多粒度超细赤铁矿协同絮凝机制与动态调控：实验表征与动力学建模

针对超细赤铁矿(-30 μm)因粒度异质性导致的絮凝沉降难题，研究人员通过多尺度实验和建模揭示了粗(-30+20 μm)、中(-20+10 μm)、细(-10 μm)颗粒的协同机制：粗颗粒构建抗剪切骨架，细颗粒填充孔隙，中颗粒通过APAM桥联增强网络致密性。建立的MGFM模型(R2=0.7328)为矿物高效脱水与资源回收提供新策略。

　　

随着辽宁地区赤铁矿长期开采，矿石粒度逐渐细化，导致-30 μm超细颗粒在浓缩池溢流中占比超90%，难以有效絮凝沉降。这些颗粒进入循环水系统后，不仅干扰上游选矿作业和浮选矿浆化学性质，还造成资源浪费并增加尾矿坝安全风险。传统研究将赤铁矿视为均质体系，忽视了不同粒度组分（如-10 μm与-30+20 μm）在吸附异质性和结构贡献上的差异，导致工业固液分离效率低下。

为解决这一难题，鞍钢集团与中国高校合作团队通过系统实验和理论建模，揭示了多粒度赤铁矿的协同絮凝机制。研究发现粗颗粒(-30+20 μm)通过氢键和范德华力构建抗剪切骨架；细颗粒(-10 μm)通过物理吸附和Fe-OOC化学键填充孔隙；中颗粒(-20+10 μm)则通过阴离子聚丙烯酰胺(APAM)动态桥联异质颗粒。Zeta电位和吸附分析表明，吸附密度梯度与表面电荷调控协同促进絮体生长。FTIR和XPS证实不同粒度组分存在差异化键合作用，扩展DLVO理论则揭示异质颗粒间增强的范德华吸引力有助于形成致密稳定絮体。最终构建的多粒度絮凝模型(MGFM, R²=0.7328)定量阐明了过量细颗粒的抑制作用和中颗粒的动态桥联功能，为工业脱水工艺优化提供理论指导。

关键技术方法包括：1) 从鞍钢浓缩池溢流中采集赤铁矿样本，分级为全粒度(-30 μm)及粗(-30+20 μm)、中(-20+10 μm)、细(-10 μm)三个子级；2) 通过沉降实验和浊度分析评估絮凝性能；3) 采用SEM、FTIR、XPS表征絮体结构与表面化学；4) 基于EDLVO理论计算颗粒间相互作用能；5) 结合鞍钢选矿厂工业数据验证模型有效性。

Properties of Mineral Samples
样本取自鞍钢集团浓缩池溢流，经摇床提纯后分级为不同粒度组分。化学分析显示主要成分为Fe₂O₃（含量>92%），粒度分布通过激光衍射法测定。

Analysis of comprehensive performance of flocculation-settlement
多因素归一化算法表明，APAM分子参数与矿浆性质对不同粒度赤铁矿的归一化沉降指数N_i(X_i)具有非线性影响。粗、中、细颗粒的最佳APAM分子量(AWM)分别为12、8和4 MDa，显示AWM与粒度负相关。

Conclusion
研究揭示了赤铁矿多粒度协同絮凝的"粗粒骨架构建-细粒孔隙填充-中粒网络衔接"机制。MGFM模型定量表明：细颗粒超过35%会显著抑制沉降，而中颗粒占比20-25%时桥联效率最佳。该成果为赤铁矿高效脱水与水资源回收提供了粒度分级调控新策略，在鞍钢工业实践中实现沉降速率提升27%和循环水浊度降低41%的显著效益。

CRediT authorship contribution statement
张康(Zhangke Kang)负责论文撰写，沈岩柏(Yanbai Shen)参与修改，崔宝玉(Baoyu Cui)负责基金支持，赵强(Qiang Zhao)完成形式分析，吕海一(Haiyi Lv)负责可视化，吴美丽(Meili Wu)进行数据整理，孟令国(Lingguo Meng)提供资源支持。

该研究通过国家自然科学基金(51974066, 52204265, 52174244)和中央高校基本科研业务费(N2201004)资助，相关成果发表于《Water Research》，为矿物加工领域的粒度异质性调控提供了创新性解决方案。