濃密機(jī)中不等質(zhì)礦物顆粒有序混凝的理論分析

612 編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng) 來源：北京礦冶研究總院、北京市高效節(jié)能礦冶技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心

2023-06-06 16:50:23

1.前言

中國(guó)是世界上尾礦庫(kù)數(shù)量和尾礦存放量最多的國(guó)家之一，尾礦的大量堆積帶來資源、土地、環(huán)境和安全等諸多問題，逐步成為礦山企業(yè)必須面對(duì)和解決的難題。濃密沉降技術(shù)是礦山、冶金、化工、環(huán)保、水處理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的漿液濃縮技術(shù)，隨著礦山資源的貧化，有用礦物堪布粒度的細(xì)化，選礦工藝過程要求礦物粒度更細(xì)，加劇了礦漿濃縮和脫水的難度;工業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大，也需要高效率的濃縮作業(yè)。研究開發(fā)高效混凝沉降技術(shù)，可以獲得較高的混凝效率和較密實(shí)的沉降顆粒，能夠減少藥劑消耗，也有利于后續(xù)礦漿脫水作業(yè)。同時(shí)較小的設(shè)備體型可以減少占地面積，節(jié)約基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用等。

目前關(guān)于混凝機(jī)理的研究主要圍繞顆粒與藥劑的作用、紊流剪切碰撞以及分形維數(shù)三方面進(jìn)行。這些更多地是應(yīng)用在水處理研究中，而對(duì)于礦物顆粒的處理雖有相似性，也存在著很大的差異性，至今仍沒有一個(gè)完整而有效的絮凝沉降機(jī)理的研究成果。以往的研究中都將顆?？醋魇蔷鶆虻?，及顆粒的大小和重量是等質(zhì)的。而實(shí)際生產(chǎn)中，礦物等固體顆粒分布在不同的多個(gè)粒級(jí)中，各個(gè)顆粒的大小和質(zhì)量是不同的，即不等質(zhì)顆粒。不等質(zhì)顆粒有序混合凝聚在一起，可以充分利用顆粒間的間隙，增加絮體的密實(shí)度，從而提高其沉降速度和后續(xù)脫水效率。這將成為濃密機(jī)設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。等質(zhì)無序混凝與不等質(zhì)有序混凝示意圖如圖1所示。

顆粒由等質(zhì)無序到不等質(zhì)有序混凝的示意圖

圖 1 顆粒由等質(zhì)無序到不等質(zhì)有序混凝的示意圖

2.初期沉降理論的發(fā)展

自20世紀(jì)初期開始，人們從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論的角度對(duì)沉降過程進(jìn)行了分析研究，首先是Hazen在1904年對(duì)影響固體顆粒在稀水懸浮液中沉降的一些因素進(jìn)行了初次分析，到1908年已有學(xué)者提出了影響沉積過程的相關(guān)參量，1916年Coe和 Clevengey利用極限稀度參數(shù)對(duì)濃密機(jī)中的沉降過程進(jìn)行了定量數(shù)學(xué)描述。英國(guó)數(shù)學(xué)家Kynch G.J于1952年在其“沉積理論”中提出了一種基于濃度波在懸浮液中傳播的沉積過程運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，而沉積物壓縮的特殊動(dòng)力學(xué)理論則由Adoryjan在1975年提出，之后的Kos等人于 1977 年采用混合理論建立了沉積過程的表象學(xué)模型，這為分批及連續(xù)的沉積過程確定了邊界值[1-3]。以上這些理論都曾用于常規(guī)濃密機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用中。

然而，隨著生產(chǎn)條件的限制以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求等，越來越多礦業(yè)公司傾向于以高濃度甚至是膏體的形式來處理尾礦，這就對(duì)高效濃密提出了現(xiàn)實(shí)需求，而混凝劑的添加為這一工藝的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。采用混凝技術(shù)能夠使固體顆粒間產(chǎn)生凝聚和絮團(tuán)，從而在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)與清水分離并快速沉降[4]?；炷两导夹g(shù)作為一種簡(jiǎn)便、高效的尾礦處理方法得到越來越多的重視，成為礦業(yè)、環(huán)保和輕工等領(lǐng)域進(jìn)行固液分離的重要技術(shù)之一[5,6]。國(guó)內(nèi)外的科研人員隨之在混凝劑的研發(fā)和混凝劑的作用機(jī)理兩個(gè)方面進(jìn)行了大量的研究，由此帶來了混凝(沉降)理論與技術(shù)的發(fā)展，并將人類帶到了一個(gè)新的科技領(lǐng)域。

20世紀(jì)早期的有關(guān)混凝理論主要以物理理論為基礎(chǔ)，自Derjaguin、Landau、Verwey和 Overbeek 根據(jù)經(jīng)典膠體化學(xué)理論的Gouy-Chapman雙電層模型建立了DLVO理論 [7,8]，物理與化學(xué)作用理論開始相互結(jié)合。此后研究混凝的微觀物理化學(xué)作用機(jī)理并強(qiáng)調(diào)微觀物理化學(xué)過程的理論得到迅速發(fā)展。

3.紊流渦旋理論與分形維數(shù)的提出

值得一提的是1941年Kolmogoroff根據(jù)各向同性紊流理論，提出了紊流條件下顆粒碰撞速率公式，并指出紊流的渦旋中存在一個(gè)最小尺度，即Kolmogoroff 微渦旋理論[9,10]。兩年后的1943年Camp和Stein對(duì)層流條件下同向絮凝模型進(jìn)行了推導(dǎo)，提出混凝動(dòng)力學(xué)速度梯度[11]，小尺度渦旋可提供足夠大范圍的速度梯度。1962年，Levich基于紊流擴(kuò)散理論，導(dǎo)出紊流條件下絮凝速率公式[12]。而早在1917年Smoluchowski就曾提出了離散型絮凝動(dòng)力學(xué)方程。1966年，F(xiàn)riendlande和Wang在Smoluchowski方程的基礎(chǔ)上，提出了粒子尺寸的連續(xù)分布碰撞模型[13]。1991年，Jiang 結(jié)合分形理論提出了新的顆粒碰撞頻率模型[14]。1998年Serge Stoll等用計(jì)算機(jī)模擬并建立了聚合物的巨大線性鏈狀結(jié)構(gòu)與膠體顆粒間架橋絮凝的二維、三維模型[15]，為混凝絮體的分形研究提供了新的研究手段。2000年Du和James等在Jiang和Logan研究的基礎(chǔ)上，提出了顆粒直線碰撞下的聚合分形球體模型，簡(jiǎn)稱CFS模型，該模型的提出使碰撞頻率函數(shù)更適合于數(shù)值模擬[16]。2001年Higashitani等對(duì)二維和三維剪切流場(chǎng)下的絮凝體變形和破碎過程進(jìn)行了研究，揭示了分形維數(shù)與絮體密實(shí)程度的關(guān)系[17,18]。

4.微渦旋增密技術(shù)的實(shí)踐探索

利用微渦旋理論實(shí)現(xiàn)顆粒的混凝沉降技術(shù)發(fā)源于國(guó)外，而我國(guó)學(xué)者的相關(guān)研究又將其推進(jìn)了一步。1991年王紹文從混凝動(dòng)力學(xué)角度對(duì)微渦理論進(jìn)行了探討，指出持續(xù)離心作用能夠引起準(zhǔn)勢(shì)流區(qū)外側(cè)礬花顆粒增密，從而加速了混凝過程的進(jìn)行 [19]。1998年其在“慣性效應(yīng)在絮凝中的動(dòng)力學(xué)作用”一文中推導(dǎo)出渦旋的加速度(單位質(zhì)量慣性力)隨渦旋尺度減少而增加，認(rèn)為湍流中的微小渦旋的離心慣性效應(yīng)是絮凝的重要的動(dòng)力學(xué)致因[20]。2000年武道吉等人對(duì)Kolmogoroff渦旋微尺度進(jìn)行了詳細(xì)研究，指出渦旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力和離心慣性力是絮凝顆粒發(fā)生接觸碰撞的主要作用力，而渦旋剪切力是絮凝反應(yīng)的主導(dǎo)動(dòng)力[21]。近幾年湛含輝等人還對(duì)流體力場(chǎng)對(duì)絮凝(沉降)中的化學(xué)反應(yīng)影響機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了基于機(jī)械力化學(xué)的流體力學(xué)化學(xué)概念，同時(shí)認(rèn)為有關(guān)混凝反應(yīng)機(jī)理的研究重點(diǎn)應(yīng)該是研究流體中顆粒與藥劑的作用機(jī)理(或者說流體剪切力對(duì)顆粒與藥劑發(fā)生作用的影響) [22,23]。

除了20世紀(jì)早期國(guó)外研究者對(duì)沉降過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的研究外，人們?cè)诤髞碇两竦暮荛L(zhǎng)一段時(shí)間里，一直把注意力都放在混凝(沉降)過程的動(dòng)力學(xué)研究上，而對(duì)于混凝(沉降)過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的主題性研究幾乎沒有。然而人們?cè)诨炷^程動(dòng)力學(xué)研究中已經(jīng)或多或少地涉及到了一些運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，只是沒能集中對(duì)其做出理論性研究。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度出發(fā)對(duì)混凝機(jī)理的進(jìn)行研究，借助顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)特性，建立起動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和微粒化學(xué)三者的有機(jī)聯(lián)系，可為混凝(沉降)提供最佳的物理化學(xué)環(huán)境，這將更適合于不等質(zhì)礦物顆粒的絮凝沉降。

5.利用微渦實(shí)現(xiàn)有序混凝的可行性

有研究人員指出絮凝效果的好壞取決兩個(gè)因素：混凝劑水解后產(chǎn)生的高分子絡(luò)合物形成吸附架橋的聯(lián)結(jié)能力，這是由混凝劑的性質(zhì)決定的;微小顆粒碰撞的幾率和如何控制它們進(jìn)行合理的有效碰撞，這是由構(gòu)筑物創(chuàng)造的流動(dòng)條件所決定的[20]，兩個(gè)因素的相互關(guān)系決定了絮體顆粒尺度與其密實(shí)度。流體在迅速攪動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生被稱為渦流擴(kuò)散的局部對(duì)流擴(kuò)散，渦流運(yùn)動(dòng)存在著一個(gè)最小渦流尺度，即Kolmogoroff微尺度，渦流的最小尺度可達(dá)10-5m量級(jí)[24,25]，因而在混凝過程運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究中可從湍流微結(jié)構(gòu)的尺度，即從亞微觀尺度上進(jìn)行研究。湍流亞微觀傳質(zhì)研究尺度的量級(jí)遠(yuǎn)小于宏觀尺度的量級(jí)，遠(yuǎn)大于微觀尺度的量級(jí)，是與湍流微渦旋尺度量級(jí)相當(dāng) [26]。武道吉根據(jù)水處理混合工藝中的施能水平為250~1000 W·m-3，曾推導(dǎo)出kolmogoroff渦旋微尺度λ為44.7-31.6×10-6m[27]。這一尺寸恰好落在了常規(guī)礦物顆粒的處理粒度范圍內(nèi)，為利用渦旋實(shí)現(xiàn)常規(guī)礦物顆粒的有序混凝(沉降)提供了條件。kolmogoroff的微渦旋理論已被應(yīng)用于混凝動(dòng)力學(xué)的研究中，并提出當(dāng)?shù)\花顆粒直徑與計(jì)算出的最小渦旋特征尺度相近時(shí)，混凝效果最佳[28]。這一該結(jié)論雖未從動(dòng)力學(xué)成因上對(duì)混凝反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行明確的解釋，但卻在運(yùn)動(dòng)學(xué)成因上為我們研究新的混凝沉降理論給出了啟示。

有學(xué)者曾利用顆粒運(yùn)動(dòng)方程，分析了顆粒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的碰撞絮凝，提出渦旋慣性離心力和剪切力是顆粒接觸絮凝的主要?jiǎng)恿σ蛩?，湍流過渡區(qū)控制絮體的成長(zhǎng)尺度和密度[29]。還有學(xué)者在形成有序渦旋的旋轉(zhuǎn)水流中，將流動(dòng)分為兩個(gè)區(qū)：靠近旋轉(zhuǎn)中心的似固區(qū)和靠外側(cè)的準(zhǔn)勢(shì)流區(qū)，而持續(xù)離心作用能夠引起準(zhǔn)勢(shì)流區(qū)外側(cè)礬花顆粒的增密作用[19]。隨著絮凝過程的不斷進(jìn)行，顆粒尺度增加，其密度會(huì)迅速降低，顆粒徑向運(yùn)動(dòng)速度也相應(yīng)降低[29-33]。從質(zhì)量上講，絮狀體的質(zhì)量M與它的半徑r(假設(shè)絮狀體為球形)的關(guān)系為M∝rδ，這種現(xiàn)象的可能的解釋是所研究的絮狀體為分形[34]。而增設(shè)擾流裝置，改善紊流結(jié)構(gòu)，控制其流體剪切力方式，就能最大程度得到較高值的分形維數(shù)的絮體 [35]。

6.結(jié)語

以上研究都側(cè)重于通過動(dòng)力學(xué)碰撞分析，研究顆粒與藥劑的物理化學(xué)反應(yīng)效率，研究的對(duì)象都是勻質(zhì)顆粒，自然也不存在不同大小顆粒的排列凝聚，而絮體密實(shí)程度則主要是根據(jù)分形維數(shù)去評(píng)判，也很難去有效控制，但這些研究在不同程度上都為不等質(zhì)顆粒的有序混凝沉降奠定了基礎(chǔ)。以實(shí)踐生產(chǎn)中存在的不等質(zhì)顆粒為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)結(jié)合的方式，誘導(dǎo)顆粒在混凝過程中進(jìn)行有序排列，為大小不同、質(zhì)量不等的顆粒與藥劑的碰撞結(jié)合創(chuàng)造理想環(huán)境，不僅增加絮體顆粒的大小，更強(qiáng)調(diào)對(duì)絮體顆粒密實(shí)度的影響作用，即人為干涉來提高絮體的分形維數(shù)。借助微渦旋的產(chǎn)生與控制技術(shù)，將紊流碰撞、藥劑作用、分形維數(shù)等以往研究有機(jī)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)混凝沉降過程中不等質(zhì)顆粒的有序混凝，將變革現(xiàn)有濃密機(jī)的設(shè)計(jì)理念，促進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域在濃密技術(shù)上的大發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]F·康查，張興仁，雨田. 20世紀(jì)濃縮技術(shù)發(fā)展史[J]. 國(guó)外金屬礦選礦，2004，(10)：4-11.

[2]G.J.Kynch. A theory of sedimentation[J], Trans. Faraday Soc., 1952,48, pp 166-176.

[3]W. P. Talmage , E. B. Fitch. Determining Thickener Unit Areas[J]. Ind. Eng. Chem., 1955, 47 (1), pp 38–41.

[4]湛含輝，羅彥偉. 高濃度細(xì)粒煤泥水的絮凝沉降研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，(2)：76-79+83.

[5]張去非. 絮凝劑的種類及其在尾礦沉降中的應(yīng)用[J]. 金屬礦山，2008，(6)：69-72.

[6]顧夏聲. 水處理工程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1985：100-120.

[7]Verwey, ejw, Overbeek, J. Th. G., Theory of the Stability of Lyophobic Colloids. pp:66±76, Elsevier, Amsterdam, 1948.

[8]Robert J, Hunter. Foundations of Colloid Science[M] . Australia: Oxford University Press, 2001.

[9]Kazunori Noguchi, Iehisa Nezu. Particleeturbulence interaction and local particle concentration in sediment-laden open-channel flows. Journal of Hydro-environment Research 3[J]. 2009: 54-68.

[10]Bachelor G K. The Theory of Homogeneous Turbulence [M], New York: Press Syndicate of the University of Cambridge. 1953.

[11]D N Thomas, S J Judd, N Fawcett. Flocculation modeling A review. Wat Res , 1999，33 (7):1579-592.

[12]Levich V G. Physicochemical Hydrodynamic Prentice Hall [J]. Englewood Cliffs N. J. 1962:116-120.

[13]S. K，Wang, C. S. . Journal of Colloid and Interface Science [J]. Friedlander, 1966, (22):126-132.

[14]JIANG Q, LOGANB E. Fractal dimensions of aggregates determined from steady-state size distributions [J]. Environ Sci Technol, 1991, 25(12): 2031-2038.

[15]Serge Sto1l,Jacques Buffle. Computer simulation of flocculation processes: the roles of chain conformation and chain/colloid concentration ratio in the aggregate structures [J], Colloid Interface Sci, 1998, 205(2): 290-304.

[16]DU G L, JAMES S B, LAURIE S G. Modeling coagulation kinetics incorporating fractal theories: a fractal rectilinear approach [J]. Wat Res, 2000, 34(7):1987-2000.

[17]Higashitani K,Iimura K,Sanda H. Simulation of deform anon and breakup of large aggregates in flows of viscous fluids. Chem Eng Sci, 2001, 56(9): 2927-2938.

[18]王曉輝. 淺談高懸浮物廢水處理研究中存在的不足[J]. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012年第18卷第1期：15-19.

[19]王紹文，姜安璽，孫喆. 混凝動(dòng)力學(xué)的渦旋理論探討(上)[J]. 中國(guó)給水排水，1991，(1)：4-7.

[20]王紹文. 慣性效應(yīng)在絮凝中的動(dòng)力學(xué)作用[J]. 中國(guó)給水排水,1998,(2)：13-16.

[21]武道吉,王新文,修春海. 絮凝動(dòng)力致因分析[J]. 山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，(1)：1-4.

[22]湛含輝. 混凝(沉降)反應(yīng)的最新實(shí)驗(yàn)成果與研究方向[J]. 選煤技術(shù)，2004，(2)：10-11.

[23]湛含輝，龍小兵，湛雪輝. 流體力化學(xué)原理[M]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2007.

[24]潘祖仁，翁志學(xué). 懸浮聚合[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997：193-230.

[25]武道吉，譚鳳訓(xùn)，修春海，王新文，張華. 混合動(dòng)力學(xué)機(jī)理及控制指標(biāo)研究[J]. 中國(guó)給水排水，2000，(1)：54-56.

[26]王紹文. 亞微觀傳質(zhì)在水處理反應(yīng)工藝中的作用[J]. 中國(guó)給水排水，2000，(1)：30-32.

[27]武道吉，張永吉，李圭白，譚風(fēng)訓(xùn). 湍流混合動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2003，(6)：706-709.

[28]王紹文，姜安璽，孫喆. 混凝動(dòng)力學(xué)的渦旋理論探討(下)[J]. 中國(guó)給水排水，1991(4)：8-11.

[29]許保玖. 給水處理理論[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000：160-209.