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基于分形理论的钛铁尾矿絮凝沉降试验研究

作　者: 王国文
导　师: 周平
学　校: 昆明理工大学
专　业: 矿物加工工程
关键词: 尾矿分形理论维数弹射絮体聚集生长模型
分类号: TD926.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文以云南禄劝钛铁选矿试验尾矿浆为研究对象,分析了造成该尾矿固液分离困难的主要原因为尾矿15μm以下粒级占总尾矿80%以上,这些极细颗粒在水中形成类似胶体的分散系,自然沉降时,颗粒甚至无法形成明显的交界面,针对这种颗粒稳定分散在水中的悬浮液,本文通过试验,比较了多种絮凝剂加速该尾矿浆沉降的效果。在投加絮凝剂之前,为使絮凝剂与凝聚剂能够达到协同增效的理想效果,先分析了该尾矿主要组分高岭石、石英两种硅酸盐矿物的表面荷电性质,通过投加阴、阳离子凝聚剂的试验,分析得出颗粒表面荷负电,进而确定凝聚剂采用阳离子型,但对阳离子型凝聚剂硫酸和铝盐的比较试验发现,H+虽然荷电量和半径不及Al3+,但却对该尾矿有着最好的聚沉效果,再比较不同类型的絮凝剂,对最佳混凝条件进行分析,试验表明阴离子926型PAM官能团尽管为羧酸,不如3#PAM胺类官能团对颗粒的亲和力,但是由于前者具有较高的聚合度,926型PAM在最佳混凝条件下投药量优于3#PAM,可以节省企业的絮凝剂成本。最后得出该尾矿的最佳混凝药剂制度为先由H2SO4作为凝聚剂降低尾矿颗粒电动电位,再投加926型PAM絮凝,配合十二胺使絮团进一步疏水作用加速微细颗粒沉降,整个混凝过程在轻度搅拌条件下能使尾矿浆迅速固液分离,当浓密机入料浓度为20%时,降速可达1.92m/h,可望能大大节省浓密机所需沉降面积。颗粒与絮凝剂形成密实的絮团以抵抗流体中各种剪切力破坏作用是絮凝作业希望送到的效果,那么就需要评价絮体是否能在“生长”过程中形成这种结构的方法。由于以往在处理结构散乱复杂的絮体结构时常把问题简化为欧几里德规整结构,即根据高聚合度絮凝剂是链状分子,把其通过与颗粒架桥作用形成的絮团处理成链状结构,也就是在列絮凝动力学微分方程时,把长链简化为小段的直线,认为絮体的维数同直线一样,都为1,但这种简化计算得到的结论运用在实际工程中会产生偏差,因为絮体客观上毕竟是种散乱复杂的结构。近年来,分形理论这门以非线性数学为基础的新兴数学已然风靡多个领域,原因在于其核心概念—分形维数是从未经简化和抽象的研究对象本身去认识内在的规律性,这是分形理论与线性近似处理方法本质上的区别。分形维数的大小能够定量描述象絮体这样不易做简化计算处理的复杂结构,概括为若依理想的絮体模型试验,测算出来的分形维数越大说明絮凝效果越好。该理论已在在水处理领域迅速发展,Sutherland教授提出的弹射絮凝体聚集结构是种比较理想的絮体结构,该结构分形维数为1.95,即絮凝过程中若维数接近此值则说明絮体坚实不易破碎,且颗粒间聚结紧密,与该模型维数吻合较好的絮团进而可以推断出其絮体“生长”过程是否为弹射絮团聚集,这能反应出絮凝效果优劣。有学者依此已得出水处理工程中低浓度废水中杂质絮体的分形维数,但高浓度尾矿浆絮凝时用分形维数表征浓密机中絮体性能的文献未见报道,这也是本文研究意义所在。由于高岭石和石英富存于多数原矿中,钛铁矿在选矿作业中又经常被利用以富集铁、钛元素。若得出这类絮体的分形维数,可见是对今后的研究有很好的借鉴意义。为此,本文基于Mandelbort分形理论,通过扫描电镜、光学显微镜、计算机预处理技术,对投加了无机和有机两大类絮凝剂后产生的絮体测算其分形维数。研究表明,尾矿主要组分为高岭石和石英时,在聚铁絮凝剂作用条件下的分形维数仅为1.29,而在926型阴离子PAM与凝聚剂硫酸和十二胺的共同作用条件下的维数达1.90,这与Sutherland弹射絮体聚集生长模型中的维数1.95吻合较好,证明了本文最佳混凝条件的优越性,使得今后对尾矿絮凝效果评价的研究工作有了一个定量化的参照。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-19
  1.1 我国选矿用水现状  11-12
  1.2 国外选矿固液分离进展  12
  1.3 絮凝技术及其产品概况  12-16
    1.3.1 絮凝在国民经济中的作用  12-13
    1.3.2 絮凝在选矿作业中的应用  13-14
    1.3.3 絮凝剂的分类  14-16
  1.4 分形理论  16-19
    1.4.1 分形理论与线性问题的区别  16-17
    1.4.2 分形维数的计算方法  17
    1.4.3 用分形维数表征混凝效果的前景  17-19
第二章问题的提出及理论基础  19-33
  2.1 问题的提出及研究的主要内容  19-20
  2.2 理论分析  20-30
    2.2.1 悬浮液稳定分散的原因  20-21
      2.2.1.1 粒度对悬浮液稳定性的影响  20
      2.2.1.2 布朗运动  20-21
      2.2.1.3 水化作用  21
    2.2.2 高岭石、石英颗粒表面在水介质中荷电分析  21-22
    2.2.3 双电层结构理论  22-25
    2.2.4 DLVO理论  25-28
    2.2.5 分形维数对混凝机理的表征  28-29
    2.2.6.重力沉降原理  29
    2.2.7 微流边界层理论及颗粒改性疏水  29-30
  2.3 混凝模型的探讨  30-33
    2.3.1 非线性絮体结构模型的发展  30-31
    2.3.2 分形理论应用于絮团模型的研究  31
    2.3.3 混凝模型中分形维数影像研究方法  31-33
第三章试验研究方法  33-69
  3.1 钛铁尾矿物料性质  33-35
    3.1.1 试料化学特征  33
    3.1.2 试料来源  33-34
    3.1.3 试料粒度  34-35
    3.1.4 试料真比重d  35
  3.2 研究方法  35-36
    3.2.1 观测计时法  35
    3.2.2 上清液含固法  35-36
  3.3 自由沉降  36-38
  3.4 无机絮凝剂  38-40
    3.4.1 添加低分子量铝盐  38-39
    3.4.2 添加无机聚铁絮凝剂  39-40
  3.5 分形维数对自由沉降和无机聚铁形成絮团的表征  40-44
    3.5.1 自由沉降分形特征  40
    3.5.2 药剂作用对分形维数的影响  40-44
      3.5.2.1 计算机预处理  40-42
      3.5.2.2 分形维数的回归计算  42-44
  3.6 有机高分子絮凝剂  44-53
    3.6.1 不同类型聚丙烯酰胺对絮凝效果的影响  45-46
    3.6.2 雷诺数对重力沉降的影响  46-49
    3.6.3 STHERLAND簇分级模型的验算  49-53
  3.7 最佳混凝条件试验  53-66
    3.7.1 絮凝剂最佳用量试验  53-57
    3.7.2 复配凝聚剂试验  57-59
    3.7.3 搅拌强度试验  59-60
    3.7.4 颗粒表面改性试验  60-61
    3.7.5 最佳混凝条件时分形维数分析  61-66
      3.7.5.1 絮体生长模型的选择  61-62
      3.7.5.2 最佳混凝条件下絮体分形维数的测算  62-66
  3.8 混凝后期效果参考  66-69
    3.8.1 药剂对过滤效果的影响  66
    3.8.2 回用水水质分析  66-67
    3.8.3 浓密机尺寸估算  67
    3.8.4 影响沉降效果的因素方差分析  67-69
第四章结论、创新点及存在的问题  69-71
  4.1 结论  69-70
  4.2 本文创新点  70
  4.3 存在的问题  70-71
参考文献  71-77
致谢  77-79
附录A:矿物工艺学及絮凝照片  79-80
附录B:攻读硕士期间发表论文情况  80

基于分形理论的钛铁尾矿絮凝沉降试验研究

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