CN104066686B - 分散和凝集矿浆成分的方法 - Google Patents

Abstract

本公开内容主要涉及使用低分子量聚合物使含水矿浆中的矿物成分凝集从而释放和分离该浆体的各种成分，这些成分然后可以从该浆体中回收。

Description

分散和凝集矿浆成分的方法

相关申请的交叉引用

在此要求于2012年1月25日递交的美国临时专利申请61/590,489号的优先权，并通过援引将其全部内容并入本说明书中。

技术领域

本发明主要涉及聚合物及其用于辅助含水矿浆中的矿物成分凝集从而释放和分离该浆体的各种成分的用途，这些成分然后可以从该浆体中回收。

背景技术

许多工业方法涉及将矿物分散在水中以有助于矿物或其他成分的分离和回收。采矿业是这种方法的主要采用者，其中矿石被磨碎并在水中浆化以实现所期望的成分的分离和回收。称作脉石或尾矿的浆体中的残留矿物成分于是通常沉积在称作尾矿池的矿坑或矿池中，在该处固体预计将沉降，从而实现上层清水的回收和剩余矿物固体的最终固结。煤、铜和金矿开采仅是采用此技术的采矿方法中的少数几种。

尾矿池中的慢速矿物固体沉降通常是采矿作业中的严重经济和环境问题。如果该过程的目的是回收水以再利用或处置，则通常数以年计的漫长的矿池滞留时间会削弱过程的经济性。此外，巨量积蓄的浆体可能带来环境和人身危险。美国煤浆池的溃堤证实了这两种危险。

如果积蓄的浆体主要由粗矿物构成，则尾矿池的沉降速率通常不成为环境或经济问题。在此情况下，固体迅速沉降，并固结至可处置的稠度，并且水容易回收。但当积蓄的浆体的成分为非常细的矿物时，沉降通常受阻，并且在一些情况下可能耗费数年来进行。

许多矿浆主要的不希望的成分通常是粘土。粘土具有许多种化学组成，但在粘土在矿浆中的表现方面的关键区别在于其主要处于一价(通常是钠)形式还是多价(通常是钙)形式。不同化学组成的粘土的作用对于本领域技术人员而言是公知的。一价粘土倾向于是水溶胀性和分散性的，多价粘土通常不是这样。

水溶胀性和分散性粘土在矿物加工和尾矿脱水方面造成许多问题。这些粘土倾向于是一价的钠粘土，如主要由蒙脱石构成的膨润土。这些粘土可以表示为Na.Al₂SO₃.4SiO₂.H₂O。

此外，如果这些粘土被非常细地分开，则问题通常被放大。如果粘土容易通过加工中的剪切而破碎成更细的颗粒，则问题会被复杂化。层状、片状或页岩状形式的粘土特别敏感从而在加工过程中被机械破碎至更细的颗粒。

在矿物加工中，通常使用添加剂以促进特定成分的去除。用于分离和漂浮磨碎的煤颗粒的起泡剂是其一个实例。在此情况下，要回收的所期望的成分为如煤等有机材料，但类似的方法也用于矿物回收。在几乎所有采矿方法中，剩余的浆体必须被分离以回收水和使固体固结。

自二十世纪60年代后期以来，新型采矿业已在加拿大东北部的阿尔伯塔省得到开展。被开采的矿藏称作阿萨巴斯卡(Athabaska)油砂。该矿藏由重烃油(称作沥青)、砂、粘土和水形成。在加工该矿藏时，矿石在温水或热水中浆化，目的是从砂和粘土中分离沥青，通过漂浮回收沥青，回收水以再利用，和在矿区填筑中处置脱水的残留矿物固体。该油砂矿藏含有全世界第二大量的石油，仅次于沙特阿拉伯。因此，需以前所未见的工业规模来进行分离、水回收和固体处置。

油砂加工的第一目的是使沥青回收最大化。在温水或热水中浆化倾向于从矿石的矿物中释放沥青，而在称作水力输送的管道过程中，浆体通过管道被输送至初级分离单元。包括苛性钠或柠檬酸钠的各种化学添加剂已用于提高矿石成分在工艺用水中的分散，并用于加速从砂和粘土中分离沥青以实现更多的沥青回收。在水力输送过程中，砂较容易与沥青剥离并容易脱落，而通过初级分离单元的底部除去；粘土是主要问题。由例如工艺用水贡献的与二价或其他多价阳离子(特别是钙和镁)结合的粘土被发现可阻碍沥青的有效分离和漂浮。如苛性钠或柠檬酸钠等添加剂的使用有助于分散而抑制粘土的有害效果。柠檬酸钠是一种已知的分散剂，也充当软水剂，以螯合钙和镁离子。

在提高回收率的同时，这些添加剂通常在沥青分离后具有残留不利作用，即妨碍后续的从粘土中除去水。为研究发现于油砂矿藏中的各种粘土，已经进行了大量调查。不同的粘土通常以尚未完全理解的方式不同地影响沥青分离，粘土的差异影响粘土的后续的从工艺用水中的分离。由于矿石是天然矿藏，因此分离过程由粘土种类和含量以及二价离子的水平决定。作用于浆体的泵和管道剪切力将粘土破碎成更细的粘土颗粒，从而进一步不利地影响分离过程。各种矿石来源通常在水力输送之前混合，以尝试减轻粘土的影响。可以将压缩空气引入水力输送管道之中。空气在压力下溶解，并且随着压力释放出初级分离容器，形成气泡从而有助于使沥青漂浮。

在分离过程中，漂浮的沥青溢出而进行进一步加工。通常，砂和任何粗粘土迅速沉降至圆锥形初级分离单元的底部。可以控制这种较粗部分的提取率。称作中矿的最大体积的成分是在较粗层上方且在沥青漂浮物下方的中间层。中矿包含细粘土的分散体。本行业认为这些细粘土是直径小于44微米的任何尺寸。这些粘土通常形成非常稳定的分散体。任何分散添加剂进一步提高粘土浆体的稳定性。如果分散剂或任何其他添加剂提高初级分离单元中的中矿粘度，则沥青漂浮和回收可能受到阻碍。

在现有工艺中，促进有效分散和沥青回收的条件看起来与后续促进下游细粘土分离、固体固结和水回收的条件截然相反。回收和再利用工艺用水耗时越久，则发生越多的热量和蒸发损失。有效沥青提取与下游的矿物固体处置之间的折衷是油砂业的一个昂贵的问题。

在提取过程中，中矿从初级分离单元的中心连续取出。从初级分离单元的圆锥形底部取出的重且容易沉降的砂/粗粘土成分和中矿成分通常均进行另外的清洁和机械脱水步骤，以回收在初级分离单元中未漂浮的任何沥青。中矿可以被水力旋流以提高密度。然后通常将中矿引至增稠器，其中添加高分子量钠/钾/铵丙烯酸盐/丙烯酰胺类共聚物(称作絮凝剂)以使分散的中矿的细粘土聚结并絮凝。在增稠器中通常需要4～5小时的滞留时间，以产生稠化的底流(从而开始增加用于最终固体固结的粘土固体)，并产生澄清的溢出水以再用于该过程。增稠器是具有大保持体积的巨大、昂贵的机械分离器。

油砂工艺的最终目的是产生用于矿区填筑的致密、适于运输的固体，并回收水以供工艺使用。这两种矿物工艺流，即，来自初级分离单元的砂/粗粘土和中矿(通常如上所述稠化)被泵入单独的污染物区(称作矿池)或者合并然后送至矿池中。两种途径均产生了本行业正在解决的新问题。合并的流(称作合并尾矿，或CT)产生下述状况，其中粗砂和粘土较快地沉降在矿池中，但细粘土并不如此。代替所期望的沉降和上层清水的回收的是，这些矿池中的上层形成悬浮的细粘土的几乎永久性的层，称作成熟细尾矿(MFT)。粘土在这种相对流体(即，MFT的几乎永久性层)中的含量通常为40重量％％～50重量％固体。当中矿被单独泵入矿池时，会立即产生同样的状况。这些矿池的存在和大小威胁着本行业的前途。政府已经下令必须对这些MFT矿池再处理，进行水回收再利用，并使脱水固体固结以恢复采矿区。

油砂业已付出了一致努力来将MFT再处理为称作未分离尾矿(NST)的东西。这意味着，不同粒径的砂和粘土尾矿在被泵入矿池后在沉降时未按粒径分离，而是以未分离的方式沉降，更迅速地释放上清液和/或底流排出水，并且最终产生可用于矿区恢复的适于运输的固体。在NST浆体被泵至矿池之后，热量仍在损失，并且热水仍在蒸发。可以在作业过程中回收更多热水和可以在分离过程之后立即产生容易脱水的未分离尾矿的任何方法或程序，对于油砂业具有极大的益处。

在Nagan的美国专利6,190,561号及其相应的加拿大专利2,290,473号(通过援引将其各自的公开内容全部引入本说明书中)中，Nagan描述了一种使用“沸石准晶体聚结剂(ZCC)”的工艺作为水澄清方法。在专利中称作ZCC的该钠或钾沸石以特定顺序使用，以使固体颗粒聚结并将它们从水性分散液中分离出来。特定顺序包括，首先提供含有(并保持)多价阳离子(并可选地添加其他多价阳离子，如阳离子聚丙烯酰胺)的颗粒状物质的水性悬浮液，然后添加足量的沸石准晶体聚结剂，以通过所述被吸附的阳离子与存在于ZCC中的钠或钾之间的离子交换促进颗粒状物质的聚结。该特定顺序对于使阳离子固体聚结非常有效。

在‘561和‘473专利中，Nagan描述了通过将铝酸钠与硅酸钠或硅酸钾(相对廉价并有市售的化学品)反应而生产该A型沸石的工序。硅酸钠和铝酸钠可作为散装液体获得。

发明内容

本发明涉及克服与含水矿浆中成分的分离相关的问题中的至少一个、从该浆体中回收特定成分和残留矿浆的后续脱水和处置。

因此，本发明提供一种用于处理含固体矿物浆体的成分的含水分散液的方法和水溶性聚合物，特别是其中一种或多种粘土和/或粘土的化学成分或者其他矿物阻碍(a)矿物成分和任何有机成分的最初分散和分离，和/或(b)所期望的成分之后的分离，粘土(或其他矿物)形成抵抗脱水的稳定的悬浮液。

本发明特别适用于含有可溶胀钠粘土(如膨润土/蒙脱土粘土，例如表示为Na.Al₂SO₃.4SiO₂.H₂O的那些粘土)的浆体。

根据本发明，可用的聚合物为水溶性、含多价阳离子的丙烯酸盐与如丙烯酰胺等单体的共聚物。该共聚物可以为含有含多价阳离子的丙烯酸盐与如丙烯酰胺等单体和如AMPS(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸)等第三单体的三元共聚物。聚合物生成后以水溶液的方式添加至含矿物浆体中，以使固体矿物成分立即开始凝集并沉降，从而形成含有固体凝集絮凝物和上层清水的产物，由此增强矿物浆体的固体矿物成分的分离和后续的回收，并增强产物的残留成分的后续除水和固结。此处所用的术语“共聚物”是指包含两种以上不同单体单元的聚合物，因此包括例如三元共聚物。

优选的是，多价丙烯酸盐共聚物采用溶液聚合、凝胶聚合、分散聚合或乳液聚合而制造，并且优选处于通过溶液聚合制造的溶液、凝胶或干粒状固体、由分散聚合产生的干式聚合物的形式，或者处于反相乳液的形式，其中所述聚合在乳液中发生。在所有情况下，聚合物均基本上是水溶性的，聚合物分子是直链或者有意地轻度交联。

聚合物的本征粘度小于5dl/gm(在25℃的1M NaCl中测量)，可使细粘土絮凝，或可使浆体中的细粘土和粗矿物共絮凝。优选的是，聚合物的本征粘度为至少3dl/gm(在25℃的1M NaCl中测量)。

在整个本说明书中，本征粘度应被理解为在25℃的1M NaCl中测量，以dl/gm为单位表示。此外，除非另有规定，否则所有百分比应被理解为重量％。

在本发明的一个实施方式中，将沸石(优选处于水溶液或分散液中)添加至含水矿浆中。然后使多价丙烯酸盐共聚物以水溶液的形式足量添加而与沸石反应，以立即中和沸石的分散作用，从而使矿物和其他固体成分凝集并沉降。

在Nagan的‘561和‘473中，当在ZCC之后将无机二价离子添加至粗固体和细固体的浆体中时，粗固体率先沉降，然后是凝集的细固体。当将低本征粘度二价丙烯酸盐共聚物添加至粗固体和细固体的浆体中时，浆体中的固体共凝集。在油砂细粉和砂的浆体的情形中，固体共凝集形成未分离的迅速排水的固体(NST)。如果在提取之前将ZCC添加至油砂矿石浆体中，例如添加至水力输送水中，并在模拟的初级分离容器(PSV)之前将低本征粘度二价丙烯酸盐共聚物添加至最终稀释水中，则沥青不受阻碍地漂浮，并且细粉和砂凝集并沉降为未分离尾矿(NST)。该共凝集可以显著改善并简化油砂过程中提取后的矿物固体的处理。

在常规一价丙烯酸盐聚合物或共聚物用于含水浆体中矿物固体的絮凝的工业应用中，聚合物的分子量在补充氢键合和范德华力以产生稳定的排水絮凝物方面发挥着重要作用。通常，中到高分子量(例如，本征粘度为12dl/gm以上)是产生在剪切力下保持其粘结性的絮凝物所需要的。利用较低本征粘度的常规一价丙烯酸盐共聚物，首先将需要增加所需的剂量以维持絮凝物结构，其次在如约8dl/gm以下等更低的本征粘度下，絮凝物结构在经处理的含水粘土浆体中开始形成，但在将絮凝剂溶液混合入浆体中所施加的剪切力下崩溃。浆体恢复至其分散状况。

中到高分子量的水溶性多价丙烯酸盐共聚物的水溶液，如二丙烯酸钙/丙烯酰胺共聚物，非常有效地使含水粘土浆体絮凝/凝集，产生自由排水的耐剪切凝集体。已认为中到高分子量是补充钙与粘土的键合反应以形成稳定的自由排水凝集体所必需的。

二丙烯酸钙共聚物的分子量对于产生耐剪切的自由排水凝集体不是主要决定性的。而一价丙烯酸盐聚合物和共聚物依赖于中到高分子量来建立絮凝物结构，凭借的是与分子量相结合发挥作用的较弱的氢键和范德华力，已经发现，二价丙烯酸盐聚合物在远低于常规期望值的分子量下在粘土浆体中形成强凝集键。小于5dl/gm的本征粘度形成坚实的耐剪切的迅速排水结构。

通过浏览以下具体实施方式并结合所附权利要求，本发明的其他目的和优点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

具体实施方式

因此，本发明提供一种增强固体在矿浆中的脱水以实现水回收和固体填筑的方法，所述方法包括：

(a)提供包含浆化水、固体矿物成分和如沥青等可能的有机成分的含水浆体；

(b)可选地向该浆体添加(a)足以分散并分离该浆体的成分而形成分散的浆体的量的铝与硅的重量比为约0.72:1～约1.3:1的钠或钾沸石；

(c1)向该分散的浆体添加(a)足量的可与所述固体矿物成分反应的聚合物的水溶液，所述聚合物选自由水溶性含多价阳离子丙烯酸盐共聚物组成的组，所述聚合物具有小于5dl/gm(在25℃的1M NaCl中测量)的本征粘度，使该聚合物与固体矿物成分反应，从而使固体矿物成分立即开始絮凝并沉降以形成包含絮凝物和上层清水的产物，由此增强浆体的固体矿物成分的分离和后续回收，并增强产物的残留成分的后续除水和固结；或

(c2)向该分散的浆体添加(b)足量的可与所述矿物成分反应的聚合物的水溶液，所述聚合物选自由水溶性含多价阳离子丙烯酸盐共聚物组成的组，所述聚合物具有小于5dl/gm(在25℃的1M NaCl中测量)的本征粘度，使该聚合物与沸石和固体矿物成分反应，从而立即中和(b)中的沸石的分散作用以使所述固体矿物成分立即开始凝集并沉降以形成凝集体和上层清水，由此增强该浆体的固体矿物成分的分离和后续回收，并增强产物的残留成分的后续除水和固结。

固体矿物成分可以是粘土。优选的是，粘土是水溶胀性的钠粘土，如膨润土/蒙脱土粘土，例如表示为Na.Al₂SO₃.4SiO₂.H₂O的那些粘土。

优选的是，丙烯酸盐单体的多价阳离子选自由钙、镁、铁和铝组成的组。

聚合物优选为二价丙烯酸盐与丙烯酰胺的含钙或镁的共聚物，或者二价丙烯酸盐、丙烯酰胺和AMPS(2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸)的三元共聚物。

多价丙烯酸盐共聚物优选处于通过溶液聚合制造的溶液、凝胶或干粒状固体、由分散聚合产生的干式聚合物的形式，或者处于反相乳液的形式，其中所述聚合在乳液中发生。在所有情况下，聚合物均基本上是水溶性的，聚合物分子是直链或者仅轻度交联。

聚合物的分子量较低，具有小于5dl/gm、优选至少3dl/gm的本征粘度。

以足以使矿物成分和任何有机成分絮凝/凝集的剂量使用该水溶性聚合物的溶液。凝集剂的有效剂量范围优选为100克～2000克(并优选为1000克以下)聚合物/吨粘土细粉。

在一个优选实施方式中，浆体的固体矿物成分的分离和后续回收、后续除水和浆体的残留成分的固结可以通过向细粘土浆体添加砂而得到增强。在使用本发明的聚合物处理的油砂细粘土和砂的混合物的情形中，自由排水的沉积固体是未分离的，这是尾矿储存的优选形式。

在一个优选实施方式中，该水溶性聚合物为本征粘度小于5dl/gm的二丙烯酸钙/丙烯酰胺共聚物或二丙烯酸钙/丙烯酰胺/2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)三元共聚物，非常优选二丙烯酸钙含量为至少5摩尔％。在该实施方式的一种形式中，通过下述方式可以增强性能：对该聚合物溶液施加足以降低分子量分布的宽度和/或降低溶液粘度的受控的机械剪切力，从而提供更容易与粘稠或致密的基质混合的聚合物溶液，以增强聚合物的性能。

优选的是，水性聚合物溶液基本不含有含一价阳离子的丙烯酸盐聚合物，并且非常优选的是选自由钙、镁、铁和铝组成的组中的多价阳离子中的仅仅一种存在于聚合物溶液中。

一价阳离子的基本不存在和仅仅一种多价阳离子的存在各自对于聚合物针对浆体的矿物成分的高特异性均有贡献，特别是在粘土的情形中。

本发明的水溶性聚合物的低分子量阴离子部分可以是有机酸的多价盐(如丙烯酸钙、镁、铁或铝)与丙烯酰胺的共聚物，或者甚至是这些有机单体与如2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)等单体的三元共聚物。这些聚合物凝集剂的常见共同特征在于，其含有多价丙烯酸盐，并且所产生的聚合物在性质上基本是直链的。

如上所述，聚合物的直链性质可以通过非常轻度的交联而改性，以在聚合物内产生一定程度的二维性。这种轻度交联成二维结构被称作“支化”。

对于本发明的多价丙烯酸盐的阴离子共聚物，可以通过添加适当的追加的交联剂单体(如亚甲基-二丙烯酰胺(MBA))来引入支化。MBA本质上是由甲基非线性地桥联的两个丙烯酰胺分子。实现支化所需的交联单体的水平很低，通常基于全部单体为0.1ppm～5ppm。

如果需要，可以对聚合物的溶液施加足以降低聚合物的分子量或聚合物的分子量分布的宽度的机械剪切力。

当要处理的矿物流非常稠密或非常粘稠或者二者兼而有之时，本发明的聚合物的低溶液粘度特别有利。聚合物的溶液粘度越低，则聚合物分子能够与各矿物固体接触得越充分。如果实现此颗粒接触需要较少的混合能，则施加能够同时剪切所产生的聚合物结构的较少的能量。聚合物溶液与矿物颗粒的即时混合对于减少凝集体破坏是所希望的。

本发明的二丙烯酸钙共聚物(或其他含多价阳离子的丙烯酸盐聚合物)的轻度支化倾向于进一步提高直链二丙烯酸盐聚合物的使矿物细粉凝集、释放更清洁的水的性能。利用轻度支化的二丙烯酸盐聚合物形成的凝集的结构产生更强固、耐剪切的固体。

在一些实施方式中，(a)的浆体含有有机材料，和/或固体矿物成分包含尺寸为44微米以下的颗粒。

在一些实施方式中，固体成分包含矿石，浆体可以含有沥青，并且在油砂应用中，浆体通常含有砂、粘土、残留沥青和水。

实施例

一价丙烯酸盐聚合物的性能

将高分子量(IV18)支化丙烯酸钠/丙烯酰胺共聚物以0.4％溶液按900g/吨粘土的量应用于油砂细粘土尾矿(在成熟细尾矿(MFT)中<44微米的粘土)的浆体中。形成絮凝物结构。产生一系列分子量(本征粘度)不断降低的类似聚合物，将其以相同剂量应用。该序列中的最后一种具有6.3dl/gm(在25℃的1M NaCl中测量)的本征粘度。IV6.3聚合物开始形成絮凝物，但该絮凝物立即分解，并且浆体恢复其均匀的稠度。这是分子量不足的典型表现，并且是需要中到高分子量一价丙烯酸盐充当絮凝剂的原因。改变此IV6.3聚合物的剂量不产生絮凝物结构。

低分子量直链凝胶聚合物的制备

通过以下并非意图是进行限制的实例，进一步描述和说明低分子量聚合物的制备及其作业方案。

由以下试剂制备20％直链溶液聚合物(65重量％二丙烯酸钙)：

迅速的反应产生凝胶。该聚合物的本征粘度(IV)为4.5dl/gm(在25℃的1M NaCl中测量)。由该凝胶产生0.4％聚合物固体溶液。对于油砂32％固体成熟细尾矿(MFT)，将该溶液和轻度支化的60重量％二丙烯酸钙/40重量％丙烯酰胺共聚物(IV4.9)的类似溶液相对于轻度支化的高分子量60重量％二丙烯酸钙/40重量％丙烯酰胺共聚物(IV16.5dl/gm)进行测试。这两种低本征粘度聚合物均与IV16.5聚合物的絮凝/凝集性能相匹配，两种低IV聚合物提供了更优异的沉积物排水性。

对于油砂32％固体成熟细尾矿(MFT)，对来自以上的IV4.5溶液和轻度支化的60重量％二丙烯酸钙/40重量％丙烯酰胺共聚物(IV4.9)的溶液相对于轻度支化的高分子量60重量％二丙烯酸钙/40重量％丙烯酰胺共聚物(IV16.5dl/gm)进行测试。这两种低本征粘度聚合物和IV16.5聚合物均产生凝集物，但两种低IV聚合物提供了更优异的排水性。支化的低IV二丙烯酸盐聚合物看起来产生了比直链低IV二丙烯酸盐聚合物更硬的沉积物。

通过离心来凝集和脱水

使成熟细尾矿(MFT)(在20％～40％悬浮液中<44微米的粘土)脱水的一种方法是使用絮凝剂处理并离心，以产生称作“滤饼”的软固体。然后该滤饼可以静置干燥或与砂混合以产生适于运输的固体。离心机的MFT进料已经使用一价阴离子絮凝剂(如丙烯酸钠/丙烯酰胺的共聚物)常规处理。但是，此脱水滤饼中的粘土固体仍然与处理前一样为<44微米的细粉。这可以通过简单地将“滤饼”的一部分再分散至水中而看出，其中它形成<44微米的颗粒的未沉降的均匀分散体。细粉未改变这一事实意味着它们可能会对生产矿区填筑所需的最终期望的适于运输的固体带来问题。

在对比离心试验中，使用900克/吨的如上所述的IV16.5和IV4.5二丙烯酸钙共聚物处理同样的<44微米的MFT。在比较这两种二丙烯酸钙共聚物的一系列离心时间研究之后，利用IV4.5二丙烯酸钙共聚物的沉积速率是利用更高IV丙烯酸盐共聚物获得的沉积速率的两倍多，并且IV4.5二丙烯酸盐聚合物产生更清洁的水，和含砂的更干的沉积物。

沥青提取中油砂中的矿物固体共凝集

在Sortwell的加拿大专利2,667,933中，描述了一种方法，其中在漂浮分离之前，使用纳米颗粒钠沸石处理油砂浆化水，以从砂/粘土矿物固体中分散并分离沥青。使用来自氯化钙的无机钙处理沥青漂浮之前的最终稀释水。随着沥青漂浮的发生，砂迅速沉降，并且粘土颗粒(其分散性被无机钙离子在粘土和沸石上的反应所抵消)聚结并沉降。砂和粘土沉降为两个不同的层。

使用360g沸石活性物(每吨矿石)重复在Sortwell的‘933中的实施例中的试验#12参数，但提取步骤前的最终稀释水中的氯化钙被800g IV4.5二丙烯酸钙聚合物(每吨矿石)所替代。将最终稀释水分成两半，并将每个半份添加至矿浆中之后混合10秒，并在第二个分开的半份中添加该聚合物。在最后10秒混合之后，沥青自由漂浮，并且清洁的砂和粘土凝集为未分离的沉积物。

机械剪切引起的分子量降低

将IV7.3、65重量％二丙烯酸钙共聚物的1％溶液在实验室转子/定子装置中短暂剪切(约10秒)。IV降低至4.5。将该溶液进一步稀释至0.4％，对32％MFT进行测试，发现产生了坚实的自由排水凝集体。

结论

通常在工业中，特别是在油砂行业中，公知的是，二价离子对于粘土、特别是水溶胀性钠粘土具有亲合性。在采矿、特别是在油砂采矿作业中，粘土体系中最常用的絮凝剂是高分子量聚丙烯酸钠(一价)共聚物(参见例如关于CA 2,515,581中对阴离子聚丙烯酸钠的多次引用)，其对钠粘土不具有化学亲合性。在矿浆中，与中到高分子量一价(钠)丙烯酸盐聚合物相比，作为中到高分子量阴离子聚合物的成分的二丙烯酸钙(二价)已经显示了更优异的凝集和脱水性能。低分子量二丙烯酸钙聚合物还产生了稳定的自由排水凝集体这一发现进一步提高了聚合物在处理矿物固体方面的适用性，并且是合成絮凝剂科学方面的重大进展。

以上具体实施方式仅为使理解清楚而提供，不应由其理解出不必要的限制，同时在本发明范围内的修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (59)

1.一种处理含水矿浆的方法，所述方法包括：

(a)提供包含浆化水和固体矿物成分的含水浆体；

(b)向该分散的浆体添加(a)足量的可与所述固体矿物成分反应的阴离子聚合物的水溶液，所述聚合物选自由水溶性含多价阳离子丙烯酸盐共聚物组成的组，所述共聚物具有小于5dl/gm的在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度，使该聚合物与所述固体矿物成分反应，从而使所述固体矿物成分凝集并沉降以形成包含絮凝物和固体含量减少的水的产物。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法包括另一步骤：向该浆体添加(a)足以分散并分离该浆体的成分而形成分散的浆体的量的、铝与硅的重量比为0.72:1～1.3:1的钠或钾沸石，其中，所述步骤(b)使所述聚合物与所述沸石和固体矿物成分反应，从而中和所述沸石的分散作用以使所述固体矿物成分凝集并沉降以形成所述产物。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度为至少3dl/gm。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物的水溶液不含有含一价阳离子的丙烯酸盐聚合物。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述多价阳离子选自由钙、镁、铁和铝组成的组。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中，仅一种多价阳离子存在于所述聚合物的水溶液中。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物为含钙或含镁的二丙烯酸盐与丙烯酰胺的共聚物。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述聚合物为二丙烯酸盐/丙烯酰胺/2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)三元共聚物。

9.如权利要求1或2所述的方法，其中，矿物成分的浆体包含单独的尺寸小于44微米的细成分或其与较粗的成分的组合。

10.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物为二丙烯酸钙/丙烯酰胺共聚物，或二丙烯酸钙/丙烯酰胺/2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)三元共聚物。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述聚合物具有至少5摩尔％的二丙烯酸钙含量。

12.如权利要求1或2所述的方法，所述方法包括对所述聚合物的水溶液施加足以降低所述聚合物的分子量或所述聚合物的分子量分布的宽度的机械剪切力。

13.如权利要求1或2所述的方法，其中，(a)的所述浆体含有粘土。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述粘土为可溶胀钠粘土。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述粘土为膨润土/蒙脱土粘土。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述粘土以Na·Al₂SO₃·4SiO₂·H₂O表示。

17.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物为含钙或含镁的二丙烯酸盐共聚物。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述聚合物为二丙烯酸盐/丙烯酰胺共聚物。

19.如权利要求17所述的方法，其中，所述聚合物为二丙烯酸盐/丙烯酰胺/2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)三元共聚物。

20.如权利要求1或2所述的方法，其中，(a)的所述浆体含有有机材料。

21.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述固体成分包含矿石。

22.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述浆体含有沥青。

23.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述浆体含有砂、粘土、沥青和水。

24.如权利要求23所述的方法，其中，所述粘土为可溶胀钠粘土。

25.如权利要求24所述的方法，其中，所述粘土为膨润土/蒙脱土粘土。

26.如权利要求25所述的方法，其中，所述粘土以Na·Al₂SO₃·4SiO₂·H₂O表示。

27.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物是支化的。

28.如权利要求27所述的方法，其中，支化的聚合物通过将包含多价阳离子来源、丙烯酸盐来源、选自由丙烯酰胺和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)组成的组中的单体的多种单体和交联剂反应而制备。

29.如权利要求28所述的方法，其中，所述交联剂以基于所述多种单体的总重为0.1ppm～5ppm的量存在。

30.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物为直链的。

31.如权利要求1或2所述的方法，所述方法包括离心分离所述浆体，以将该浆体的成分分离为上层清水和固体颗粒。

32.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合物在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度为4.5dl/gm～4.9dl/gm。

33.如权利要求32所述的方法，其中，所述聚合物在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度为4.5dl/gm。

34.如权利要求32所述的方法，其中，所述聚合物在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度为4.9dl/gm。

35.如权利要求32所述的方法，其中，所述聚合物包含二丙烯酸钙/丙烯酰胺共聚物。

36.一种包含水溶性含多价阳离子的阴离子丙烯酸盐共聚物的聚合物，其中，所述聚合物具有小于5dl/gm的在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度。

37.如权利要求36所述的聚合物，其中，所述聚合物在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度为至少3dl/gm。

38.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，所述聚合物不含一价阳离子。

39.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，所述多价阳离子选自由钙、镁、铁和铝组成的组。

40.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，仅一种多价阳离子存在于所述聚合物中。

41.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，所述聚合物为含钙或含镁的二丙烯酸盐与丙烯酰胺的共聚物。

42.如权利要求36所述的聚合物，其中，所述聚合物为二丙烯酸盐/丙烯酰胺/2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)三元共聚物。

43.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，所述聚合物具有至少5摩尔％的二丙烯酸钙含量。

44.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，所述聚合物是支化的。

45.如权利要求44所述的聚合物，其中，支化的聚合物通过将包含多价阳离子来源、丙烯酸盐来源、选自由丙烯酰胺和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)组成的组中的单体的多种单体和交联剂反应而制备。

46.如权利要求45所述的聚合物，其中，所述多种单体还包含丙烯酰胺。

47.如权利要求46所述的聚合物，其中，所述多种单体还包含2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)。

48.如权利要求45所述的聚合物，其中，所述交联剂以基于所述多种单体的总重为0.1ppm～5ppm的量存在。

49.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，所述聚合物是直链的。

50.如权利要求36所述的聚合物，其中，所述聚合物通过将包含多价阳离子来源、丙烯酸盐来源和丙烯酰胺的多种单体反应而制备。

51.如权利要求50所述的聚合物，其中，所述多种单体还包含2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)。

52.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，所述聚合物通过溶液聚合、凝胶聚合、分散聚合或乳液聚合而制备。

53.如权利要求36或37所述的聚合物，其中，所述聚合物在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度为4.5dl/gm～4.9dl/gm。

54.如权利要求53所述的聚合物，其中，所述聚合物在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度为4.5dl/gm。

55.如权利要求53所述的聚合物，其中，所述聚合物在25℃的1M NaCl中测量的本征粘度为4.9dl/gm。

56.如权利要求53所述的聚合物，其中，所述聚合物包含二丙烯酸钙/丙烯酰胺共聚物。

57.权利要求36或37所述的聚合物用于处理浆体的应用，其中，所述浆体包含粘土。

58.如权利要求57所述的应用，其中，所述粘土包含直径小于44微米的颗粒。

59.如权利要求57所述的应用，其中，所述处理分散并分离所述浆体的成分，增强所述浆体的固体成分的回收，或增强所获得的残留浆体中的固体的脱水。