土矿尾矿进行了还原炼铁研究，结果表 明采用碳热还原，铁的金属化率超过9 4 ％，进一步熔化可炼得生铁，同时， T i 0 2 在熔化炉渣中得到有效富集，经酸浸出后可从溶液中回收。刘万超1 2 5 1 则在 碳热还原中增加添加剂，使铁的金属化率达到了9 6 ．9 8 ％，回收率为8 1 ．4 0 ％，其 产品铁含量高，硫、硅、磷等杂质含量低，达到直接还原铁的相关质量标准，可 用于稀释废钢中积累的杂质成分。于先进【2 6 】采用酸浸法对铝土矿尾矿中的铁矿 物作浸出处理，用碱液沉淀浸出液中铁离子，然后经5 0 0 ℃下烧结、水洗等工艺 处理，可制得几乎纯净的F e 2 0 3 。 硕士学位论文第一章文献综述 再采用离子交换法从其浸出液中分离钪、镧系元素，在此研究中，他们确定了酸 浸过程中的固液比、硝酸的浓度和浸出液酸度控制等参数，并进行溶剂萃取富集 提纯钪和稀土的半工业化试验。 1 ．3 絮凝剂种类及研究进展 1 ．3 ．1 絮凝剂分类 絮凝剂是一种能使水溶液中的溶质、胶体或悬浮物颗粒脱稳而产生絮状物或 絮状沉淀物的药剂。絮凝剂的分类方法有多种，按照絮凝剂的化合物类型来分， 可将其分为无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂三大类。其中，无机絮凝剂 包括无机低分子型、无机高分子型以及无机高分子复合型；有机絮凝剂又可分为 天然有机高分子型和合成有机高分子型。按絮凝剂的化合物类型进行的分类见表 l l 。 表1 ．1 絮凝剂的分类【3 2 1 1 ．3 ．2 常规絮凝剂的发展 人类使用絮凝剂的历史悠久，最初古人使用的絮凝剂为简单的有机絮凝剂， 它们主要是植物的汁液，如古印度人、古埃及人以及我国古人有分别使用甜扁桃 汁、仙人掌汁等净化饮用水的记录【3 3 】。随着人类社会的发展，科学技术不断进 步，絮凝剂也从简单的植物汁液逐渐变为无机盐低分子絮凝剂。考古研究表明， 早在古希腊时期，无机絮凝剂就开始被用于水处理，我国在明代也有使用明矾 A 1 2 S 0 4 3 “ K 2 S 0 4 2 4 H 2 0 净水的记录。无机盐絮凝剂的絮凝效果明显优于简单的 植物汁液，使用简单方便，应用范围更广，更能满足近代工业发展的需求，因此 其发展迅速及应用较广。1 8 2 7 年西方国家第一次利用硫酸铝进行水的絮凝试验； 1 8 8 4 年美国人海亚特取得了以硫酸铝预处理滤池水的专利权；1 8 8 7 年美国对预分 离出氢氧化铁沉渣的箱形过滤装置颁发了专利；2 0 世纪初，投加絮凝剂进行运行 的快滤池用于给水工程实践中瞰】；2 0 世纪3 0 年代三氯化铁及硫酸铁被广泛应用 6 硕士学位论文 第一章文献综述 于水处理【3 5 1 。二战结束后，全球进入进入一个相对和平建设时期，全球工业经 济发展及城市化迅速，水资源缺乏、环境污染等问题日益突出，这些的问题的存 在极大地促进了絮凝剂的发展，絮凝剂种类逐渐增多，化学絮凝科学理论和研究 方法日渐完善，目前絮凝剂正朝着高效、低毒、低残留量等方向发展。 1 ．3 ．3 无机高分子絮凝剂的发展 无机高分子絮凝剂 I n o r g a n i cp o l y m e rf l o c c u l a n t ，I P F 是以常规絮凝剂类似 的原料但经不同工艺制备而成的产品，常被称为第二代絮凝剂，其成分组成