第1章固体二次资源利用的基本方法

第1章固体二次资源利用的基本方法1 二次资源利用的基本方法及原理1.1固体物料的物理化学性质固体二次资源包括矿山尾矿、冶金渣尘、化工渣、粉煤灰等，其资源种类纷繁复杂，其物理化学性质各异。

1.1.1物理性质1.1.1.1几何特征固体二次资源物料的几何特征主要包括颗粒的大小、外形、表面形态（如表面粗糙度、孔隙度等）及比表面积等。

颗粒的形状，将影响到它在介质中的沉降速度、界面化学行为、流变性质、滤渣的孔隙和滤饼的比阻等。

单个颗粒的几何特征及颗粒群的粒度组成是固体二次资源利用过程中应充分考虑的关键性因素。

（1）颗粒的大小固体二次资源通常是碎散物料群体，构成该群体的颗粒大小不一，形状各异，在技术上可引入“粒径”、“粒度”、“粒级”、“粒度组成”及“平均粒度”等概念来描述其粒度特性。

粒径和粒度是用来表示颗粒大小最常用的两个术语。

粒径是以单颗粒为对象，表示颗粒的大小；而粒度则是以粒群为对象，表示所有颗粒大小的总体概念。

在固体二次资源利用中，对粒群大小的描述，常用平均粒度的概念。

粒群的平均粒度是表征颗粒体系的重要几何参数，两个平均粒度相同的粒群，完全可能具有差异很大的粒度组成。

描述粒度特性最好的方法是查明粒群的粒度组成，它反映了粒群中各种颗粒大小及对应的数量关系。

（2）颗粒的形状颗粒的轮廓边界或表面上各点的图像，称作颗粒的形状，颗粒的形状是颗粒的大小外又一个重要的几何特征。

主要包括球形、针状、不规则体、多角状、枝状、纤维状、多孔状及浑圆状等，也可用形状系数和形状指数等定量方式进行描述。

固体二次资源利用中各作业的性质、效率在很大程度上也取决于物料颗粒的形状。

（3）颗粒的比表面积颗粒单位体积（或单位质量）物体的表面积，称为该物体的比表面积或比表面。

比表面积是衡量物质特性的重要参量，其大小与颗粒的粒径、形状、表面缺陷及孔结构密切相关；同时，比表面积大小对物质其他的许多物理及化学性能会产生很大影响，特别是随着颗粒粒径的变小，比表面积成为了衡量物质性能的一项非常重要的参量。

颗粒的比表面积对颗粒表面性质具有较大影响，并影响固体二次资源的分选利用过程。

1.1.1.2磁性磁性是物质最基本的属性之一，自然界中各种物质都具有不同程度的磁性，一般采用比磁化率来衡量物质磁性的强弱。

少数固体二次资源能表现出很强的磁性，而大多数固体二次资源的磁性较弱，固体物料的磁性差别是进行磁力分选的重要依据。

比磁化率X>3.8×105m3/kg的物质，在磁场强度H0达120kA/m（～1500O e）的弱磁选机中可得到回收的，称强磁性物质。

如磁铁矿、磁赤铁矿（γ－赤铁矿）、钛磁铁矿等。

比磁化率X＝7.5×106～1.26×107m3/kg（或CGSM制中X＝6×104～10×106cm3/g）的物质，在磁场强度H0为800～1600kA/m（10000～20000O e）的强磁选机中可以回收的，称为弱磁性物质，如赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿、软锰矿、硬锰矿、钛铁矿、黑云母、绿泥石、蛇纹石、橄榄石和石榴石等。

固体颗粒的磁性受到很多因素的影响，来自不同产地、不同杂质含量、不同晶体结构的固体二次资源颗粒，其磁性往往也不相同，有时甚至差别很大。

所以对于一种具体的固体二次资源颗粒，必须通过实际测定才能确定其磁性的强弱。

1.1.1.3电性物质的电性是指它们的电阻（或电导率）、介电常数、比导电度等。

由于各种固体二次资源物料的组成不同，表现出的电性也有明显差异，即使是属于同一种固体二次资源物料，由于所含杂质不同，其电性质亦有差别。

（1）电阻根据固体颗粒所测出的电阻值，可将颗粒分为导体、非导体和中等导体三种类型。

根据物料的电阻（或电导率）可以判断用电选法对两种物料进行分选的可能性。

二者的电阻差别越大，越容易实现分离。

在通常的电选过程中，导电性好的导体物质，其电阻小于106Ω，可作为导体分出；物质电阻大于107Ω，导电性很差，作为非导体分出；电阻介于106Ω～107Ω之间的半导体物质，一般作为中间物料分出。

（2）介电常数介电常数是介电体的一个重要电性指标，通常用ε表示，表征介电体隔绝电荷之间相互作用的能力。

电介质的介电常数越大，表示它隔绝电荷之间相互作用的能力越强，其自身的导电性也越好。

反之，介电常数越小，电介质自身的导电性就越差。

介电常数的大小与电场强度无关，仅与所使用的交流电的频率和环境温度有关。

介电常数是衡量和判定物质能否采用电选分离的重要判据，介电常数越大，导电性越好，反之导电性差。

一般情况下，介电常数ε≥12时，属于导体，可用常规电选分离；介电常数ε<12时，若两种物质的介电常数仍然有较大差别，则可采用磨擦电选使之分离。

（3）比导电度比导电度也称为相对导电度，它也是表征物料电性质的一个指标。

物料的比导电度越小，其导电性就越好。

国际上习惯以石墨成为导体时所需要的最低电压（2800V）为标准，把其它矿物在电场中成为导体时所需要的电位差与此标准相比较，两者的比值称为矿物的比导电度。

例如，钛铁矿所需的最低电压为7800V，其比导电度为 2.51（=7800/2800）。

显然，两种物料的比导电度相差越大，就越容易在电场中实现分离。

根据物料的比导电度可以确定电选时采用的最低分选电压。

如金红石的比导电度为3.03，使其成为导体的电压必须大于8484V。

1.1.2表面化学性质物质的表面化学性质主要包括表面电性、表面润湿性及表面改性等，它们直接影响固体二次资源物料中各组分间的分散、凝聚及浮选行为。

1.1.2.1表面电性当固体物料在水中分散时，在与水发生作用的同时，也与溶于水中的溶质发生作用，所以当物料与液体接触时，其表面会产生溶解、电离或吸附等现象，使表面带有某种电荷。

而在固-液界面的液层中则带有另一种符号相反的电荷，在固-液界面形成双电层，同时使物料与水溶液界面之间产生电位差。

物料的这种表面电性主要起源于优先溶解、优先吸附和电离作用等。

物料表面电性的符号及其数值的大小，在很大程度上影响固体二次资源中微细颗粒在水中的物理化学特性。

表面电性在固体二次资源分选利用过程中会影响分散和凝聚过程，尤其是浮选过程，在某些情况下对矿物的可浮性往往具有决定性的影响。

1.1.2.2表面润湿性润湿是自然界常见的一种界面现象，这是由于液体从固体表面排挤空气并吸附在固体表面所产生的一种界面作用，其相反的作用则是空气从固体表面排挤液体。

固体二次资源中各矿物可浮性好坏的最直观的标志，就是被水润湿的程度不同，例如石英、云母等很易被水润湿，而石墨、辉钼矿等不易被水润湿。

它主要取决于矿物表面不饱和键力（性质与类型）与偶极水分子相互作用的强弱。

不同物质表面接触角θ大小是不同的，接触角θ可以标志物质表面的润湿性：如果物质表面形成的θ角很小，则称其为亲水性表面；反之，若θ角较大，则称其疏水性表面。

亲水性与疏水性的明确界限是不存在的。

θ角越大说明物质表面疏水性越强，易于采用浮选方法分选；θ角越小，则物质表面亲水性越强，难以采用浮选方法分选。

1.1.2.3表面改性由于固体二次资源中各物质表面性质对固体二次资源的分选利用过程影响较大，通常可采取添加某些特殊表面活性剂，有目的地改变某些物质的表面性质，扩大固体二次资源中不同物质间的表面性质差别，为分选利用过程创造条件。

如添加某些抑制剂、捕收剂等改变矿物表面的疏水和亲水性，达到抑制或捕收矿物的目的。

为了实现固体二次资源中矿物的有效分离，通常也需要对矿物表面的润湿性进行适当的调节，以扩大被分选矿物间润湿性的差异，这样才有利于用浮选分离各种矿物。

调节润湿性的方法可分为物理方法和化学方法两大类。

物理方法有加热及辐射等，目前在浮选实践中主要还是采用化学方法来调节矿物表面的润湿性，即通过捕收剂和调整剂作用于固-液界面，以实现矿物表面润湿性的改变。

1.1.3特殊性质除具有常规的物理性质和表面化学性质外，固体二次资源还常具有一些特殊性质。

1.1.3.1生物化学性质部分含有有机固体的二次资源可以通过微生物的氧化、分解等生物化学过程转化为稳定的腐殖质，实现无害化和资源化。

生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便以及农林固体二次资源等都含有具有生物化学性质的各种基质——碳水化合物、脂类、蛋白质等。

自然界的许多微生物具有氧化、分解有机固体二次资源的能力。

利用微生物的这种能力，处理可降解的有机固体二次资源，达到无害化和资源化，是有机固体二次资源处理利用的一条重要途径。

人工强化的有机固体二次资源的生物降解作用主要通过好氧堆肥和厌氧发酵等过程来实现。

1.1.3.2毒性某些固体二次资源含有多种有毒有害废物，如电镀污泥、砷渣、汞渣等，若不经处理直接堆放，会对环境造成严重危害。

一般可采用固化处理技术对毒性固体二次资源进行无害化处理，主要通过物理、化学等方法，使毒性组分呈现化学惰性或被包容起来，减小此类固体二次资源的毒性和迁移性，同时改善处理对象的工程特性，以便运输、贮存和利用。

1.2物理分选物理分选是指利用处理对象的物理性质不同而进行的分选利用过程。

物理分选包括分选前物料的预处理、分选作业和产品处理。

1.2.1预处理分选前的预处理，主要包括破碎、筛分、分级和粉磨等，以使固体颗粒单体分离或分成适当的级别，更利于下一步工序的进行。

预处理不但可以实现固体二次资源中某些目的物质的分离和集中，同时可以对其中的有效组分进行回收。

1.2.1.1破碎复杂且不均匀、体积大是固体二次资源的特点，减小最大颗粒尺寸对于分选过程极为重要。

破碎是通过人力或机械等外力作用，破坏物体内部的凝聚力和分子间作用力而使固体破裂变碎的过程。

破碎是固体二次资源利用中最常用的预处理方式。

（1）破碎方法破碎方法可分为：干式破碎、湿式破碎、半湿式破碎三类。

其中，湿式破碎与半湿式破碎在破碎的同时兼具分级分选的能力。

1）干式破碎：干式破碎可分为机械破碎和非机械破碎两种。

机械破碎是利用工具对固体物料施力而将其破碎的。

非机械破碎是利用电能、热能等对固体物料进行破碎的新方法，如低温破碎、热力破碎、低压破碎和超声波破碎等。

选择破碎方法时，需根据所处理物料的机械强度，特别是硬度而定。

对坚硬的物料采用挤压和冲击破碎十分有效；对韧性物料采用剪切破碎和冲击破碎或磨碎较好；对脆性物料则应采用劈碎、冲击破碎。

2）湿式破碎：湿式破碎是用湿式破碎机在水中将纸类固体二次资源通过剪切破碎和水力机械搅拌作用而成为浆液的过程。

它是基于回收城市固体二次资源中的大量纸类为目的而发展起来的一种破碎方法。

3）半湿式破碎：半湿式破碎是利用固体二次资源中不同物质强度和脆性的差异，在一定的湿度下破碎成不同粒度的碎块，然后通过筛孔大小不同的筛网加以分离回收的过程。

（2）破碎设备固体二次资源的预处理过程中，必须充分考虑物料所特有的复杂破碎过程，并根据所需破碎能力、固体物料性质（如破碎特性、硬度、密度、形状、水分等）、颗粒大小，以及破碎产品粒径大小、粒度组成、形状要求、供料方式、安装操作等进行破碎设备的选择。