文摘

剪切和絮凝对尾矿的流变行为产生重大影响,尤其是屈服应力。在两步絮凝过程中,上述两种行为同时存在,相互影响。为了探索屈服应力的变化规律和其内部原因,一个两步絮凝过程中与不同剪切条件下铁矿石细粒尾矿设计四个不同的阶段。在主要絮凝阶段,尾矿颗粒结合的主要絮凝剂和主絮状物形成网络结构。在初级破碎阶段,剪切破坏的主要絮状物网络结构和絮状物的平均尺寸减少,所以shear-dependent屈服应力,絮状物强度因子和分形维数降低。在二级絮凝阶段,破碎的絮状物结合二级絮凝剂和网络结构更紧凑的絮状物产生更好的剪切强度。因此,在二级破碎阶段,与剪切的增加,屈服应力的减少,絮状物强度因子和分形维数明显低于在初级破碎阶段。在这两个两个破碎阶段,二级絮凝浆体的屈服应力总是高于主要絮凝浆,但随着剪切的增加,成为小的区别。絮状物强度和分形维数也表现出同样的规则。剪切强度越强的内部原因的二级絮凝浆结合位点的数量的增加,两者之间的电中和絮凝剂,絮凝剂的位阻效应。

1。介绍

选矿、尾矿处理、双重聚合物系统一直是一个研究焦点由于其显著的优势,超过使用单一聚合物(1- - - - - -3]。双聚合物系统可以迅速提高脱水容量和泥浆的流变特性。在矿物加工、流变参数、特别是屈服应力,直接影响能源消耗(4),分离效率(5),和沉降稳定6]。尾矿处理尾矿的物理稳定性,回填,并粘贴也依赖流变特性(7]。因此,有必要充分了解流变学的变化和内部机制的双重聚合物体系。

粒子之间的相互作用和水阶段是泥浆的流变特性的原因,这是依赖于物理特性和化学成分特征,比如矿物学的内容(8),粒子体积分数φ(9),粒度分布(10),和化学添加剂11]。也受外部效应的影响,如剪切作用[12]。因此,流变特性的复杂的物理和化学性质的函数和过程发生在悬浮粒子的规模。为了进一步理解流变特性及其机制,许多的研究集中在流变行为在不同条件下的变化,如剪切、粒度分布、絮状物结构,最大粒子包装分数。

矿物泥浆,剪切双聚合物系统都有一个重要的影响及其流变特性。剪切速率和剪切时间被认为是最重要的因素。双重聚合物系统,一些研究人员使用的产品剪切速率和剪切时间的指数剪切行动,因为这个产品是同向移动的絮凝率密切相关,也直接影响絮凝效果(13,14]。流变特性、剪切作用影响的流变特性改变粒度分布和颗粒之间的相互作用和水相。相对较小的剪切率,或胶体微粒由布朗运动控制影响力量,而粗粒子通常面对摩擦或碰撞联系人或流体动力(15]。然而,对于相对剪切率高,胶质细分数和粗糙的分数被认为独立行动和粗部分主要通过水动力耗散(导致粘度增加16,17]。

除了剪切动作,流变特性是密切相关的絮状物结构和絮状物强度(18- - - - - -21]。纳赛尔和詹姆斯22)发现,屈服应力的大小和粘滞系数强烈依赖于絮状物结构。当剪切超过粒子的相互作用、絮状物网络结构破坏,以及纸浆屈服应力减少,显示清晰的剪切之间的联系,絮状物结构,dewaterability [23]。此外,Farrokhpay [24)提出,矿物泥浆的流变行为表明粒子相互作用的程度或聚合和崩溃是絮凝和絮状物断裂之间的平衡25- - - - - -29日]。换句话说,shear-dependent屈服应力的泥浆的剪切阻力絮状物网络结构的过程中絮凝和剪切破坏。在水处理领域,絮状物强度系数演示了絮体的剪切阻力的过程中絮凝和絮状物破损。因此,絮状物强度因子可以被视为一个单元的剪切阻力絮状物网络,而且它还可以被用来作为一个重要指标的变化shear-dependent屈服应力。然而,没有足够的信息对屈服应力之间的关系,絮状物结构,两步絮凝过程中絮凝强度因素。

在报纸上,一个两步絮凝过程的铁矿石细粒尾矿不同剪切条件下设计,探索与剪切屈服应力的变化规律。这两步絮凝过程包括的主要絮凝阶段,主破裂阶段,二级絮凝阶段,和二次破碎阶段。为了解释shear-dependent屈服应力的变化在这个过程及其内在原因,絮状物大小、絮状物强度因子和分形维数计算和分析。

2。材料和方法

2.1。尾矿

本研究中使用的尾矿铁矿石尾矿最初由美国阿塞洛-米塔尔钢铁和矿业公司在美国运营。尾矿制备过程是由许多步骤。首先,在45公斤湿饲料+ 4.0毫米大小的样本从尾矿,它通过振动筛。尾矿的一部分没有通过屏幕被使用回转和圆锥破碎机,随后与样品的部分混合过滤。其次,然后合并后的样品与水混合,使其浓度到60%之前接地棒磨机为66分钟。通过preexperiments尾矿粒度分布之间的关系曲线和研磨时间是获得和研磨时间确定为66分钟的第80个百分位累积70年的粒度分布μm作为目标。然后,样本在干燥箱,直到后来干尾矿完全干燥,获得样本将用于这项研究工作。工作样品粒度分布测量使用莫尔文Mastersizer 2000激光衍射粒度分析仪。50和80百分位的累积粒度分布为60.2μm和70.2μ分别为m(图1)。尾矿的比重为2.326克/厘米³,x射线衍射的结果如表所示1。

2.2。絮凝剂

通过单一絮凝preexperiments和絮凝preexperiments相结合,选择了最佳絮凝剂组合(4800年923 vhm和ssh)。这两种商业使用絮凝剂在这项研究中,由SNF加拿大。阴离子聚丙烯酰胺,923 vhm,主要用作絮凝剂和阳离子聚丙烯酰胺、4800 ssh,被用作第二个絮凝剂。他们两人有高分子量和良好的水溶性。防止矿物杂质影响测试结果,去离子水被用在所有水性测试。

2.3。悬架准备

固体浆15% (w / v %)准备在1 L烧杯用尾矿150克和850毫升去离子水。泥浆是均质搅拌转速的约。600 rpm 30秒,在280转10分钟。然后2毫升的阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂的解决方案添加到泥浆的浓度0.15%(对应于聚合物最佳用量为20 g / t,从以前的实验),搅拌立即停止,避免破坏絮体。搅拌后,包含泥浆的烧杯被允许休息5分钟前删除的上层清液的解决方案,把(它的烧杯)。平均粒径,d₀下溢的测量使用莫尔文Mastersizer 2000激光衍射粒度分析仪。

2.4。流变学测试两步絮凝过程

含泥浆流变行为的特点是使用剪切流变仪(550年热Haake VT,德国)。流变仪也用作电力设备提供两步絮凝过程中絮凝物剪切破坏。杯子和鲍勃夹具的同心圆柱体几何固定外圆柱的半径和旋转内筒是21.00毫米和20.04毫米,分别有一个杯子和鲍勃夹具之间的差距最小化非牛顿剪切速率的影响,粒子桥接在剪切面,墙滑错误的大小(30.- - - - - -32]。为每个测试34毫升样品被要求和温度是固定在23°C聚科学9100恒温循环器来自美国。

流变测试进行了包括四个阶段,主要絮凝阶段,初级破碎阶段,二级絮凝阶段,和二级破碎阶段,如图2。

首先,在主要絮凝阶段,尾矿泥浆和主要絮凝剂溶液混合正如先前所显示的,准备主要絮凝的悬架。主要絮凝的悬架是测量的屈服应力随着剪切速率的增加,从0到300年代⁻¹和300年代的减少⁻¹在120秒0。此外,主要的粒度分布,d₁2000年,获得了使用莫尔文Mastersizer激光衍射粒度分析仪。

其次,在初级破碎阶段,实现的测试是在一个恒定的剪切速率所需时间(表1),在此期间,流变仪只是用作絮状物剪切破坏设备。随后,屈服应力和粒度分布,d₂的主要破碎的悬架是用同样的方法测量的主要絮凝阶段。

然后,在二级絮凝阶段,0.4毫升阳离子聚丙烯酰胺的絮凝剂溶液的浓度为0.15%(对应于聚合物最佳用量为20 g / t,从以前的实验)添加到悬浮在杯和泥浆搅拌直到均匀。然后,屈服应力的测量和粒度分布,d₃的二级絮凝的泥浆。

最后,在二级破碎阶段,调整剪切速率和剪切时间相同的值(表与主破碎阶段1前),测量屈服应力和颗粒大小,d₄的二次破碎的暂停。

2.5。絮状物结构测量

在每个阶段的实验中,样品都是从主悬浮液。絮体的微观结构是由扫描电镜观察。为了使获得的图像清楚地反映了絮状物微观结构的变化,借助ImageJ2X软件,这些照片是由灰度直方图方法的关键。

2.6。数据处理方法

2.6.1。两步絮凝絮状物强度因素

絮状物强度系数过程中演示了絮体的剪切阻力絮状物的形成和絮状物破损,而shear-dependent屈服应力的泥浆的剪切阻力絮状物网络的过程中絮凝和剪切破坏。因此,絮凝强度系数可以被视为一个单元的剪切阻力絮状物还可以使用网络和它的一个重要指标shear-dependent屈服应力的变化。

摘要介绍了絮状物强度因素的水处理领域探索絮状物强度因子之间的关系和shear-dependent屈服应力的泥浆两步絮凝过程。列出的公式如下(33]:

强度因素:

在这里d₁絮体的平均尺寸是在断裂之前,μ米,d₂絮体的平均尺寸破碎后,μm。

2.6.2。在两步絮凝絮体分形维数

絮体分形维数是一个重要的参数的絮状物结构、絮状物的力量,絮凝效果。它也可以作为一个重要指标解释shear-dependent屈服应力的变化在两步絮凝。

的帮助下FractalFox图像分形处理软件,采用盒维数法计算分形维数的絮状物结构两步絮凝实验。基本原理如下。边长的小盒子r用于分形曲线,和小盒子的数量分形曲线是什么N(r)。然后,框边的长度r是不断减少。当r无限接近零,分形维数D获得了。

3所示。结果

3.1。屈服应力在一级和二级破碎阶段

宾汉模型被用来适应流变仪的测量结果得到的屈服应力泥浆在四个不同的阶段。他们(主要絮凝阶段)第一阶段,第二阶段(初级破碎阶段),第三阶段(二级絮凝阶段),第四个阶段(二次破碎阶段),并计算确定系数R²> 0.95,这表明,宾汉模型能准确反映流变特性的变化在不同的阶段。

屈服应力的变化在主要絮凝和初级破碎阶段剪切速率在不同剪切时间如图3。在初级破碎阶段,屈服应力逐渐降低随剪切速率和剪切时间的增加,最小值约80%的屈服应力没有剪切破坏。剪切速率的增加导致更重要比剪切屈服应力下降。絮状物网络结构的失败是一个可能的原因这一现象。增加剪切作用加剧了絮状物网络结构的破坏,导致连续减少的屈服应力破碎阶段。此外,增加剪切速率可能克服内部效应越强的絮状物结构和改变絮状物结构的失效模式,而剪切时间的增加可以扩大絮状物结构的损伤程度。

如数据所示4(一)- - - - - -4 (d),在中小学阶段,屈服应力的增加而明显降低剪切速率和剪切时间。然而,屈服应力在二级破碎阶段下降慢于在初级破碎阶段。把图4 (d)作为一个例子,当剪切时间是240年代,从200年代随着剪切速率的增加⁻¹到400年代⁻¹在初级破碎阶段,屈服应力下降了3.5 Pa,虽然这在二级破碎阶段下降了1.5 Pa。

此外,屈服应力在二级破碎阶段总是比在初级破碎阶段,成为小的差距随着剪切速率和剪切时间的增加。换句话说,二级絮凝浆的屈服应力和剪切阻力增加。这可以解释为絮状物的增加强度和絮状物结构的密度在二级絮凝过程,这将进一步分析部分3所示。3和3所示。4。此外,随着剪切作用的增加,屈服应力的较小的差距之间的初级破碎阶段和二次破碎阶段表明,剪切强度越强的二级絮凝浆更明显的低剪切作用下,削弱了高剪切作用下。

对于二元聚合物系统,剪切速率和剪切时间的产品被认为是剪切动作,因为它是指数同向移动的絮凝率密切相关,也直接影响絮凝效果(13,14]。因此,在本文中,剪切速率和剪切时间的乘积作为剪切指数探讨屈服应力的变化在初级破碎和二级破碎阶段。

如图5,主要和次要的屈服应力破碎阶段表现出相似的变化趋势,但在二级破碎阶段总是高于主破碎阶段。当剪切速率和剪切时间的乘积是0到100000之间,初级破碎的屈服应力和二次破碎阶段显著降低。值高于100000时,屈服应力在两个破碎阶段往往是稳定的。这种现象的可能原因是剪切容易克服絮状物的弱连接结构,和它有一个更明显的泥浆对屈服应力的影响。更高的屈服应力在二级破碎阶段可能是因为二级絮凝形成网络结构更紧凑的絮状物和更高的絮状物的力量。

3.2。在两步絮凝絮状物的大小

平均絮状物大小的变化在主要絮凝和初级破碎阶段剪切速率在不同剪切时间如图6。在初级破碎阶段,絮状物的平均尺寸逐渐减小剪切速率和剪切时间的增加,最小值是大约80%的絮状物的平均尺寸没有剪切破坏的主要絮凝阶段。剪切速率的增加导致更重要比剪切屈服应力下降。

这一现象可能的原因是,完整的絮状物网络结构形成的主要絮凝阶段是过于宽松。有一些弱连接在主絮状物网络结构,整个结构的剪切强度很低。在初级破碎阶段,即使在低剪切的脸,结构完整性明显受损,导致絮状物的平均尺寸迅速减少。

如图7与主要的絮状物相比,二次絮状物的平均大小显著增加。在二级破碎阶段,随着剪切速率和剪切时间的增加,二次絮状物的平均尺寸也逐渐降低,但剪切后二次破碎的絮状物的大小仍比主要是破碎的絮状物。二次破碎的絮状物的最小尺寸是83%的二级絮状物没有剪切破坏。换句话说,二级絮体有更高的絮状物的力量。这可能是因为在初级破碎阶段,剪切行动摧毁了弱连接部分絮状物网络结构松散的初选,和其余的絮体的内部效应强。同时,二级絮凝产生的致密结构,这不仅增加了整个结构的剪切强度也增加内部絮体的强度。

如图8,增加产品的剪切速率和剪切时间、絮状物的平均尺寸的变化趋势在一级和二级破碎阶段与屈服应力是相一致的。絮状物的平均尺寸的两个破碎阶段迅速下降,然后趋于稳定,当剪切速率和剪切时间高于100000。絮状物的平均尺寸迅速下降可能是因为低剪切克服弱连接的絮状物结构,造成大规模的结构性裂缝的絮状物结构、絮状物网络结构的完整性明显受损。此外,絮状物的平均尺寸在二级破碎阶段也总是高于主破碎阶段。这意味着辅助絮状物的强度高于主絮状物。

3.3。主要和次要的絮状物强度因素破坏阶段

根据方程(1),絮状物强度因素计算的结果平均絮状物的大小。如图9、二级絮状物强度因素总是比主要的差距成为小随剪切速率和剪切时间的增加。换句话说,剪切破坏前二级絮凝和二级絮凝过程提高了絮状物剪切阻力,形成了更强的二级絮体。

与剪切破坏的增加,中小学絮状物强度因素逐渐降低,最后趋于稳定。絮状物强度因素的变异可以解释通过分析普通絮状物的变化大小。如数据所示6和7,絮体的平均大小的区别和破碎的主要絮凝过程中絮体总是比在二级絮凝过程。它导致了二次絮状物强度更大比的主要因素。此外,二级絮凝强化絮状物的大小,进一步扩大了絮状物强度之间的差异因素在一级和二级破碎阶段。

絮状物强度因素的变化与剪切速率和剪切时间的乘积在一级和二级破碎阶段如图10。当剪切速率和剪切时间的乘积是0到100000之间,絮状物强度显著下降的因素。值高于100000时,絮状物强度因素往往是稳定的。二级絮状物的力量总是比的主要因素,和高剪切下的差距变得越来越小。絮状物强度的变化也可以解释为絮状物结构的失效模式下的剪切和加强在二级絮凝絮状物。

值得一提的是,屈服应力的变化,絮状物大小和絮状物强度与剪切速率和剪切时间的乘积在一级和二级破碎阶段基本一致(数字5,8,10)。他们从快速下降拐点稳定都是100000的产品价值。这可以解释为絮状物或絮状物结构的强度的增加在二级絮凝过程。低剪切应力下的强化效果更明显。根据絮凝强度的定义,絮状物的变化大小絮状物强度的变化的原因。换句话说,二级絮凝浆屈服应力的增加提高絮状物的力量。然而,絮状物强度的变化并不是唯一理由屈服应力的变化。也是絮状物相关的网络结构,将部分中解释3所示。4。

3.4。在两步絮凝絮体分形维数

盒维数法的帮助下,絮状物结构的分形维数计算的两步絮凝实验。120年代的剪切时间的曲线作为一个例子。絮状物结构的分形维数的变化与剪切速率和剪切时间的增加是图所示11。与中小学絮凝相比,二级絮体分形维度均高于主的。同样,二级破碎的分形维度絮状物也高于初级破碎的。此外,在高剪切下,分形维数之间的差异在一级(破碎)和二级(破碎)阶段变得更小。

如图12、絮状物结构在不同阶段是明显不同的。在主要絮凝阶段,有许多“蛀牙”的絮状物网络结构,导致结构松散的絮状物,抗剪强度低,和小的分形维数。在初级破碎阶段,剪切破坏产生的絮状物结构和大量的小絮体。在二级絮凝阶段,絮状物大小显著增加,结构更加紧凑,导致絮状物强度高和大分形维度。在二级破碎阶段,相同的剪切作用下,破碎的絮状物结构的规模更小,破碎的絮体的尺寸是大的比初级破碎阶段。

如图13在中小学阶段,絮状物结构的分形维数的变化趋势是一致的与屈服应力随着剪切速率和剪切时间的增加。换句话说,絮体分形维数的变化也可能是另一个原因在两步絮凝屈服应力的变化。因此,二级絮凝浆屈服应力的增加提高絮状物强度和絮状物的密度结构。

3.5。讨论

通过分析屈服应力的变化,絮状物大小、絮状物的力量,和分形结构与剪切速率和剪切时间的增加,比较上述参数的变化规律在初级破碎阶段,在二级破碎阶段,发现二级絮凝浆最好剪切阻力。这可能是因为以下(图14):

(1)的主要絮凝剂表面结合位点的数量增加尾矿颗粒;在初级破碎阶段,剪切破坏促进释放表面结合位点的破棉絮。因此,在二级絮凝阶段,绑定破棉絮和二级絮凝剂分子的概率增加。(2)在这个实验中,采用阴离子絮凝剂作为主要的絮凝剂,阳离子絮凝剂是用作二级絮凝剂。通过电中和两种絮凝剂,二级絮凝形成网络结构更紧凑的絮状物。与主絮状物网络结构形成的桥接,二级絮状物网络结构的内力强显示更强的剪切强度。(3)的位阻效应两种高分子絮凝剂给他们更高的连接概率,这是有利于密集的絮状物网络结构的形成。

4所示。结论

屈服应力的变化,絮状物强度因子和分形维数的铁矿石细粒尾矿在不同剪切条件下研究了两步絮凝过程中絮状物的研究通过分析改变网络结构和絮状物大小分布。主要结论如下:(1)剪切破坏了絮状物网络结构,因此屈服应力逐渐降低随剪切速率和剪切时间的增加在一级和二级破碎阶段。二级絮凝增加了屈服应力,因此屈服应力在二级絮凝阶段总是高于主要絮凝阶段。然而,随着剪切作用的增加,屈服应力降低的差距在两个破碎阶段。(2)剪切破坏减少了絮状物的平均尺寸,进一步降低了絮状物强度因素在破碎阶段。二级絮凝絮状物强度增加。然而,在高剪切破坏,絮状物的大小和絮状物强度之间的差异在一级和二级破碎阶段是很小的。(3)絮状物结构及其分形维度在四个不同的阶段进行了比较。发现松动主要絮状物结构内部剪切强度低的原因。因此,主要是破棉絮的大小更小。二级絮凝强化絮凝结构的密度和分形维度也大。(4)通过分析屈服应力的变化,絮状物强度因子,和絮状物在不同剪切条件下分形维数,发现他们的变化趋势是本质上类似于剪切的增加。换句话说,它可以被视为二级絮凝浆屈服应力的增加增强絮状物的密度网络结构和絮状物的力量。(5)剪切强度越强的内部原因的二级絮凝浆结合位点的数量的增加,两者之间的电中和絮凝剂,絮凝剂的位阻效应。

数据可用性

所有的数据、模型和代码生成或使用在研究出现在提交文章。没有额外的数据是可用的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢中国奖学金委员会,中国国家自然科学基金(51834001)、英属哥伦比亚大学和科技大学,北京。