《Journal of Water Process Engineering》：Impact of flocculation dynamics and floc characteristics on the sedimentation performance of fine phosphate tailings
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细磷酸尾矿絮凝动力学研究揭示高分子量聚合物（≥15 MDa）与适度电荷密度（18-30%）协同形成抗剪切力絮体，显著提升水回收率（＞85%）和沉降速率（约13 cm·min?1），并通过FBRM-PVM实时监测技术建立聚合物特性与絮体结构演变机制，为尾矿干化工艺优化提供量化依据。
阿卜杜利拉·贝尔加尼（Abdelilah BERGANI）|安赫莱斯·布兰科（Angelos BLANCO）|亚辛·艾特-库伊亚（Yassine AIT-KHOUIA）|埃莱娜·富恩特（Elena FUENTE）|卡洛斯·内格罗（Carlos NEGRO）|莫斯塔法·本扎佐乌阿（Mostafa BENZAAZOUA）|亚辛·塔哈（Yassine TAHA）
地质与可持续采矿研究所（GSMI），穆罕默德六世理工学院（Mohammed VI Polytechnic University），地址：Lot 660, Hay Moulay Rachid, Ben Guerir, 43150, 摩洛哥
摘要
在磷酸盐矿的湿法分级和浮选过程中，会生成大量富含粘土的细颗粒（d50 约为 18 微米）的细磷酸盐尾矿（FPTs）。这些悬浮液给水资源回收带来了巨大挑战，并导致尾矿储存设施（TSFs）的规模不断扩大。尽管聚合物诱导的絮凝技术被广泛用于提高脱水效率，但絮凝结构的动态演变及其与沉淀性能之间的机制联系仍不甚明了。本研究系统地探讨了使用十五种水溶性聚合物（包括阴离子型、阳离子型和非离子型聚丙烯酰胺（PAMs）及聚乙烯氧化物（PEOs）处理细磷酸盐尾矿时的絮凝和沉淀行为，这些聚合物的分子量（MW）范围从 0.1 到 24 兆道尔顿（MDa），电荷密度（CD）范围从 0% 到 50%。通过聚焦光束反射测量（FBRM）和颗粒视觉测量（PVM）技术原位监测絮凝动态，同时通过罐式实验量化了沉淀速率、水资源回收率、上清液浊度及沉淀物固体含量。高分子量（≥15 MDa）且电荷密度适中的聚合物（18–30%）产生了较大且抗剪切性的絮体，具有更好的沉淀性能。在测试的絮凝剂中，阴离子型 PAM AN923 和非离子型 PEO 4M 表现最佳，其水资源回收率超过 85%，沉淀物固体含量超过 34%，沉淀速率约为 13 厘米/分钟（cm.min?1），上清液浊度低于 5 NTU。FBRM 得出的絮凝强度指数与沉淀指标具有强相关性（R2 > 0.9），表明絮体大小和机械强度是影响脱水效率的关键因素。PVM 观察显示，AN923 产生的絮体较大且连接紧密，而 PEO 4M 产生的絮体较为松散，这反映了不同的絮凝机制。多步投加聚合物有助于更好地控制絮体生长和提高水资源回收率；pH 值也对絮凝效果有显著影响，AN923 在 pH 9 时表现最佳，PEO 4M 在 pH 6 时表现最佳。这些发现建立了聚合物分子性质、絮体结构演变与沉淀效率之间的机制联系，为优化细磷酸盐尾矿的絮凝策略提供了定量依据。
引言
磷酸盐矿的选矿是一个关键工业过程，尤其是在像摩洛哥这样磷酸盐资源丰富的国家，该国拥有全球最大的磷酸盐储量之一 [1]、[2]、[3]。选矿过程主要包括湿法筛分、脱泥和反浮选，会产生大量细粒尾矿。这些细磷酸盐尾矿通常以高稳定性的水悬浮液形式排放到尾矿储存设施中。由于其细小的颗粒尺寸和高含水量，这些悬浮液对环境和运营带来了诸多挑战，包括水资源回收效率低、占用大量土地以及尾矿储存设施的长期地质稳定性问题 [4]。因此，开发有效的、可持续的、可扩展的细磷酸盐尾矿脱水技术是磷酸盐采矿行业的当务之急。在各种固液分离技术中，絮凝技术仍被广泛用于改善细尾矿的脱水性能。该过程涉及添加水溶性聚合物（无论是合成的还是生物基的），以促进颗粒聚集 [5]，从而形成更易于后续分离过程（如沉淀、离心或过滤）处理的絮体。由此产生的絮体具有更好的沉淀、固结和过滤性能。然而，絮凝效率在很大程度上取决于聚合物与颗粒表面的物理化学相互作用，以及操作因素（如聚合物投加量、混合强度、水质等）[6]、[7]。聚合物的性质（如类型、分子结构（线性 vs 分支）、分子量（MW）和电荷密度（CD）在决定絮凝效率以及处理后尾矿的脱水、固结和流变性能方面起着关键作用。这些聚合物性质的变化不仅影响悬浮液中聚合物分子的构型，还影响其在矿物表面的吸附行为。通常，高分子量的聚合物具有较大的流体动力学尺寸，有助于形成延伸的环状结构，促进颗粒间的桥接和聚集体形成；但过高的分子量可能导致空间位阻，从而降低吸附效率和絮凝剂活性 [7]、[8]。电荷密度（CD）对絮体形成和稳定性也至关重要。低至中等电荷密度的聚合物通常能形成更强且更稳定的絮体，因为它们能有效地促进颗粒桥接和吸附。相反，非常高的电荷密度可能导致形成较小、更紧密的絮体，这些絮体在剪切条件下可能不够稳定 [9]、[10]。
当前絮凝研究的局限性在于它们主要依赖终点指标或整体性能指标（如水资源回收率、沉淀速率和浊度降低）来评估工艺效率。虽然这些参数很重要，但它们仅能有限地反映处理过程中絮体结构的动态演变。特别是絮体大小、形态及其抗剪切能力之间的相互作用，以及这些性质如何实时变化，目前研究尚不充分。这一知识空白阻碍了我们主动优化絮凝条件并针对细尾矿脱水等应用选择合适絮凝剂的能力。絮凝及后续沉淀性能受到形成的絮体特性和行为的直接影响。絮体的关键性质（如大小、强度、再生能力和结构）直接影响固液分离过程的效率。这些性质由絮凝过程的动态决定，该过程涉及颗粒表面化学、絮凝剂性质和用量以及周围流体动力学条件之间的复杂相互作用。絮体在保持足够渗透性的同时抵抗剪切破坏的能力对于提高脱水速率、改善水资源回收率和水质至关重要 [11]。
FBRM 是一种先进的原位分析技术，可以实时监测悬浮液中的颗粒大小和数量，为絮凝过程研究提供了重要优势 [12]、[13]。该技术最初用于结晶和制药制造 [14]，现已广泛应用于废水处理和造纸等行业，用于监测絮体形成、稳定性和再絮凝能力 [15]、[16]。尽管 FBRM 在实际应用中证明了其有效性，但在矿山尾矿絮凝和脱水领域的应用仍相对较少，最近只有少数研究探讨了尾矿处理过程中的絮体性质 [11]、[17]。鉴于尾矿的复杂性（通常含有细颗粒和粘土，对传统脱水方法构成挑战），整合 FBRM 可以为絮凝动态和絮体性质提供宝贵见解。例如，有研究展示了 FBRM 在监测富含粘土的尾矿处理过程中絮体大小变化方面的实用性。通过连续、实时的絮体特性分析，FBRM 有助于优化絮凝剂的选择和投加策略，最终提高采矿作业的脱水效率和过程控制 [11]、[18]。FBRM 可以与原位 PVM 探针结合使用。过程可视化不仅有助于理解絮体形态，还能通过 FBRM 的弦长分布数据进一步验证和细化结构信息，提供更全面的絮体生长动态视图 [16]。
本研究全面探讨了细磷酸盐尾矿的絮凝动力学。在受控条件下，使用原位 FBRM 和 PVM 监测了聚丙烯酰胺（PAMs）和聚乙烯氧化物（PEOs）诱导的絮凝行为，并将其与脱水性能联系起来。通过将聚合物驱动的絮体微观结构与沉淀和水资源回收性能联系起来，本研究为基于 FBRM 的絮凝控制优化框架的发展做出了贡献，推动了磷酸盐行业的可持续尾矿管理。
部分摘录
细磷酸盐尾矿样品
细磷酸盐尾矿样品是从摩洛哥尤苏菲亚（Youssoufia）OCP 工厂增稠器的进料管道中采集的，采用系统采样方法以确保样本的代表性。该样品含有来自磷酸盐岩湿法分级和浮选过程的富含粘土的颗粒，颗粒大小小于 40 微米，以及浮选泡沫残余物，其颗粒大小介于 40 至 160 微米之间。
细磷酸盐尾矿的物理化学、矿物学和ζ电位特性
表 2 中展示了细磷酸盐尾矿样品的粒度分布（PSD）分析结果，图 3a 以图形形式进行了可视化。PSD 曲线显示分布范围较广，d10 值为 2.6 微米，中位粒径（d50）为 18 微米，d90 为 86 微米，共同证实了样品的细粒特性。样品的比重测定为 2.83 克/立方厘米（g/cm3），这与常见报道的值一致。
结论与展望
本研究表明，细磷酸盐尾矿的脱水效率受絮体结构动态演变的影响，而不仅仅取决于聚合物类型或用量。通过将实时 FBRM 和 PVM 监测与沉淀性能指标相结合，本研究建立了聚合物分子性质、聚集途径和宏观脱水结果之间的直接定量联系。结果证实，结合高分子量和适中电荷密度的聚合物能够生成
CRediT 作者贡献声明
阿卜杜利拉·贝尔加尼（Abdelilah BERGANI）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、数据分析、概念构建。安赫莱斯·布兰科（Angelos BLANCO）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法论设计、实验研究、数据分析。亚辛·艾特-库伊亚（Yassine AIT-KHOUIA）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、实验研究、数据分析。埃莱娜·富恩特（Elena FUENTE）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、监督、软件应用、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本项目得到了 OCP 集团（摩洛哥）和 UM6P（摩洛哥）之间的研究项目的资助（项目编号：AS189）。作者感谢巴斯夫（BASF，德国）提供的化学表面活性剂。
