处理水悬浮液的制作方法

专利名称：处理水悬浮液的制作方法
专利说明处理水悬浮液 本发明涉及处理颗粒状材料的悬浮液，特别是废弃的矿物浆料。本发明特别适用于处置源于矿物加工和选矿过程的尾矿和其它废弃材料，包括以均质混合物的形式共同处置粗和细固体。颗粒状矿物材料包括各种其中存在矿物材料的基材。这将包括例如红泥，来自各种矿物加工操作的尾矿，和油砂尾矿的加工。
处理矿物矿石以便提取矿物有用成分的方法将通常产生废弃材料。通常，废弃材料由以下组成包括颗粒状矿物材料的含水浆料或污泥，例如与水混合的粘土、页岩、砂、砂砾、金属氧化物等。
在有些情况，废弃材料如矿山尾矿可以便利地在地下开采的矿山中进行处置来形成回填料。通常，回填料废弃物包括高比例的粗的大尺寸的颗粒以及其它较小尺寸的颗粒并且以浆料的形式被泵送到矿山，在那里允许进行脱水而在适当的位置留下沉降的固体。通常的做法是使用絮凝剂通过使细材料絮凝来促进这一过程，从而增加了沉降速率。然而，在这一情况下，相比于絮凝的细材料，粗材料将通常以更快的速率沉降，产生粗和细固体的非均质的沉积。
南非专利6900472和美国专利3508407描述了下述技术，其用于将细物，特别是水泥，保留在地下开采的矿山回填料中。合成物和共聚物被建议可以单独地或者共同地使用，尽管使用两种类型并非是优选的。
US 4399039描述了在池塘(ponds)表面之下在尾矿的沉降层的脱水中使用淀粉，其中水向上移动。据说改进了层的粘度和变化性以便支撑更多的砂。没有指出这样的处理助剂将可用于硬化悬浮液，使得可以形成堆叠物。
对于其它应用，未必能够在矿山中处置废弃物。在这些情况下，通常的做法是通过将含水浆料泵送到池沼(lagoons)、堆场(heaps)或堆叠物(stacks)并且通过沉降、排泄和蒸发的作用使其逐渐脱水来处置这种材料。
存在着许多环境压力来最小化用于处置目的的新的土地的分配并且更有效地利用现有的采空区。一个方法是将多层的废弃物堆放在一片区域上而由此形成较高的废弃物的堆叠物。然而，这表现出确保以下方面的困难废弃材料仅仅能够在可接受的边界内在先前硬化的废弃物的表面上流动，使其硬化而形成堆叠物，以及将废弃物充分压实而支撑多层硬化材料却没有坍陷或滑动的危险。因此，对于为堆叠而提供具有恰当特性等级的废弃材料的要求完全不同于其他形式的处置所要求的那些，如在相对封闭区域中进行回填。
在典型矿物加工操作中，在含水工艺中将废弃固体与包含矿物有用成分的固体分离。废弃固体的水悬浮液常常包含粘土和其它矿物，并且通常称为尾矿。在各种包括来自油砂的尾矿的矿物固体中的确如此。在稠化器中，这些固体常常通过絮凝工艺来浓缩而得到较高密度底流稠泥并且回收一些工艺用水。通常将底流稠泥泵送到表面容纳区域，常常称为尾矿池或尾矿坝。一旦在这种表面容纳区域沉积，水将继续从水悬浮液中释放，导致在一段时间内固体的进一步浓缩。一旦已经收集足够体积的水，这通常被泵送回到矿物加工装置。
尾矿坝常常具有有限的尺寸以便最小化对环境的影响。另外，提供较大的尾矿坝可能是昂贵的，因为运土和建筑拦集壁的成本高。这些尾矿坝往往具有逐渐倾斜的底部，其允许任何从固体中释放的水收集在一个区域中并且因此能够泵送回到所述装置。往往发生的问题是当固体的微细颗粒随着流出水带走时，因此污染了水并且对水的后续使用具有有害影响。
在许多矿物加工操作中，例如矿砂选矿过程，通常还产生了第二种废弃物物流，其主要包括粗(>0.1mm)矿物颗粒。特别令人期望的是以均匀混合物的形式处置粗和细的废弃的颗粒，因为这改进了脱水固体的机械性能，大大降低了修复土地最终所要求的时间和成本。然而，这通常不是可行的，因为即使粗的废弃材料充分混入细的废弃材料的水悬浮液，然后在处置区域中沉积，相比于细的材料，粗的材料将快得多地沉淀，导致在脱水固体中的分带。此外，当粗材料相比于细材料的数量较高时，粗材料的快速沉降可能产生过度的坡面角，这促进了含高比例的细颗粒的含水废弃物的流掉，进一步污染了所回收的水。结果，一旦脱水过程完成的话，常常需要单独地处理粗和细的废弃物物流，并通过机械再作用将这些材料重组。
已经尝试通过使用混凝剂或絮凝剂来处理尾矿坝的进料来解决全部上述问题，从而提高沉降的速率和/或改进所释放的水的透明度。然而，这没有成功，因为这些处理以常规的剂量施加并且在细废弃材料的压实速率或者所回收的水的透明度方面这产生了极小益处或者没有产生益处。
在从铝土矿回收氧化铝的拜耳法中，在含水碱液中消化铝土矿而形成铝酸钠，其与不溶残渣分离。这种残渣由以下组成砂和主要为氧化铁的细颗粒。后者的水悬浮液称为红泥。
在铝酸钠溶液与不溶残渣的基本分离后，砂(粗的废弃物)与红泥分离。上层清液被进一步加工来回收铝酸盐。红泥然后在多个顺序的洗涤阶段中洗涤，其中红泥与洗液接触并且然后通过添加絮凝剂来絮凝。在最终的洗涤阶段后，红泥浆料尽可能地变稠并随后被处置。在本说明书范围内的变稠是指红泥的固体含量增加。最终的变稠阶段可以包括仅仅絮凝浆料的沉降，或者有时候，包括过滤步骤。可选地或者另外地，泥可经受在池沼中的延长的沉降。在任何情况下，这种最终的变稠阶段受到将变稠的水悬浮液泵送到处置区域的要求的限制。
所述泥可以被处置和/或经受进一步的干燥以便随后在泥堆叠区域上进行处置。为适于泥堆叠，泥应当具有高固体含量，并且当堆叠时，不应当流动但应当是比较刚性的，以便堆叠角度应当尽可能的高，使得所述堆叠物对于给定的体积占据尽可能小的面积。对高固体含量的要求与对使材料以流体形式保持可泵送的要求是冲突的，使得尽管也许可能产生具有用于堆叠的期望的高固体含量的泥，但这可能使得泥是不可泵送的。
从残渣中除去的砂级分还被洗涤并且转移到用于独立的脱水和处置的处置区域。
EP-A-388108描述了在进行泵送前，向包括具有分散的颗粒状固体的含水液体的材料中添加吸水性、不溶于水的聚合物，然后对所述材料进行泵送，使所述材料静置并然后使其硬化并且变为可堆叠的固体。聚合物吸收了浆料的含水液体，这有助于颗粒状固体的粘结以及因此的材料固化。然而，这种方法具有缺点，即它需要高剂量的吸收性聚合物以便获得恰当的固化。为了获得足够硬化的材料，常常需要使用高达10-20千克/公吨的泥的剂量。虽然用于硬化材料的水溶胀性吸收性聚合物的使用可能看起来提供了固体的显然增加，但是实际上含水液体被保持在吸收性聚合物中。这表现出的缺点在于，因为含水液体实际上没有从硬化材料中除去并且在一定条件下含水液体可能随后被释放出来，并且这可能危及废弃材料的再流体化，因而具有不可避免的所述堆叠物失稳的危险。
WO-A-96/05146描述了堆叠颗粒状固体的含水浆料的方法，其包括混合分散在连续油相中的水溶性聚合物的乳液与浆料。优选地，用稀释剂稀释乳液聚合物，并且其优选地在烃的液体或气体中并且其不会转化乳液。因此，该方法要求的是不将聚合物添加到水溶液形式的浆料中。没有公开通过添加聚合物的水溶液可以获得足以形成矿物材料堆叠物的脱水和硬化。
WO-A-0192167描述了一种方法，其中将包括颗粒状固体的悬浮液的材料以流体的形式泵送并随后使其静置并且硬化。通过引入到水溶性聚合物的悬浮液颗粒中而获得硬化，所述聚合物的特性粘数为至少3dl/g。这种处理能够使得材料保持其流动性同时被泵送，但是当静置时，引起材料硬化。这种方法的益处在于可以容易地堆叠浓缩的固体，这最小化了处置所需的土地的面积。该方法还优于使用交联的吸水性聚合物，在于释放了来自悬浮液的水，而不是将其吸收并由聚合物保留。使用水溶性聚合物的颗粒的重要性被着重强调并且据述使用溶解的聚合物的水溶液将是无效的。特别地，当作用于来自拜耳氧化铝工艺的红泥底流稠泥时，通过这种方法获得了水的极有效的释放和废弃固体的方便的存储。
WO-A-2004/060819描述一种方法，其中包括具有分散的颗粒状固体的含水液体的材料以流体的形式输送到沉积区域，然后使其静置并且硬化，并且其中通过将所述材料与有效硬化数量的水溶性聚合物的水溶液结合，在输送期间保持材料的流动性的同时改进了硬化。还描述了一种方法，其中实现了颗粒状固体的脱水。
WO-A-0192167和WO-A-2004/060819各自建议相应的聚合物可以是天然聚合物，尽管优选是合成聚合物。
EP-A-905091描述了絮凝/凝固方法，其中在进入稠化器前处理进料浆料。该方法包括使用淀粉和阳离子混凝剂以便改进来自稠化器的流出物的透明度。
WO 02/083258描述了标准固体液体分离工艺，其包括阳离子聚合物和非离子聚合物，以便改进过滤和/或离心系统中的脱水。
在油砂加工的情况下，将矿石进行加工而回收沥青级分，而其余材料，包括工艺材料和矿渣，构成没有价值的并且待被处置的尾矿。在油砂加工中，主要的工艺材料是水，而矿渣主要是砂以及一些淤泥和粘土。实际上，尾矿由以下组成固体部分(砂尾矿)和或多或少的流体部分(污泥)。最令人满意地处置这些尾矿的地方将是在地中的现有的挖掘孔中。不过，相比于从其中加工的矿石来说，砂和污泥组分将占较大体积。
在从油砂沉积物中回收重油和沥青的方法中，当使用露天采矿时，通过热水工艺(其中油砂与65℃(150℉)水和苛性碱混合)或者通过在较低温度下在没有苛性碱的情况下进行的低能提取工艺来提取油或沥青。然而，两种工艺形成了大量的由全部油砂矿体组成的尾矿以及工艺用水的净增加减去仅仅回收的沥青产物。
这些油砂尾矿可以被分为三类，即(1)筛上料，(2)粗或砂尾矿(快速沉降的级分)，和(3)细或尾矿污泥(缓慢沉降的级分)。因此油砂尾矿由不同尺寸的颗粒构成。
一般地，这些油砂尾矿经管道送到用于处置的尾矿池。粗砂首先沉降，而细颗粒仅仅非常缓慢地沉降。这些细颗粒在水中形成高度稳定的细悬浮液，包含差不多约30wt％固体。随着时间，这些细颗粒沉降而形成基本上固体粘土沉降物，因此填充了池沼并且需要形成新的池沼。
众所周知的是在稠化器中浓缩这些油砂尾矿而得到较高密度底流稠泥并且回收一些工艺用水，如上所述。
例如，Xu.Y等，Mining Engineering，2003年11月，p.33-39描述了在处置前在稠化器中向油砂尾矿中添加阴离子絮凝剂。所述底流稠泥可以被处置和/或经受进一步的干燥以便随后在油砂尾矿堆叠区域中进行处置。
令人期望的是寻找改进的硬化方法，特别是改进处理化学品的剂量效率。
根据本发明，提供一种方法，其中包括在水介质中分散的颗粒状材料的悬浮液以流体的形式输送到沉积区域，然后使其静置并且硬化，并且其中通过在输送期间将硬化数量的处理体系与悬浮液结合，在输送期间保持悬浮液的流动性的同时改进了硬化，所述处理体系包括 i)水溶性的合成聚合物，和 ii)水溶性的天然或者半天然聚合物。
出人意料地已经发现本方法提供了允许合成聚合物的剂量被降低的益处。在一些情况中，发现使用降低的总聚合物剂量可以获得有效的结果，其不能通过单独使用合成聚合物或者天然/半天然聚合物而获得。
合成聚合物可以全部地或部分地由水溶性聚合物组成。因此，聚合物可以包括交联的合成聚合物和水溶性的合成聚合物的共混物，前提是足够的合成聚合物是水溶性的或者性能如同其是水溶性的以便静置时发生脱水。合成聚合物可以是基本上干燥的颗粒状形式的，但优选地以水溶液的形式添加。
合成聚合物可以是可溶胀性聚合物和可溶性聚合物的物理共混物，或者可选地是轻度交联的聚合物，例如如EP202780中所描述的。虽然合成聚合物颗粒可以包括一些交联聚合物，但是对本发明必要的是存在显著数量的水溶性聚合物。当合成聚合物颗粒包括一些可溶胀性聚合物时，理想的是至少80％的聚合物是水溶性的。
合成聚合物应当包括全部或至少基本上是水溶性的聚合物。由于支化剂的存在其可以是支化的，例如如WO-A-9829604(例如在权利要求12)中描述的，或者水溶性聚合物基本上是线性的。
优选地，水溶性合成聚合物是中等至高分子量的。理想地，它将具有至少3dl/g(在25℃在1M NaCl中测量的)和通常至少5或6dl/g的特性粘数，尽管该聚合物可以具有显著高的分子量并且显示出25dl/g或30dl/g或甚至更高的特性粘数。优选地，聚合物的特性粘数将是8dl/g-25dl/g，更优选地11dl/g或12dl/g-18dl/g或20dl/g。
聚合物的特性粘数可以通过基于聚合物的活性含量制备聚合物的水溶液(0.5-1％ w/w)来确定。2g的这种0.5-1％聚合物溶液用50mL的2M氯化钠溶液稀释到100mL的容量瓶，其被缓冲到pH值为7.0(使用1.56g磷酸二氢钠和32.26g磷酸氢二钠/升去离子水)并且使用去离子水将全部物质稀释到100mL标记处。在1M缓冲盐溶液中在25℃使用No.1悬浮水平粘度计测量聚合物的特性粘数。
水溶性合成聚合物可以是阳离子的、非离子的、两性的或阴离子的。合成聚合物可以由任何适宜的水溶性单体形成。一般地，水溶性单体在25℃在水中的溶解度是至少5g/100cc。优选的聚合物是非离子的或者阴离子的并且是由一种或多种烯属不饱和单体形成的。当聚合物是非离子的，它将由一种或多种非离子单体形成，例如选自(甲基)丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸的羟基烷基酯和N-乙烯基吡咯烷酮。一般地，阴离子聚合物由一种或多种且是离子的单体形成，任选地结合有一种或多种且是离子的单体。特别优选的阴离子聚合物由选自以下的单体形成烯属不饱和羧酸和磺酸单体，优选地选自(甲基)丙烯酸、烯丙基磺酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸，和它们的盐，任选地结合有非离子共聚单体，优选地选自(甲基)丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸的羟基烷基酯和N-乙烯基吡咯烷酮。特别优选的阴离子聚合物包括丙烯酰胺的均聚物或丙烯酰胺与丙烯酸钠的共聚物。
可能期望的是使用根据本发明的合成阳离子聚合物。适宜的阳离子型聚合物可以由烯属不饱和单体形成，其选自二甲基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯-氯代甲烷、(DMAEA.MeCl)quat、二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)、三甲基氨基丙基(甲基)丙烯酰胺氯化物(ATPAC)，任选地结合有非离子共聚单体，其优选地选自(甲基)丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸的羟基烷基酯和N-乙烯基吡咯烷酮。
在有些情况下，已经发现有利的是单独地添加合成聚合物型的组合。因此，首先可以将阴离子、阳离子或非离子聚合物的水溶液添加到上述材料中，随后是任何类型的第二剂量的相似的或者不同的水溶性合成聚合物。
在本发明中，水溶性合成聚合物可以由任何适宜的聚合方法形成。通过溶液聚合、油包水悬浮聚合或油包水乳液聚合，例如可以将聚合物制备成凝胶聚合物。当通过溶液聚合制备凝胶聚合物时，通常将引发剂引入到单体溶液中。
任选地，可以包括热引发剂体系。一般地，热引发剂将包括任何适宜的引发剂化合物，其在高温释放自由基，例如偶氮化合物，如偶氮二异丁腈。在聚合期间温度应当升高到至少70℃，但优选地低于95℃。可选地，聚合可以受到辐照(紫外光、微波能、热量等)的影响，任选地还使用适宜的辐射引发剂。一旦完成聚合并且已经允许聚合物凝胶充分冷却，所述凝胶能够以标准方式进行加工，包括首先将凝胶粉碎成较小的片，干燥成基本上脱水的聚合物，随后研磨成粉末。可选地，聚合物凝胶可以以聚合物凝胶的形式提供，例如以凝胶聚合物原木(logs)的形式。
这种聚合物凝胶可以通过如上所述的合适的聚合技术，例如通过辐照来制备。凝胶可以根据需要被切断成合适的尺寸，并随后在应用时以部分水合的水溶性聚合物颗粒的形式与材料混合。
聚合物可以被制造成珠粒(通过悬浮聚合)或油包水乳液或分散体(通过油包水乳液聚合)，例如根据EP-A-150933、EP-A-102760或EP-A-126528所定义的方法。
可选地，水溶性合成聚合物可以在水介质中以分散体的形式提供。这可以例如是至少20微米的聚合物颗粒在含平衡剂的水介质中的分散体，如EP-A-170394中给出的。这还可以例如包括在含溶解的低IV聚合物如聚二烯丙基二甲基氯化铵和任选的其它溶解的材料例如电解质和/或多羟基化合物例如聚亚烷基二醇的水介质存在下通过含水单体的聚合制备的聚合物颗粒的水分散体，如WO-A-9831749或WO-A-9831748中给出的。
水溶性合成聚合物的水溶液一般地通过将聚合物溶解在水中或者通过稀释聚合物的更浓缩的溶液而获得。通常，固体颗粒聚合物，例如以粉末或珠粒的形式，分散在水中并且允许其借助搅动来溶解。这可以使用常规的配制设备来获得。理想地，聚合物溶液可以使用由CibaSpecialty Chemicals提供的Auto Jet Wet(商标)来制备。可选地，合成聚合物可以以反相乳液或分散体的形式提供，后者然后能够被转化为水。
在以水溶液的形式添加合成聚合物的情况下，其可以以任何适宜的浓度来添加。可能令人期望的是使用相对浓缩的溶液，例如至多10％或更大，基于聚合物的重量，以便最小化被引入材料的水的数量。通常，虽然将令人期望的是在较低的浓度添加聚合物溶液以便最小化源于聚合物溶液的高粘度的问题并且便于聚合物分布于材料中。聚合物溶液能够以相对稀释的浓度添加，例如低达0.01wt％的聚合物。一般地，聚合物溶液将通常以0.05-5wt％的聚合物的浓度使用。优选地，聚合物浓度将是0.1％-2或3％。更优选浓度将是0.25％或0.5％-约1或1.5％。
水溶性的天然或者半天然聚合物可以是任何适宜的源于天然的聚合物或半天然聚合物。半天然聚合物是指该聚合物是源于天然的并且随后进行后改性，例如使其阳离子化或阴离子化。天然聚合物例如可以是多糖如淀粉如木薯淀粉、瓜尔胶、黄原酸胶、Diutan胶、文莱胶、葡聚糖、葡聚糖浆、Rhansan胶或者半天然聚合物如改性淀粉、壳聚糖、MHPC、MHEC、D.S 0.92、D.S 0.59、D.S 1.24、蒸煮的小麦淀粉、阴离子淀粉、蒸煮的苛性碱淀粉、海藻酸钠、羧甲基纤维素或羟乙基纤维素。
特别有效的结果是当天然或半天然聚合物基于纤维素，优选羧甲基纤维素时获得的。
合成聚合物和天然或半天然聚合物可以顺序地或同时地被添加到颗粒状材料的悬浮液中。当顺序地添加它们时，可能对于某些基材来说令人期望的是首先添加合成聚合物，虽然在有些情况下，可能优选地首先添加天然或半天然聚合物。在一些情况中，同时添加合成和天然或半天然聚合物可以产生更令人期望的效果。这可以通过单独地但基本上是同时地添加聚合物或者以组合形式，例如以混合物的形式添加两种聚合物而实现。
合成聚合物和天然或半天然聚合物每一个的适宜的剂量为10克-10,000克/公吨的材料固体。聚合物的剂量基于活性聚合物/悬浮液的干燥固体。通常，合适的剂量可以根据特定的材料和材料的固体含量来变化。优选的剂量是30-3,000克/公吨，更优选地，30-1000克/公吨，而更加优选的剂量为60-200或400克/公吨。可以将两种聚合物添加到颗粒状材料的悬浮液，如矿物材料，例如尾矿浆料，以固体颗粒形式，可选地，以水溶液的形式，后者是通过将两种聚合物之一或两者溶解到水或水介质中而制备的。
对于聚合物的某些组合和对于某些基材来说，已经发现所用的全部聚合物的总剂量显著地更低从而获得合适的硬化，相比于通过单独使用每一聚合物组分可以获得的来说。在这种情况下，全部总聚合物剂量可以是小于300克/公吨，优选地小于250克/公吨，特别是小于200克/公吨，例如100-150或200克/公吨。在其它情况中，已经发现更加昂贵的合成聚合物组分的数量可以显著地被降低，尽管价格比较低廉的天然或半天然聚合物的数量是高的。在这种情况下，合成聚合物组分可以以数量小于250克/公吨，常常低于200或150克/公吨添加，即使天然或半天然聚合物以至少250克/公吨的较高剂量添加。在一些情况中，天然或半天然聚合物可以以超过500或1000克/公吨的剂量来添加，并且在某些情况中，通过至少2000并且甚至大于3000或4000克/公吨的明显更高的剂量可以获得有益的结果。
另外，已经发现合成和天然或半天然聚合物的组合可以产生脱水，其中所释放的液体具有较高的透明度，相比于单独使用单独的聚合物组分可以获得的来说。
通常，悬浮固体可以在稠化器中浓缩并且这种材料例如将以底流稠泥的形式离开稠化器，所述底流稠泥将沿着管道(conduit)被泵送到沉积区域。管道可以是任何用于将材料输送到沉积区域的方便装置并且例如可以是管子(pipe)或沟渠(trench)。在输送阶段期间材料保持流体性和可泵送性，直到允许该材料静置和硬化。
理想地本发明的方法是矿物加工操作的一部分，其中废弃固体的水悬浮液任选地在容器中絮凝而形成包括含水液体的上层清液层和包括形成所述材料的稠化固体的底流稠泥层。上层清液层在容器中将与底流稠泥分离并且通常被再循环或者经受进一步的加工。废弃固体的水悬浮液或者任选地稠化的底流稠泥通常通过泵送而输送到沉积区域，其可以例如是尾矿坝或池沼。所述材料可以仅主要由细颗粒，或者细和粗颗粒的混合物组成。任选地，在沉积区域进行排放前，在任何方便的点，另外的粗颗粒可以与水悬浮液结合。一旦所述材料到达沉积区域，则允许其静置并且脱水，并且另外优选地进行硬化。可以在任何方便的点，通常在输送期间，将聚合物以有效量添加到材料中。在一些情况下，水悬浮液可以首先被输送到容纳容器中，然后输送到沉积区域。在颗粒状材料的悬浮液的沉积后，它将硬化并且优选地脱水(通过释放含水液体)而形成脱水的固体。优选地，通过沉降、排泄和蒸发干燥的联合作用，颗粒状矿物材料的脱水悬浮液将形成压实和干燥的固体物质。
矿物材料颗粒通常是无机物。一般地，材料可以衍生自或包含滤饼、尾矿、稠化器底流稠泥、或未稠化的装置废弃物物流，例如其它矿物尾矿或矿泥，包括磷酸盐、金刚石、金矿泥、矿物砂、来自锌、铅、铜、银、铀、镍、铁矿石加工的尾矿、煤、油砂或红泥。材料可以是从最后的稠化器或者矿物加工操作的洗涤阶段沉降的固体。因此，材料理想地源于矿物加工操作。优选地，材料包括尾矿。优选地，所述矿物材料在性质上将是亲水性的并且更优选地选自红泥和含亲水粘土的尾矿，例如油砂尾矿等等。
对于粘土矿物悬浮液如陶土，合成聚合物如丙烯酰胺和丙烯酸钠与天然或半天然聚合物如瓜尔胶、海藻酸钠、葡聚糖或纤维素材料，优选羧基甲基纤维素的结合产生了特别有效的结果。
当基材是煤尾矿时，优选的组合包括合成物与纤维素的天然或半天然聚合物的衍生物，特别是羟甲基纤维素。特别优选的组合包括丙烯酰胺与丙烯酸钠的共聚物和羟甲基纤维素。
使用合成聚合物与瓜尔胶或阴离子淀粉的任一种的结合，特别是当所述组合包括丙烯酸钠和丙烯酰胺的合成聚合物时，矿物砂或相似的基材的悬浮液显示了特别改进的硬化。
任何葡聚糖，纤维素制品，特别是羟乙基纤维素，淀粉，特别是衍生或改性淀粉例如阴离子、非离子或阳离子淀粉、Rhansan胶与合成聚合物如丙烯酰胺/丙烯酸钠共聚物的结合为源自拜耳氧化铝工艺的红泥浆料提供了特别良好的结果。
被泵送的细尾矿或其它材料可以具有10wt％-80wt％的固体含量。浆料常常是20wt％-70wt％，例如45wt％-65wt％。在细尾矿的典型样品中颗粒的尺寸基本上全部小于25微米，例如约95wt％的材料是小于20微米的颗粒并且约75％小于10微米。粗尾矿基本上大于100微米，例如约85％大于100微米，但通常小于10,000微米。细尾矿和粗尾矿可以存在或者以任何方便的比例结合在一起，条件是该材料保持可泵送性。
分散的颗粒状固体可以具有粒度的双峰分布。一般地，这种双峰分布可以包括细部分和粗部分，其中细部分的峰基本上小于25微米，而粗部分的峰基本上大于75微米。
已经发现，当材料是相对浓缩的并且是均匀的时候，在脱水和硬化方面获得了较好的结果。还可能令人期望的是将聚合物的添加与其它添加剂结合。例如，材料通过管道的流动性能可以通过包括分散剂而便利。一般地，在包括分散剂的情况下，其将以常规的数量包括在内。然而，已经令人惊讶地发现分散剂或其它添加剂的存在不损害脱水或硬化。还可能令人期望的是用无机或有机混凝剂对材料进行预处理来预凝结细材料，从而有助于其保留在脱水的颗粒状材料中。
在本发明中，颗粒状矿物材料的悬浮液可以一般地是来自矿物加工操作的废弃材料。
当细和粗的颗粒状材料的水悬浮液被结合用于共同处置目的时，有效的脱水和硬化数量的水溶性聚合物溶液将通常在将不同的废弃物物流混合成均匀浆料期间或之后添加。
一般地，可以沿管道并且通过沉积区域的出口输送颗粒状矿物材料的悬浮液。然后将允许颗粒状矿物材料的悬浮液在沉积区域脱水。优选地，当静置时，已经输送到沉积区域的颗粒材料的悬浮液还将硬化。在很多情况下，沉积区域将已经包含硬化的矿物材料。适当地，当到达沉积区域时颗粒状矿物材料的悬浮液将在先前硬化的矿物材料的表面上流动并且将允许所述材料静置并硬化而形成堆叠物。
一般地，材料将以流体的形式被泵送到沉积区域的出口，并且允许材料在硬化材料的表面上流动。允许材料静置并且硬化，由此形成硬化材料的堆叠物。这种方法可以重复若干次以形成堆叠物，其包括若干层的硬化材料。硬化材料的堆叠物的形成具有需要较少的用于处置的区域的好处。
在矿物加工操作中，其中含固体的悬浮液在稠化器中絮凝以便将悬浮液分离成上层清液层和底流稠泥材料，该材料一般地可以在稠化器中在絮凝后的任何合适的点进行处理，但在允许材料静置之前。一般地，沿管道将悬浮液输送到沉积区域。这通常是通过泵送颗粒状矿物材料的悬浮液而实现的。合适的并且有效的脱水和粉尘抑制数量的水溶性聚合物可以在泵送阶段之前或期间与该材料混合。以这种方式聚合物可以贯穿所述材料分布。
可选地，聚合物可以在泵送阶段后被引入并且与材料混合。最有效的添加点将取决于基材和稠化器距沉积区域的距离。如果管道较短的话，可能有利的是在接近于所述材料流自稠化器的位置剂量加入聚合物溶液。另一方面，在沉积区域距稠化器较远的情况下，可能令人期望的是在较靠近出口处引入聚合物溶液。在有些情况下，可能方便的是将聚合物溶液引入所述材料，当其离开出口时。通常，可能令人期望的是在其离开出口前，优选地在出口的10米之内，将聚合物添加到悬浮液中。
当材料通过管道流到沉积区域时其流变特性是重要的，因为流动特性的任何显著降低可能严重地损害本方法的效率。重要的是，没有明显的固体沉降，因为这可能导致堵塞，其可能意味着装置不得不关闭以便清除堵塞。另外，重要的是在流动特性方面没有显著的降低，因为这可能严重地损害材料的可泵性。这种有害效应可能导致显著增加的能源成本，因为泵送变得更困难，并且可能增加泵送设备的磨损。
当颗粒状矿物材料的悬浮液脱水时，其流变特性是重要的，因为一旦允许材料静置，重要的是流动被最小化并且材料的理想固化和优选硬化快速地进行。如果材料太流动，那么它将不会形成有效的堆叠物并且还存在它将污染从材料中释放的水的危险。同样希望的是硬化材料是足够坚固的以便保持完整性并且承受施加到其上的硬化材料的随后层的重量。
优选地，本发明的方法将获得堆积的处置几何结构并且将共同固定材料中固体的细和粗的部分，并且允许任何所释放的水具有较高的驱动力从而借助于水力重力排泄使其与材料分离。堆积的几何结构看起来在下面的固体上提供了较高的向下的压实压力，其似乎担负着提高脱水速率的作用。已发现这种几何结构产生了每表面面积更大量的废弃物，其对于环境和经济性两者都是有益的。
不可能通过在稠化器中采用絮凝步骤而实现本发明的目的。例如，在稠化器中悬浮液的絮凝从而提供充分浓缩的底流稠泥使得其将堆叠将是价值很低的，因为将不可能泵送这样的浓缩的底流稠泥。此外，将聚合物添加到稠化器中将不会获得改进脱水矿物材料的抑制的期望效果。相反，已经发现有必要处理已经在稠化器中以底流稠泥形式形成的材料。看来单独地处理在底流稠泥中的稠化的固体允许材料有效地硬化却没有损害输送期间的流动性。
本发明的优选特征是在含水液体释放期间的硬化，所述释放优选地在脱水步骤期间发生。因此，在本发明的优选形式中，材料在硬化期间脱水而释放包含显著较少固体的液体。然后该液体能够被送回到所述工序，因此降低了所需的被引入水的体积并且因此重要的是液体是澄清的并且基本上没有污染物，特别是迁移的颗粒状细物。适当地，液体可以例如被再循环到稠化器，从中材料以底流稠泥的形式分离。可选地，液体可以被再循环到同一装置中的盘管或其它工序。
以下实施例举例说明了本发明。
实施例 表1-实施例中所用的聚合物 样品组成 分子量 离子性 样品1 50:50丙烯酸钠:丙烯酰胺 19,000,000 阴离子 共聚物 样品2 黄原酸胶 9,000,000 阴离子 样品3 文莱胶非离子 样品4 羧甲基纤维素 50,000 阴离子 样品5 瓜尔胶64 1,000,000 非离子 样品6 瓜尔胶66 1,000,000 非离子 样品7 葡聚糖 5-40,000,000 非离子 样品8 改性淀粉 阴离子 样品9 改性淀粉 非离子 样品10 改性淀粉 阳离子 样品11 Diutan胶 非离子 样品12 壳聚糖阳离子 样品13 50:50NaAc:ACM共聚物6,000,000 阴离子 样品14 甲基羟丙基纤维素 20,000 非离子 样品15 甲基羟乙基纤维素 35,000 非离子 样品16 甲基纤维素 7,000 非离子 样品17 羧甲基纤维素D.S 0.92 50,000 阴离子 样品18 羧甲基纤维素D.S 0.59 50,000 阴离子 样品19 羧甲基纤维素D.S 1.24 2,000 阴离子 样品20 海藻酸钠 阴离子 样品21 瓜尔胶非离子 样品22 10:90丙烯酸钠:丙烯酰胺 15,000,000 阴离子 共聚物 样品23 30:70丙烯酸钠:丙烯酰胺 19,000,000 阴离子 共聚物 样品24 75:25丙烯酸钠:丙烯酰胺 15,000,000 阴离子 共聚物 样品25 葡聚糖浆 样品26 30:70丙烯酸钠:丙烯酰胺 15,000,000 阴离子 共聚物 样品27 Rhansan胶 样品28 蒸煮的小麦淀粉 样品29 木薯淀粉 50000 非离子 样品30 木薯淀粉 50000 非离子 样品31 木薯淀粉 阳离子 样品32 木薯淀粉 阳离子 样品33 木薯淀粉 阳离子 样品34 木薯淀粉 阳离子 样品35 木薯淀粉 阳离子 样品36 改性淀粉 阳离子 样品37 阴离子淀粉DS＝2 阴离子 样品38 阴离子淀粉DS＝0.9 阴离子 样品39 阴离子淀粉DS＝2.75阴离子 样品40 羟甲基纤维素 非离子 样品41 羟甲基纤维素 非离子 样品42 蒸煮的苛性碱淀粉 非离子 样品制备 样品1和13-固体等级聚合物的水溶液的制备 混合固体聚合物样品以便确保其是均匀的。精确地称重所需重量的聚合物入干净干燥的8oz瓶子。从分配器中添加需体积的丙酮并且缓缓地旋转以便润湿全部聚合物。从分配器中添加所需体积的去离子水。旋上盖子并且剧烈摇动直到聚合物完全分散于溶液中并且已经充分膨胀以防止聚合物粘在一起或者粘到瓶侧上。如果聚合物聚集或粘住瓶子，全部制备程序必须重来。安全地将罩(jar)扣紧在滚筒上并且滚动所需的溶解时间。
样品2-11和14-20聚合物溶液的涡流混合 1.将搅拌器电机转速设置到零或最低可能的速率。
2.称重补给水入补给容器。
3.称重所需的聚合物入所用的容器，准确度为+/-0.01g或1％，取大者。
4.放置含水的补给容器于搅拌器电机下并且在适当的位置将其固定。
5.选择并且安装合适的搅拌器。
6.接通搅拌器电机并且逐渐增加搅拌速度直到形成涡流，高于搅拌器刮刀顶端约1个刮刀厚度涡流止住。
7.缓和地以稳定速率撒洒聚合物到涡流的肩部。
8.一旦颗粒已经充分地湿透并且溶液粘度已经发展(可通过围绕涡流飞溅的程度的降低而观察到)，降低搅拌器速度，使得涡流至少有效搅拌，如从全部溶液的连续运动所看出的。
9.在这一速度下，使溶液进行搅拌，直到聚合物被完全溶解(通常在实验室中2小时)。一旦该时间过去，聚合物溶液待备使用。
样品12通过如上的涡流混合以1％溶液在0.2M乙酸中配制。然后，在测试前，用去离子水将溶液稀释到0.25％。
实施例1 样品1的溶液被制备为0.5％ w/w储备溶液并且进一步稀释至0.25％ w/w溶液，然后使用。
对于每次测试，使用280ml等分的20％ w/v陶土和砂的3:7w/w干燥固体浆料。在110℃预干燥砂并且以500±90μm粒度进行筛选，然后使用。使用陶土和砂的这种组合，因为它代表了典型的矿山废物，其包括与较粗颗粒结合的细粘土基材。
通过将63mm高度和直径的硬质套管放到漆辊盘(内衬有粗砂纸的薄片)上来制备坍塌(slump)位置。
以若干剂量将稀释样品1添加到浆料中并且通过一定范围的烧杯倾倒来分布。
用经处理的浆料填充套管至边缘并且弄平。
迅速地纵向从盘中移出套管，使得浆料向外坍塌并且置于一侧以避免过多浆料滴到坍塌物上。
在形成坍塌物后，立即开始计时。
记录所得的坍塌物的边缘和中心的直径和高度。
一旦记录坍塌物尺寸，将漆盘倾斜1英寸以便允许漆盘槽中的自由液体的有效流出和收集。
10分钟后，经由注射器收集自由液体，然后转移到预称重的瓶子用于量化。
在浊度计上测量水质。
坍塌角使用以下公式计算 坍塌角，％＝(c-e)×100/r 其中c是坍塌物在中心处的高度，e是坍塌物在边缘处的高度，r是坍塌物的半径，这示于

图1中。
结果 表2 这些结果表明需要250-400g/t样品1的剂量和20-40次烧杯倾倒来给出良好的坍塌角、水回收率和水质。
实施例2 通过实施例1中所述的方法对一系列天然聚合物进行测试并且与样品1进行比较。
结果 表3

从表中结果可见，即使在非常高的剂量下，没有天然聚合物形成坍塌。还存在非常少的水释放。进行最多10次烧杯倾倒，因为再多的话，结构损坏。
实施例3 由于实施例2中的天然聚合物中的许多具有比样品1低得多的分子量，较低分子量的合成聚合物样品13按照实施例1进行测试，以便观察其是否给出相同效果。
结果 表4 在>200g/t的剂量下在一定范围内的烧杯倾倒下，样品13给出了良好的坍塌角和水回收率。结果是相比于样品1稍有改进，但水质较差。结果没有表明较低分子量的聚合物必然地是效果不好的。
实施例4 若干天然聚合物顺次以200:100g/t和100:50g/t样品1天然聚合物与样品1结合并且按照实施例1测试。在每次测试中使用30次烧杯倾倒。
结果 表5
在200:100g/t样品1天然聚合物的较高剂量下，天然聚合物本身性能类似于样品1，给出了良好的坍塌角、水回收率和水质。
表6
在100:50g/t样品1:天然聚合物的较低剂量下，样品4给出了显著改进的结果，相比于单独的样品1在相同的总剂量下来说。
实施例5 以100:50g/t，以各种比例和在按照实施例1的一系列烧杯倾倒下，与样品1结合来测试样品4。
结果 表7
从表中可以看出，样品1:样品4的结合，在100:50g/t的剂量下，在20-30次烧杯倾倒下，给出了坍塌角和水回收率的最好的结果。30次烧杯倾倒改进了水质。使用75:75g/t的剂量比给出了稍差的结果。这样看来组合条件可以被优化以便最大化协同效应。
实施例6 评估混合一种聚合物，然后添加另一种。
测试以下组合，剂量为75:75g/t 样品1:样品4。
样品4:样品1 将第一种聚合物添加到基材并且进行若干次烧杯倾倒混合，然后添加第二种聚合物并且进行与第一种聚合物相同次数的烧杯倾倒。
即 5/5 10/10 15/15 20/20 对于这次测试工作来说，改变收集所回收的水的方法，因为其难以用注射器除去全部所回收的水。替代通过注射器来收集水，从盘中小心地提出砂纸并且留下备用，同时将水倒入预称重的4oz瓶子。余下方法保持不变，如同实施例1。
结果 表8 结果表明坍塌角、水回收率和/或水质的改进可以通过组合处理来获得。再次看出组合条件可以被优化以便最大化协同效应。
实施例7 由于使用样品1:样品4的组合获得了良好的结果，决定评估离子特性和取代度不同的其它纤维素制品以及具有与样品4相似的阴离子性的非纤维素制品，以便观察是否它们给出相同或改进的效果。使用实施例1中所述的方法，但水如实施例6中的那样回收。
结果 表9 结果显示了使用样品17-20的组合，相比于单独的样品1的改进的结果。
纤维素变体表明聚合物的特性在优化协同处理中有影响力。
以上全部测试工作已经对合成矿山废物基材进行了评估。实施例8-12显示了对来自工业采矿操作的基材获得的测试结果。
实施例8 天然/合成50:50剂量 按照实施例1中所述的方法，对煤尾矿基材(干燥固体-36.3％)，以690:690g/t，与样品22结合测试各种天然聚合物。
结果 表10 表11

以50:50组合，样品21和羟甲基纤维素样品40和41显示了对于这种基材来说的最佳改进的坍塌角和水回收率。单独的样品22的剂量水平必须增加到1725g/t而获得相似的结果。
实施例9 按照实施例1中所述的方法，以组合比25:75和75:25，对与实施例8中相同的煤尾矿基材测试5种最佳性能的天然聚合物。
结果 表12
通常，与较低剂量的合成聚合物结合的较高剂量的天然聚合物，相比于单独的样品22，产生了很大改进的坍塌角和水回收率。看来组合条件可以被优化以便最大化协同效应。
实施例10 按照实施例1中所述的方法，对矿物砂开采废物基材(砂固体-52.6％ wt/wt，矿泥固体-27.8％ wt/wt)，以10:10g/t，与样品26结合测试各种天然聚合物。
结果 表13 没有天然产物本身给出对基材显著的刚性。以相等的剂量，相比于合成聚合物样品26，观察到了差的坍塌角和低的水回收率。
以20g/t的总剂量，与样品26以1:1的比例评估以下组合。
表14
以20g/t，相比于样品26本身，与样品26结合的样品21、37、38和39给出了显著改进的坍塌角，尽管水回收率保持相似或略低。
实施例11 以天然/合成聚合物50:50剂量组合的评估。
按照实施例1中所述的方法，对氧化铝红泥超级稠化器基材(干重-46.73％)，以134:134g/t，与样品24结合测试各种天然聚合物。
结果 表15 全部的天然产物给出了差的坍塌角，相比于单独的样品24在相同剂量水平下。没有观察到协同效应。此外，从堆叠物中没有释放出水。
表16

相比于单独的样品24在相同剂量水平下，在268g/t与合成聚合物的结合剂量下，全部的天然产物给出了协同改进。没有水释放。
实施例12 天然/合成50:50剂量 对稀释至20％固体的上述氧化铝红泥超级稠化器基材(以代表在较低浆料浓度下的情况)，以469:469g/t，与样品24结合测试各种天然聚合物，其中要求水释放。使用实施例1中所述的测试方法。
结果 表17 单独的天然聚合物相比于合成聚合物样品24在相等剂量下效果差很多。
表18
当以1:1的与合成样品24组合施用时，相比于单独施加的任一产物，样品27显示了坍塌角的显著改进。
然后对稀释至20％固体的相同的氧化铝红泥超级稠化器基材测试其它组合，但以与合成样品24的其它组合比例25:75和75:25进行。
结果 表19
此外，与样品24结合的样品27给出了最好的坍塌角。样品31、25和42，相比于单独的任一组分，在剂量比为1:1下，没有获得协同改进，在其它组合比例下已经显示了成功的改进。
权利要求
1.一种方法，其中包括在水介质中分散的颗粒材料的悬浮液以流体的形式输送到沉积区域，然后允许其静置并且硬化，并且其中通过在输送期间将硬化数量的处理体系与悬浮液结合，在输送期间保持悬浮液的流动性的同时改进了硬化，所述处理体系包括
i)水溶性的合成聚合物，和
ii)水溶性的天然或者半天然聚合物。
2.根据权利要求1的方法，其中水溶性的合成聚合物具有至少为3dl/g的特性粘数并且由烯属不饱和的水溶性单体或单体的混合物形成。
3.根据权利要求1或2的方法，其中水溶性的合成聚合物是阴离子的或非离子的。
4.根据权利要求3的方法，其中合成聚合物由选自以下的一种或多种单体形成(甲基)丙烯酸，烯丙基磺酸与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸，以游离酸或其盐的形式，任选地与选自以下的非离子共聚单体结合(甲基)丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸的羟基烷基酯和N-乙烯基吡咯烷酮，优选丙烯酸钠与丙烯酰胺的共聚物。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中天然或半天然聚合物基于纤维素，优选羧甲基纤维素。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中颗粒状材料的悬浮液是来自矿物加工操作的废弃材料。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中颗粒状材料的悬浮液源自于矿物加工操作并且选自来自拜耳氧化铝工艺的红泥、来自碱金属提取的尾矿、来自贵金属提取的尾矿、来自铁提取的尾矿、来自镍提取的尾矿、煤尾矿、矿物及油砂和细煤粉。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述颗粒状材料在性质上是亲水性的，优选地选自红泥和含亲水性粘土的尾矿。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其中沿管道并且通过沉积区域的出口输送颗粒状材料的悬浮液。
10.根据前述权利要求中任一项的方法，其中当静置时，已经输送到沉积区域的颗粒状材料的悬浮液释放含水液体。
11.根据前述权利要求中任一项的方法，其中当到达沉积区域时颗粒状材料的悬浮液在先前硬化的材料的表面上流动，其中允许所述材料静置并硬化而形成堆叠物。
12.根据前述权利要求中任一项的方法，其中颗粒状材料的悬浮液通过将其泵送通过管道来输送，并且随后将聚合物添加到泵送阶段。
13.根据权利要求1-11中任一项的方法，其中颗粒状材料的悬浮液通过将其泵送通过管道来输送，并且在泵送阶段期间或之前添加聚合物。
14.根据权利要求1-12中任一项的方法，其中将颗粒状材料的悬浮液输送通过具有出口的管道，其中当其离开出口时将聚合物添加到悬浮液中。
15.根据权利要求1-13中任一项的方法，其中将颗粒状矿物材料的悬浮液输送通过具有出口的管道，其中在其离开出口前，优选地在出口的10米内将聚合物添加到悬浮液中。
16.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在水溶液中添加合成聚合物和天然或半天然聚合物。
17.根据权利要求1-13中任一项的方法，其中以颗粒的形式添加合成聚合物和天然或半天然聚合物。
全文摘要
一种方法，其中包括在水介质中分散的颗粒材料的悬浮液以流体的形式输送到沉积区域，然后允许其静置并且硬化，并且其中通过在输送期间将硬化数量的处理体系与悬浮液结合，在输送期间保持悬浮液的流动性的同时改进了硬化，所述处理体系包括i)水溶性的合成聚合物，和ii)水溶性的天然或者半天然聚合物。可以获得改进的硬化，包括剂量效率，特别是关于所需的合成聚合物的数量。另外，可以获得从悬浮液释放的液体的透明度的改进。
文档编号B09B3/00GK101448583SQ200780018178
公开日2009年6月3日 申请日期2007年5月4日 优先权日2006年5月19日
发明者B·戴蒙德, J·兰佩德, A·贝弗里奇 申请人:西巴控股有限公司