CN115321859B - 一种从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，该方法具体步骤如下：1)尾泥的解凝流态化：向含有高分子絮凝剂、粘土颗粒和超细石粉为主的石灰石矿山尾泥絮凝物中加入解凝剂，改善尾泥的流动性与分散性；2)粘土定向分散处理：向尾泥浆体中加入粘土定向分散，定向吸附于粘土表面与层间，将粘土分散成纳米颗粒，从而与超细石粉区分开来；3)超细石粉旋流分离：将定向分散处理后的尾泥浆体导入旋流分离器，利用离心力将超细石粉与纳米粘土分离。本发明方法可从石灰石矿山尾泥中提取超细石粉并获取纳米粘土。该方法工艺简单，投资少，易于实现工业化，并可将矿山废弃物转变为优质超细材料，极大地提高了经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及尾泥利用技术领域，特别涉及一种从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法。
背景技术
在矿山开采过程中，在得到砂石骨料的同时，清洗砂石骨料会不可避免地产生大量矿山尾泥，其中包含泥土、石灰石粉、生物有机质等组分。目前矿山处理方式大多为将矿山尾泥经旋流分离器，仅将其中较大颗粒的砂石骨料分离出来，二次利用。然后将难以分离的超细石粉和粘土的混合液，向其中加入大量絮凝剂，促使其沉降，然后取其沉降物加入生石灰粉并机械压滤，排除多余水分，形成泥饼堆存起来或托运出去。
但传统处理方式存在以下几点问题：1)粘土未经分散处理，直接旋流分离，仅能分离出粒径高于0.075mm的砂石，至于粒径更小、附加值更高的超细石粉无法分离，反而作为工业废弃物处理，经济效益差；2)添加大量生石灰后压滤，一方面增加了生产成本，另一方面增加了矿山固废堆积量，有违国家绿色高质量可持续发展的宗旨；3)将泥饼堆存或外运出去，不是长久之计，且堆存的泥饼不利于植物生长，可用范围较窄。
而超细石粉作为一种优质高性能材料，用途广泛。可作为矿物掺合料应用于混凝土领域，替代部分水泥粉料，提高致密度，增强水泥基材料的性能。粘土主要的几种晶型组成为高岭石、蒙脱石、伊利石，其中蒙脱石层间引力较弱，易水化膨胀，给基体带来不良影响。粘土的定向分散处理，可将多层的硅酸盐矿物组成，分散成层数较少、性能优良的二维纳米材料，具有优良的热稳定性和阻燃性，用于陶瓷、阻燃等领域可提高经济效益。因此，从石灰石矿尾泥中分离超细石粉与纳米粘土，变废为宝，有很高的经济效益及生态价值，应用前景广阔。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，以解决现有矿山尾泥难以利用导致其利用效率差等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，包括以下步骤：
1)尾泥的解凝流态化：向含有高分子絮凝剂、粘土颗粒和超细石粉为主的石灰石矿山尾泥絮凝物中加入掺量为0.2％～2％的解凝剂，超声及高速剪切分散处理1h-5h，改善尾泥的流动性与分散性，得到尾泥浆体；
2)粘土定向分散处理：向尾泥浆体中加入掺量为0.1％～5％的粘土定向分散剂，超声及高速剪切分散处理1h-5h，分散剂定向吸附于粘土表面与层间，将粘土分散成纳米颗粒，从而与超细石粉区分开来，得到定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体；
3)超细石粉旋流分离：将定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体导入旋流分离器，通过离心力的作用，超细石粉沉积在底流口，纳米粘土悬浮液从溢流口排出，实现超细石粉与纳米粘土的分离。
可选地，按质量百分数计，步骤1)中所述解凝剂由60％-100％六偏磷酸钠、0-50％腐殖酸钠、0-10％十二烷基硫酸钠混合得到。
可选地，步骤2)中所述粘土定向分散剂为含有羧基官能团的梳状分子结构，分子量为50000-150000，其羧基官能团可吸附于层状硅酸盐层与层之间，形成空间位阻，从而将粘土分散成纳米颗粒。
可选地，步骤3)中从溢流口分离所得的纳米粘土悬浮液的平均粒径为80-380nm，其可稳定悬浮于水中，有优良的热稳定性和阻燃性，可应用于陶瓷、阻燃等领域。
可选地，步骤3)中从底流口处收集的超细石粉的平均粒径为10-80μm，无需烘干，在计算固含量之后，用于超高性能混凝土等领域提高致密性。
相对于现有技术，本发明所述的从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法具有以下优势：
1、本发明通过定向分散技术，将矿山尾泥中粘土分散成纳米颗粒，而石粉粒径不受影响，从而将二者粒径区分开来，再通过旋流分离技术，可实现超细石粉与纳米粘土的分离，解决了企业仅能回收0.075mm以上石粉，其余物质堆存处理的痛点。
2、通过本发明的方法，可将矿山尾泥转变为附加值较高的纳米粘土与超细石粉，生态与经济效益显著。
3、与企业现有工艺相比，本发明的方法设备投资小，能耗低，易于实现工业化。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土流程图；
图2为本发明粘土定向分散剂分散粘土机理图；
图3为本发明旋流分离超细石粉与纳米粘土示意图；
图4为本发明实施例1粘土分散激光粒度结果；
图5为本发明实施例1粘土定向分散处理后沉降效果对比图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合附图和实施例来详细说明本发明。
实施例1
采用某矿业1#产线尾泥为试样，结合图1所示，本实施例的从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，包括以下步骤：
1)尾泥的解凝流态化：向含有高分子絮凝剂、粘土颗粒和超细石粉为主的石灰石矿山尾泥絮凝物中加入解凝剂，超声及高速剪切分散处理3h，改善尾泥的流动性与分散性，得到尾泥浆体，其中，解凝剂具体组成及各组分的质量百分比为：六偏磷酸钠90％、腐殖酸钠5％、十二烷基硫酸钠5％，各组分提前混合均匀，解凝剂的掺量为石灰石矿山尾泥絮凝物质量的0.8％；
2)粘土定向分散处理：向尾泥浆体中加入粘土定向分散剂，超声及高速剪切分散处理1h，分散剂定向吸附于粘土表面与层间，将粘土分散成纳米颗粒，从而与超细石粉区分开来，得到定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体，其中，粘土定向分散剂的掺量为尾泥浆体质量的0.15％，且粘土定向分散剂为带有羧基官能团的梳状分子结构，分子量为80914，其分散粘土的机理如图2所示；
3)超细石粉旋流分离：将定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体导入旋流分离器，通过离心力的作用，超细石粉沉积在底流口，纳米粘土悬浮液从溢流口排出，从而实现超细石粉与纳米粘土的分离，其中，旋流分离器旋流分离超细石粉与纳米粘土的分散过程如图3所示。
分离后的超细石灰石粉经脱水干燥后，可通过向其中加入过量盐酸，测其失去的重量，即为CO2，通过化学方程式转换，即可得到干燥物中石粉含量，从而可量化分离效果，公式如下：
其中，
为所测量得到的失重，m干燥物为所取的干燥物重量。
将本实施例所得超细石灰石粉烘干至恒重，记为第3组。同时进行另外2组实验，第1组取矿山尾泥直接烘干；第2组直接进行旋流分离，取下层沉淀物烘干至恒重。向3组样品中，分别加入过量盐酸反应，测量失重，并按照上述公式计算其中石粉含量，从而比较分离效果。
经测量计算得到，第1组石粉含量为48.65％，第2组石粉含量48.3％，第3组石粉含量72.34％，其相对于第1组和第2组，第3组中超细石粉含量提高了23.69％，说明采用本发明实施例1的方法可显著提高超细石粉与纳米粘土的分离效果。
向解凝处理后的尾泥浆体中加入粘土定向分散剂，测试加入前后尾泥浆体的粒度变化，测试结果如图4所示。
由图4可知，加入粘土定向分散剂后，粘土粒径减小至170-210nm。
对粘土定向分散处理后沉降效果进行观察，沉降实验观察3天，观察结果如图5所示，其中相同沉降时间的沉降效果图中左侧图为解凝后的尾泥浆体，右侧图为解凝后并添加粘土定向分散剂的尾泥浆体。
由图5可知，粘土经定向分散处理后可稳定悬浮于上层，超细石粉沉降于底部，而未经定向分散处理的尾泥浆体，粘土和超细石粉在1h内共同沉降于底部，难以区分。
实施例2
采用某矿业2#产线尾泥为试样，结合图1所示，本实施例的从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，包括以下步骤：
1)尾泥的解凝流态化：向含有高分子絮凝剂、粘土颗粒和超细石粉为主的石灰石矿山尾泥絮凝物中加入解凝剂，超声及高速剪切分散处理1h，改善尾泥的流动性与分散性，得到尾泥浆体，其中，解凝剂具体组成及各组分的质量百分比为：六偏磷酸钠100％，解凝剂的掺量为石灰石矿山尾泥絮凝物质量的1.2％；
2)粘土定向分散处理：向尾泥浆体中加入粘土定向分散剂，超声及高速剪切分散处理2h，分散剂定向吸附于粘土表面与层间，将粘土分散成纳米颗粒，从而与超细石粉区分开来，得到定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体，其中，粘土定向分散剂的掺量为尾泥浆体质量的1.6％，且粘土定向分散剂为带有羧基官能团的梳状分子结构，分子量为80914，其分散粘土的机理如图2所示；
3)超细石粉旋流分离：将定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体导入旋流分离器，通过离心力的作用，超细石粉沉积在底流口，纳米粘土悬浮液从溢流口排出，从而实现超细石粉与纳米粘土的分离，其中，旋流分离器旋流分离超细石粉与纳米粘土的分散过程如图3所示。
分离后的超细石灰石粉经脱水干燥后，可通过向其中加入过量盐酸，测其失去的重量，即为CO2，通过化学方程式转换，即可得到干燥物中石粉含量，从而可量化分离效果，公式如下：
其中，
为所测量得到的失重，m干燥物为所取的干燥物重量。
将所得超细石灰石粉烘干至恒重，记为第3组。同时进行另外2组实验，第1组取矿山尾泥直接烘干；第2组直接进行旋流分离，取下层沉淀物烘干至恒重。向3组样品中，分别加入过量盐酸反应，测量失重，并按照上述公式计算其中石粉含量，从而比较分离效果。
经测量计算得到，第1组石粉含量为73.54％，第2组石粉含量74.25％，第3组石粉含量78.64％，其相对于第1组和第2组，第3组中超细石粉含量提高了5.1％，说明当尾泥解凝处理不充分时，采用本发明实施例2的方法可一定程度上提高超细石粉与纳米粘土的分离效果，但分离超细石粉与纳米粘土的效果一般。
实施例3
采用某矿业3#产线尾泥为试样，结合图1所示，本实施例的从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，包括以下步骤：
1)尾泥的解凝流态化：向含有高分子絮凝剂、粘土颗粒和超细石粉为主的石灰石矿山尾泥絮凝物中加入解凝剂，超声及高速剪切分散处理2h，改善尾泥的流动性与分散性，得到尾泥浆体，其中，解凝剂具体组成及各组分的质量百分比为：六偏磷酸钠60％、腐殖酸钠37％、十二烷基硫酸钠3％，各组分提前混合均匀，解凝剂的掺量为石灰石矿山尾泥絮凝物质量的1.2％；
2)粘土定向分散处理：向尾泥浆体中加入粘土定向分散剂，掺量为0.1％～5％，超声及高速剪切分散处理2h，分散剂定向吸附于粘土表面与层间，将粘土分散成纳米颗粒，从而与超细石粉区分开来，得到定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体，其中，粘土定向分散剂的掺量为尾泥浆质量的3.2％，且粘土定向分散剂为带有羧基官能团的梳状分子结构，分子量为100627，其分散粘土的机理如图2所示；
3)超细石粉旋流分离：将定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体导入旋流分离器，通过离心力的作用，超细石粉沉积在底流口，纳米粘土悬浮液从溢流口排出，从而实现超细石粉与纳米粘土的分离，其中，旋流分离器旋流分离超细石粉与纳米粘土的分散过程如图3所示。
分离后的超细石灰石粉经脱水干燥后，可通过向其中加入过量盐酸，测其失去的重量，即为CO2，通过化学方程式转换，即可得到干燥物中石粉含量，从而可量化分离效果，公式如下：
其中，
为所测量得到的失重，m干燥物为所取的干燥物重量。
将所得超细石灰石粉烘干至恒重，记为第3组。同时进行另外2组实验，第1组取矿山尾泥直接烘干；第2组直接进行旋流分离，取下层沉淀物烘干至恒重。向3组样品中，分别加入过量盐酸反应，测量失重，并按照上述公式计算其中石粉含量，从而比较分离效果。
经测量计算得到，第1组石粉含量为52.68％，第2组石粉含量53.2％，第3组石粉含量73.81％，其相对于第1组和第2组，第3组中超细石粉含量提高了20.61％，说明采用本发明实施例3的方法可显著提高超细石粉与纳米粘土的分离效果。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）尾泥的解凝流态化：向含有高分子絮凝剂、粘土颗粒和超细石粉为主的石灰石矿山尾泥絮凝物中加入掺量为0.2%~2%的解凝剂，超声及高速剪切分散处理1 h-5 h，得到尾泥浆体；
2）粘土定向分散处理：向尾泥浆体中加入掺量为0.1%~5%的粘土定向分散剂，超声及高速剪切分散处理1 h-5 h，得到定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体；
3）超细石粉旋流分离：将定向分散的纳米粘土与超细石粉的混合浆体导入旋流分离器，通过离心力的作用，超细石粉沉积在底流口，纳米粘土悬浮液从溢流口排出，实现超细石粉与纳米粘土的分离；
步骤1）中所述解凝剂由60％-100％六偏磷酸钠、0-50％腐殖酸钠、0-10％十二烷基硫酸钠混合得到；
步骤2）中所述粘土定向分散剂为含有羧基官能团的梳状分子结构，分子量为50000-150000。
2. 根据权利要求1所述的从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，其特征在于，步骤3）中从溢流口分离所得的纳米粘土悬浮液的平均粒径为180 nm。
3. 根据权利要求1所述的从石灰石矿山尾泥中分离超细石粉与纳米粘土的方法，其特征在于，步骤3）中从底流口处收集的超细石粉的平均粒径为10 μm。
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