改善含水分散体的流变性质的方法

摘要

本发明涉及改善含水分散体的流变性质的方法，其包括向所述含水分散体中加入流变改进剂，然后向所述含水分散体中加入水溶性合成聚合物絮凝剂。所述流变改进剂可选自天然聚合物、半天然聚合物、合成聚合物以及它们的组合。所述水溶性合成聚合物絮凝剂可选自水溶性阴离子型聚合物、阳离子型聚合物、两性聚合物、非离子型聚合物以及它们的组合。

说明书

技术领域

本发明涉及改善含水分散体的流变性质的方法，所述方法包括向所述 含水分散体加入有效量的流变改进剂通常与合成水溶性聚合物絮凝剂的组 合。所述方法尤其适用于采矿作业。

背景技术

在采矿中的贵重金属和矿物的生产中，通常要研磨矿体，将其分散于 水溶液中，用试剂处理，并经受各种加工条件(温度、pH、压力、剪切速度)。 采矿作业的预期目的是产生含水分散体，所述含水分散体将经受矿石的有 价值部分的隔离、分离或提纯，无论所述矿石的有价值部分是金属还是矿 物。

由采矿作业所产生的含水分散体是包含水、固体和其它材料的混合物。 来自采矿作业的含水分散体中通常发现的固体类型的实例包括矿物、金属、 金属氧化物、金属硫化物、金属氢氧化物、盐、有机物和其它无机物。含 有矿石、精矿、尾矿等的含水分散体可能含有具有不利于快速沉积或泵送 的形态的颗粒，这类含水分散体是特别被关注的。被泵送的浓缩含水分散 体可含有有用矿物或金属或废渣。在含水分散体中发现的有用资源可包括 矿物(铝土矿、铁矾土或硫化物)、金属(例如铁、碱金属、贵金属、轻金属 和铀)、煤等。废物流由脉石矿物和几乎没有价值的其它成分组成。通常， 在合适的分离过程中例如离心、浓缩、沉积、脱水、过滤等通过用絮凝剂 或凝结剂处理含水分散体以引发液固分离，所述液固分离将含水分散体的 固体部分富集。

通过使用凝结剂和/或絮凝剂促进的液固分离需要进一步浓缩含水分 散体以降低运输、煅烧、分离、消解或存储的成本。目前液固分离正面临 更多挑战，因为现在所处理的矿体含有更低浓度的有用矿物和金属以及更 高浓度的脉石矿物。脉石包含矿体无用或低价值的部分，并且脉石通常由 不规则形状的细小颗粒组成。在将含水分散体从发现或生产的地方运输至 其储存、焙烧、分离或运输的设备之前，通过使用合成聚合物或天然聚合 物加速液固分离。由于脉石颗粒的大小和形状，脉石矿物更难团聚；因此 需要更高剂量的合成或天然聚合物絮凝剂以达到需要维持所需磨机流动速 度的相同沉积速度。使被浓缩的含水分散体的运输更具有挑战的是用来凝 结或絮凝含水分散体的固体的化学品促进了更高的流变学参数，例如被浓 缩固体的更高粘度或更高屈服应力，使得该固体更难以泵送。

使用高分子量的合成聚合物絮凝剂赋予更高流变学特性，使含水分散 体的泵送更困难，因此对作业成本和盈利性具有负面影响。优选地，被浓 缩的含水分散体应当表现出低屈服应力使得可以在低阈值能量水平下泵 送。此外，被浓缩的含水分散体应当具有低粘度，这应导致采矿过程的快 速流动速度用于改善效率、生产率和更低的磨机或精炼厂的能耗成本。为 了采矿公司维持盈利，需要采矿作业能够通过降低底层的流变性质来有效 处理被浓缩的含水分散体。

本文中的所有份数和百分数均基于重量，除非另有说明。Mw为通过 SEC-MALLS分析测得的重均分子量。MALLS应当是指多角激光光散射。 SEC-MALLS应当是指使用MALLS的尺寸排阻色谱技术测定Mw。

发明内容

本发明涉及一种改善含水分散体的流变性质的方法。所述方法包括向 含水分散体加入有效量的至少一种流变改进剂。通常，向含水体系中加入 流变改进剂与至少一种合成水溶性聚合物絮凝剂的组合，并且在该情况下 通常在絮凝剂之前加入流变改进剂。

所述流变改进剂选自天然聚合物、半天然聚合物、合成材料以及它们 的组合。半天然聚合物为化学改性的或合成改性的天然聚合物。所述合成 材料通常包括阳离子型或阴离子型聚合物或单体。

所述方法可应用于采矿作业中用于改善含水分散体如矿浆的流变性 质。例如，所述方法可应用于例如在重力沉降澄清器、澄清池和/或水力旋 流器中的液固分离。通常，所述方法用于涉及矿浆的作业中，所述矿浆包 含金、磷酸盐、银、铂、铜、镍、锌、铅、钼、铁、煤、铝(铝土矿)等。

已发现通过使用所述方法降低了含水分散体的屈服应力。降低所述含 水分散体的屈服应力是非常重要的，因为具有较低屈服应力的含水浆料可 通过管道和其它设备更快速和更有效的运输，从而提高生产率并节省能耗。 此外，通过该方法加快了成功液固分离所需要的絮凝、沉积和脱水过程。

屈服应力是指通过叶片流变测定法测量开始使固体移动所需要的能量 的量。长径比定义为通过X-射线衍射测量的最小Feret直径与最大Feret直 径的比例。所述长径比表示伸长率和颗粒的球度，其中颗粒的球度与长径 比成反比。

具体实施方式

可用于所述方法的天然聚合物为多糖，例如马铃薯淀粉、黄原胶、瓜 尔胶、葡聚糖、纤维素衍生物和氨基多糖。优选地，用于本发明的天然聚 合物包括葡聚糖。通常用作多糖的是Mw为约5,000至约40,000,000，优选 为约50,000至约25,000,000，更优选为约200,000至约10,000,000的多糖。 通常所述多糖的PDI为约1.0至约10.0，更通常为约1.1至约9.0，并且最 通常为约1.2至约8.0。在阅读了本公开内容之后，本领域所属的技术人员 可获知在这些明确所述的范围内的所有范围和数值均是符合预期的。可使 用以商品名称VM 1120和VM 1122购自Ashland Inc., Wilmington,Delaware USA(“Ashland”)的天然聚合物。

所述半天然聚合物包括木质素磺酸盐例如木质素磺酸钙和化学改性多 糖。通常用于所述方法的改性多糖包括改性淀粉，例如阳离子淀粉；改性 瓜尔胶，例如阳离子瓜尔胶；和改性纤维素例如阴离子型羧甲基纤维素和 羟乙基纤维素。可使用半天然聚合物的组合。

所述合成材料通常选自阳离子型无机聚合物、阳离子型无机分子、阳 离子型有机聚合物、阴离子型有机聚合物等，以及它们的组合。用于所述 方法的阳离子型无机聚合物为聚合氯化铝。阳离子型无机分子包括选自硫 酸铝、氯化铝、聚合氯化铝、氢氯酸铝、氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁和铝 酸钠等的那些，以及它们的组合。用于本发明的阳离子型有机聚合物包括 由单体二烯丙基二甲基氯化铵、乙烯亚胺，共聚单体表氯醇和二甲胺形成 的聚合物，阳离子改性单宁，三聚氰胺甲醛等，以及它们的组合。例如， 所述阳离子型有机聚合物可以是聚二甲基二烯丙基氯化铵(聚 (DADMAC))。所述阴离子型有机聚合物可包括聚丙烯酸酯。

可用于所述方法的水溶性合成聚合物絮凝剂包括水溶性阴离子型、阳 离子型、非离子型聚合物和两性聚合物。为了本公开内容的目的，水溶性 合成聚合物应当包括共聚物和三元共聚物以及均聚物。通常所使用的水溶 性合成聚合物的Mw为约500,000至约25,000,000，优选为约750,000至约 20,000,000，更优选为约1,000,000至约18,000,000。所述水溶性合成聚合物 可以是线型、支化或交联的。在阅读了本公开内容之后，本领域所属的技 术人员可获知在这些明确所述的范围内的所有范围和数值均是符合预期 的。

非离子型聚合物包括由一种或多种水溶性烯键式不饱和非离子单体形 成的聚合物，所述单体例如丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸羟乙基酯和 N-乙烯基吡咯烷酮，优选为丙烯酰胺。非离子型聚合物还包括烷氧基化多 官能醇。

阳离子型聚合物由一种或多种烯键式不饱和阳离子单体任选与一种或 多种前述的非离子单体形成。所述阳离子型聚合物还可以是两性的，只要 与阴离子基团相比有更多阳离子基团占主导地位。所述阳离子单体包括 (甲基)丙烯酸二烷基氨基烷基酯、二烷基氨基烷基(甲基)丙烯酰胺、和二烯 丙基二甲基氯化铵，以及它们的酸加成盐和季铵盐。通常阳离子单体包括 丙烯酸二甲基氨基乙基酯和甲基丙烯酸二甲基氨乙基酯的甲基氯化季铵 盐。特别关注的是丙烯酰胺与丙烯酸二甲基氨基乙基酯(ADAME)的甲基氯 化季铵盐的共聚物；丙烯酰胺与丙烯酰氨基丙基三甲基氯化铵(APTAC)的 共聚物；和丙烯酰胺与丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵(AETAC)的共聚物； 以及表氯醇与二甲胺的共聚物。

阴离子型聚合物由一种或多种烯键式不饱和阴离子单体形成或由一种 或多种阴离子单体与前述的一种或多种非离子单体的混合物形成。所述阴 离子单体包括丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、巴豆酸、衣康酸、乙烯基磺 酸、烯丙基磺酸、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)、丙烯酰胺、它们 的混合物及其盐。

特别关注的是选自丙烯酰胺、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)、 丙烯酸和(甲基)丙烯酸的单体的共聚物和/或三元共聚物。例如所述阴离子 型聚合物可选自源自2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸的共聚物、丙烯酸与丙 烯酰胺的共聚物、丙烯酸的均聚物、丙烯酰胺的均聚物、以及它们的组合。 通常用作阴离子型聚合物的是丙烯酸钠与丙烯酰胺的共聚物以及丙烯酸与 丙烯酰胺的共聚物。

还特别关注的是AMPS与丙烯酰胺的共聚物，其中AMPS的摩尔百分 比为约10摩尔％至约25摩尔％；以及AMPS、丙烯酰胺和丙烯酸的三元共 聚物，其中AMPS的摩尔百分比为约10摩尔％至约30摩尔％，丙烯酰胺 的摩尔百分比为约40摩尔％至约60摩尔％，以及丙烯酸的摩尔百分比为约 20摩尔％至约40摩尔％。另外，丙烯酸的均聚物或丙烯酸与丙烯酰胺的共 聚物是特别关注的。

可通过根据本领域众所周知的方法聚合水溶性单体或水溶性单体混合 物来制备所述水溶性合成聚合物。所述水溶性单体通常是在100毫升水中 具有至少5克溶解度的水溶性单体或水溶性单体混合物。

通常在水溶性合成聚合物絮凝剂之前向含水分散体加入流变改进剂。 在一个实施方案中，本发明的方法包括以下步骤：a)向含水分散体中加入 有效量的选自天然聚合物、半天然聚合物、合成材料以及它们的组合的至 少一种流变改进剂；和b)然后在另一个步骤中加入选自无机聚合物、阳离 子型无机分子、阳离子型有机聚合物、阴离子型有机聚合物以及它们组合 的至少一种水溶性合成聚合物絮凝剂。有效用于促进更低流变性质例如屈 服应力或粘度并加速絮凝、沉积和脱水过程进行有效的固/液分离的流变改 进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂的量将取决于所选择的流变改进剂和水溶 性合成聚合物絮凝剂的特性、在含水分散体中的颗粒的形态、以及在液固 分离期间含水分散体的浓度。所述流变改进剂与水溶性合成聚合物絮凝剂 的重量比是有效降低含水分散体的屈服应力的比例，其通常是约4:1至约 1:4，并且通常是约0.10:1.0至约2.0:1.0，优选为约0.20:1.0至约1.0:1.0， 更优选为约0.25:1.0至约0.75:1.0。用于处理含水体系的流变改进剂和水溶 性合成聚合物絮凝剂的总量在大范围内变化，但是通常为约1.0至约1000 克每公吨被处理的含水体系，优选为约2.0至约800克每公吨，更优选为约 10.0至约600克每公吨。在阅读了本公开内容之后，本领域所属的技术人 员可获知在这些明确所述的范围内的所有范围和数值均是符合预期的。

在含水分散体中的总固体可在大范围内变化，但是通常为约25克/升 至约2,000克/升，例如约50克/升至约2,000克/升。所述方法特别用于降 低含水分散体的屈服应力，在所述含水分散体中固体的长径比小于约1.0， 尤其是小于约0.5，和/或所述含水分散体中的固体含有大量脉石。在阅读 了本公开内容之后，本领域所属的技术人员将获知在这些明确所述的范围 内的所有范围和数值均是符合预期的。

特别是可将所述方法应用于采矿作业内的单元作业，例如液固分离单 元，如传统的澄清池或浓缩容器作为设备的一个模块，然而所述方法可应 用于任何典型的液固分离单元作业。关于添加顺序或处理次序，与用流变 改进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂同时处理基材或在加入水溶性合成聚合 物絮凝剂之后用流变改进剂处理基材相比，当在施用水溶性合成聚合物絮 凝剂之前向含水分散体施用流变改进剂时，发现流变改进剂是最有效的。 例如对于传统的澄清池或浓缩容器或其它类型的液固分离设备，通常在传 统的澄清池或浓缩容器内使用水溶性合成聚合物絮凝剂处理基材，即含水 分散体，以有利于基材的含水分散体的浓缩和脱水。因此，在本发明的方 法中优选将水溶性合成聚合物絮凝剂加入澄清池或浓缩容器的中心加料 孔，其中基材首先从进料管进入澄清池或浓缩容器。所述水溶性合成聚合 物絮凝剂可通过在接近于浓缩容器加料孔处通过排液口加料进入加料管或 可在多处加料进入加料孔并在接近于加料孔处通过加料管。在这些实施方 案中，在传统的澄清池或浓缩容器或其它液固分离设备或装置中向基材加 入水溶性合成聚合物絮凝剂之前，将流变改进剂加入加料管或其它通往加 料管的单元装置。在水溶性合成聚合物絮凝剂之前加入流变改进剂的净效 应是在与絮凝剂相互作用之前预处理或调理基材的表面。

在没有水溶性合成聚合物絮凝剂的性质下能实现所需效果，例如脱水 不是问题的实施方案中，可在没有水溶性合成聚合物絮凝剂的情况下使用 流变改进剂。例如向管道直接注入被浓缩的浆料以降低屈服应力。在该实 施方案中，所述方法通常包括向含水分散体加入有效量的至少一种流变改 进剂的步骤。在该方法中所述流变改进剂通常选自天然聚合物、半天然聚 合物、合成材料以及它们的组合。

实施例

在所有实施例中，除非另有说明，在实施例中所使用的试剂是表1所 列出的那些。

表I：试剂

除非另有说明，通过如下测定所测试的含水分散体的屈服应力：向量 筒中加入1000mL的含水分散体，其中首先向该含水分散体中加入一种或 多种流变改进剂，用具有多孔的柱塞将该一种或多种流变改进剂三次填塞 入该分散体中。然后，使用相同的混合技术和填塞次数向该含水分散体中 加入水溶性合成聚合物絮凝剂。

通过在液固界面达到量筒中的1000毫升标记处时开启计时器然后记录 液固界面每次下降50毫升直至达到700毫升的标记处的时间来确定所发生 的液固分离的速度。通过从在700毫升标记处记录的时间减去在900毫升 标记处记录的时间来计算沉积速度。

18小时后记录压实值。然后在24小时标记后进行屈服应力的测量。为 了制备用于分析的样品，将液体虹吸出1000毫升量筒直至仅有浓缩固体留 在量筒中。将所产生的浆料定量转入合适大小的烧杯中。在进行屈服应力 测量之前使烧杯中的浆料另外静止4小时。

用使用叶片锭子的Brookfield HBDVIII超流变仪或Brookfield RVDVIII 超流变仪测量屈服应力(以Pa表示)。将被测试的含水分散体置于使用叶片 锭子的合适大小的烧杯中。锭子或流变仪的选择取决于所测量的屈服应力 的大小。将叶片锭子降低进入含水分散体中至叶片锭子的主要标记。使用 软件计算屈服应力，其中注意利用Bingham模式或Casson 模式。

实施例1.II-D至30.II-D

在实施例1.II至30.II-D中，如表II-D所示，用在表II-D中所示的流 变改进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量处理 金矿料浓缩物。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和屈 服应力的变化。各性能和结果示于表II-D。

表II-D：金矿过滤料浓缩物的处理

本发明的实施例--半天然流变改进剂与合成絮凝剂

实施例1.II-E至16.II-E

在实施例1.II-E至16.II-E中，如表II-E所示，用在表II-E中所示的流 变改进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量处理 金矿料浓缩物。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和屈 服应力的变化。各性能和结果示于表II-E。

表II-E：金矿过滤料浓缩物的处理

本发明的实施例-合成流变改进剂与合成絮凝剂

实施例1.II-F至28.II-F

在实施例1.II-F至28.II-F中，如表II-F所示，用在表II-F中所示的流 变改进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量处理 金矿料浓缩物。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和屈 服应力的变化。各性能和结果示于表II-F。

表II-F：金矿过滤料浓缩物的处理

本发明的实施例-天然和半天然或合成流变改进剂与合成絮凝剂的组合

实施例1.II-G至4.II-G

在实施例1.II-G至4.II-G中，如表II-G所示，用在表II-G中所示的流 变改进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量处理 金矿料浓缩物。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和屈 服应力的变化。各性能和结果示于表II-G。

表II-G：金矿过滤料浓缩物的处理

本发明的实施例-半天然和合成流变改进剂与合成絮凝剂的组合

实施例1.III-C至7.III-C

在实施例1.III-C至7.III-C中，如表III-C所示，用在表III-C中所示的 流变改进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量处 理磷酸盐矿浆。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和屈 服应力的变化。各性能和结果示于表III-C。

实施例1.III-D至32.III-D

在实施例1.III-D至32.III-D中，如表III-D所示，用在表III-D中所示 的流变改进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量 处理磷酸盐矿浆。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和 屈服应力的变化。各性能和结果示于表III-D。

实施例1.III-E至7.III-E

在实施例1.III-E至32.III-E中，如表III-E所示，用在表III-E中所示 的流变改进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量 处理磷酸盐矿浆。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和 屈服应力的变化。各性能和结果示于表III-E。

表III-C：磷酸盐矿浆的处理

本发明的实施例-半天然流变改进剂与合成絮凝剂

表III-D:磷酸盐矿浆的处理

本发明的实施例-天然和半天然流变改进剂与合成絮凝剂的组合

表III-E：磷酸盐矿浆的处理

本发明的实施例-半天然和天然流变改进剂与合成絮凝剂的组合

实施例1.IV至10.IV

在实施例1.IV至10.IV中，如表IV所示，用在表IV中所示的流变改 进剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量处理铝土 矿残渣。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和屈服应力 的变化。各性能和结果示于表IV。

表IV：铝土矿残渣的处理

实施例1.V至10.V

在实施例1.V至10.V中，如表V所示，用在表V中所示的流变改进 剂和水溶性合成聚合物絮凝剂根据在该表中所示的比例和剂量处理铜尾 矿。根据上述程序分析被处理的含水分散体的沉积、压实和屈服应力的变 化。各性能和结果示于表V。

表V：铜尾矿的处理

实施例33

将均来自Ashland的270和ZALTA VM 1122按照 ZALTA VM 1122与DREWFLOC 270的比例为1:1、2:1、3:1和4:1加入金 矿浆中。将其按照54克/吨浆料(0.12磅/吨)、82克/吨浆料(0.18磅/吨)和109 克/吨浆料(0.24磅/吨)的量加入到不同浆料中。测量各浆料和对照(没有使用 天然聚合物)的屈服应力。结果示于表VI。

表VI屈服应力(达因/平方厘米)

在比例1:1下，与对照相比，以54克/吨浆料计量加入的浆料显示出屈 服应力的降低。在比例为3:1下以109克/吨浆料计量加入的浆料显示出屈 服应力的降低。

测量各浆料和对照(没有使用天然聚合物)的压实(固体含量)。结果示于 表VII。

表VII压实(％固体)

对于109克/吨浆料的剂量，提高了压实，固体含量，在比例为3:1处 具有最高点，这与在3:1比例处此剂量下屈服应力的最大降低有关。然而， 应注意，所述流变改进剂和絮凝剂的使用取决于作业和作业条件，在被评 价的金矿作业中更高的固体将总剂量转移到更高水平以实现最佳效力，而 较低的加料固体可使所需要的总剂量转移到更低的总剂量以实现更高流变 学效力和提高压实。