浓密机中不等质矿物颗粒有序混凝的理论分析

471 编辑：中冶有色技术网来源：北京矿冶研究总院、北京市高效节能矿冶技术装备工程技术研究中心

2023-06-06 16:50:23

1.前言

中国是世界上尾矿库数量和尾矿存放量最多的国家之一，尾矿的大量堆积带来资源、土地、环境和安全等诸多问题，逐步成为矿山企业必须面对和解决的难题。浓密沉降技术是矿山、冶金、化工、环保、水处理等领域广泛应用的浆液浓缩技术，随着矿山资源的贫化，有用矿物堪布粒度的细化，选矿工艺过程要求矿物粒度更细，加剧了矿浆浓缩和脱水的难度;工业化规模的扩大，也需要高效率的浓缩作业。研究开发高效混凝沉降技术，可以获得较高的混凝效率和较密实的沉降颗粒，能够减少药剂消耗，也有利于后续矿浆脱水作业。同时较小的设备体型可以减少占地面积，节约基础建设费用等。

目前关于混凝机理的研究主要围绕颗粒与药剂的作用、紊流剪切碰撞以及分形维数三方面进行。这些更多地是应用在水处理研究中，而对于矿物颗粒的处理虽有相似性，也存在着很大的差异性，至今仍没有一个完整而有效的絮凝沉降机理的研究成果。以往的研究中都将颗粒看作是均匀的，及颗粒的大小和重量是等质的。而实际生产中，矿物等固体颗粒分布在不同的多个粒级中，各个颗粒的大小和质量是不同的，即不等质颗粒。不等质颗粒有序混合凝聚在一起，可以充分利用颗粒间的间隙，增加絮体的密实度，从而提高其沉降速度和后续脱水效率。这将成为浓密机设备发展的一个重要研究方向。等质无序混凝与不等质有序混凝示意图如图1所示。

颗粒由等质无序到不等质有序混凝的示意图

图 1 颗粒由等质无序到不等质有序混凝的示意图

2.初期沉降理论的发展

自20世纪初期开始，人们从运动学和动力学理论的角度对沉降过程进行了分析研究，首先是Hazen在1904年对影响固体颗粒在稀水悬浮液中沉降的一些因素进行了初次分析，到1908年已有学者提出了影响沉积过程的相关参量，1916年Coe和 Clevengey利用极限稀度参数对浓密机中的沉降过程进行了定量数学描述。英国数学家Kynch G.J于1952年在其“沉积理论”中提出了一种基于浓度波在悬浮液中传播的沉积过程运动学理论，而沉积物压缩的特殊动力学理论则由Adoryjan在1975年提出，之后的Kos等人于 1977 年采用混合理论建立了沉积过程的表象学模型，这为分批及连续的沉积过程确定了边界值[1-3]。以上这些理论都曾用于常规浓密机的设计应用中。

然而，随着生产条件的限制以及对环境保护的要求等，越来越多矿业公司倾向于以高浓度甚至是膏体的形式来处理尾矿，这就对高效浓密提出了现实需求，而混凝剂的添加为这一工艺的实现提供了技术支撑。采用混凝技术能够使固体颗粒间产生凝聚和絮团，从而在短时间内实现与清水分离并快速沉降[4]。混凝沉降技术作为一种简便、高效的尾矿处理方法得到越来越多的重视，成为矿业、环保和轻工等领域进行固液分离的重要技术之一[5,6]。国内外的科研人员随之在混凝剂的研发和混凝剂的作用机理两个方面进行了大量的研究，由此带来了混凝(沉降)理论与技术的发展，并将人类带到了一个新的科技领域。

20世纪早期的有关混凝理论主要以物理理论为基础，自Derjaguin、Landau、Verwey和 Overbeek 根据经典胶体化学理论的Gouy-Chapman双电层模型建立了DLVO理论 [7,8]，物理与化学作用理论开始相互结合。此后研究混凝的微观物理化学作用机理并强调微观物理化学过程的理论得到迅速发展。

3.紊流涡旋理论与分形维数的提出

值得一提的是1941年Kolmogoroff根据各向同性紊流理论，提出了紊流条件下颗粒碰撞速率公式，并指出紊流的涡旋中存在一个最小尺度，即Kolmogoroff 微涡旋理论[9,10]。两年后的1943年Camp和Stein对层流条件下同向絮凝模型进行了推导，提出混凝动力学速度梯度[11]，小尺度涡旋可提供足够大范围的速度梯度。1962年，Levich基于紊流扩散理论，导出紊流条件下絮凝速率公式[12]。而早在1917年Smoluchowski就曾提出了离散型絮凝动力学方程。1966年，Friendlande和Wang在Smoluchowski方程的基础上，提出了粒子尺寸的连续分布碰撞模型[13]。1991年，Jiang 结合分形理论提出了新的颗粒碰撞频率模型[14]。1998年Serge Stoll等用计算机模拟并建立了聚合物的巨大线性链状结构与胶体颗粒间架桥絮凝的二维、三维模型[15]，为混凝絮体的分形研究提供了新的研究手段。2000年Du和James等在Jiang和Logan研究的基础上，提出了颗粒直线碰撞下的聚合分形球体模型，简称CFS模型，该模型的提出使碰撞频率函数更适合于数值模拟[16]。2001年Higashitani等对二维和三维剪切流场下的絮凝体变形和破碎过程进行了研究，揭示了分形维数与絮体密实程度的关系[17,18]。

4.微涡旋增密技术的实践探索

利用微涡旋理论实现颗粒的混凝沉降技术发源于国外，而我国学者的相关研究又将其推进了一步。1991年王绍文从混凝动力学角度对微涡理论进行了探讨，指出持续离心作用能够引起准势流区外侧矾花颗粒增密，从而加速了混凝过程的进行 [19]。1998年其在“惯性效应在絮凝中的动力学作用”一文中推导出涡旋的加速度(单位质量惯性力)随涡旋尺度减少而增加，认为湍流中的微小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要的动力学致因[20]。2000年武道吉等人对Kolmogoroff涡旋微尺度进行了详细研究，指出涡旋运动产生的剪切力和离心惯性力是絮凝颗粒发生接触碰撞的主要作用力，而涡旋剪切力是絮凝反应的主导动力[21]。近几年湛含辉等人还对流体力场对絮凝(沉降)中的化学反应影响机理进行了研究，并提出了基于机械力化学的流体力学化学概念，同时认为有关混凝反应机理的研究重点应该是研究流体中颗粒与药剂的作用机理(或者说流体剪切力对颗粒与药剂发生作用的影响) [22,23]。

除了20世纪早期国外研究者对沉降过程进行了运动学理论的研究外，人们在后来至今的很长一段时间里，一直把注意力都放在混凝(沉降)过程的动力学研究上，而对于混凝(沉降)过程中的运动学理论的主题性研究几乎没有。然而人们在混凝过程动力学研究中已经或多或少地涉及到了一些运动学特征，只是没能集中对其做出理论性研究。从运动学角度出发对混凝机理的进行研究，借助颗粒在流体中的运动特性，建立起动力学、运动学和微粒化学三者的有机联系，可为混凝(沉降)提供最佳的物理化学环境，这将更适合于不等质矿物颗粒的絮凝沉降。

5.利用微涡实现有序混凝的可行性

有研究人员指出絮凝效果的好坏取决两个因素：混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的联结能力，这是由混凝剂的性质决定的;微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这是由构筑物创造的流动条件所决定的[20]，两个因素的相互关系决定了絮体颗粒尺度与其密实度。流体在迅速搅动时会产生被称为涡流扩散的局部对流扩散，涡流运动存在着一个最小涡流尺度，即Kolmogoroff微尺度，涡流的最小尺度可达10-5m量级[24,25]，因而在混凝过程运动学的研究中可从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上进行研究。湍流亚微观传质研究尺度的量级远小于宏观尺度的量级，远大于微观尺度的量级，是与湍流微涡旋尺度量级相当 [26]。武道吉根据水处理混合工艺中的施能水平为250~1000 W·m-3，曾推导出kolmogoroff涡旋微尺度λ为44.7-31.6×10-6m[27]。这一尺寸恰好落在了常规矿物颗粒的处理粒度范围内，为利用涡旋实现常规矿物颗粒的有序混凝(沉降)提供了条件。kolmogoroff的微涡旋理论已被应用于混凝动力学的研究中，并提出当矾花颗粒直径与计算出的最小涡旋特征尺度相近时，混凝效果最佳[28]。这一该结论虽未从动力学成因上对混凝反应的机理进行明确的解释，但却在运动学成因上为我们研究新的混凝沉降理论给出了启示。

有学者曾利用颗粒运动方程，分析了颗粒运动导致的碰撞絮凝，提出涡旋惯性离心力和剪切力是颗粒接触絮凝的主要动力因素，湍流过渡区控制絮体的成长尺度和密度[29]。还有学者在形成有序涡旋的旋转水流中，将流动分为两个区：靠近旋转中心的似固区和靠外侧的准势流区，而持续离心作用能够引起准势流区外侧矾花颗粒的增密作用[19]。随着絮凝过程的不断进行，颗粒尺度增加，其密度会迅速降低，颗粒径向运动速度也相应降低[29-33]。从质量上讲，絮状体的质量M与它的半径r(假设絮状体为球形)的关系为M∝rδ，这种现象的可能的解释是所研究的絮状体为分形[34]。而增设扰流装置，改善紊流结构，控制其流体剪切力方式，就能最大程度得到较高值的分形维数的絮体 [35]。

6.结语

以上研究都侧重于通过动力学碰撞分析，研究颗粒与药剂的物理化学反应效率，研究的对象都是匀质颗粒，自然也不存在不同大小颗粒的排列凝聚，而絮体密实程度则主要是根据分形维数去评判，也很难去有效控制，但这些研究在不同程度上都为不等质颗粒的有序混凝沉降奠定了基础。以实践生产中存在的不等质颗粒为出发点，运用运动学与动力学结合的方式，诱导颗粒在混凝过程中进行有序排列，为大小不同、质量不等的颗粒与药剂的碰撞结合创造理想环境，不仅增加絮体颗粒的大小，更强调对絮体颗粒密实度的影响作用，即人为干涉来提高絮体的分形维数。借助微涡旋的产生与控制技术，将紊流碰撞、药剂作用、分形维数等以往研究有机联系起来，实现混凝沉降过程中不等质颗粒的有序混凝，将变革现有浓密机的设计理念，促进矿业领域在浓密技术上的大发展。

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