矿浆的流动增强以提高尾矿水的采收率:基于matlab的成像处理工具

摘要

智利采矿铜工业的增长率需要消耗更多的水，而水是一种质量和数量有限的资源，是目前的一个主要关切点。此外，由于高度的蒸发(10至15(升/米)，水的有效利用受到限制²）每天），特别是在北方高地的采矿点（智利）。相反，尾矿的最终处置主要是对池塘，它通过蒸发和在某些情况下渗滤失去水分。一种替代是浆料的增稠剂，这产生稳定的糊状物（70％固体），减少蒸发和渗滤，并因此减少水的组成。水是有更多需求的行业正在扩大，使水回收过程的必需品超过了效率的简单升级的资源。该技术是在加拿大（80年代初）开发，并已广泛在澳大利亚（具有类似气候条件智利干旱地区）使用，虽然一些植物都采用这种技术。在不久的将来的趋势是从露天池塘移动到粘贴的增稠剂。其中一个这样的例子是萨尔瓦多矿业泰索罗。此方案要求，以使可能的本贴的最终处置发展中国家在这两个贴流动特性和流变改性剂（流动性增强）技术能力。在这方面，一种新的技术被引入和流动性改进剂的实验结果进行讨论。这项研究描述含水量如何影响流动行为和尾矿的沉积几何形状与石英粉糊。 The depositional angle determined from the flume tests, and the yield stresses is determined from slump test and a rheological model. Both techniques incorporate digital video and image analysis. The results indicate that the new technique can be incorporated in order to determine the proper solid content and modifiers to a given fluidity requirement. In addition, the experimental results showed that the pH controls strongly the fluid paste behavior.

1.介绍

智利铜矿工业的增长速度需要消耗更多的水，而水是一种有限的资源，其工业使用是当今的主要问题[1,2]。在采矿过程中，从浓缩尾矿中回收水具有重要的经济效益，但如果尾矿颗粒较细，对其进行脱水会比较困难[3.]。

此外，由于高度的蒸发(10至15(升/米)，水的有效利用受到限制²)每日)[4，特别是在北部高地的矿场。考虑到大量的水分蒸发损失，使用膏体增稠剂回收水分被证明是一种非常有效的防止尾矿沉积水分损失的方法[5]。

就浮选过程产生的废料(尾矿)而言，它们介于95-98%之间[4]按处理过的物料的重量计算。处理过的物料以纸浆形式弃置在尾矿库中。输送采用管道，固体稠度约为40% ~ 60% [4，以防止管路卡死，并降低泵送过程中的能源消耗[6]。由于处理的水量较大，固体在尾矿坝中沉淀后，部分水回收再循环到浮选阶段。另外，另一种提高水回收率的方法是将纸浆浓缩至75%，然后使用新技术，如浓缩尾矿处理(TTD)，以浆料的形式提供[7]。

使用新技术或"膏体技术" [8]在1980年[在末端首先利用9从那时起，它被用来描述高含量的细粉(淤泥或粘土)和填充材料中低含量的水的膏体的处置，可以通过分配管道(直径10到20厘米)运输。这种“膏体”不同于填充污泥，在输送管道中不会以低速以不同的相(固体和液体)分离。通过管道输送浆料需要足够的优质材料(20 [μ(m]或更少)包含在混合物中，使管道壁面的润滑产生一种活塞流动状态。尾矿可用于充填用途，或由于其表面较高，可在尾矿管理设施中运输。

细粒物料的这种自然丰度不是唯一的从矿山尾矿，而且也常见于其他行业，这是由管道输送的浆料和位于的地方，而不会产生颗粒分离废物流。的潜在用途粘贴技术近年来已经扩大[3.,5]，因为它被认为是一种低成本，环境卓越的技术具有用于输送技术上可控的方法和允许从具有低水含量和高密度材料商业化某些废物流。在实施这种技术的经济影响的一个例子是通过工程JRI进行的比较，对于北Codelco公司分部，其中可以得出结论，糊技术产生节省高达15％，相比于常规的替代[10]。浆料中的流变控制有各种可能的影响或后果。膏体的性质促进了一种或多种二次废料的混合，使所有废料都能通过管道运输。密度的增加降低了上清液/处理的比例，降低了污染物的动员、水力传导性和水的氧/反应性，这些都是通过封装在膏体基体中实现的[8]。由于这些效果，等等[11- - - - - -15]中，提出设置与表征测试实验室，其确定屈服应力和在糊剂休止角。此外，考虑到的是，使用更自动控制系统允许增加的不同领域的程序[效率16- - - - - -19]，它提出了一种基于数字视频和图像处理使用工具箱图像处理与Matlab，系统广泛用于促进数据的不同类型的过程[分析开发一种技术20.- - - - - -23]。

结果可以定量地评价pH值对试验膏的流动性和静止角的影响。对于所使用的添加剂，硫酸作为分散剂，增加了浆料中的流动性并减小了静止角;在实施该技术的情况下，可以得出这样的结论，即这允许分析动态行为和整个时期的浆料轮廓，使浆料的流变学研究成为可能。

2.材料和方法

2.1。坍落度测试设备的设计

坍落度和水槽测试设备的设计和基于先前的研究[制定的标准和方法，构建24,25]。在坍落度试验中，随着时间的推移，测量膏体的高度，以确定相应的屈服应力。已建立分析模型，将坍落度值与相应的屈服应力值联系起来，并预测材料的坍落度行为。坍落度模型由第一原理推导而来，模型变量以无因次形式表示。因此，坍落度并不是一个经验模型，而是提供了屈服应力与坍落度高度之间具有独特关系的独立物质。

坍落度试验，这通常是在圆锥形的几何形状进行的，被改编为氧化铝工业圆柱形的几何形状。这是由于这样的事实，有坍落度高度和铝土矿废物的流动行为，相关性是适用于铜采矿糊剂的情况下的关系，由于类似的物理特性。

数字1给出了锥形和圆柱模型、理论计算结果和实验室计算结果的比较。可以清楚地看到，使用圆柱模型时的实验结果与理论模型非常接近，而不像锥模型相比经验结果有较大的偏差。考虑到这些信息，决定使用圆柱模型，因为它可以更精确地预测膏体的屈服应力。

结果列于无量纲变量来表示，以允许坍落度试验模型的概括和定义如下： 在哪里 =  无量纲蠕变极限。小号′ = 小号/H因次跌落高度。 = H₀/H无量纲粘贴高度不变形。 = H₁/H量纲变形粘贴高度。

数字2确定在圆柱体试验中，获得较低偏差值(理论-实验曲线偏差<10%)的直径为直径200mm的几何形状，其值在直径-高度比为1。由此得出实验用的圆柱体直径为200mm。

为了确定坍落度试验的屈服应力，采用了一系列假设，参考文献[24]:(一)据推测，没有浆料的变形在跌落试验中除去气缸的发生。（b）中只有努力作用于测试粘贴，并被假定为与粘贴本身的重量相关的垂直努力。（C）测试浆料是应该表现得像弹性固体，以便当在其等于一半的压力的法线方向施加一个“P”压力可以施加到主体的最大剪切应力。(d)在沿着圆柱体的高度某些点上，测试膏经历张力比蠕变极限更大和浆料流，直到张力被再次减小到蠕变极限，并保持不动。(e)在下落过程中，假设粘贴体之间呈现弹性和非弹性行为的界面层是一个水平表面，当测试粘贴体在其下方流动时，该水平表面会向下移动。(f)流的发生，直到横截面增加了面积，以便在任何给定平面上支撑膏体重量所需的努力减少到蠕变极限。因此，张力和横截面的乘积与膏体在平面上的重量成正比。

制造材料是丙烯酸，以确保均匀和完整的填充几何。为了获得良好的视频质量，几何体必须有一个对比的基础和背景表面，以及良好的照明。

2.2。水槽试验设备的设计

水槽试验，用以确定矿质浆料的静置角度[25]，后来发展考虑下研究膏体的特性。为了确定糊，公式的休止角（2使用)。示意图如图所示3.。

该设备建在丙烯酸系随着时间的推移，观察糊的轮廓，和所使用的几何形状是矩形的，并且类似于与具有滑动门的进料室水槽。了设备的表示被显示在图4。为了实现良好的视频质量，几何形状，必须使用对比基面和背景照明。

2.3。粘贴视频监控技术的设计

用于分析结果和图像处理和记录工具，Matlab®工具箱图像处理和免费视频Jpg。使用了转换软件。为了移动粘贴，使用了视频分辨率为720×480的数字摄像机，颜色深度为每像素8位(256色)。视频采用。wmv格式录制。用Camtasia Studio 6软件对相机中捕捉的视频进行编辑，以删除图像处理中未考虑到的时间段。

原来的一套捕获的图像(视频)是分割成30帧每秒与免费视频转换JPG软件。这些单独的图像或帧对应一系列的点(像素)能够存储从0到255的颜色强度，使用RGB颜色模型(红、绿、蓝);因此，每个像素所能存储的强度的广泛组合是不同强度的原色混合的产物，其中白色是最大强度(256,256,256)的混合，黑色是最小强度(0,0,0)的混合。

从可以在图中看到的原始图像5，如图所示的黑白图像6，允许定义轮廓面并在测试中进行测量。此外，工具箱图像处理允许以白色或黑色定义测试的轮廓表面，以便从现在开始黑色测试表面的组合将用于结果图像。

当与RGB颜色模型工作，并使用图像处理软件工具包含在Matlab的工具箱图像处理，所以能够在所述框架（红色，绿色，或蓝色）分离仅一种颜色的强度，这取决于在所用的对比表面上经验和更好地反映在二进制颜色（白色或黑色）的处理的图像的轮廓表面。

2.4。操作参数和程序说明

石英粉时，以100％下400项泰勒目（<33毫米）的近似粒度。在实验中使用的试剂的选择是基于由聚合物和所述浆料的pH调节剂，考虑量化的效果，这些添加剂在75个％固体的糊产生在不同浓度固体的，聚合物和所产生的效果该pH改性剂在72％的固体。In the case of the polymer, 1 ppm of a polyacrylamide was used with a cationic derivative of acrylic acid, Clarisol, and in the case of the pH modifier, 1 ppm of sulfuric acid was used.

对于比重为70%的固体的坍落度试验，在不添加硫酸的情况下制备试验膏，安装配置摄像机，测量pH值。然后，记录开始，粘贴被清空到圆筒的几何形状中。如果膏体含有大量固体，则通过压实膏体，分两步进行充填，以消除死区;否则，只需一步就可以完成填充。一旦几何体的整个表面被完全填满，圆柱体就被抬起，浆糊就允许流动，记录就停止在浆糊的静止状态。然后收集膏体，以0.0018 g硫酸/吨干固体的比例加入98%的浓硫酸，测量pH值，规格同本节第一段所述2.3从录音开始的段落开始。这些经历重复两次，然后选择一个视频进行图像处理。

在75％的固体（重量）的糊中的塌落度试验的情况下，浆料不添加阳离子性聚合物，Clarisol制备然后，对于具有70％固体的浆料中的相同的过程，并用作流变改性剂仅改变添加剂，使用阳离子型聚丙烯酰胺在10％重量/浓缩瓦特在为0.001g Clarisol的/吨干固体的比率。

在75%固体重量的水槽试验中，制备不添加絮凝剂克瑞索的膏体;然后，对固体含量为70%的膏体采用同样的程序，只改变用作流变学改性剂的添加剂，这次使用浓度为10% w/w的浓缩阳离子聚丙烯酰胺，其比例为0.001 g克拉拉酚/吨干固体。

摄像机必须满足的特性是保持在一个固定位置，平行于测试平面，并在一段距离(l)它覆盖了几何图形的整个表面。另外，必须手动调节亮度，录像时不能自动调节，录像质量必须为720×480像素。

3.结果与讨论

3.1。70%固相硫酸对坍落度试验的影响

图像捕获在的1/30秒的时间间隔，而不硫酸，具有1.97秒的总的持续时间。汽缸的宽度和浆料的传播之间的最终比率为2.76。与使用0.0018克硫酸/吨的干燥固体，并用1.97秒的总的持续时间，滚筒的宽度和污泥的传播之间的最终比例是3.26。

在测定膏体在添加硫酸和不添加硫酸情况下的传播长度时，可以观察到两种试验中膏体传播速度的变化，如表所示，添加硫酸时膏体传播速度的变化较大1和2和图7。从图中可以看出，在试验开始时，酸的加入速度较高，而在试验结束时，酸的加入速度相似。

3.2。含70%固体的硫酸在水槽试验中的作用

对于没有使用硫酸的第一情况下，图像捕获在1/30秒的时间间隔由具有5.37 S，的量，浆料的休止角在2.3°减小的总持续时间。对于具有0.0018克硫酸/吨干固体的测试，在时间间隔进行图像捕获1/30秒，用1.97总持续期S的糊的休止角减小3.47°。

当测量有和没有加入硫酸的糊的传播的长度和高度，休止角被计算为量化休止时间的角度的变化，示出了在糊序列70％固体，具有低的值酸硫酸。在工业规模的装置，该参数与这些特性的固体需要更少的能量来进行运输。图形的结果反映在图8并且数据是在表3.和4。从图8，可以看出，加入硫酸后，70%固体的水槽试验使膏体的静止角减小，铺展时间缩短。

3.3。75%固形物阳离子聚合物克拉利索在坍落度试验中的作用

如图所示，75%固形物的坍落度试验在高度上没有变化9，分别表示测试在0、1.07和1.63 s时刻的初始图像、中间图像和最终图像。值得一提的是，不添加阳离子聚合物;固体的高浓度会阻止测试膏体的移动。图像序列以1/30的时间间隔进行，总持续时间为1.63 s。

当添加Clarisol阳离子聚合物（0.001克Clarisol /吨干固体），颗粒的附聚是观察。以此方式，增加了糊状物的表观粘度被推断，如图10，它代表了测试的初始，中间和最终图像，分别在时间0，1.43和2.87 S，。图像序列以1/30的时间间隔（S）与2.87秒的总的持续时间进行的。

对于这两种测试中，添加和不添加聚合物的，在糊的流动性没有变化发生。比较测试时由另一个观察是在需要无添加剂在实验过程中，以除去缸，从1.63秒至2.87 s的添加剂的时间的增加，使得聚合物产生对测试膏将不是有利的效果目标设定了在本次调查。

3.4。Clarisol阳离子聚合物在水槽测试75％固含量的影响

用75成％的固体，并且不添加Clarisol水槽测试确实在高度和长度不存在变化。这反映在图11，它代表了测试的在时间0，1.90初始，中间和最终图像，和3.83 S，分别。图像序列在1/30的时间间隔（S）与3.83秒的总的持续时间被执行。

在用75成％的固体，并用0.001克Clarisol /吨干固体水槽测试的情况下，也有在高度和长度，没有变化，这被反映在图12，它代表在时间0，分别2.43和4.87秒，测试的初始，中间和最终图像。图像序列在1/30的时间间隔（S）为4.87秒的总的持续时间被执行。总之，对于具有75％的固体，加入或不加入阳离子聚合物Clarisol的水槽的测试中，在糊的流动性没有变化产生的。所花费的时间从3.83 S中的水槽增加，而无需添加剂与添加剂以除去滑动闸门到4.87秒。

4.结论

4.1。软件使用

用于分析结果和图像处理和记录工具，Matlab®工具箱图像处理和免费视频Jpg。使用了转换软件。相机中拍摄的视频用Camtasia Studio 6软件进行编辑，以删除图像处理中没有考虑到的时间段。此外，“工具箱图像处理”允许以白色或黑色定义测试的轮廓表面，以便将黑色测试表面的组合用于结果图像。我们建议使用Matlab®工具箱图像处理的工具和技术来分析、量化和比较添加剂随时间的影响。

4.2。新技术和优势

一种基于数字视频和图像处理的技术，通过一个实验室的实施，以表征粘贴，包括坍落度和水槽测试。通过视频实现图像分析的相关性应该被注意，因为它允许量化粘贴中的动态行为。根据所使用的流变改进剂的类型，可以得出结论，硫酸可以通过增加流动性来实现水的回收。值得一提的是，这项技术的使用与目前的工艺相比，节约了大量的水资源，这不仅是一项经济效益，也是有利于当今时代所迫切需要的可持续发展的重要一步。

4.3。限制

相反，无法分析聚合物和pH改性剂在尾矿膏中的作用，而可以分析和量化化学添加剂作为流变学改性剂在细粒度法的膏中的作用(<38)μ米）和碱性pH值。

4.4。未来的工作要做

建议修改水槽的尺寸，特别是测试膏体流过的长度，因为考虑的尺寸不允许评估添加更多的酸对膏体产生的影响。为了观察和量化测试浆料的性能并使用图像处理，建议在圆筒和水槽测试中使用固体成分百分比在70%到74%之间。

数据可用性

所有支持这项研究的数据都作为补充信息随本文一起提供。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

作者的贡献

克劳迪奥·阿库纳概念化了这项研究;Sofia Mondaca负责数据管理工作;Claudio Leiva、Claudio Acuna和Sofia Mondaca进行了形式分析;Sofia Mondaca进行了调查;克劳迪奥·阿库纳和索非亚·蒙达卡提供了研究方法;克劳迪奥·阿库纳进行了验证;Eduardo Serey写了初稿;Claudio Leiva和Eduardo Serey撰写了这篇评论并编辑了这篇文章。

致谢

作者希望感谢Gabriela Mistral分部Codelco提供的物质支持，北天主教大学提供的财政支持，以及学生Sofia Mondaca在化学工程师论文中所作的贡献。

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