I. はじめに

ポリアクリルアミド（略してPAM）は、優れたフロック形成、増粘、抗引力特性を持つ線状高分子ポリマーであり、鉱物処理産業において欠かせない役割を果たしています。現代の鉱物処理技術における重要な化学剤として、ポリアクリルアミドは、その独自の分子構造と性能特性を通じて、鉱物分離の効率と廃水処理の効果を大幅に向上させるとともに、鉱物処理中のエネルギー消費とコストを削減します。ますます精緻化し複雑化する鉱物資源と環境保護要件の継続的な向上に伴い、鉱物処理のためのポリアクリルアミドの研究と応用技術も常に革新を続けており、鉱物処理産業の持続可能な発展に強力な支援を提供しています。

Ii. ポリアクリルアミドの基本特性

1. 化学構造と分類

ポリアクリルアミドは、アクリルアミドモノマーのフリーラジカル重合反応によって形成される高分子化合物です。その分子鎖には多数のアミド基（-CONH₂）が含まれており、これらの活性基は加水分解や化学修飾を通じて異なる特性の官能基を導入することができます。イオン特性に応じて、鉱物処理に使用されるポリアクリルアミドは主に三つのカテゴリに分類されます：

アニオン性ポリアクリルアミド (APAM) : カルボン酸基 (-COO⁻) は加水分解または共重合を通じて導入され、負の電荷を持ち、正の電荷を持つ表面を持つ鉱物粒子の処理に適しています。

カチオン性ポリアクリルアミド (CPAM) : 四級アンモニウム塩などのカチオン性基を修飾・導入することにより、正の電荷を持ち、主に有機物含量の高いパルプの処理に使用されます。

ノニオン性ポリアクリルアミド (NPAM) : 分子鎖にイオン性基を含まず、水素結合とファンデルワールス力を介して機能し、広いpH範囲に適応します。

2.物理的および化学的性質

鉱鉱処理用ポリアクリルアミドは通常、白い顆粒または粉末の形で存在し、密度は約1.3g/cm³です。また、優れた水溶性と化学的安定性を持っています。その分子量範囲は広く（数百万から数千万ダルトンまで）、異なる鉱鉱処理プロセスの要求に応じてカスタマイズ可能です。ポリアクリルアミド溶液は顕著な粘弾性を持ち、濃度と分子量の増加に伴い粘度が急激に増加します。鉱鉱処理の応用において、ポリアクリルアミドの溶解性と溶液の安定性は重要な性能指標です。一般的に、最適な応用効果を得るためには、溶解時間と温度（一般的な溶解温度は60℃を超えないようにするべきです）を制御する必要があります。

Iii. ポリアクリルアミドの鉱物処理における主な用途

1.鉱物粒子のフロック形成と沈降

鉱物処理技術のフローにおいて、ポリアクリルアミドは濃縮、沈降およびろ過プロセスにおいて効率的なフロック剤として広く使用されています。その作用機序は主に以下を含みます：

架橋フロック化: 長鎖ポリマーは、複数の活性部位を介して同時に複数の鉱物粒子を吸着し、「粒子-ポリマー-粒子」の架橋構造を形成します。

チャージ中和: 帯電したポリアクリルアミド分子は鉱物粒子の表面電荷を中和し、粒子間の反発力を減少させ、凝集を促進します。

ネットキャプチャ効果：ポリマー鎖が三次元ネットワーク構造を形成し、微細粒子を機械的に捕捉します。

金属鉱石（鉄鉱石、銅鉱石、ボーキサイトなど）の分離において、陰イオンポリアクリルアミドは濃縮物の沈降速度を大幅に向上させ、これにより濃縮機の処理能力を30-50%向上させることができます。例えば、大規模な鉄鉱山がカスタマイズされた高分子量APAMを採用した後、濃縮中のアンダーフローの濃度は55%から68%に増加し、オーバーフローの濁度は50NTU未満に減少しました。

2. 鉱滓処理と脱水

現代の鉱物処理プラントは、鉱さい処理において厳しい圧力に直面しています。ポリアクリルアミドは、鉱さい濃縮および乾燥スタッキング技術において重要な役割を果たします：

テールings濃度: ポリアクリルアミドの種類と投与量を最適化することにより、テールingsスラリーの固形分含量を20-30%から45-55%に増加させ、テールings池の水貯蔵能力を大幅に減少させることができます。

圧力濾過脱水：陽イオンポリアクリルアミドと組み合わせて使用すると、テーリングフィルターケーキの水分含量を2〜5パーセントポイント減少させ、テーリングの乾燥スタッキングの条件を作り出します。

ペーストの準備：高濃度の鉱滓ペーストの準備は、せん断薄化と静的濃縮のバランスを達成するために特定の構造を持つポリアクリルアミドに依存しています。

3.パルプの粘度の調整

複雑な鉱物分離の過程において、ポリアクリルアミドは、スラリーの流動特性を改善するための粘度調整剤として使用できます：

乱流抵抗の低減：微量のポリアクリルアミド（50-100 PPM）は、乱流渦の形成を抑制することにより、パイプライン輸送抵抗を30-70%削減できます。

微細スラッジ干渉の抑制：選択的フロック剤は、鉱石の微細スラッジを優先的にフロックし、有用鉱物に対する「覆い」効果を減少させ、分離効率を向上させます。

泡の安定性制御: 浮選プロセスにおいて、特定の分子量を持つPAMは泡層の安定性を調整し、濃縮物のグレードと回収率を最適化することができます。

Iv. ポリアクリルアミドの選択とプロセス最適化

1. 選択の原則

異なる鉱物システムとプロセスリンクに対して、ポリアクリルアミドの選択は複数の要因を考慮する必要があります：

要因選定のための重要なポイント

鉱物表面の電気的特性について、陽に帯電した表面にはアニオン型が選択され、陰に帯電した表面にはカチオン型が選択され、等電点付近にはノニオン型が選択されます。

陽イオン型パルプのpH値は酸性条件下でより効果的に機能し、陰イオン型はアルカリ性条件下でより安定しています。

粒子サイズ分布：細かい粒子サイズは通常、より高い分子量を必要とし、粗い粒子サイズは中程度の分子量を選択できます。

高い溶解塩分含量と高い塩分濃度の水には、耐塩性または疎水性改良製品を選択する必要があります。

高温環境では、良好な熱安定性を持つ架橋または耐熱改良製品を選択する必要があります。

2. パラメータ最適化を使用する

実際のアプリケーションでは、最適なプロセスパラメータは、実験室テストと産業デバッグを通じて決定する必要があります。

準備濃度: 通常0.1-0.5%。濃度が高すぎると不完全な溶解を引き起こし、低すぎると添加する試薬の量が増加します。

投与ポイントの選択: 徹底的な混合を確保するために乱流領域に追加する必要がありますが、分子構造を損なう可能性のある過度のせん断は避けてください。

投与制御: 一般的に、乾燥鉱石の5〜200g/tの範囲であるべきです。過剰な投与は「コロイド保護」を引き起こし、フロック形成を抑制する可能性があります。

混合強度：初期段階では強い混合が必要です（速度勾配 G>300s⁻¹）、後期段階では攪拌強度を減少させるべきです（G<50s⁻¹）。

3.複合技術

処理効果を高め、コストを削減するために、複合使用戦略がしばしば採用されます：

無機フロック剤と組み合わせて使用する場合：まず、電荷中和のためにアルミニウム塩/鉄塩を加え、その後、架橋フロック形成のためにPAMを加えます。これにより、有機フロック剤の使用量を30-40%削減できます。

カチオンおよびアニオンの複合化：特定の比率でカチオンおよびアニオンPAMを複合化することで、ネットワーク構造を形成することができ、特に粘着性の微細粒子システムに適しています。

界面活性剤との組み合わせ：フローテーションテーリングの処理において、非イオン性界面活性剤の添加はPAMの拡散吸着性能を向上させることができます。

V. 技術の進歩と発展のトレンド

1. 新しいポリアクリルアミドの開発

高温および耐塩タイプ: スルホン酸基やヒドロキシプロピル基などの高温耐性基を導入することにより、高温および高塩パルプに適した製品が開発されます。

環境応答タイプ: pH感受性、温度感受性、REDOX感受性およびその他のインテリジェントPAM、制御可能な凝集および凝集を実現。

複合機能型: 凝集、抑制、発泡などの複数の機能を持つ統合エージェントで、鉱物処理プロセスを簡素化します。

生分解性タイプ：環境負荷を軽減するために、天然ポリマーに基づいて修正された環境に優しいフロック剤を開発します。

2.技術革新を適用する

マイクロインターフェースフロック技術：マイクロバブルとマイクロオイルドロップを「橋」として利用し、PAMの選択的フロック効果を強化します。

磁気フロック技術：磁気ナノ粒子とPAMを組み合わせて、迅速な沈降と磁気回収を実現します。

超音波支援技術：超音波を通じてPAM分子の構造と分散状態を調整することにより、利用効率が向上します。

デジタルツイン最適化：ビッグデータとAIアルゴリズムに基づき、PAM投与のためのデジタルツインシステムが構築され、リアルタイム最適化制御を実現します。

3. 環境に優しく持続可能な開発

環境保護規制がますます厳しくなる中、鉱物処理に使用されるポリアクリルアミドのグリーン化は重要な発展方向となっています：

原材料の清掃：バイオベースのアクリルアミドモノマーを使用して、石油ベースの原材料への依存を減らします。

低炭素プロセス：低温合成や低エネルギー消費乾燥などのグリーン生産プロセスを開発する。

製品の無害性：残留モノマーの含有量を厳密に管理（≤0.05%）、低毒性かつ重金属フリーの触媒システムを開発。

循環型経済モデル：PAMのリサイクルおよび再生技術に関する研究と、クローズドループリサイクル利用スキームの探求。

Vi. 結論

ポリアクリルアミドは、現代鉱鉱処理産業における重要な化学剤として、その応用技術レベルが鉱鉱処理効率、資源利用率、環境性能に直接影響を与えます。鉱鉱処理対象の複雑さが増し、「ゼロ排出」の鉱鉱処理廃水に対する需要が高まる中、ポリアクリルアミド製品は専門化、高効率、環境配慮の方向に急速に発展しています。鉱鉱処理用ポリアクリルアミドの今後の研究開発は、三つの方向に焦点を当てるべきです。第一に、リチウム、希土類、戦略金属などの新興鉱物に特化した凝集系の開発；第二に、鉱鉱処理における知能応答性ポリマーの応用に関する基礎研究の深化；第三に、全ライフサイクルをカバーする環境に優しい評価システムの確立です。産業、学界、研究機関の協力による革新を通じて、鉱鉱処理分野におけるポリアクリルアミドの応用価値は継続的に向上し、鉱物資源の効率的かつ持続可能な開発に技術的支援を提供します。