通过简单的热处理和微波辅助活化方法，使用聚丙烯酰胺接枝生物絮凝剂来提高磷酸盐尾矿的密度

《Separation and Purification Technology》：Enhancing phosphate tailing densification using polyacrylamide grafted bioflocculants through simple, thermal, and microwave-assisted activation

　　

M. Ettoumi | I. Ait Rholofou | M. Jouini | Y. Taha | A. Khalil | M. Benzaazoua

矿业研究中心，北边境大学，邮政信箱1321，阿拉拉91431，沙特阿拉伯

摘要

磷酸盐选矿过程消耗大量水资源，这在干旱的矿业地区构成了严重挑战。传统的化学絮凝剂虽然能够有效提高固液分离效率，但会带来环境问题；而生物絮凝剂（BFs）则提供了一种更可持续的替代方案，尽管其在磷酸盐尾矿中的应用仍有限。本研究通过三种不同的方法（简单配方、热激活和微波辅助制备）将生物絮凝剂与聚丙烯酰胺（PA）结合，开发出了混合絮凝剂。评估了这些絮凝剂在水资源回收、初始沉降速率（ISR）、浊度降低以及药剂消耗方面的性能。在BF/PA比例为75:25的情况下，该混合絮凝剂系统的资源回收率达到了81.5±0.4%，初始沉降速率为21.6±0.7 cm/min^?1，最终浊度为5.6 NTU，且药剂消耗量降至100 g tds^?1干污泥（而单独使用生物絮凝剂时为200 g tds^?1）。热激活后的配方（BF–PA(T)在25°C条件下表现更好，资源回收率为82.9±0.4%，初始沉降速率为0.44±0.03 cm/min^?1，浊度最低（4.0 NTU）。微波辅助制备的配方（BF–PA(M)的资源回收率和初始沉降速率与之相当，最终浊度为5.8 NTU）。各系统的资源回收率相当，但体积沉淀速率和浊度有显著提高。处理后的水质符合摩洛哥的排放标准，表明该絮凝剂具有有效的净化效果。总体而言，混合絮凝剂显示出潜力，但还需进一步研究其技术经济可行性、环境影响及可扩展性。

引言

矿业仍是现代经济的支柱，为基础设施、农业和先进技术提供必要的原材料。其中，磷酸盐尤为重要，主要从沉积型磷灰石矿床中提取。作为植物生长不可或缺的不可替代营养素——磷的主要来源，磷酸盐在农业肥料中占据核心地位，对全球粮食生产至关重要[1]。除了农业领域，磷酸盐化合物还广泛应用于食品工业以及各种家庭和工业用途中。

尽管磷酸盐产业具有重大的经济和战略意义，但它面临着严重的环境挑战。从采矿、选矿到化学处理以获得高品位磷酸盐精矿的整个产业链过程中，会产生大量以尾矿或污泥形式存在的悬浮固体[2]。这些污泥通常储存在庞大的尾矿池中，占用大量土地，并带来重大的环境和生态风险[3]。由于含有大量细颗粒、残留药剂和水分，这些污泥可能导致地表水和地下水污染、池体不稳以及管理和处置困难[4]。因此，开发可持续的磷酸盐污泥处理和再利用策略变得迫在眉睫，以减少磷酸盐产业对环境的影响。

磷酸盐选矿过程中的另一个关键问题是高用水需求。例如，在突尼斯，每生产一吨磷酸盐大约需要消耗1.5立方米的水，主要集中在选矿阶段[5] [6]。这一问题在干旱地区尤为严峻，比如摩洛哥——该国不仅是全球主要的磷酸盐生产国，自2011年以来其储量与产量的比例（R/P）也是最高的[7]。随着产量的增加，摩洛哥必须优化水资源利用，平衡工业增长与稀缺水资源的有效回收。解决这一挑战需要减少传统用水量，并通过有效的固液分离技术最大限度地回收磷酸盐尾矿/污泥中的水资源。在各种污泥脱水方法（物理法如蒸发、冷冻，化学法如絮凝，机械法如真空或带式压滤）中，絮凝法被证明是最经济高效的方法[5]。通过将细颗粒聚集成较大絮体，絮凝法可以加速沉降并提高分离效率，从而成为促进磷酸盐行业循环经济的关键手段[8] [9]。

选择有效的絮凝剂至关重要，其性能受聚集效率、成本、稳定性、生物降解性、对下游过程的影响以及环境安全性等因素影响[10]。合成聚合物絮凝剂（如聚丙烯酰胺（PA）衍生物）因其高效性、快速沉降能力和产生的污泥量少而得到广泛应用[11] [12]。这些聚合物有阳离子型、阴离子型、两性型和非离子型，具有优异的溶解性和操作便利性[8] [10] [13]。然而，合成絮凝剂也存在明显缺点：通常缺乏生物降解性，其降解产物（如丙烯酰胺和甲醛）可能具有毒性和致癌风险[14]。此外，对进口聚合物的依赖使磷酸盐产业容易受到市场波动和供应不确定性的影响。这些局限性凸显了需要开发兼具性能和环境安全性的可持续替代品。

为了应对日益增长的环保水处理需求，基于天然生物聚合物的絮凝剂（如多糖）引起了广泛关注。这些材料具有生物降解性、可再生性、无毒性和本地可获取性，非常适合用于可持续废水处理[10] [15] [16]。尽管具有环境优势，但由于提取和纯化过程的成本较高以及用量较大（相对于传统合成聚合物），生物絮凝剂在矿业中的大规模应用仍受到限制[12] [16] [17] [18] [19]。此外，天然絮凝剂通常储存稳定性较差、黏度较低，且需用的剂量较高[12] [16] [17]。为克服这些限制，接枝共聚化技术（一种将合成聚合物与天然聚合物共价结合的方法）应运而生[12]。通过将合成聚合物链接枝到生物聚合物骨架上，这些接枝絮凝剂的絮凝性能和生物降解性得到提升[18]。这类絮凝剂具有较高的分子量、强的絮凝效率和剪切稳定性，非常适合工业应用[19] [20]。

接枝聚合通常涉及通过化学、辐射或微波诱导的方法在多糖骨架上生成活性位点[21]。其中，温度和微波辐照方法具有明显优势，如高重复性、对合成条件的精确控制以及较低的环境影响。微波处理能在不破坏多糖结构的前提下在其链上生成自由基，是一种高效且可持续的混合絮凝剂制备技术[22]。

多项研究表明，接枝多糖作为高效絮凝剂在各种工业和市政废水处理中表现出色。例如，聚丙烯酰胺接枝的天然聚合物衍生物（如Plantago psyllium）在处理含有难处理物质的废水中（包括制革和纺织废水）显示出卓越的去除效率（>89%）[23] [24]。微波辅助接枝方法特别有效，可在较低最佳剂量下显著降低浊度和悬浮固体含量，同时降低化学需氧量和总溶解固体[25]。一项关于Bacillus pumilus生产的生物絮凝剂的研究表明，通过微波辐照接枝聚丙烯酰胺后可得到性能优越的改性絮凝剂（TMT-1-g-PA 2）[26]。这种接枝共聚物具有非细胞毒性，保质期长，絮凝效率超过其原始形式和传统化学絮凝剂（如FeCl?）。其在去除生活污水中的化学需氧量、氮和磷方面的高效性，突显了此类接枝策略在废水处理中的潜力[26]。这些接枝絮凝剂在多种应用中的成功应用表明了它们作为传统化学絮凝剂替代品的可行性和高效性。

本研究基于先前的研究，该研究提取了亚麻籽衍生的生物絮凝剂并将其应用于提高磷酸盐尾矿的水资源回收率[17]。在浓度为1 g/L的情况下，该生物絮凝剂实现了高达84%的资源回收率和超过90%的浊度降低。此外，处理后的水盐度也低于化学絮凝剂处理的水[17]，证实了亚麻籽衍生生物絮凝剂作为可持续处理剂的潜力。然而，与传统PA絮凝剂相比，这种生物絮凝剂的用量较大（200 g tds^?1，而传统PA絮凝剂为60 g tds^?1

为解决这一问题，本研究首次引入了一种结合了聚丙烯酰胺和冻干亚麻籽黏液的接枝混合絮凝剂（BF–PA），用于磷酸盐污泥的固液分离。这种创新配方旨在提高资源回收率、降低浊度和絮凝剂用量，同时减少对进口化学絮凝剂的依赖。亚麻籽黏液是一种高分子量的多糖，具有很强的吸水能力，为接枝合成聚合物提供了可再生且可生物降解的基础。通过简单配方、温度诱导和微波诱导三种方法的比较分析，本研究旨在验证这些接枝絮凝剂在磷酸盐尾矿处理中的可行性和效率。这一方法符合联合国可持续发展目标，有助于应对水资源管理中的关键挑战，并推动磷酸盐行业的环保实践。

节选内容

材料与方法

本研究的方法包括三个主要步骤（图1）。第一步是准备具有代表性的均匀磷酸盐尾矿样品并分析其物理、化学和矿物学特性。第二步是在受控条件下使用简单、热处理和微波辅助三种方法合成混合絮凝剂。第三步是评估所制备的基于生物的聚合物的性能

磷酸盐尾矿的特性分析

分析了FPS的粒径分布，以评估其对絮凝和固液分离的物理特性。FPS样品的D₁₀为4.0 μm，D₅₀为31.1 μm，D₉₀为98.1 μm，表明其中主要是细小和粉砂颗粒。均匀度系数（Cu = D₆₀/D₁₀）为11.71，曲率系数（Cc = D₃₀²/(D₆₀*D₁₀）为1.56，表明其粒径分布适合絮凝过程（图5）

结论

本研究开发了亚麻籽衍生的生物絮凝剂及其与聚丙烯酰胺的接枝配方，用于磷酸盐尾矿的固液分离。结果表明，接枝絮凝剂的絮凝性能优于纯生物絮凝剂，资源回收率提高了82.1–83.1%，浊度降低了（从12.2 NTU降至4 NTU），沉降动力学也有改善，同时显著减少了所需药剂用量（降至100 g tds^?1）。初始沉降速率（ISR）为0.31–0.44 cm/min^?1

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。