引言

尾矿是在特定选矿工艺条件下，将矿石经过破碎、磨细后，选取有用矿物，随后排放的在当前技术水平下暂无开发利用价值的废弃物，是被放错位置的矿产资源。目前我国尾矿排放量巨大，每年产生约16亿t，截至2015年，我国尾矿堆存量达146亿t，其中83%为选铁、选铜和选金产生的尾矿，尾矿综合利用率仅为18.9%^[1]。国外对尾矿的综合利用率已达60%，一些发达国家对尾矿在内的各种废弃物利用率可达80%以上^[2]。相比之下我国的尾矿综合利用潜力巨大。国家“十三五”规划明确指出要加强矿产资源节约和管理，大力推进绿色矿山建设，大力发展循环经济，做好工业固废等大宗废弃物的资源化利用，并制定了矿产资源节约与综合利用专项资金，鼓励尾矿资源综合利用。

大量的尾矿堆积，不仅浪费资源，而且存在诸多安全隐患和环境污染风险^[3]。尾矿直接暴露在地面上，在氧气和降雨的作用下，尾矿中的硫化矿会氧化生成酸性废水，同时会溶出尾矿中的重金属，污染地表和地下水，破坏周边生态环境^{[4, 5]}。

如大部分的有色金属尾矿，由于其残留的有色金属和硫化物，是潜在的重金属污染源和酸污染源^[6]。并且，关于大量堆积的尾矿导致溃坝等社会安全问题的报道屡见不鲜^{[7, 8]}。因此回收尾矿中有用金属，提高尾矿综合利用率，降低尾矿堆存量，避免环境污染，对企业经济效益和社会安全关系巨大。

1 柱浮选用于尾矿综合利用的优势

当前尾矿综合利用的基本原则是资源化、减量化和无害化^[9]。无害化处置方式主要包括尾矿干堆、尾矿回填采场采空区和尾矿库复垦；资源化减量化处理方式主要包括尾矿中有价金属的回收、生产建筑材料和制备矿物肥料^[10]。

由于早期选矿技术设备落后，资源综合利用意识淡薄，大量有价元素流失在尾矿中。随着选矿工艺技术和设备的进步，许多矿山对老尾矿中未能综合利用的共伴生有价组分和残留的主矿元素进行了综合回收利用^[11]。如从云锡某老尾矿中回收锡^[12]，从德兴铜矿4号尾矿库铜尾矿中回收铜^[13]，从凡口铅锌矿1号尾矿库尾矿中回收铅和锌^[14]，从澳大利亚某铜尾矿回收硫和铁^[15]。尾矿再选回收其中有价金属元素是尾矿资源化减量利用的重要途径之一，但随着选矿技术的进步，尾矿中有价金属元素含量逐渐降低，短时间内很难通过尾矿再选进一步提高资源利用率，尾矿再选回收主矿金属元素主要适用于有价金属元素含量较高的老尾矿资源。

从尾矿中回收有用非金属矿物是尾矿回收利用的另一个重要方向。如从石墨尾矿中回收绢云母^[16]，回收的绢云母可作为充填材料应用于橡胶、塑料和涂料行业，应用前景广泛^[17]。从铜钼尾矿中回收长石，作为玻璃原料和钾肥原料^[18]。从钽铌尾矿中回收长石和石英，作为玻璃、陶瓷、水泥、化工、磨料等工业原料^[19]。通过综合回收尾矿中的非金属矿物可提高尾矿综合利用率，减少尾矿堆存量。

从尾矿中回收有用金属和非金属的应用已经较为广泛，但随着高品位、嵌布关系简单的矿产资源的消耗殆尽，在未来，许多浮选作业都需要通过细磨来提高有用矿物的单体解离度，以提高有用矿物回收率^[20]。细磨导致了大量微细粒矿物的产生，并从尾矿中流失。微细粒尾矿的回收将成为尾矿回收的难点。

微细粒矿物难以回收并从尾矿中流失的主要原因是矿物和气泡之间碰撞概率低^[21]。目前提高矿物和气泡之间碰撞概率可以通过增加颗粒表观粒径和减小气泡尺寸两种方式来实现^[22]。常规浮选柱是在高速旋转的叶轮剪切作用下产生气泡，无法在大充气量情况下产生小气泡，且浮选泡沫层一般较薄，无法采用强有力的泡沫冲洗技术，在浮选微细粒矿物时矿化概率低且易造成脉石夹杂^[23]。浮选柱可以通过特殊的气泡发生器或柱体结构产生微泡，提高微细粒矿物与气泡的碰撞概率，同时精选区泡沫层在冲洗水作用下可达到二次富集作用，减少脉石机械夹带，最终实现对微细粒尾矿的高效资源化利用。

2 柱浮选的原理及设备特点与工艺特点

按照气泡矿化方式可将浮选柱分为逆流(180°)碰撞矿化型、旋流(90°)碰撞矿化型、管流或离心(0°)矿化型^[24]。逆流碰撞矿化型如CPT-Slamjet浮选柱^[25]、KYZ型浮选柱^[26]等，旋流碰撞矿化型如旋流充气浮选柱^[26]，管流或离心碰撞型如Jameson浮选柱、射流式浮选柱^[27]等。

2.1 逆流碰撞式浮选柱

逆流碰撞式浮选柱是气泡和矿粒通过逆流碰撞的方式进行矿化的一类浮选柱，最具代表性的为CPT-Slamjet浮选柱^[25]。如图 1所示，经浮选药剂处理后的矿浆从距离柱顶部以下约1~2 m处给入，气泡通过气泡发生器产生并从柱体下部充入。气泡在浮力作用下自由上升，矿浆中的矿物颗粒在重力作用下自由下降，上升的气泡与下降的矿粒在捕收区接触碰撞，疏水性颗粒被捕获，附着在气泡表面使气泡矿化。矿化气泡继续上浮进入精选区，并在柱顶聚集形成厚度可达1 m的矿化泡沫层，泡沫层在冲洗水的作用下，被夹带的脉石颗粒从泡沫层脱落，达到二次富集的效果。

逆流碰撞式浮选柱具有气泡矿化捕收区域大，浮选环境相对静态，系统运行稳定性好的特点。通过底部气泡发生器的合理优化和配置，可在浮选柱内产生空气弥散均匀的气泡。

2.2 旋流碰撞式浮选柱

旋流碰撞式浮选柱是气泡和矿浆在旋流力场下相互剪切并矿化的一类浮选柱。国内应用较为广泛的有北京矿冶研究总院研发的旋流充气式浮选柱^[26]。如图 2所示，该浮选柱的充气器类似于旋流器的结构，具有一定压力的液相流，通过进矿浆管沿切向进入筒体，并沿其内壁涡旋。压缩空气由中心管进入筒体。空气作为一股中心气流在液相流的作用下，随液相旋转。涡旋的液相流对中心气流产生剪切作用，当两相流流体从喷嘴喷出时，就在喷嘴之外形成大量均匀而细小的气泡，并喷射在浮选柱中。

旋流碰撞式浮选柱因其充气是在涡旋液相剪切作用下完成，充气器不易破损和结垢，其产生的气泡细小，浮选液面稳定易操作。但使用旋流碰撞式浮选柱每台需配备一台渣浆泵。

2.3 管流碰撞式浮选柱

管流碰撞式浮选柱多通过射流方式吸气，气泡在负压作用下自动卷吸，并在粘滞力作用下随液体一起运动完成气泡的矿化。典型的管流碰撞式浮选柱有澳大利亚研制的Jameson浮选柱^[28]。如图 3、图 4所示，将浮选药剂处理好的矿浆打入下导管混合器中，通过喷嘴产生负压，从而吸入空气产生气泡，矿粒与气泡在下导管中矿化。向下进入分离柱内，矿化气泡上升到柱体上部形成泡沫层，精冲洗水冲洗后流入精矿槽，部分尾矿经柱底排出，部分尾矿和新鲜矿浆混合作为新的给矿。

与常规浮选柱相比，该浮选柱由于气泡矿化过程主要发生在下导管内，省去了常规浮选柱的捕收区高度，浮选柱高度较低；由于下导管内强烈的射流吸气，矿浆内气含率可高达40%~60%，远高于常规浮选柱。但该浮选柱只对给料充气，没有中矿循环，浮选精矿指标较差，同时分离槽处于完全“静态”的层流环境加剧了细粒矿物之间的非选择性团聚和夹杂，进一步降低了精矿品位。

除了以上单一方式矿化的浮选柱，在浮选柱的发展中还出现了多种矿化方式并存、内部结构优化、复合力场的新型浮选柱。如将逆流碰撞、管流矿化和旋流分级相结合的旋流静态微泡浮选柱^[29]，在浮选柱内充填介质达到静态分选目的的充填介质浮选柱^[30]，将超声波效应与传统浮选柱技术结合的超声波浮选柱，将电磁引入浮选柱的磁浮选柱^[27]。随着浮选柱技术的不断进步，浮选柱已在澳大利亚、中国和美国的煤炭行业，美国和巴西的磷酸盐行业以及巴西的铁矿石行业得到广泛应用^[31]。

3 尾矿柱浮选回收技术

大多数矿山尾矿由于其有用组分含量低、回收利用经济效益差，粒度细、有用组分伴生关系复杂，采用常规选矿设备难以实现尾矿的经济高效回收利用^[32]。浮选柱作为一种简单高效的浮选设备可低成本高效回收尾矿中的有用组分，给企业创造经济效益、环境效益和社会效益^[32]。国家工信部、科技部和安监局联合发布的《金属尾矿综合利用先进适用技术目录》总结了多项尾矿柱浮选应用技术，技术应用情况良好，具有广泛的推广应用前景^[33]。

嵩县丰源钼业有限公司选矿厂^[33]采用浮选—重选—浮选工艺，浮选段使用KYZ4380型浮选柱，对该选厂尾矿进行回收，实现了钼、硫资源的高效回收，以年处理尾矿2 500万t计，直接经济利益达5 000万元以上。栾川浮钼尾矿^[33]采用浮选柱选别技术进行白钨矿的回收，经过浮选柱粗选后粗精矿WO₃品位在1.5%~2.0%，回收率在75%~80%，经过精选后精矿WO₃品位在25%~35%，回收率在95%左右，年综合利用效益可达2 800万元。

3.1 尾矿柱浮选回收应用实例

大部分尾矿无法有效回收的主要原因是尾矿粒度细、含泥量大，微细粒尾矿比表面积大，使用常规浮选机回收时机械夹杂严重，回收效果较差。浮选柱具有合适微细粒矿物矿化回收的流态环境和泡沫层厚度，能有效回收常规浮选机无法回收的尾矿资源。

黄根^[34]对广东云浮某硫铁矿选矿厂的浮选尾矿采用浮选柱-浮选机联合分选工艺对浮选尾矿中的硫进行回收，获得S品位为32.68%、回收率为70.84%的硫精矿。与单一浮选机工艺相比，-54 μm细粒级的回收率明显提高，尤其是-20 μm回收率提高了将近10个百分点。

齐双飞^[35]对某选厂TFe品位在16%以上的赤铁矿浮选尾矿进行浮选机一粗两精两扫和浮选柱一粗一精一扫对比试验，试验结果表明浮选柱各相指标优于浮选机，浮选柱工艺回收率较浮选机工艺可提高22.90%，解决了赤铁矿以细颗粒损失在尾矿中的问题。

周晓华^[36]对柿竹园钨粗选尾矿进行了萤石浮选试验研究，采用旋流-静态微泡浮选柱一粗三精流程可获得CaF₂含量大于96%的优质萤石矿物，可在基本相同的工艺条件和药剂制度情况下代替一粗八精的常规浮选机流程。

如表 1所示，使用浮选柱进行尾矿回收时富集比较高，可简化工艺生产流程，节省基建和运行费用，细粒级产品回收率较高，可有效回收尾矿中的细粒级产品，减少细粒级产品的损失。但浮选柱对粗粒级产品回收效果较弱，常采用柱机联合工艺优化尾矿回收效果。

王晴^[43]对河南嵩县某含金黄铁矿浮选尾矿进行了二次回收试验，通过“浮选柱一粗一扫+浮选机二段精选”的开路试验，取得了Au品位9.45 g/t、回收率51.01%的含金硫化矿精矿。

杨茂^[44]采用浮选机与旋流静态浮选柱两种设备对某白钨矿尾矿矿样进行了浮选试验，使用浮选柱一粗一精-浮选机一次扫选柱机联合闭路流程获得WO₃品位4.61%、回收率82.65%的钨精矿。

3.2 尾矿柱浮选回收特点

(1) 与浮选机相比，浮选柱对细粒级尾矿能有效回收。浮选柱能通过气泡发生器产生微泡，增强气泡和矿物碰撞概率，矿化泡沫与矿浆在静态条件下分离，矿物脱附概率较低，这些特点都有利于提高细粒级矿物的浮选效率^[45]。

(2) 浮选柱回收尾矿中有用组分，富集比高。浮选柱具有较厚的泡沫层，负载有用矿物颗粒的矿化气泡浮升至精矿泡沫区后，在冲洗水清洗下，被夹带进入泡沫层的脉石颗粒从泡沫层脱落，从而获得更高品位的精矿产品^[46]。

(3) 浮选柱对粗粒级产品回收效率低。浮选柱柱内处于静态分选环境，紊流强度较低，气泡较小，粗粒级产品容易脱附，从浮选柱底部尾矿中流失^[47]。

4 尾矿柱浮选技术回收现存问题及发展方向

尾矿资源粒度细，有用组分嵌布关系复杂，因此采用常规浮选机进行回收利用工艺流程长，浮选效率低，生产基建运行成本高，这就导致了一些尾矿资源不能经济地开发利用。浮选柱因其在细粒浮选方面表现的不可比拟的优势，适合尾矿有价组分的回收，其生产投资成本低，浮选性能较好，在细粒尾矿资源有价组分回收上具有广泛的应用前景。

浮选柱以其显著的技术优势，在尾矿回收利用和微细粒矿物浮选方面获得广泛应用，但浮选柱应用中仍存在一些问题尚待解决：

(1) 气泡发生器在使用石灰高碱度调浆时容易发生结垢堵塞，且气泡发生器在使用过程中易磨损，导致结构发生变化，造成气泡产生的不稳定，从而影响浮选稳定性；

(2) 浮选柱柱体较高，维修控制麻烦；

(3) 浮选柱工艺参数，如充气量、液位、泡沫层厚度、淋洗水流量和矿浆浓度等对柱选生产影响较大，易造成生产运行的不稳定；

(4) 浮选柱对粗粒级尾矿回收效果较差。

浮选柱今后发展方向：

(1) 优化气泡发生器结构，改良气泡发生器材料性能，使其产生更适合浮选柱生产的气泡群，同时应加强气泡群行为和浮选行为之间的耦合关系研究，提高浮选柱调泡技术。

(2) 浮选柱是朝着大型化、系列化发展的。应加强浮选柱柱体结构对内部流场的影响研究，同时加强矿石性质与浮选柱内部流态的耦合关系研究，生产制造出适应不同性质矿石的针对性、系列性浮选柱。

(3) 复合力场浮选柱的开发利用。结合矿石性质将磁场、离心力场等与浮选柱相结合，进一步提高浮选柱对微细粒物料的分选性能。

(4) 优化浮选柱控制技术。将现有的液位自动控制、充气量自动控制、加药自动控制等与泡沫图像处理技术、在线荧光分析技术相结合，借助模糊控制理论、神经网络控制理论以及遗传算法、粒子群优化算法，建立浮选柱应用专家系统，实现浮选柱无人智能化控制，提高浮选柱控制水平和生产效率。

5 结论与展望

我国矿山固体尾矿资源巨大，但综合利用率较低，尾矿的大量堆积不仅造成了资源的浪费还具有一定环境污染风险和社会安全隐患。进行尾矿资源二次回收利用符合国家绿色矿山建设要求，随着浮选技术和设备的进步，从尾矿中回收有价组分可以给企业带来良好的经济效益和环境效益。由于尾矿资源大多粒度较细，有价组分含量较低，应用柱浮选技术回收尾矿中有价组分可节省企业投资成本。优化浮选柱气泡发生器结构、优化浮选柱内流场、提高浮选柱控制水平是尾矿柱浮选回收技术发展的方向。