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技术知识

聚丙烯酰胺在矿冶领域的应用

时间:2021-05-11 08:50:30点击:0

聚丙烯酰胺在矿冶领域的应用

近年来有色金属行业认真贯彻落实科学发展观和各项宏观调控政策,积极发挥市场在资源配置中的作用,努力化解经济运行中的突出矛盾和问题,积极推动有色金属工业又好又快发展。2007年,10种常用有色金属产品产量达到2360万t,连续6年位居世界前列。我国有色金属行业的整体实力和在国际市场的影响力、竞争力及抗风险能力日趋增强,我国有色金属生产及消费大国的地位正越来越引起国际同行业的关注。

在国外,聚丙烯酰胺在矿业领域的应用比较普遍,我国的应用是在近年矿产资源的大力开发过程中、在国家对节能减排措施日益加强的情况下,有色金属工业寻求技术进步和科技创新、发展循环经济,保持快速、平稳、健康发展的过程中逐步发展起来。聚丙烯酰胺在矿业领域的成功应用,给这一领域带来了可观的经济利益和社会效益,聚丙烯酰胺在这一领域的使用量正在逐步增加,应用前景非常广阔。

概述

在矿业领域聚丙烯酰胺的应用主要涉及到采矿、选矿、冶金等矿物加工过程。在这些过程中需要使用大量的水,需要从水溶液中有效分离出固体矿物。使用适当剂型、适当用量的水溶性高分子聚合物聚丙烯酰胺,可以加速细粒物料的浓缩和提高过滤效率,从而达到很高的分离效果和提高设备的生产能力、减少有用矿物的流失、提高产率,加快尾矿废水的回用等目的。随着矿产资源的开发利用纵深发展,如何提高生产效率、节约能源、降低消耗、较大限度地利用有限的矿产资源,减少浪费已经成为目前矿业领域追求的目标。聚丙烯酰胺在这一领域的合理应用很大地推动了矿产资源的合理开发利用。

聚丙烯酰胺产品作为矿冶生产中助凝剂、絮凝剂、脱水剂,广泛应用于采矿、选矿、矿冶污水处理、矿泥脱水处理等过程。目前已经成功应用于铁矿、铜矿、金银矿、钼矿、钒铀矿等行业矿冶领域,包括煤矿、铜矿、金矿、铝矿等的选矿;氧化镁、锌、钢铁、铝冶炼废水的处理;部分有色金属湿法冶炼和稀土元素的提取过程中也发挥着重要的作用。

铀矿提取是聚丙烯酰胺较早的重要应用领域之一,用酸或磺酸盐溶液沥取铀矿石时,在沥取物的浓缩和过滤中,添加聚丙烯酰胺处理非常有效。随着矿产资源的合理开发,聚丙烯酰胺在矿业领域也发挥着越来越重要的作用。

作用机理及功能

聚丙烯酰胺在矿冶领域的应用机理主要是基于聚丙烯酰胺的酰胺基(一CONH2)可与许多物质亲和、吸附形成氢键。高分子量的聚丙烯酰胺在被吸附的粒子间形成桥联,使数个甚至数十个粒子连在一起,生成絮团,加速粒子下沉,这使它成为较理想的絮凝剂。阴离子型、阳离子型和两性型聚丙烯酰胺除了有以上作用外,还能同水中的胶体粒子或离子发生吸附、架桥及电性中和作用,形成较大的絮凝物,使悬浮物沉降或浮上,从而达到矿物细颗粒和水有效分离的目的。

在矿冶领域的应用

1、在矿物加工过程中的应用

采矿过程中,通常使用大量水,最后常需回收水中的有用固体,并将废水净化回收使用。应用聚丙烯酰胺絮凝,可促进团粒下沉、液体澄清和泥饼脱水,从而可提高生产效率,减少尾矿流失和水消耗,降低设备投资和加工成本,并避免环境污染。

目前聚丙烯酰胺已经广泛应用于金、银、铜、铝、铅、锌等选矿领域。在这些过程中需要使用大量的水,从水溶液中有效分离出矿物固体,使用聚丙烯酰胺作絮凝剂或助滤剂。适当剂型、适当用量的聚丙烯酰胺可促使有用的固体矿物很快下沉,因此浓密机得以在大量矿物处理过程的精矿和尾矿系统应用,聚丙烯酰胺的使用能够加速细粒物料的浓缩和提高过滤效率,从而提高了矿物和水的分离效果、提高生产效率、减少尾矿流失和降低生产运行成本。

下面通过某选矿厂在精矿和尾矿系统中絮凝剂的选型试验,来说明聚丙烯酰胺絮凝剂在矿物加工过程中的应用。某选矿厂尾矿系统絮凝剂的选矿试验:

(1)絮凝剂的选型试验

将现场取回的尾矿浆加入500mL容器中,根据工业应用常用量50g/t干泥量,依次加入絮凝剂溶液,记录不同时间矿泥下沉刻度,观察上清液澄清度等试验现象,结果如表1。

表1 絮凝剂选型试验结果

药剂序号 药剂用量 矿泥下沉刻度/mL 上清液澄清度对比
    10min 20min  
1# 50g/t干泥量 304 272 3#>2#>1#>4#
2#   340 300  
3#   270 245  
4#   400 342  
空白 / 430 380 混浊

依据试验现象及试验结果,在该试验中3#絮凝剂絮凝效果好,沉降速率快,因此在该系统中可以选择3#絮凝剂在浓密机模拟装置上进行较佳用量的选择试验。

(2)絮凝剂较佳用量试验

将现场取尾矿浆加入浓密机模拟装置,加入絮凝剂,开始以秒表准确记录矿泥刻度与时间的对应值,得到不同絮凝剂用量下矿泥的沉降速度,作沉降速率-时间曲线如图1。

图1 沉降速率-时间关系图

根据试验数据及工艺设计要求,选取能达到生产要求的絮凝剂用量,即可进行浓密机中的工业试验,最终得到合理的使用量。絮凝剂在精矿沉降过程中的选型过程与尾矿类似。根据矿物所处的介质不同,聚丙烯酰胺在矿物加工领域的使用量在10-200mg/t干泥量之间。

通过大量现场应用试验可以看出,聚丙烯酰胺絮凝剂的加入可以明显加快矿物细颗粒和水的分离速度,明显提高上清液的澄清度,达到很高的分离效果和提高设备的生产能力、减少有用矿物的流失、提高产率,加快尾矿废水的回用等。

2、在部分有色金属冶炼过程中的应用

金属的冶炼采用火法和湿法两种冶炼方法。湿法冶炼需要在pH值范围变化较大、温度较高的溶液中分离出细颗粒矿物,经过大量实践证明,适当剂型的聚丙烯酰胺在部分金属的湿法冶炼过程中合理应用,可以达到令人满意的分离效果。例如,适当剂型的聚丙烯酰胺应用于铅锌湿法冶金炼过程中,能促进浆液的快速沉降和澄清,使澄清溢流液澄清度好,固含量低,满足生产需要。目前,国内绝大部分锌冶炼企业采用“焙烧-低酸浸出-电积,挥发窑处理浸出渣”的湿法炼锌工艺。聚丙烯酰胺絮凝剂应用于湿法炼锌行业,能够有效增强脱除杂质能力、提升最终产品质量、降低原辅材料和能源消耗、提高金属回收率、便于有价金属的综合回收,是我国目前新建湿法炼锌企业的主流生产方式。图2为湿法炼锌工艺低酸浸出工序中聚丙烯酰胺絮凝剂的使用示例。

图2 湿法炼锌工艺中浸出工序流程图

聚丙烯酰胺絮凝剂应用于湿法炼锌行业,解决了我国锌冶炼工业普遍存在的因工艺原因导致的资源综合利用低的问题,提高了我国锌资源综合利用率,为促进我国锌冶炼工艺的技术进步和产业升级起到积极作用。

3、在氧化铝生产过程中的应用

在氧化铝生产赤泥沉降中,聚丙烯酰胺作为一类较广泛的絮凝剂从20世纪80年代起就开始有应用。在拜耳法、烧结法或联合法处理一水硬铝石、三水铝石或混合型铝土矿的氧化铝生产工艺过程中,溶出后的赤泥浆液是一种由铝酸钠溶液和不同粒级的赤泥颗粒组成的分散物系,即赤泥悬浮液。这种悬浮液只有通过沉降分离,叶滤机过滤才能得到满足分解条件的铝酸钠溶液,最终分解出品质较高的氧化铝产品。

图3 氧化铝生产工艺流程图

氧化铝行业中需要将浸出的浆液迅速进行固液分离,而浆液中稳定的分散着大量带正电荷的悬浮粒子,沉降速度慢,直接影响浓密机浓缩溢流操作,加入适当剂型的聚丙烯酰胺絮凝剂可使悬浮粒子电性中和,微颗粒絮成大团,而促进快速沉降和得到符合要求的溢流清液,满足生产需要。

聚丙烯酰胺絮凝剂在碱石灰烧结法氧化铝生产工艺中的应用如下:氧化铝生产中合成高分子絮凝剂的应用较为普遍。合成高分子絮凝剂与赤泥易形成多点吸附,这缘于赤泥中非平衡态的固体表面有阳离子,而絮凝剂中羟基、羧基等水解后产生的阴离子能形成较强的作用力,絮凝剂与赤泥产生吸附后,形成絮团,通过重力场的作用进行沉降,达到液固分离的目的。

4、在稀土元素制备过程中的应用

稀土元素具有丰富的物理化学性质,它的用途较为广泛,可用于医疗领域、陶瓷领域、农用领域、永磁体领域、玻璃领域等等。此外,稀土元素还具有丰富的光学、电学及磁学特性,在新材料领域,得到了广泛应用。在高技术领域,稀土新材料发挥着重要的作用。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。

溶剂萃取和离子交换是目前分离稀土的较好方法。稀土元素的制备是一个相当复杂的过程,首先利用化学处理从氟碳镧矿或独居石中获得稀土氯化物或氧化物的混合物,然后再进行单一稀土元素的分离和提取,主要方法有溶剂萃取法。利用稀土元素在水和有机溶剂中分配的不同,将稀土的盐类与有机相及水相多次接触,不断地进行再分配而将它们一一分离。在这个过程中部分伴生的金属元素难以通过上述方法完全除去,因此造成产品纯度低,影响稀土元素的应用效果。在生产过程中根据部分工艺条件的变更,添加其他助剂使少量杂质形成少量细小颗粒,加人适当剂型、适当用量的聚丙烯酰胺使少量杂质细小颗粒絮凝、分离除去,达到纯化稀土元素的目的。

5、钛白粉行业的应用

钛白粉的生产工艺中,也要使用絮凝剂将浸出的钛液进行沉降。钛白粉的生产工艺的沉降过程中,酸解浸取、还原以后的体系是一个复杂的体系,含有可溶性杂质和不溶性的杂质。铁、钒、铬、锰等金属的硫酸盐为可溶性的杂质,在结晶或水解、水洗的过程中除去。不溶性杂质中的大多数,如未分解的钛矿、沙粒等靠重力的作用可以自然沉降除掉。不溶性杂质中的另一部分是硅和铝的胶体化合物,以及一些早期水解了的钛,虽然数量并不大,但具有很高的动力稳定性,需要加入适当剂型的聚丙烯酰胺絮凝剂,强化沉降澄清过程。在钛白粉的生产过程中合理使用聚丙烯酰胺絮凝剂,简化了使用环节,直接降低了生产成本,具有沉降速度快、工艺简单、生产成本低等优点。

6、洗煤行业的应用

在煤炭洗涤过程中产生了大量的煤粉,均匀地分散在水中,需要经浓缩机浓缩沉降来回收。絮凝剂在沉降过程中,其具有的吸附架桥作用可将悬浮在水中的煤粉颗粒絮凝而加速沉降,达到固液分离的目的,溢流出的清水还可循环使用。

普通聚丙烯酰胺的酰胺基(-CONH2)与煤泥粒子亲和、吸附形成氢键,同时高分子链在被吸附的粒子间形成桥联,对粒度大、灰分低的原生煤泥沉降效果较好,而对粒度细灰分高的浮选尾煤絮凝效果稍差,这种差别主要是煤泥的粒度特性造成的。离子型聚丙烯酰胺对两种

煤泥水的絮凝效果差别较大,对粒度细灰分高的浮选尾煤絮凝效果好于粒度大灰分低的原生煤泥,这是由于粒度细灰分高的浮选尾煤中富含高岭土等硅酸盐类胶体粒子,该类胶体粒子表面带有较强的负电荷。这时,聚丙烯酰胺的作用除了前面讨论的吸附、架桥和絮凝外,电性中和起了主要作用。因而离子型聚丙烯酰胺适合处理粒度细、灰分高的浮选尾煤。

在洗煤行业中不同类型的聚丙烯酰胺,其絮凝效果有差别。对煤泥水处理而言,同时要考虑煤泥水的性质,选择不同类型的聚丙烯酰胺,调整其阴离子度或阳离子度。

展望

聚丙烯酰胺在矿冶领域的应用范围比较广,由于矿业领域涉及的介质成分复杂,颗粒分布范围广,pH值变化范围大(强酸强碱溶液居多),有些介质温度较高,在诸多不利的客观因素影响下,致使聚丙烯酰胺在这一领域的应用变得复杂。大量实践证明,普通聚丙烯酰胺在多数情况下难以达到预期的目的,一般情况下需要根据使用介质、使用地点进行剂型选择试验来确定合适的剂型和初步使用量,再进行工业化动态试验来确定较佳投药点和较佳投药量。

针对在这一领域的应用,聚丙烯酰胺的复杂性导致推广应用的困难,建议在实际应用中能从如下两方面开展工作。

1、专用絮凝剂的推广

针对聚丙烯酰胺在矿冶领域应用所面临的实际情况,在多年实践的基础上,聚丙烯酰胺絮凝剂生产企业在矿冶领域推广应用产品的过程中,应该在具备各种离子型的产品剂型和部分共聚产品的生产技术和生产能力的基础上、根据矿石特性和使用介质,在初步选型结束后,具有随时根据使用效果,调整产品配方、改变产品某些特性的技术能力,逐步做到针对不同的矿物介质和不同的矿物加工工艺为使用厂家提供专用的絮凝剂产品、协助使用厂家确定较佳的加药点等相关技术服务工作,以利于聚丙烯酰胺絮凝剂在矿冶领域应用范围的不断拓展。

2、精细化发展战略

聚丙烯酰胺絮凝剂的生产厂家,为了在矿业领域推广产品,应该采取精细化的发展方向,精细化战略的前提就是技术开发和技术创新、产品创新。企业还要不断吸收这一领域的新知识、新思路、新产品、新技术。同时,要在加强自身技术队伍和技术开发能力上下功夫,将工艺开发、应用开发的主力军角色担负起来,具备聚丙烯酰胺这一精细化工产品的多品种生产技术,拥有灵活便捷的、易于改变剂型的生产工艺,拥有掌握技术、熟悉聚丙烯酰胺絮凝剂产品性能的开发推广人员,以“专用絮凝剂”为指导思想,以矿产资源的合理开发利用为契机,不断拓展聚丙烯酰胺絮凝剂在矿业领域的应用范围。