1.前言
中國是世界上尾礦庫數(shù)量和尾礦存放量最多的國家之一，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。而實際生產(chǎn)中，礦物等固體顆粒分布在不同的多個粒級中，各個顆粒的大小和質(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。
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)動學(xué)和動力學(xué)理論的角度對沉降過程進(jìn)行了分析研究，首先是Hazen在1904年對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)對濃密機(jī)中的沉降過程進(jìn)行了定量數(shù)學(xué)描述。英國數(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)動學(xué)理論，而沉積物壓縮的特殊動力學(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)計應(yīng)用中。
然而，隨著生產(chǎn)條件的限制以及對環(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，這就對高效濃密提出了現(xiàn)實需求，而混凝劑的添加為這一工藝的實現(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)，從而在短時間內(nèi)實現(xiàn)與清水分離并快速沉降[4]?；炷两导夹g(shù)作為一種簡便、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最小尺度，即Kolmogoroff 微渦旋理論[9,10]。兩年后的1943年Camp和Stein對層流條件下同向絮凝模型進(jìn)行了推導(dǎo)，提出混凝動力學(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等對二維和三維剪切流場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)與絮體密實程度的關(guān)系[17,18]。
4.微渦旋增密技術(shù)的實踐探索
利用微渦旋理論實現(xiàn)顆粒的混凝沉降技術(shù)發(fā)源于國外，而我國學(xué)者的相關(guān)研究又將其推進(jìn)了一步。1991年王紹文從混凝動力學(xué)角度對微渦理論進(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)是絮凝的重要的動力學(xué)致因[20]。2000年武道吉等人對Kolmogoroff渦旋微尺度進(jìn)行了詳細(xì)研究，指出渦旋運(yùn)動產(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)動力[21]。近幾年湛含輝等人還對流體力場對絮凝(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，同時認(rèn)為有關(guān)混凝反應(yīng)機(jī)理的研究重點應(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顆粒與藥劑發(fā)生作用的影響) [22,23]。
除了20世紀(jì)早期國外研究者對沉降過程進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)理論的研究外，人們在后來至今的很長一段時間里，一直把注意力都放在混凝(沉降)過程的動力學(xué)研究上，而對于混凝(沉降)過程中的運(yùn)動學(xué)理論的主題性研究幾乎沒有。然而人們在混凝過程動力學(xué)研究中已經(jīng)或多或少地涉及到了一些運(yùn)動學(xué)特征，只是沒能集中對其做出理論性研究。從運(yùn)動學(xué)角度出發(fā)對混凝機(jī)理的進(jìn)行研究，借助顆粒在流體中的運(yùn)動特性，建立起動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和微?；瘜W(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)造的流動條件所決定的[20]，兩個因素的相互關(guān)系決定了絮體顆粒尺度與其密實度。流體在迅速攪動時會產(chǎn)生被稱為渦流擴(kuò)散的局部對流擴(kuò)散，渦流運(yùn)動存在著一個最小渦流尺度，即Kolmogoroff微尺度，渦流的最小尺度可達(dá)10-5m量級[24,25]，因而在混凝過程運(yùn)動學(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)研究尺度的量級遠(yuǎn)小于宏觀尺度的量級，遠(yuǎn)大于微觀尺度的量級，是與湍流微渦旋尺度量級相當(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)用于混凝動力學(xué)的研究中，并提出當(dāng)?shù)\花顆粒直徑與計算出的最小渦旋特征尺度相近時，混凝效果最佳[28]。這一該結(jié)論雖未從動力學(xué)成因上對混凝反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行明確的解釋，但卻在運(yùn)動學(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)動方程，分析了顆粒運(yùn)動導(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動力因素，湍流過渡區(qū)控制絮體的成長尺度和密度[29]。還有學(xué)者在形成有序渦旋的旋轉(zhuǎn)水流中，將流動分為兩個區(qū)：靠近旋轉(zhuǎn)中心的似固區(qū)和靠外側(cè)的準(zhǔn)勢流區(qū)，而持續(xù)離心作用能夠引起準(zhǔn)勢流區(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，其密度會迅速降低，顆粒徑向運(yùn)動速度也相應(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，而絮體密實程度則主要是根據(jù)分形維數(shù)去評判，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)。以實踐生產(chǎn)中存在的不等質(zhì)顆粒為出發(fā)點，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)與動力學(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)對絮體顆粒密實度的影響作用，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)計理念，促進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域在濃密技術(shù)上的大發(fā)展。
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聲明：
“濃密機(jī)中不等質(zhì)礦物顆粒有序混凝的理論分析” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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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
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