（化学工程专业论文）铝土尾矿分离和水再生研究.pdf

中文摘要 尾矿的处理和综合利用越来越引起关注。尾矿综合利用主要包括回收其中有 用矿物以及回收并利用尾矿浆中大量的水。目前对尾矿采用传统的分离方法( 如 重力沉降、离心沉降) 进行分离，效果不理想。选择过滤方法进行分离对尾矿 处理是一个新的研究方向。 本文对某厂尾矿中固相( 矿砂) 和液相( 主要是水) 过滤与分离进行了研究。 研究发现，浮选后的尾矿成分复杂，含有大量的粘土，固相颗粒细小而粘， 形成的滤饼可压缩性高。依据这些特点，选择向尾矿加入助滤剂、絮凝剂、凝 聚剂的方法进行预处理。之后，用陶瓷微滤膜对预处理后的尾矿进行过滤，同 时探讨了陶瓷微滤膜的堵塞情况及再生性能，对分离后的水质与国家规定的水 质标准进行了对比，并对一台陶瓷过滤机出水量进行了经济分析。 研究表明，预处理可以改变滤饼的结构，使滤饼孔隙与毛细管孔径加大，从 而减少了滤饼比阻，增加了滤饼厚度与脱水的可能性。 采用d 1 、d 2 陶瓷过滤机进行过滤，可以达到一定效果，分离后水质也可达 到生活杂用水及污水回用国家标准。 以矿浆的含固量为3 0 的尾矿，在一台3 0 f 的陶瓷过滤机上，尾矿处理量 2 9 5 7 3 2 1 4 t h 计算，出水量为2 0 7 2 2 5 m 3 h ，每年可节约水费1 0 8 万元 3 9 0 万元。 关键词：尾矿陶瓷微滤膜预处理水回用 a b s t r a c t p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h et r e a t m e n ta n dc o m p r e h e n s i v eu s i n go f t h eg a n g u e t h ec o m p r e h e n s i v eu s i n go ft h eg a n g u ei n c l u d e se x t r a c t i n gt h eu s a b l e m i n ea n dr e c y c l et h ev a s tw a t e ri nt h eg a n g u e a tp r e s e n t ，t h et r a d i t i o n a ls e p a r a t i o n m e t h o d s ( f o re x a m p l e ，g r a v i t a t i o ns e d i m e n t a t i o na n dc e n t r i f o g a ls e d i m e n t a t i o n ) a r e u s e di nt h eg a n g u es e p a r a t i o n t h es e p a r a t i o ne f f e c ti sn o te v i d e n c e u s i n gf i l t r a t i o n m e t h o di san e w w a y i nt h eg a n g u et r e a t m e n t i nt h i sp a p e r , t h es o l i d ( t h em i n e ) a n dt h el i q u i d ( t h ev a s tw a t e r ) i nt h eg a n g u ea r e f i l t r a t e da n ds e p a r a t e d t h er e s e a r c hf o u n dt h a ta f t e rb e i n gf l o a t e d ，t h ec o m p o n e n t so ft h eg a n g u ea r e c o m p l e x ，c o n t a i n i n g am a s so fc l a ya n dav a s to fw a t e r t h es o l i dg r a i n sa r et i n ya n d s t i c k i n g ，a n dt h ec a k eh a sh i g hc o n d e n s a b i l i t y a c c o r d i n gt o t h e s ec h a r a c t e r i s t i c ， a i d - a g g l o m e r a n t ，a g g l o m e r a n t o rf l o c c u l c ew e r ea d d e di nt h eg a n g u ef o rt h e p r e t r e a t m e n t t h e n ，t h ec e r a m i cm i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a sc h o s e nt of i l t r a t et h e g a n g u e ，a n dt h ej a r na n dr e v i v a lc a p a b i l i t yo ft h em e m b r a n ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e q u a l i t yo ft h ew a t e ra f t e rf i l t r a t i o nw a sa n a l y s e da n dc o n t r a s t e dw i t ht h en a t i o n a l s t a n d a r d a ne c o n o m i ca n a l y s i sa b o u tt h ew a t e rr e c y c l ew a sc a r r i e do u t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tp r e t r e a t m e n tc a nc h a n g et h es t r u c t u r eo fc a k e ，i n c r e a s e t h eh o l eo fc a k ea n dt h ea p e r t u r eo fc a p i l l a r y s oi tc a nr e d u c et h er e s i s t a n c eo fc a k e ， i n c r e a s et h et h i c k n e s so fc a k ea n dt h ef e a s i b i l i t yo fd e h y d r a t i o n u s i n gd 1 、d 2c e r a m i cf i l t e r , t h ef i l t r a t i o nc a ns a t i s f yt h es e p a r a t i o nr e q u i r e m e n t + t h eq u a l i t yo ft h ew a t e ra f t e rf i l t r a t i o nc a nr e a c ht h en a t i o n a ls t a n d a r df o rt h er e c y c l e u s i n ga3 0 m 2c e r a m i cf i l t e r , t h eg a n g u ew i t h3 0 s o l i dc o n t e n t c a nb et r e a t e d 2 9 5 7 3 2 1 4 t h ，a n d2 0 7 2 2 5m 。hw a t e rc a nb er e c y c l e d t h u s ，1 0 8 0 ，0 0 0 3 9 0 0 ，0 0 0y u a n y e a rw a t e rf e ec a nb es a v e d k e yw o r d s ：g a n g u e ，c e r a m i cm e m b r a n e ，p r e t r e a t m e n t ，w a t e rr e c y c l e 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注姓或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：末覆 签字日期：泖年月阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：哙兹 导师签名 学位论文作者签名：爿之缸 导师签名 乏扛 签字日期： d 年月肋日签字目期：跏5 - 年月d 日 刚罱 前言 环境问题主要由人类生产活动和生活活动迅速发展所引起，同时又对生产和 生活产生重大影响。当代世界主要环境问题之一是水资源短缺，早在1 9 7 7 年， 联合国就向全世界发出警告：缺水不久将成为一项严重的社会危机“1 。 我国水资源不足，而且在地域和季节上分布很不均衡，人均占有水资源仅及 世界平均量的1 4 ，居世界第8 8 位。工业用水的重复使用率很低，与国际工业 用水重复率的7 0 - - 8 0 相比差距很大。我国生产i t 钢用水6 0 t ，日本只有3 5 t ； 我国造纸i t 需用水5 0 0 t ，国际先进水平只有2 0 t 。在2 0 世纪末，我国废水排放 量每天达1 1 0 8 t ，8 0 未经过处理直接进入江河”1 。 随着工农业生产的发展，世界人口的剧增，以及人类精神、物质生活水平的 提高，社会对矿产资源的需求量目益增大。由于矿产资源是一种不可再生资源， 所以对其合理开发利用十分重要。此外，矿产资源的开发、加工和使用过程中 不可避免地要破坏和改变自然环境，产生各种各样的污染物质，对环境造成污 染。所以开发矿业所产生的环境问题日益引起各国的重视。 同时在采、选、冶生产过程中形成大量废水，如不经处理，任意排放，会危 害农田、渔业和土壤。因此对矿冶中产生的废水进行治理是矿山环境保护的一 项重要内容”1 。 在矿山生产工艺中，选矿厂废水的排放量尤其惊人，如浮选法处理1 t 原矿 石，废水排放量一般在3 5 4 5 t 左右，同处理原矿石o 8 5 1 0 6 t ，若不考虑回 水利用，则每天尾矿废水排放量3 4 1 0 5 t 左右”1 。 本文工作以回收某厂尾矿中的有用矿物和大量水为目标，研究了该尾矿中 固相( 矿砂) 和液相( 主要是水) 的过滤与分离。 第一章文献综述 1 1 我国铝矿砂现状 第一章文献综述 1 1 1 铝矿及金属铝的特点 铝是地壳中分布最广泛的元素之一，属亲石亲氧元素。铝在自然界中多以 氧化物、氢氧化物和含氧的铝硅酸盐存在，极少发现铝的自然金属形式。 自然界已知的含铝矿物有2 5 8 种，常见的矿物约4 3 种。实际上，由纯矿物 组成的铝矿床是没有的，一般都是共生分布，并混有杂质。从经济和技术观点 出发，并不是所有的含铝矿物都能成为工业原料。用于提炼金属铝的主要是由 一水硬铝石、一水软铝石或三水铝石组成的铝土矿”1 。 铝土矿是指工业上能利用的，以三水铝石、一水软铝石或水硬铝石为主要 矿物所组成的矿石的统称。它的应用领域有金属和非金属两个方面。 铝土矿是生产金属铝的最佳原料，其用量占世界铝土矿总产量的9 0 以上。 铝土矿的非金属用途主要是作耐火材料、研磨材料、化学制品及高铝水泥的原 料。铝土矿在非金属方面的应用所占比重虽小，但用途却十分广泛。例如：化 学制品方面以硫酸盐、三水合物及氯化铝等产品可应用于造纸、净化水、陶瓷 及石油精炼方面：活性氧化铝在化学、炼油、制药工业上可作催化剂、触媒载 体及脱色、脱水、脱气、脱酸、干燥等物理吸附刘；用y a 1 2 0 3 生产的氯化铝 可供染料、橡胶、医药、石油等有机合成应用；玻璃组成中有3 5 a 1 2 0 3 可提高熔点、粘度、强度；研磨材料是高级砂轮、抛光粉的主要原料；耐火材 料是工业部门不可缺少的筑炉材料。 金属铝是世界一 ：仅次于钢铁的第二重要金属，1 9 9 5 年世界人均消费量达到 3 2 9 k g 。由于锅具有密度小、导电导热性好、易于机械加 j 及其他许多优良性 能，因而广泛应用于国民经济各部门。目前，全世界用铝量最大的是建筑、交 通运输和包装部门，占铝总消费量的6 0 以上。铝是电器工业、飞机制造j ：业、 机械工业和民用器具不可缺少的原材料”3 。 第一章文献综述 1 1 2 我国铝土矿资源分布及特点 我国铝土矿资源储量丰富，探明储量达2 3 i o h ，居世界第五位。在全国1 8 个省、自治区、直辖市已查明铝土矿产地2 0 5 处，其中大中型产地7 2 处。主要 分布在山西、河南、贵州、广西四省区，合计占全国总储量的8 5 5 ，在该四 省区内均有大型氧化铝生产基地。 我国铝士矿主要为一水硬铝石型铝士矿，有高铝、高硅、低铁的突出特点， 铝硅比偏低，矿物组成复杂。1 。 1 1 3 铝土矿浮选工艺流程 我国的氧化铝工业从1 9 5 4 年山东铝厂建成发展至今，已经形成六大氧化铝生 产基地。目前我国的氧化铝生产工艺主要采用生产工艺复杂、流程长、投资大、 成本高的混联法和烧结法，这主要是由我国铝土矿资源特点决定的。 铝土矿先经过开采，然后被研磨成细小颗粒，再加入药荆将矿石中铝矿物浮 选出来，浮选出的铝矿物为精矿，剩下的为尾矿，其中精矿含固量较高，可以经 过分离后直接用于煅造；尾矿则含固量较低水要求回收循环使用。 1 1 4 国内外尾矿处理研究现状 浮选后尾矿的处理也越来越引起关注。世界上发达国家已把无废料矿山作为 矿山的开发目标，把尾矿综合利用的程度作为衡量个围家科技水平和经济发达 程度的标志。其利用目的不仅是追求最人经济效果，而且还从资源综合回收利用 率、保护e 态环境等方面综合加以考虑。尾矿综合利用口前主要包括：是作为 二次资源再选，回收有用矿物或把经过再选的尾矿直接利用，如筑路、制备建 筑材料等。二是匝| 收逞矿水，由于浮选过程而使尾矿含有大量的水( 大约占8 5 ) ，冈此应网收水，并要对水进行再利门 ”1 。 我国尾矿综台利用研究起步较晚，近几年发展迅速，一方面与国家重视有关， 另。方面与我国资源特点及利用状况有关，我围会腾矿产资源贫矿多，伴牛组分 多，且进入中晚期j l ：采。特别是对尾矿及其废水的处理与吲用还不够因此 多，且矿i j i 进入中晚圳j r 采。特别是对尾矿及其废水的处理与瞳j 用还不够，因此 第章文献综述 1 11 2 我国铝土矿资源分布及特点 我国铝土矿资源储量丰富，探明储量达2 3 1 0 8 t ，居世界第五位。在全国1 8 个省、自治区、直辖市已查明铝士矿产地2 0 5 处，其中大中型产地7 2 处。主要 分布在山西、河南、贵州、广西四省区，合计占全国总储量的8 5 5 ，在该四 省区内均有大型氧化铝生产基地。 我国铝土矿主要为一水硬铝石型铝土矿，有高铝、高硅、低铁的突出特点， 铝硅比偏低，矿物组成复杂。1 。 1 1 3 铝土矿浮选工艺流程 我国的氧化铝工业从1 9 5 4 年山东铝厂建成发展至今，已经形成六大氧化铝生 产基地。目前我国的氧化铝生产工艺主要采用生产工艺复杂、流程长、投资大、 成本高的混联法和烧结法，这主要是由我国铝土矿资源特点决定的。 铝土矿先经过开采，然后被研磨成细小颗粒，再加入药剂将矿石中铝矿物浮 选出来，浮选出的铝矿物为精矿，剩下的为尾矿，其中精矿含固量较高，可以经 过分离后直接用于煅造；尾矿则含固量较低，水要求回收循环使用。 1 1 4 国内外尾矿处理研究现状 浮选后尾矿的处理也越来越引起关注。世界上发达国家已把无废料矿山作为 矿山的开发目标，把尾矿综合利用的程度作为衡量一个国家科技水平和经济发达 程度的标志。其利用目的不仅是追求最大经济效果，而且还从资源综合回收利用 率、保护，卜态环境等方面综合加以考虑。尾矿综合利用目前主要包括： + 是作为 二次资源再选，回收有用矿物，或把经过再选的尾矿直接利用，如筑路、制备建 筑材料等。二是回收尾矿水，由于浮选过程而使尾矿含有大量的水( 大约占8 5 ) ，因此应回收水，并要对水进行再利用。”。 我国尾矿综合利用研究起步较晚，近几年发展迅速，一方面与国家重视有关， 另方面与我国资源特点及利用状况有关，我国金属矿产资源贫矿多，伴生组分 多，且矿i 【i 进入中晚期jf 采。特别是对尾矿及其废水的处理与叫用还不够，因此 第一章文献综述 应特别重视废水的回用。 我国对尾矿的处理，通常先采用筛滤法和过滤法，去除大块物料，再经过滤 网进行过滤。由于矿山废水多为酸性水，还要用中和法处理不同性质、不同浓度 的酸性水。如利用碱性废水、废渣中和、加石灰和石灰乳中和、用具有中和性能 的滤料进行过滤中和。对尾矿水处理主要是解决废水中固体悬浮物及部分重金属 离子，通常采用混凝沉降过滤的工艺，对尾矿水进行沉降絮凝“3 。 1 2 工业废水处理要求 1 2 1 工业废水的种类 第一种是按工业废水中所含主要污染物的化学性质分类，含无机污染物为 主的为无机废水，例如矿物加工过程的废水和电镀废水；含有机污染物为主的 为有机废水，如食品或石油加工过程的废水。 第二种是按工业企业的产品和加工对象分类，如矿山废水、冶金废水、造 纸废水、炼焦煤气废水、金属酸洗废水、化工废水、纺织印染废水、染料废水、 制革废水、农药废水、电站废水等。 第三种是按废水中所含污染物的主要成分分类，如酸性废水、碱性废水、 含氰废水、含铬废水、含镉废水、含汞废水、含酚废水、含醛废水、岔油废水、 含硫废水、含有机磷废水和放射性废水等”1 。 此外从废水处理的难易程度和废水的危害性考虑，可将废水中主要污染物归 纳为三类：第一类为常规污染物，即无明显毒性而又易于生物降解的物质，包 括生物可降解的有机物，可作为生物营养素的化合物，以及悬浮固体等；第二： 类为有毒污染物，即含有毒性而又不易生物降解的物质，包括重金属、有毒化 合物和不易被生物降解的有机化合物等；第三类为废热废水，主要来自冷却水， 冷却水可以回用。 实际上，一种工业，l 产可以排出几种不同性质的废水，每种废水又会有不同 的污染物和不同的污染效应。例如染料工厂既排m 酸性废水，又排出碱性废水。 纺织印染废水，由于织物和染料的不同，其中的污染物和污染效应就会有很大 第一章文献综述 差别。即便是一套生产装置排出的废水，也可能同时含有几种污染物。如炼油 厂的蒸馏、裂化、焦化、叠合等装置的塔顶油品蒸气凝结水中，含有酚、油、 硫化物。在不同的工业企业，虽然产品、原料和加工过程截然不同，也可能排 出性质类似的废水。如炼油厂、化工厂和炼焦煤气厂等，可能均有含油、含酚 废水排出。 1 2 2 工业废水的治理 治理工业废水首先应尽可能从生产源头上杜绝有毒有害废水的产生。在采用 有毒原料以及产生有毒中间产物和产品的过程中，选择合理的工艺流程及设备， 消除漏逸，减少流失。含有剧毒物质废水，如高浓度酚、氰等废水和含有一些 重金属的废水应与其他废水分流，咀便于分别处理，有的应回收有用物质。 可以生物降解的有毒废水如含酚、氰废水，经厂内处理后，可按容许排放标 准排入城市下水道，由污水处理厂进一步进行生物氧化降解处理。含有难以生 物降解的有毒污染物废水，不应排入城市下水道和输往污水处理厂，应进行单 独处理。 流量大而污染轻的废水，如冷却废水，不宣排入下水道，以免增加城市下水 道和污水处理厂的负荷。这类废水应在厂内经适当处理后循环使用。 有的有机废水成分和性质类似于城市污水，如造纸废水、制糖废水、食品加 工废水等，可以排入城市污水系统，最好能尽量建造污水处理厂。 1 2 3 工业废水三级处理 一级处理：一些工业废水的主要处理方法，也可能只是后续处理的预处理， 可用物理或化学方法去除废水中的悬浮物( 固态、液态) 和调节p h 值等。 i 级处理：可以大大改善水质，处理后的出水一般能达到排放标准。通常采 用生物法或化学絮凝法去除可生物降解的溶解状态和部分胶体状态的有机污染 物，以减少废水的b o d 和c o d 。 = ! 绒处理：三级处理是一级、二二级处理后的深度处理。用物理方法、生物法、 化学法去除难以生物降解的有机物和磷、氮等可溶性的无机污染物。常用的有 过滤、超滤、活性炭吸附、离子交换、电渗析等。 第一章文献综述 1 3 过滤理论与技术 对尾矿中固相( 矿砂) 和液相( 主要是水) 进行分离，由于尾矿成分复杂 固相颗粒细小，所以需要对尾矿进行预处理，然后选用适当的过滤介质进行分 离，现在针对有些矿浆和水的过滤与分离的过滤介质可以采用无机膜。 国外近年在矿山废水处理中多采用多孔陶瓷膜进行过滤与分离。 1 3 1 过滤 固一液混合物的过滤是将混合物直接通过“过滤介质”( 如筛、纸、机织滤 布、膜等) 进行固液两相分离，液相或流动的滤液通过过滤介质，而固体颗粒 被截留，它不是被截留在过滤介质表面就是在过滤介质里面“。 过滤介质的截留机理可以包括：表面筛滤、深层粗滤、滤饼过滤、深层过滤。 1 3 2 膜分离技术 膜分离技术是近三十多年发展起来的高新技术，它是多学科交叉的产物。膜 是一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料，它能把流体分隔成互不 相通的两个部分，使其中的一种或几种物质能透过，而将其它物质截留。膜分 离过程是以膜为分离介质，在膜两侧某种推动力的作用下，使原料侧组分有选 择性地透过膜，以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程应使用不同的膜，推 动力也不同。目前已有商业应用的膜分离过程与技术有：微滤、超滤、纳滤、 反渗透、渗析、电渗析、气体分离、渗透汽化、乳化液膜等。与传统的分离方 法相比较，膜分离过程具有高效、节能、过程简单、容易操作和控制、不污染 环境等特点“。 膜分离技术的大规模商业应用是从上【丛纪6 0 年代的海水淡化工程丌始。目 前除大规模用于海水、苦咸水的淡化及纯水、超纯水生产外，还广泛而有效的 应用于t h _ e 业、石油化工、生化制药、食品工业、环保工程等领域，形成了 新兴的技术产业。 膜按束源、形态和结构可以分为：合成膜和生物膜。合成膜义有液膜和围膜 第一章文献综述 之分。其中固膜可以是有机膜和无机膜一多孔膜。有机膜又分无孔膜一不对称 膜和多孔膜，无机膜一多孔膜又有不对称膜和对称膜之分。生物膜就是原生质、 细胞膜。无机膜包括陶瓷膜、微孔玻璃膜、金属膜和碳分子筛膜“1 。 1 3 3 无机膜特性 无机膜作为类新型的过滤介质比有机高聚物膜有一系列独特的优点，如耐 高温、结构稳定、孔径分布均匀、化学稳定性好、不易被微生物侵蚀、机械强 度大、易再生、分离效率高等，是高效节能且对环境友好的材料。以无机膜分 离过程为基础正在发展成一大类绿色高新技术，对食品饮料、医药卫生、生物 技术、石油化工、冶金、环境工程、新型能源等领域发展具有重要作用”1 。特 别是对酸碱性变化幅度大、高温和高选择性要求的工业废水、废气治理方面具 有重大的应用价值。 无机膜从材料结构上可以分为多孔膜和致密膜，从应用角度可以分为大孔支 撑体膜( 1 0 0 0n l n ) ，微滤膜( 5 0n m ) ，超滤膜( 5 0 2n r l l ) 和纳滤膜 ( 0 0 3 v 溶液稳定， 4 0 0 0 时为湍流，此时可用：s 。= 0 0 2 3 r e 。 8s c “1 当r 。 1 8 0 0 时为层流，最常见的情形是速度边界层已充分发展，浓度边界层 尚未充分发展，此时可用：昆：1 8 6 ( r e s 耐彳1 ”，其中f 为流道长，定性尺 寸d 不是孔径，而是由设备决定的一个特征尺寸，因此月。完全可以达到湍流范 嗣”。 2 1 2 3 覆盖层模型或阻力模型 过滤过程中推动力是p ，阻力有：边界层的阻力、覆盖层阻力、膜阻力和 膜上垢层阻力。故过滤速度j 有： 卜r2 a 终p 。也+ 尺。+ & ) ( 2 - 1 0 ) 在四项阻力中，膜阻力r m 和膜上垢层阻力r 。为膜的特性，可合并为r ：。 边界层阻力j 和覆盖层阻力r 。取决于物系和操作条件如压差、流速、温度等， 可合并为r ，。r ，的值与a p 有关，用一经验方程关联： r p = 衅 ( 2 i i ) 式中舻为修正系数； 从而得：j2 等：+ 础炉) 这个模型不再区分压差控制区和传质控制区 和a p ，可以定性地观察： 当a p 较小时，毋a p ( ，砖，一常数。 这个模型的缺点一r m 和q o 都较难确定。 2 1 2 4 沉积模型 ( 2 1 2 ) 用一个统一的方程来关联j 这个模型以单个微粒的力平衡和流动边界崖删沦为基础【1 1 】。位于膜七的单 第二章理论分析 个微粒除了受重力以外，还受到主流体的牵引力( 向前) 和附着力( 向后) ，只 有当牵引力大于附着力时，微粒才向前运动。此运动速度与通量之间有一定关 系。先从边界层理论求出微粒的运动速度，再与滤液通量关联，就得到数学模 型，其形式如下： 以仲5 酽6 ( ) ( 厂 当微粒为剐性粒子，且其密度比连续相 积模型较准确。故此模型较适用于微滤。 ( 2 1 3 ) ( 一般为水) 的密度大得多时，沉 生产实际中最受关注的是膜的生产能力，它是以膜滤速率j 。来表征的，定 义为单位时间、单位膜面积上透过的滤液体的体积量。膜过滤也符合达西的过 滤基本方程，即 j ，“ ( 2 1 4 ) 式中卸一一膜两侧的流体压力差，p a ； u 一一滤液粘度，p a s ； r 一一膜过滤的总阻力，1 m 。 在该式中的膜过滤的总阻力应包括由膜结构决定的自身固有的阻力，以及 过滤中由于吸附及堵塞引起的膜阻力的变化量，还应包括膜面上截留累积的物 质所引起的各种阻力。 2 1 。3 陶瓷膜的阻塞和再生 膜的阻塞，采用阻塞系数k 表征，即过滤完成后的膜阻力与过滤前的纯膜 阻力的比值，或采用过滤前膜的通量与过滤的通量之比来表达，即： r 。= k r ( 2 15 ) 式中：k 一阻塞系数； r ，一过滤前膜的阻力，i m = 以一过滤后膜的阻力，i m ； 或者采用再生效率表示： ：坠( 2 1 6 ) q 。 第二章理论分析 式中：卵一再生效率 q 。一过滤前膜的通量，m m h ； q 。一过滤后膜的通量，m a m 2 h ； 2 2 滤饼过滤方程 在微滤过程中主要是滤饼过滤，当料浆垂直流向过滤介质表面，如图2 4 所示，其中大于或与孔径相近的颗粒起架桥作用，形成初始滤饼层，而过滤介 质中的更小孑l 隙通道能截留更小粒子，一般能形成4 2 0 m m 滤饼，个别1 2 姗， 甚至可以达到4 0 5 0 i r a ，在此滤饼阻力远大于介质阻力。 图2 - 4 过滤机理 f i g 2 - 4f i l t r a t i o nm e c h a n i s m ( a ) 滤饼过滤( b ) 深层过滤 l 一料浆；2 一滤饼；3 一过滤介质；4 一滤液；5 一截留粒子 由于流体通过多孔介质的流动属于极慢的渗流，颗粒不断沉积在介质表面或 孔隙内部，所以阻力不断t 升。 滤饼过滤时，滤饼的比阻和可压缩性指数的大小是影响物料过滤性能的主要 因素，对过滤设备的选型、生产能力的计算，以及预测由于过滤推动力的改变 对过滤生产：能力和滤饼含湿量等的影响都具有很重要的以及，所以滤饼的比阻 和可压缩性指数的测定将为合理过滤操作提供依据。 第_ 二章理论分析 2 _ 2 - 1 过滤基本方程 过滤基本方程是描述“滤液流速与压强降的关系” 情况复杂，需要对其进行简化。 假设：流体均匀流动，层流 不可压缩颗粒床层 阻力不变 则过滤基本方程可以用下式表示。1 ： 。l ；垒i a d0“r l 由于是两相流体流动， ( 2 一1 7 ) 式中：u 一过滤速度， 单位过滤面积单位时间获得的滤液量，m i ( m 2 s ) ： 坐d o 过滤速度，m 3 s ； a 一过滤面积，m 2 ； 卸。过滤压力降，p a 。 “一滤液粘度，p a s ； r 一滤饼比阻，1 m 2 ； 一滤饼厚度，u l ； 0 一过滤时间，s 。 因为滤饼内有许多与滤饼表面垂直的毛细管，悬浮液的过滤速度可以表示 为( p o r s e u i l l e 方程) 。： 坐：鉴 ( 2 一1 8 ) d 臼2 s ，越 式中：e 一滤饼的孔隙率，m 。m ： s ，一滤饼的比表面积，m ：m 1 ： 考虑到滤饼是乱堆的多孔颗粒床结构，参照p o r s e u i 】 e 方程，液体通过毛 细管的速率与液体的粘度成反比，可得达西方程： 丽d v = k ，等丽2 ，i ( 2 一l9 ) 缩一幸理沦分析 式中：k 。一渗透系数； 一滤饼厚度，m 。 由于过滤过程中滤液量增多，滤饼增厚，滤饼的阻力增大，所以过滤方程中 还应考虑过滤周期内连续过滤滤饼阻力增长：同时滤饼内空隙的通道很复杂， 因此应对p o r s e u i l l e 方程进行修正。 经过一系列的修正，可得k o z e n y c a r m a n 方程 2 2 _ 2 滤饼过滤的速度方程 ( 2 2 0 ) 滤饼过滤模型与膜过滤中的覆盖层模型和阻力模型相似。当滤饼层内的液 体流动为层流( i m m s ) 时，滤饼过滤的速度方程为“： 旦：立一。生一。 ( 2 2 1 ) 一一 l a d od o u 忸。+ r 。) 式中： r 滤饼阻力，l m ； 疋过滤介质的阻力，l m ； 过滤面积，m ； y 在过滤时间0 秒后得到的滤液量，m 3 ； 。：一v 单位过滤面积得到的滤液量，m a m t ； a 幻过滤推动力，m p a ； z 液体的粘度，p a s 。 r u t h 认为滤饼阻力r 。与单位过滤面积卜的滤饼质量w 关系为： r 。= a 。百w = d 。w ( 2 2 2 ) 比例系数o l a v 称为平均过滤比阻1 。 1 e w is 认为滤饼阻力与滤饼厚度1 成比例，即 r ，= d 。，+ l ( 2 - - 2 3 ) l l t ，l l 系数a 。称为l ：w s 平均l ：h 1 5 f l 。而k o z e n y 和c a r m a n 证实可用f 式 计算比阻。”1 ： 第二章理论分析 a ：一k o s ；( 1 - e ) ( 2 2 4 ) p 。f 式中：口滤饼比阻，m k g ； k o k o z e n y 常数； 几固体颗粒密度，k g m a ； 滤饼空隙率； 瓦比表面积，m 2 r 0 3 从上面几个公式可以看出，当过滤推动力和液体粘度不变的情况下，为了增 加单位时间内滤饼过滤速度，则需要减少滤饼阻力，式( 2 2 4 ) 中，可以看出， 增大滤饼空隙率、减小t b 表面积，都能减少滤饼阻力。 2 3 影响滤饼过滤的因素 由k o z e n y 和c a r m a n 证实的比阻关系口。茎釜i ! ! 型可知：通过往悬浮液中 p ，e 。 添加助滤剂的方法可以增大滤饼的空隙率；同时也可以向悬浮液中加入凝聚剂 或絮凝剂，使细小颗粒形成有效粒径较大的絮团，进而减小滤饼比表面积。 特别是对含有细小固体颗粒多、黏性大、高可压缩性的尾矿来说，需要通过 加入助滤剂、凝聚剂或絮凝剂的方法来进行预处理，才能使细小颗粒聚集成团， 进而减少滤饼比阻，提高过滤速度，增加脱水效果。 2 4 添加助滤剂对滤饼比阻的影响 添加助滤剂对过滤的改善作用可用下式表达”“ 口：型兰。三：曼二旦! ：旦二望!( 2 2 5 ) 。d ea u r ?u “， 式中：q 一任意时问口( 单位为s ) 所对心的过滤速度，或称滤液的流速 m s ； 爿一过滤面积，m 2 ； 第二章理论分析 y 一总滤液量，一： p 一过滤压力，p a ； p 。一过滤介质的压力损失，p a ； 口一滤液的粘度，p a s ； 见一单位面积滤饼的阻力，m - ： 一单位过滤面积上固体质量，k g m 2 ； a 。，? 滤饼平均比阻，m k g 。 从上式可以看出，过滤面积a 、过滤压力p 、滤液粘度“、以及滤饼的平 均比阻口。都能改善过滤性能。 通过增加a 来提高流量，往往会导致设备费、电费及劳务费增加。降低粘度 可以用升温或稀释法，但对于尾矿都不适合。减少m 就是在滤饼不厚时就结束 过滤。提高p 往往要受到滤饼压缩性的制约。通过添加助滤剂来调节滤饼的比 阻，增加滤饼空隙率，减少平均比阻，进而达到增大滤液流速的目的。 第三章实验装置和测试方法 3 1 实验装置 第三章实验装置和测试方法 本研究主要进行的实验是： ( 1 ) 对要选择的陶瓷微滤膜进行透水性能试验： ( 2 ) 对尾矿进行预处理，加入助滤剂的条件实验； ( 3 ) 对加入助滤剂的尾矿进行絮凝、凝聚条件实验 ( 4 ) 对陶瓷膜堵塞和再生性能进行实验； ( 5 ) 对分离后的水质进行考察。 3 。1 1 陶瓷微滤膜透水性能实验原理及实验流程 3 1 1 1 实验原理 由于尾矿中固体颗粒粒径小，以及要达到的分离效果，选择陶瓷微滤膜作为 过滤介质。 陶瓷微滤膜的透水量与其面积、过滤介质两侧的压差成正比，与水的粘度和 过滤介质的阻力成反比。陶瓷微滤膜的透水阻力可通过下式计算： r 。，= 面a p ( 3 - 1 ) 式中：r ，。一过滤介质透水阻力，m 一： a p 一过滤介质两侧压差，p a ： u一测定温度下流体的粘度，p a s q 。一透水率，m 3 m 2 s 。 第三章实验装置丰洲试方法 3 1 1 2 透水性能测定流程图 图3 1 陶瓷微滤膜透水性能实验装置流程图 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e tu p f o rw a t e rp e r m e a l i t ym e a s u r e m e n tb yi n o r g a n i c c e r a m i cm e m b r a n e l 一真空泵2 一真空表3 一缓冲瓶 4 一放空阀5 一陶瓷微滤膜6 一贮水槽 3 1 2 絮凝条件实验原理及实验流程图 由于尾矿固相浓度低，固相颗粒细小，直接进行过滤比较困难，所以采用向 尾矿中加入絮凝剂，使细小颗粒与絮凝剂形成大的絮团，这样有利于过滤与分 离。 3 1 2 i 絮凝剂的制备 絮凝剂在添自l j 之前，应先被稀释为0 1 0 3 的水溶液，为了达到较好 的絮凝效果并保汪絮凝剂不变质，一般应该任做絮凝之前现化絮凝剂。f 业生 产中一般用白柬水化絮凝剂，浓度在0 1 左右。为使絮凝剂溶化均匀，需要 存化絮凝剂过挥中进行搅拌，搅拌时间大约为4 5 分钟店右，视絮凝剂种类m 定。 第三章实验装置和测试方法 3 1 2 2 絮凝条件实验原理 将絮凝剂按一定比例加入到矿浆中，先用高速搅拌让絮凝剂与矿浆充分混 合，然后要低速搅拌，不要把形成的絮凝花打碎，然后把絮凝后的矿浆放在布 氏漏斗中，通过真空抽滤，使液相穿过水刺布，固相被截留，观察过滤效果， 测定过滤过程中滤饼厚度和过滤速度。 3 1 2 3 实验流程图 图3 2 絮凝条件实验流程图 f i g 3 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f s e tu pf o rf l o c c u l a t i o nc o n d i t i o n 1 一真空泵2 一真空表3 一缓冲瓶4 一放空阀5 一布氏漏斗 3 1 3 凝聚条件实验 由于絮凝后的尾矿用陶瓷微滤膜进行过滤时容易堵塞陶瓷膜，不利于陶瓷膜 的再生，因此考虑尾矿中加入凝聚剂，使细小颗粒与凝聚剂形成大的颗粒，这 样有利于过滤与分离。 3 1 3 1 凝聚剂的制备 凝聚剂在添加之前，应先被稀释为2 5 1 0 的水溶液，为了达到较好的 凝聚效果并保证凝聚刹小变质，散应该在做凝聚之前现化凝聚剂。_ 丁业q j 产 第三章实验装置和测试方法 中一般用自来水化凝聚剂，浓度在2 5 1 0 左右。为使凝聚剂溶化均匀 需要在化凝聚剂过程中进行搅拌，搅拌时间大约为4 5 分钟左右。 3 1 3 2 凝聚条件实验原理 将凝聚剂按一定比例加入到矿浆中，在经过预处理的矿浆中放入到存有陶瓷 微滤膜的装置中，接上真空系统，对其进行抽滤实验，使液相透过陶瓷微滤膜 而固相被膜截留，测定过滤过程中不同时刻截留的滤饼量、透过液量、滤饼湿 含量及透过液的浊度。 3 1 3 3 实验流程图 凝聚后矿浆过滤实验流程图( 见图3 1 ) 3 1 4 陶瓷膜的再生 对陶瓷膜的再生可以采用原位清洗( 包括正冲洗、反冲洗) 方法、将陶瓷 膜拆下进行化学清洗、超声清洗或者化学与超声相结合的方法进行清洗。实验 条件限制，我们只选择了原位清洗和化学清洗两种方法。 3 1 4 1 原位清洗 将陶瓷膜用高压水进行正、反冲洗。先用水进行正冲洗，将膜表面的颗粒冲 洗下来，然后再用水进行反冲沈，将膜孔中堵塞的颗粒冲洗出来。反复进行多 次即可。 3 i 4 2 化学清洗 将陶瓷膜浸泡在配好的酸液中，常温下在草酸溶液( 2 5 草酸，p h = 0 6 3 ) 叶1 浸泡1 8 h 左右，然后拿m 柬j f j 水冲掉表面的酸，即可。或肯足在常温下将陶 瓷膜浸泡在浓硫酸( p h = 09 ) l | 11 5 h 左右，然后再拿出来用水冲掉表面的酸。 第三章实验袈蓝和测试方法 3 2 实验所用仪器一览表 在本实验中所用仪器和设备如表3 1 所示。 表3 - 1 实验仪器及设备一览表 t a b l e3 - 1 e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t s 主要仪器、设备型号实验中的用途 粘度测量仪n d j 1 旋转粘度计测定粘度 光电分析天平s h a n g p i n gf a l l 0 4 型天平精确测定质量 电子天平g & g 电子天平( m a x 2 0 0 0 9 ) 测定质量 电炉2 “) o w热源 高速离心机l d 4 2 a高速离心沉降实验 浊度仪h a n n al p 2 0 0 0 - - 1 1 多用途台测定水的浊度 式高精度微电脑浊度仪 粒度分布仪英国马尔文公司激光粒度仪测定矿浆中颗粒粒度 e 电位仪j s 9 4 g + 型微电泳仪测定矿浆中颗粒的l 电位 电镜扫描荷兰菲利浦公司x 3 0 型扫描电镜测定矿浆中颗粒的形貌 p n 值测定 精密酸度计p h s 一2 c a 型 测定p h 值 c o d 测量仪c o d5 7 1 型测定水中的c o d 值 3 3 实验步骤 本课题针对尾矿进行分离，目的是降低滤饼含水量，便于运输和冶炼，分 离m 的水进行回用 ( 1 ) 首先对浮选尾矿进行基本物性分析，包括：粒径和粒度分布、电性、 电位、形貌、p h 值、浓度、密度、精，度等理化指标进行系统测定，分析 其对尾矿过滤的作用及影响。 ( 2 ) 针对尾矿细小、半占性大、浓度低的特点，对其进仃凝聚、絮凝条件实 第三章实验装置利测试方法 验筛选，包括： 不同p h 值对过滤的影响。 针对尾矿细小、粘性大、浓度低、难过滤的特点，进一步采用助过滤 的方法进行强化过滤过程，包括：加入助滤剂，及助过滤方法的选择 ( 预敷、掺浆过滤) ，加入比例等的研究。 絮凝剂的选择，加入比例，絮凝条件的研究。 凝聚剂的选择，加入比例，凝聚条件的研究。 增加浓度，在一定p h 值、凝聚剂加入量下条件实验。 陶瓷微滤膜再生条件的研究。 第四章实验数据及初步分析 4 1 尾矿实验内容 第四章实验数据及初步分析 对尾矿进行如下实验。 1 测定尾矿基本物性。 对浮选后尾矿的粒径及粒度分布、电性、电位、形貌、p h 值、浓度、密 度、粘度等理化指标进行系统测定，分析其对尾矿过滤的作用及影响。 2 筛选助滤剂。 包括助滤剂的选择、尺寸、性质、用量、配比等进行实验。 3 筛选陶瓷微滤膜。 4 筛选絮凝剂。 5 凝聚剂的筛选与使用比较。 6 对预处理后的尾矿进行过滤试验。 7 对膜进行再生试验。 具体实验步骤如下图所示： 日罡+ _ e 一 图4 1 实验步骤图 f i g 4 1t h ec h a r to fe x p e r i m e n t a ls t e p 第四章实验数据及初步分析 4 2 尾矿的基本实验数据 4 2 1 尾矿基本物性及其特点分析 对尾矿与过滤有关的基本物性进行了测定，结果如下。 1 平均含固量= 1 3 7 2 2 p h 值= 8 6 9 3 颗粒电位= 一1 8 5 0 m v 4 平均粒径= 6 7 41 - tm 最小粒径= o 1 5 1 1m 最大粒径= - 7 6 3 2um 其中： 0 1 5 1 0 6um 占1 7 2 8 0 1 5 2 2 8i tm 占4 0 3 2 0 1 5 3 0 9i tm占5 1 1 0 0 1 5 4 8 8um占6 6 3 2 0 1 5 6 6 3um 占7 4 8 3 o 1 5 1 0 4 8i tm 占8 4 1 6 5 尾矿固相颗粒密度p = 3 0 1 7 9 e r a 3 6 粘度值及粘度与浓度的关系 表4 1 不同浓度尾矿的粘度 t a b l e4 - 1t h ev i s c o s i t i e so f o r ep u l pw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a