《Minerals Engineering》：Chemical pretreatment enhances vacuum filtration of slime-rich iron ore tailings
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高效脱水工艺及化学预处理策略对 slime-rich 铁矿石尾ings 的真空过滤性能提升显著，采用阳离子聚丙烯酰胺（Superfloc? C-498）与改性单宁酸（Tanfloc? SG）复合预处理后，在0.9 bar负压下可实现12.5%残留水分率，较传统工艺降低3-7个百分点，且形成时间缩短至10秒，孔隙率增加提升渗透性。
P. Mu?oz|A. Azevedo|R. Rodrigues|J. Rubio
巴西南里奥格兰德联邦大学（UFRGS）PPGE3M学院矿物工程系（DEMIN），阿雷格里港
摘要
在巴西，高效脱水铁矿石尾矿对于通过干堆放方式实现更安全的尾矿管理至关重要。典型的尾矿流包含来自反阳离子浮选的粗硅质部分，以及在浮选前脱泥过程中产生的超细泥浆部分（<10 μm）。在工业实践中，这两种部分都使用阴离子聚丙烯酰胺进行增稠，然后在约0.9巴的压力差下进行真空过滤。对于含有约10–30%超细颗粒的进料，这种配置通常会产生含水量为16–20%的滤饼，而干堆放所需的含水量目标为12–14%。本研究评估了化学预处理策略，以改善典型的富含泥浆的巴西铁矿石尾矿的真空过滤过程/性能。使用阳离子单宁和/或高分子量阳离子聚丙烯酰胺进行处理后，脱水效果显著提高，使得含有高达30%超细颗粒的进料产生的滤饼含水量可降至12–14%。在最佳条件下（pH 8.0；固体含量55%），阳离子聚丙烯酰胺使滤饼含水量降至12.5%，滤饼形成时间为约10秒，滤饼厚度为24毫米，渗透率为约300–500 mD（而未经处理的参考值为约225 mD）。扫描电子显微镜显示，阳离子处理增加了滤饼的孔隙率，这与观察到的渗透率提升一致。总体而言，阳离子絮凝剂预处理为在适中真空压力下实现富含泥浆的铁矿石尾矿的干堆放含水量目标提供了一种实用的方法，解决了巴西操作中长期存在的问题。
引言
近年来，铁矿石尾矿的管理经历了重大变化，这主要是由于日益严格的法规、企业对环境、社会和治理（ESG）的承诺以及脱水技术的进步。在技术和经济上可行的情况下，过滤后的干堆放方式在地质稳定性、水资源回收和整体环境性能方面具有明显优势。因此，这种处理方法在巴西、澳大利亚、印度和其他主要铁矿石生产地区得到了广泛应用（Edraki等人，2014年；Gomes等人，2016年；Cacciuttolo和Atencio，2023年；Silva等人，2025年；Gerards等人，2025年；Tebechrani Neto等人，2025年）。然而，干堆放的可行性取决于滤饼最终的含水量（Consoli等人，2025年；Tebechrani Neto等人，2025年），特别是对于富含超细颗粒（<10 μm）和粘土的尾矿（Nguyen等人，2026年）。这些泥浆具有高度可压缩性，并且固有渗透率低，这严重限制了过滤过程中的排水效果（Svarovsky，2000年；Concha，2014年；Luo等人，2024年）。
实际上，业界在真空过滤和压力过滤之间划定了明确的操作界限。压滤机在高压（通常为6–15巴）下运行，这有助于克服细孔网络中的毛细保持作用，在许多情况下，即使在没有过滤阶段进行化学处理的情况下也能产生适合干堆放的滤饼含水量（Guimar?es，2011年；ANDRITZ，2021年；Silva等人，2025年）。然而，相关的资本支出和运营成本可能很高，尤其是对于大型处理设施（Guimar?es，2011年；Hahn等人，2024年；Hahn等人，2023年；Wisdom等人，2019年）。相比之下，真空过滤的最大压力差仅为约0.7–0.9巴，这通常不足以去除直径小于约2–3 μm的孔隙中的水分，正如Laplace方程所预测的（Dias等人，2004年；Huang等人，2018年；He等人，2024年）。因此，含有大量超细颗粒的铁矿石尾矿在没有化学预处理的情况下，通常会产生含水量为16–20%的滤饼（Besra等人，1998年）。
印度——以其庞大的铁矿石产量而闻名——可靠地使用压滤系统处理过滤后的尾矿（International Mining，2018年；Mets?，2023年；FLSmidth Co. A/S，2025年）。在这些操作中，絮凝剂主要用于增稠，而很少强调对过滤进料的化学处理。不幸的是，国际文献中很少有研究明确探讨化学预处理如何影响细铁矿石尾矿的真空过滤性能，大多数报道的例子集中在巴西和澳大利亚等地区。
因此，当超细颗粒含量超过约20–30%时，实现适合干堆放的含水量仍然具有挑战性（Eloi等人，2024年；Vieira等人，2025年）。Hahn等人（2014年）报告称，真空/盘式过滤通常会产生含水量约为18–22%的滤饼（例如氧化铝、煤炭、黄金和铜），这通常高于干堆放的目标含水量，尤其是在超细颗粒占主导的情况下。同样，Schwantes等人（2024年）表明，增加细颗粒的比例会降低滤饼的孔隙率，从而降低排水性能，这解释了传统真空过滤在处理富含超细颗粒的尾矿时的局限性。Mamghaderi等人（2021年）评估了pH值、絮凝剂、表面活性剂和混凝剂对铁矿石尾矿过滤的影响，强调对于细颗粒或超细颗粒浆液，脱水效果强烈依赖于试剂的选择和用量，以及混合条件和离子强度。
许多研究表明，絮凝剂、混凝剂、表面活性剂和助滤剂可以显著改变絮体大小、硬度和孔隙连通性，从而提高排水速率并降低最终滤饼含水量（Amarante等人，2002年；Haskell等人，2017年；He等人，2024年；Leite和Reis，2020年；Jahromi等人，2021年）。然而，即使使用了这些添加剂，已发表的研究通常报告的含水量仍高于约15–18%，当超细颗粒含量超过约15–20%时。这表明文献中存在一个明显的空白：据作者所知，没有同行评审的研究报告过在真空过滤（ΔP ≤ 1巴）条件下，含有20–30%小于10 μm颗粒的铁矿石尾矿的滤饼含水量低至12.5–14%。即使使用了化学助剂，报告的含水量也通常保持在15–20%以上（Mamghaderi等人，2021年；Eloi等人，2024年）。仅通过优化化学处理就能达到这一性能水平，将对超细颗粒丰富的尾矿的工业规模干堆放具有重要的技术意义。
因此，本研究首先系统地筛选了阳离子絮凝剂，这些絮凝剂的选择基于它们对铁矿石细颗粒和超细颗粒的吸附机制及其促进强絮凝的能力。接下来，通过结合微观结构表征、毛细压力考虑和真空过滤性能指标，本研究提供了新的证据，支持在传统上被认为不适合真空脱水的尾矿流中实现低含水量的可行性，即使是在适中的真空压力差（0.6–0.9巴）下也是如此。
材料
尾矿样品。从巴西的一家铁矿石厂获得了两种铁矿石尾矿样品：
来自反阳离子浮选的粗硅质精矿；
在分级/脱泥阶段（浮选前）产生的超细泥浆。
样品在室温（20–30°C）下在轻微气流中干燥七天，然后进行均匀处理、四等分、称重，并储存以备后续的表征和过滤测试。使用
尾矿样品的絮凝行为及其对过滤的影响
本小节概述了用于指导絮凝剂及其混合物选择的实验技术——ζ电位、界面沉降速度和最终上清液浊度测量，这些是本研究的重点。这些测量共同提供了对絮体形成机制、表面电荷相互作用和聚集体稳定性的洞察，所有这些对于解释过滤行为都至关重要
最终考虑
实现约13–14%的残余滤饼含水量在技术和操作上都是一个重要的进步，有助于实现更安全和更可持续的尾矿管理。这一脱水水平符合巴西当前关于过滤后尾矿处理的法规框架（Agência Nacional de Minera??o – ANM – 第175/2024号决议），同时提高了水资源回收效率并增强了整体ESG性能。重要的是，它使得干堆放成为可能
结论
优化的化学处理显著提高了含有高达30%超细颗粒（<10 μm）的细铁矿石尾矿的真空过滤性能（ΔP = 0.9巴）。高分子量阳离子聚丙烯酰胺（Superfloc? C-498）和改良的阳离子单宁（Tanfloc? SG），单独使用或作为混合系统应用，促进了紧凑且抗剪切的絮体的形成，这些絮体在真空应用过程中稳定了滤饼的微观结构。这种微观结构的强化提高了
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI，GPT-5.2）来协助语言编辑、提高清晰度并完善科学写作。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
CRediT作者贡献声明
P. Mu?oz：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理。A. Azevedo：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、方法论、数据分析、概念化。R. Rodrigues：撰写——审阅与编辑、数据分析、概念化。J. Rubio：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢Vale S.A.-Brazil提供的财政支持，以及Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq-Brazil)、Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES-Brazil)和南里奥格兰德联邦大学 (UFRGS-Brazil)通过研究资助和奖学金提供的帮助。我们还要感谢Laboratório de Design e Sele??o de Materiais (LDSM/UFRGS)在SEM方面的支持
