I. Giới thiệu

Polyacrylamide (PAM viết tắt) là một polymer tuyến tính có trọng lượng phân tử cao với tính chất keo tụ, làm đặc và giảm ma sát xuất sắc, và đóng vai trò không thể thay thế trong ngành chế biến khoáng sản. Là một tác nhân hóa học quan trọng trong công nghệ chế biến khoáng sản hiện đại, polyacrylamide, thông qua cấu trúc phân tử độc đáo và các đặc tính hiệu suất của nó, nâng cao đáng kể hiệu quả tách khoáng sản và hiệu quả xử lý nước thải, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí trong quá trình chế biến khoáng sản. Với nguồn tài nguyên khoáng sản ngày càng tinh vi và phức tạp cùng với việc cải thiện liên tục các yêu cầu bảo vệ môi trường, công nghệ nghiên cứu và ứng dụng polyacrylamide cho chế biến khoáng sản cũng đang không ngừng đổi mới, cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho sự phát triển bền vững của ngành chế biến khoáng sản.

Ii. Đặc điểm cơ bản của Polyacrylamide

1.Cấu trúc Hóa học và Phân loại

Polyacrylamide là một hợp chất phân tử cao được hình thành từ phản ứng trùng hợp gốc tự do của các monome acrylamide. Chuỗi phân tử của nó chứa một số lượng lớn các nhóm amide (-CONH₂), và các nhóm hoạt động này có thể giới thiệu các nhóm chức năng với các tính chất khác nhau thông qua thủy phân hoặc sửa đổi hóa học. Theo các đặc tính ion, polyacrylamide được sử dụng trong chế biến khoáng sản chủ yếu được phân loại thành ba loại:

Anionic polyacrylamide (APAM) : Các nhóm axit cacboxylic (-COO⁻) được đưa vào thông qua thủy phân hoặc đồng polymer hóa, mang điện tích âm, và phù hợp để xử lý các hạt khoáng có bề mặt mang điện tích dương.

Polyacrylamide cation (CPAM): Bằng cách sửa đổi và giới thiệu các nhóm cation như muối amoni bậc bốn, nó mang một điện tích dương và chủ yếu được sử dụng để xử lý bột giấy có hàm lượng chất hữu cơ cao.

Polyacrylamide không ion (NPAM): Nó không chứa các nhóm ion trong chuỗi phân tử của nó và hoạt động thông qua các liên kết hydro và lực van der Waals, với một phạm vi pH rộng để thích ứng.

2. Tính chất vật lý và hóa học

Polyacrylamide cho chế biến khoáng sản thường ở dạng hạt trắng hoặc bột, với mật độ khoảng 1.3g/cm³, và nó có khả năng hòa tan trong nước và độ ổn định hóa học tuyệt vời. Phạm vi trọng lượng phân tử của nó rất rộng (từ vài triệu đến hàng chục triệu Dalton), và nó có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu của các quy trình chế biến khoáng sản khác nhau. Dung dịch polyacrylamide có độ nhớt đàn hồi đáng kể, và độ nhớt của nó tăng mạnh khi nồng độ và trọng lượng phân tử tăng. Trong các ứng dụng chế biến khoáng sản, độ hòa tan và độ ổn định dung dịch của polyacrylamide là các chỉ số hiệu suất chính. Thông thường, cần kiểm soát thời gian hòa tan và nhiệt độ (nhiệt độ hòa tan chung không nên vượt quá 60℃) để đạt được hiệu ứng ứng dụng tốt nhất.

Iii. Ứng dụng chính của Polyacrylamide trong chế biến khoáng sản

1. Tập hợp và lắng đọng hạt khoáng

Trong quy trình công nghệ chế biến khoáng sản, polyacrylamide được sử dụng rộng rãi như một chất keo tụ hiệu quả trong các quá trình tập trung, lắng và lọc. Cơ chế hoạt động của nó chủ yếu bao gồm:

Kết tụ cầu nối: Các polymer chuỗi dài đồng thời hấp phụ nhiều hạt khoáng qua nhiều vị trí hoạt động, hình thành cấu trúc cầu nối "hạt-polymer-hạt".

Trung hòa điện tích: Các phân tử polyacrylamide mang điện có thể trung hòa các điện tích bề mặt của các hạt khoáng, giảm lực đẩy giữa các hạt và thúc đẩy sự kết tụ.

Hiệu ứng bắt giữ net: Các chuỗi polymer tạo thành cấu trúc mạng ba chiều, cơ học bắt giữ các hạt mịn.

Trong việc tách các quặng kim loại như quặng sắt, quặng đồng và bauxite, polyacrylamide anion có thể làm tăng đáng kể tốc độ lắng của tinh quặng, từ đó nâng cao khả năng xử lý của thiết bị lắng lên 30-50%. Chẳng hạn, sau khi một mỏ sắt lớn áp dụng APAM tùy chỉnh có trọng lượng phân tử cao, nồng độ của dòng chảy dưới trong quá trình lắng đã tăng từ 55% lên 68%, trong khi độ đục của dòng chảy trên đã giảm xuống dưới 50NTU.

2.Xử lý bùn thải và làm khô

Các nhà máy chế biến khoáng sản hiện đại đang phải đối mặt với áp lực nghiêm trọng trong việc xử lý bùn thải. Polyacrylamide đóng vai trò quan trọng trong công nghệ tập trung bùn thải và xếp chồng khô:

Nồng độ bùn thải: Bằng cách tối ưu hóa loại và liều lượng polyacrylamide, hàm lượng rắn của bùn thải có thể được tăng từ 20-30% lên 45-55%, giảm đáng kể khả năng chứa nước của hồ bùn thải.

Lọc áp suất tách nước: Khi được sử dụng kết hợp với polyacrylamide cation, nó có thể giảm độ ẩm của bánh lọc tinh quặng từ 2 đến 5 điểm phần trăm, tạo điều kiện cho việc xếp chồng khô tinh quặng.

Chuẩn bị bột: Việc chuẩn bị bột bùn tailings có nồng độ cao dựa vào polyacrylamide với cấu trúc cụ thể để đạt được sự cân bằng giữa sự loãng do cắt và sự đặc lại tĩnh.

3.Điều chỉnh độ nhớt của bột giấy

Trong quá trình tách khoáng phức tạp, polyacrylamide có thể được sử dụng như một chất điều chỉnh độ nhớt để cải thiện các tính chất lưu biến của bột:

Giảm sức cản hỗn loạn: Một lượng nhỏ polyacrylamide (50-100 PPM) có thể giảm sức cản vận chuyển trong ống xuống 30-70% bằng cách ức chế sự hình thành của các xoáy hỗn loạn.

Kiểm soát sự can thiệp của bùn mịn: Các chất keo tụ chọn lọc có thể keo tụ ưu tiên bùn mịn gangue, giảm hiệu ứng "bao phủ" của nó lên khoáng sản hữu ích và cải thiện hiệu quả tách biệt.

Kiểm soát độ ổn định bọt: Trong quá trình nổi, PAM với trọng lượng phân tử cụ thể có thể điều chỉnh độ ổn định của lớp bọt, tối ưu hóa độ tinh khiết và tỷ lệ thu hồi của tinh quặng.

Iv. Lựa chọn và Tối ưu hóa Quy trình của Polyacrylamide

1. Nguyên tắc lựa chọn

Đối với các hệ thống khoáng sản khác nhau và các liên kết quy trình, việc lựa chọn polyacrylamide cần xem xét nhiều yếu tố:

Các điểm chính để chọn các yếu tố cần xem xét

Đối với các thuộc tính điện bề mặt khoáng, loại anion được chọn cho bề mặt mang điện tích dương, loại cation cho bề mặt mang điện tích âm, và loại không ion gần điểm điện tĩnh.

Loại bột giấy cation có giá trị pH hoạt động tốt hơn trong điều kiện axit, trong khi loại anion ổn định hơn trong điều kiện kiềm.

Sự phân bố kích thước hạt: Kích thước hạt mịn thường yêu cầu trọng lượng phân tử cao hơn, trong khi kích thước hạt thô có thể chọn trọng lượng phân tử trung bình.

Đối với nước có hàm lượng muối hòa tan cao và độ mặn cao, nên chọn các sản phẩm đã được sửa đổi chống muối hoặc kỵ nước.

Đối với môi trường nhiệt độ cao, nên chọn các sản phẩm đã được liên kết chéo hoặc sửa đổi chịu nhiệt có độ ổn định nhiệt tốt.

2. Sử dụng tối ưu hóa tham số

Trong các ứng dụng thực tiễn, các tham số quy trình tối ưu cần được xác định thông qua các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và gỡ lỗi công nghiệp.

Nồng độ chuẩn bị: Thường là 0.1-0.5%. Nếu quá cao, nó sẽ dẫn đến sự hòa tan không hoàn chỉnh; nếu quá thấp, nó sẽ làm tăng thể tích của thuốc thử được thêm vào.

Lựa chọn điểm định lượng: Nó nên được thêm vào khu vực hỗn loạn để đảm bảo trộn đều, nhưng tránh cắt xé quá mức có thể làm hỏng cấu trúc phân tử.

Kiểm soát liều lượng: Nói chung, nó nên nằm trong khoảng từ 5 đến 200g/t quặng khô. Liều lượng quá mức có thể dẫn đến "bảo vệ keo" và thay vào đó ức chế sự kết tụ.

Mixing intensity: Cần có sự khuấy trộn mạnh trong giai đoạn đầu (gradient vận tốc G>300s⁻¹), và cường độ khuấy trộn nên được giảm trong giai đoạn sau (G<50s⁻¹).

3.Công nghệ tổng hợp

Để nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí, một chiến lược sử dụng phối hợp thường được áp dụng:

Khi được sử dụng kết hợp với các chất keo tụ vô cơ: Đầu tiên, thêm muối nhôm/muối sắt để trung hòa điện tích, sau đó thêm PAM để tạo cầu keo tụ, điều này có thể giảm liều lượng của các chất keo tụ hữu cơ xuống 30-40%.

Cationic và anion compounding: Việc kết hợp PAM cationic và anion theo tỷ lệ cụ thể có thể tạo thành một cấu trúc mạng, đặc biệt phù hợp cho các hệ thống hạt mịn dính.

Kết hợp với các chất hoạt động bề mặt: Trong việc xử lý bùn thải nổi, việc bổ sung các chất hoạt động bề mặt không ion có thể cải thiện hiệu suất hấp phụ khuếch tán của PAM.

V. Tiến bộ công nghệ và xu hướng phát triển

1.Phát triển polyacrylamide mới

Loại chịu nhiệt độ cao và muối: Bằng cách giới thiệu các nhóm chịu nhiệt độ cao như nhóm axit sulfonic và nhóm hydroxypropyl, các sản phẩm phù hợp cho bột giấy nhiệt độ cao và muối cao được phát triển.

Loại phản ứng môi trường: nhạy cảm với pH, nhạy cảm với nhiệt độ, nhạy cảm REDOX và các PAM thông minh khác, đạt được sự đông tụ và đông tụ có thể kiểm soát.

Loại chức năng hợp chất: Một tác nhân tích hợp với nhiều chức năng như keo tụ, ức chế và tạo bọt, đơn giản hóa quy trình chế biến khoáng sản.

Loại phân hủy sinh học: Phát triển các chất keo tụ thân thiện với môi trường được sửa đổi dựa trên các polyme tự nhiên để giảm tải trọng môi trường.

2.Áp dụng đổi mới công nghệ

Công nghệ keo tụ vi mô: Sử dụng bọt vi mô và giọt dầu vi mô làm "Cầu" để tăng cường hiệu ứng keo tụ chọn lọc của PAM.

Công nghệ keo tụ từ tính: Kết hợp các hạt nano từ tính và PAM để đạt được sự lắng đọng nhanh chóng và thu hồi từ tính.

Công nghệ hỗ trợ siêu âm: Bằng cách điều chỉnh hình dạng và trạng thái phân tán của các phân tử PAM thông qua siêu âm, hiệu quả sử dụng được cải thiện.

Tối ưu hóa bản sao kỹ thuật số: Dựa trên dữ liệu lớn và thuật toán AI, một hệ thống bản sao kỹ thuật số cho việc định lượng PAM được thiết lập để đạt được kiểm soát tối ưu theo thời gian thực.

3.Phát triển xanh và bền vững

Với các quy định bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm ngặt, việc xanh hóa polyacrylamide được sử dụng trong chế biến khoáng sản đã trở thành một hướng phát triển quan trọng:

Làm sạch nguyên liệu: Sử dụng monome acrylamide sinh học để giảm sự phụ thuộc vào nguyên liệu thô dựa trên dầu mỏ.

Quy trình carbon thấp: Phát triển các quy trình sản xuất xanh như tổng hợp nhiệt độ thấp và sấy tiêu thụ năng lượng thấp.

Sự vô hại của sản phẩm: Kiểm soát nghiêm ngặt nội dung của các monomer dư (≤0.05%), và phát triển một hệ thống xúc tác không độc hại và không chứa kim loại nặng.

Mô hình kinh tế tuần hoàn: Nghiên cứu về công nghệ tái chế và tái sinh của PAM và khám phá các phương án sử dụng tái chế khép kín.

Vi. Kết luận

Polyacrylamide, như một tác nhân hóa học chính trong ngành chế biến khoáng sản hiện đại, trình độ công nghệ ứng dụng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả chế biến khoáng sản, tỷ lệ sử dụng tài nguyên và hiệu suất môi trường. Với sự gia tăng độ phức tạp của các đối tượng chế biến khoáng sản và nhu cầu ngày càng tăng về "không xả thải" nước thải chế biến khoáng sản, các sản phẩm polyacrylamide đang phát triển nhanh chóng theo hướng chuyên môn hóa, hiệu quả cao và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu và phát triển trong tương lai của polyacrylamide cho chế biến khoáng sản nên tập trung vào ba hướng: Thứ nhất, phát triển các hệ thống keo tụ chuyên dụng cho các khoáng sản mới nổi như lithium, đất hiếm và kim loại chiến lược; Thứ hai là làm sâu sắc nghiên cứu cơ bản về ứng dụng của các polymer phản ứng thông minh trong chế biến khoáng sản; Thứ ba là thiết lập một hệ thống đánh giá thân thiện với môi trường bao trùm toàn bộ vòng đời. Thông qua đổi mới hợp tác giữa ngành công nghiệp, học viện và nghiên cứu, giá trị ứng dụng của polyacrylamide trong lĩnh vực chế biến khoáng sản được nâng cao liên tục, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho sự phát triển hiệu quả và bền vững của tài nguyên khoáng sản.