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胶体是由一种连续相和一种粒径范围为1 nm—1 μm的分散相组成的均匀混合物. 胶体粒径很小，比表面积较大，其表面有着丰富的官能团，因此其能有效地吸附疏水性和有机类污染物，被认为是一种重要的污染物载体[1]，且胶体的团聚行为会随水化学条件变化而变化，导致共迁移污染物富集[2]. 在矿山开采过程中，由于选矿技术水平和资源回收水平存在一定局限性，会产生大量固体废弃物，即尾矿，这些尾矿大多被堆存于尾矿库中. 尾矿在堆积过程中，受到降雨、风吹和人类活动等的影响，经过物理和化学风化后，会产生大量尾矿胶体[3]. 尾矿胶体有较高含量的金属，若迁移到周边土壤和地下水中，将会造成严重的环境污染. 胶体的稳定性是决定胶体迁移的前提，当胶体在水中具有较好的稳定性时，能够通过多孔介质发生迁移，同时可携带污染物发生共迁移. 胶体一旦失稳，将团聚成大颗粒堵塞在多孔介质孔隙中无法迁移. 因此，研究尾矿胶体稳定性对评估尾矿库周边土壤和地下水污染风险具有重要意义.
胶体稳定性的影响因素主要包括溶液的pH、离子强度（ionic strength，IS）以及天然有机质（natural organic matter，NOM）等. 溶液pH的变化会对胶体的表面电量产生影响，大量研究表明，随着pH远离等电点，胶体表面的zeta电位会远离0，这表明胶体的表面电荷量会随着pH远离等电点而逐渐变多，此时的胶体稳定性较好. 而当胶体的pH在等电点附近时，胶体的zeta电位接近于0，胶体间静电排斥力比较弱，与范德华引力一起的净力表现为引力，从而发生团聚[4 − 6]，这表明pH在等电点附近时胶体的稳定性较弱.IS与胶体的稳定性是密切相关的，随着溶液的IS增大，胶体表面的双电层会被压缩，进而胶体带电量减少，胶体颗粒之间的排斥力会因表面电荷量的减少而变小，发生团聚，胶体稳定性随IS增大而变弱[7]. 土壤和地下水中的NOM也是影响胶体团聚行为的一个很重要的因素. 腐殖酸（humic acid，HA）和富里酸（fulvic acid，FA）等有机质广泛存在于自然环境中，这些NOM的成分大多比较复杂，其表面通常带有丰富的官能团，因而NOM可通过多种途径如疏水作用、静电作用、吸附作用、配位交换作用等紧紧包覆在胶体表面上[8]，进而增大胶体的表面电荷量，以维持胶体稳定性. 朱心宇等[9]通过去除胶体中的有机质，进一步证实有机质可以维持胶体稳定性. 此外，Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论被广泛应用于带电胶体稳定性的研究中，如张然等[10]用DLVO理论揭示了不同土壤胶体在IS和HA影响下的稳定性影响机制；王智巧[11]等通过DLVO理论计算了pH和HA影响下胶体的最大能量势垒和次级势阱，从而判断胶体的稳定性；Yang等[12]通过DLVO理论得出生物炭纳米颗粒的静电斥力随着有机质（牛血清白蛋白）的增加而减小.
综上所述，溶液的pH、IS和NOM都可能影响尾矿胶体的稳定性，对尾矿胶体的团聚起到重要的影响，且DLVO理论也可应用于尾矿胶体稳定性的机理研究. 但目前对于尾矿胶体的稳定性还缺乏系统研究，因此本试验通过团聚动力学试验和DLVO理论计算重点考察了不同pH、IS和NOM存在条件下尾矿胶体在水溶液中的稳定性.
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供试尾矿采集于四川省攀枝花市马家田尾矿库. 将采集的钒钛磁铁矿尾矿烘干后，去除大块石粒，放入震击球磨仪（TJS-325，东方天净科技发展有限公司）中研磨，过500目筛后储备待用. 分别利用扫描电子显微镜（SEM，Apreo 2C，Thermo Fisher Scientific）、能谱仪（EDS，ULTIM Max65，Oxford Instrument）、傅里叶转换红外光谱仪（FTIR，Nicolet iS50，Thermo Fisher Scientific）和X射线光电子能谱仪（XPS，ESCALAB Xi+，Thermo Fisher Scientific）对尾矿的表面形貌、元素分布、官能团构成及元素价态进行表征分析.
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称取20 g待用尾矿于500 mL烧杯中，加入500 mL冰水，用超声波分散仪（SCIENTZ-F，新芝生物科技股份有限公司）在900 W功率下将尾矿混合溶液超声30 min.再将超声分散好的尾矿溶液静置2 h，取尾矿上层溶液在3000 r·min−1离心5 min，通过虹吸法吸取离心后的尾矿上清液，通过砂芯漏斗过滤装置将上清液抽滤过0.45 μm的水系混合纤维滤膜后存入棕色试剂瓶中，该上清液即为尾矿胶体储备液，放入冰箱恒温避光冷藏. 通过重量法测定尾矿胶体的质量浓度，取20 mL尾矿胶体溶液于提前称好重量的50 mL干燥烧杯中，将烧杯置于烘箱中，温度调至105 ℃，使尾矿胶体溶液彻底干燥，再将烧杯置于干燥皿中冷却至室温，然后称量烧杯和尾矿胶体颗粒的重量，通过与空烧杯的质量差计算得到尾矿胶体的质量浓度[3]. 取尾矿胶体储备液通过砂芯漏斗过滤装置抽滤过50 nm的纤维滤膜，将滤膜冷冻干燥24 h，获得足量尾矿胶体颗粒，分别利用SEM、EDS、FTIR和XPS对尾矿胶体颗粒的表面形貌、元素分布、官能团构成及元素价态进行表征分析.
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本试验利用氢氧化钠和盐酸调节溶液pH，利用氯化钠调节溶液的IS，选用腐殖酸钠（SH）和乙酸（AA）代表NOM.SH购自阿拉丁试剂有限公司，AA购自科隆化学品有限公司. 在50 mL离心管中将尾矿胶体溶液浓度稀释为50 mg·L−1（总体积为20 mL），调节好不同水化学实验条件（如表1所示），立即加入粒径样品池（约1 mL）中，使用激光粒度仪（Zetasizer Nano-ZS ZEN3600，Malvern Instruments）测定尾矿胶体的水动力学直径（Dh），监测Dh 30 min.然后将尾矿胶体溶液注入电位样品池中，测定其zeta电位[13 − 14].
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根据DLVO理论，胶体颗粒的团聚与分散取决于双电层重叠时胶体颗粒间的范德华引力势能（
$ {E}_{\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{W}} $ ）和静电斥力势能（$ {E}_{\mathrm{E}\mathrm{D}\mathrm{L}} $ ）的相对大小，由此决定胶体颗粒体系的相互作用能情况（$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ ）及其稳定性[10]，可由公式（1）计算.胶体颗粒间的
$ {E}_{\mathrm{V}\mathrm{D}\mathrm{W}} $ 和$ {E}_{\mathrm{E}\mathrm{D}\mathrm{L}} $ 分别由公式（2）和公式（3）计算.式中，
$ A $ 为Hamaker常数（J），数量级在10−23 — 10−20之间，与粒子极化率、单位体积内原子数等性质有关[7]；$ {r}_{1} $ 和$ {r}_{2} $ 为体系中相互作用的胶体颗粒水动力学半径（nm），本研究中$ {r}_{1} $ =$ {r}_{2} $ ；$ x $ 表示胶体颗粒间的距离（nm）；$ \lambda $ 是相互作用的特征波长，设为100 nm[10].式中，
$ {\psi }_{1} $ 和$ {\psi }_{2} $ 均为尾矿胶体颗粒的stern电势[15]，在低浓度体系中通常用zeta电位代替（mV）[7]；$ {\varepsilon }_{0} $ 为真空介电常数（C·V−1·m−1），取8.85×10−12 C·V−1·m−1；$ {\varepsilon }_{r} $ 为相对电容率，取78.36；$ \kappa $ 为扩散双电层厚度，由公式（4）[16]计算.式中，
$ {N}_{\mathrm{A}} $ 为阿伏伽德罗常数（6.02×1023 mol−1）；$ \mathrm{e} $ 为基本电荷（1.60×10−19 C）；$ I $ 为离子强度；$ {k}_{\mathrm{B}} $ 为玻尔兹曼常数（1.38×10−23 J·K−1）[11]；$ T $ 为绝对温度（298.15 K）. -
如图1（a）和（b）所示，尾矿样品表面呈现出不光滑状态，表面有较多小颗粒，而尾矿胶体颗粒呈光滑柱状，粒径很小. 图1（e）为尾矿胶体颗粒直径范围分布图，得出其平均直径为191.37 nm.尾矿和尾矿胶体的EDS能谱如图1（c）和（d）所示，元素质量比如图1（f）所示，可以看出尾矿中含有的主要元素有C、O、Mg、Al、Si、Ti、Fe，并且尾矿胶体颗粒的C元素相对含量比尾矿少11%左右，可能是由于研磨过程中碳酸盐矿物的流失，而部分Al3+、Ca2+则通过静电吸附作用保留在尾矿胶体颗粒上.
尾矿和尾矿胶体颗粒FTIR图谱如图2（a）所示，可以看到，尾矿分别在3484.25、1377.95、976.38、433.07 cm−1位置附近出现吸收峰. 在3484.25 cm−1位置处为—OH的伸缩振动[17]，在1377.95 cm−1位置处为甲基的对称弯曲振动带[18]，在976.38 cm−1位置处为Si—O伸缩振动，在433.07 cm−1位置处为Si—O的弯曲振动[19]. 尾矿胶体颗粒分别在3492.13、1637.80、1393.70、996.06、637.80、452.76 cm−1位置处出现吸收峰. 在3492.13 cm−1位置处为—OH的伸缩振动，可能因为尾矿胶体颗粒比表面积增大，吸附了更多的水合羟基，从而在1637.80 cm−1位置处出现代表胶体表面吸附水的弯曲振动频率或芳香环骨架C=O的伸缩振动[20]，在1393.70 cm−1处的峰归属于脂肪酸COO—基团中C=O的对称伸缩振动[21]，在996.06 cm−1位置处为Si—O的伸缩振动[19]，在637.80 cm−1位置处为Fe—O的弯曲振动[20]，这也对应于尾矿胶体颗粒中Fe相对含量的增多，在452.76 cm−1位置处为Si—O—Si的弯曲振动[19]. 尾矿和尾矿胶体颗粒XPS全谱如图2（b）所示，元素价态几乎没有发生变化.
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本试验用马尔文激光粒度仪测定了尾矿胶体在IS为1 mmol·L−1时，不同pH条件下的Dh和表面带电情况，图3（a）描述了尾矿胶体在不同的pH条件（6、7、8、9）下Dh在30 min内的变化情况，并且用其平均值及标准差来表示变化趋势（图3（b））. 不同pH条件下的zeta电位测定结果如图3（c）所示. 可以看出，随着pH值增大，尾矿胶体的Dh逐渐变小，Dh平均值从800 nm左右（pH=6）降到250 nm左右（pH=9）.pH在6—9之间时，尾矿胶体表面带负电，并且随着pH的增大，zeta电位绝对值逐渐变大，表明尾矿胶体之间的静电斥力也较大，有利于尾矿胶体的悬浮稳定，从而不容易发生团聚，容易在多孔介质中发生迁移.
基于DLVO理论，计算了不同pH条件下尾矿胶体
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 随颗粒间距离的变化. 从图3（d）可以看出，当尾矿胶体颗粒之间距离较远时，颗粒间范德华引力和双电子层斥力都趋于0，胶体颗粒间$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 虽然为负值，但其绝对值很小，颗粒间的作用力并不明显. 随着颗粒间距离减小，尾矿胶体会陷入次级势阱，颗粒间可能发生可逆性团聚[22 − 25]. 当胶体颗粒继续接近时，$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 逐渐上升为正值，并出现峰值，达到最大能量势垒. 这是因为两个颗粒的扩散层发生大范围重叠，双电子层斥力逐渐变大. 当最大能量势垒相对较高时，颗粒间靠近时有较大的相互斥力，两颗粒不易进一步靠近从而分散. 如果最大能量势垒不存在或者很小，胶体颗粒的热运动足以克服它，颗粒间的范德华引力随着颗粒间距变小而剧增，从而趋向于发生团聚. 如果最大能量势垒足够大，胶体颗粒将保持相对稳定. 由于初级势阱的能量屏障难以克服，这种团聚一般被认为是不可逆的[26]. 通过DLVO理论计算了不同pH条件下尾矿胶体的最大能量势垒和次级势阱，如表2所示. 随着pH的升高，胶体最大能量势垒高度逐渐增大，次级势垒深度逐渐减小. 结合Dh分析，pH越大，尾矿胶体颗粒越难克服势垒作用而发生团聚，高pH值所对应Dh更小.pH对胶体粒径的影响取决于胶体表面所带电荷性质，如果胶体表面带负电，pH增大时溶液中的OH−变多，可能吸附在胶体表面增加其负电荷官能团，从而增加胶体表面的负电荷量，胶体颗粒间排斥力增大，有助于胶体粒径维持平衡[3]. 如果胶体表面带正电，pH增大就会导致粒子之间排斥力减小，从而易发生团聚[27]. 尾矿胶体表面带负电，pH增大导致其表面负电荷量增加，颗粒间静电斥力增大从而更加稳定.
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图4（a）描述了尾矿胶体在pH为7时，不同IS（1、10、50、100、150 mmol·L−1）条件下的Dh在30 min内的变化情况，并用其平均值及标准差来表示随IS变化的趋势，如图4（b）所示. 由图4（a）和4（b）可知，在设置的IS梯度下，随着IS的增大，尾矿胶体的Dh也变大，并且在IS为1、10 mmol·L−1时变化更显著. 如图4（c）所示是尾矿胶体在不同IS条件下的zeta电位，由图可知，在试验条件范围内尾矿胶体的表面带负电，当离子强度增大时，尾矿胶体表面的zeta电位绝对值逐渐减小.图4（d）反映了不同IS对应的通过DLVO理论计算出来的
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 随胶体间距离的变化曲线，以及不同IS条件下尾矿胶体间的最大能量势垒和次级势阱. 如表3所示，随着IS的升高，胶体最大能量势垒高度逐渐减小直至消失，次级势垒深度逐渐增大，即两个胶体颗粒之间扩散层重合较多时，IS越小，尾矿胶体越难克服最大能量势垒发生团聚，因而低IS值所对应的Dh更小.IS对尾矿胶体的影响可以用压缩双电层理论来解释[28]，当尾矿颗粒与电解质溶液的溶质形成胶体分散系时，尾矿颗粒表面带有较多负电荷，颗粒之间存在较大的排斥力，因此能够稳定的存在于悬浮液中；带电微粒与双电层中的反离子作为一个整体会呈现出电中性，只要两个带电微粒彼此之间的双电层没有发生重叠，他们之间的排斥作用能就为零，不会存在静电排斥力，当两个带电微粒彼此的双电层相互接近并发生重叠时，就会改变双电层上的电荷量及其电位分布，微粒之间产生排斥力. 当加入电解质溶液时，颗粒间的平衡会被破坏，颗粒之间的吸引力大于他们之间的排斥力，颗粒间的净力表现为引力从而发生团聚，由单颗粒变为团聚的大颗粒下沉[28]. 随着溶液电解质浓度升高，尾矿胶体的双电层不断压缩，使双电层变薄，导致粒子间排斥力减弱[29]，其产生的能量壁垒被屏蔽[30]，胶体脱稳团聚，造成粒径不断增大.
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（1）腐殖酸钠对尾矿胶体团聚动力学的影响
图5（a）描述了尾矿胶体在pH为7时，不同浓度SH条件（0、20、50、100 mg·L−1）下的Dh在30 min内的变化情况，并且用30 min内的Dh平均值及标准差来表示其随SH浓度变化的趋势，如图5（b）所示. 由图5（a）和5（b）可知，在加入SH后，尾矿胶体的Dh显著变小且非常稳定. 这与Yu等[31]的研究结果相一致，他们研究得出天然有机质的加入明显抑制了胶体颗粒的团聚. 如图5（c）所示是尾矿胶体在不同SH浓度下的zeta电位，在试验条件范围内尾矿胶体的表面带负电，当SH浓度增大时，尾矿胶体表面的zeta电位绝对值逐渐增大. 图5（d）反映了不同SH对应的通过DLVO理论计算出来的
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 随胶体间距离的变化曲线，如表4所示为通过DLVO理论计算了不同SH浓度下尾矿胶体的最大能量势垒和次级势阱. 随着SH浓度的升高，胶体最大能量势垒高度逐渐增大，次级势垒深度逐渐减小，即两个胶体颗粒之间扩散层重合较多时，SH越小，尾矿胶体就越难克服最大能量势垒发生团聚，胶体溶液维持稳定，因而低IS值所对应的Dh更小.Yu等[32]研究表明，NOM表面含有羧基、酚羟基和甲氧基，促使其与纳米颗粒结合. 并且有研究表明，NOM可以吸附在纳米颗粒表面形成冠状结构，通过空间位阻作用使得胶体颗粒不发生团聚[33 − 34]. 尾矿胶体溶液中加入SH后，有一部分SH发生水解作用生成HA，HA由于物理（例如物理捕获）或化学相互作用（例如范德华力、疏水性、π-π相互作用和配体交换），可能强烈地吸附在尾矿胶体上[13]，一方面是HA的吸附可能减小尾矿胶体的比表面积[35]，导致尾矿胶体携带更多负电荷，增加胶体的净表面电荷，引起zeta电位的变化. 还可以导致更高的静电斥力，胶体颗粒间的净能量屏障也会相应增强，进而导致团聚体破碎. 另一方面是HA吸附在尾矿胶体表面形成冠状结构，通过空间位阻使得尾矿胶体不发生团聚[33 − 34]. 长链的HA也会提供空间位阻效应，从而增强能量壁垒，使得胶体不易发生团聚沉降，增加其悬浮稳定性. 这导致尾矿胶体颗粒在HA存在的情况下，在悬浮液中更加稳定[36].
（2）乙酸对尾矿胶体团聚动力学的影响
图6（a）描述了尾矿胶体在pH为7时，不同AA浓度条件（0、0.01、5、10 mmol·L−1）下的Dh在30 min内的变化情况，并且用30 min内的Dh平均值及标准差来表示其随AA浓度变化的趋势，如图6（b）所示. 由图6（a）和6（b）可知，随着尾矿胶体溶液加入一定浓度的AA后，尾矿胶体明显变得不稳定，胶体Dh变化剧烈，并且在AA浓度为5、10 mmol·L−1时，尾矿胶体的Dh显著变大. 如图6（c）所示是尾矿胶体在不同AA浓度下的zeta电位，由图6（c）可知，在加入AA后，尾矿胶体的表面带正电，当AA浓度增大时，尾矿胶体表面的zeta电位有变负的趋势，zeta电位的绝对值越大，对应的Dh平均值越小. zeta电位绝对值越大，表明胶体性质越稳定，越不容易发生团聚.
图6（d）反映了不同AA对应的通过DLVO理论计算出来的
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 随胶体间距离的变化曲线，如表5所示为通过DLVO理论计算了不同AA条件下尾矿胶体的最大能量势垒和次级势阱. 随着AA浓度的升高，胶体最大能量势垒高度逐渐减小直至消失，次级势垒深度逐渐增大，即当两个胶体颗粒逐渐靠近时，溶液中AA浓度越小，尾矿胶体静电斥力越大，越难跨过最大能量势垒，因而低AA浓度所对应的Dh更小. 但当AA为10 mmol·L−1时，不存在最大能量势垒和次级势阱，与研究发现的zeta电位接近于0时，胶体颗粒相互作用的最大能量势垒和次级势阱常常同时不存在相一致[11].AA溶液与胶体溶液混合后，测得其zeta电位为正值，与上述试验有较大反差，其带正电原因有待进一步探索. 与SH不同，AA只有羧基官能团，其可能会与尾矿胶体颗粒表面的含氧官能团之间形成氢键，导致AA吸附在尾矿胶体颗粒上，乙酸的zeta电位随乙酸浓度增加趋近于中性，高浓度AA与尾矿胶体吸附后，降低了尾矿胶体间的静电斥力，从而失稳团聚.
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本文结合SEM-EDS、FTIR和XPS讨论了尾矿胶体的相关性质. 同时，也考察了pH、IS和NOM对尾矿胶体稳定性的影响. 得到的结论如下：
（1）pH在6—9之间，随着pH值增大，尾矿胶体的Dh逐渐变小，Dh平均值从pH=6时的800 nm左右降低到pH=9时的250 nm左右. 尾矿胶体表面带负电，pH增大有助于其维持稳定. 随着pH的增大，zeta电位绝对值逐渐变大，是由于尾矿胶体表面带负电，pH增大导致其表面负电荷量增加，颗粒间静电斥力增大从而更加稳定.
（2）在设置的IS梯度（1、10、50、100、150 mmol·L−1）下，随着IS的增大，尾矿胶体的Dh逐渐变大，并且Dh在1、10 mmol·L−1情况下变化趋势更显著. 试验条件范围内尾矿胶体的表面带负电，当IS增大时，尾矿胶体表面的zeta电位绝对值逐渐减小.IS升高会压缩尾矿胶体的双电层结构，使双电层变薄，导致胶体颗粒之间的静电斥力减弱，胶体失稳而发生团聚行为.
（3）向尾矿胶体中添加SH后，胶体的Dh显著变小，且保持在较稳定的区间.SH在胶体溶液中会水解生成HA，HA可以强烈地吸附在尾矿胶体上，增加尾矿胶体表面负电量，使颗粒之间静电斥力增强，且会与尾矿胶体形成冠状结构，通过空间位阻抑制胶体颗粒发生团聚，长链的HA也会提供空间位阻效应，导致尾矿胶体颗粒更稳定. 向尾矿胶体中加入AA后，尾矿胶体明显变得不稳定，Dh变化剧烈，这可能是因为AA存在单一的羧基官能团，其可能会与尾矿胶体颗粒表面的含氧官能团之间形成氢键，导致AA吸附在尾矿胶体颗粒上，乙酸的zeta电位随乙酸浓度增加趋近于中性，高浓度AA与尾矿胶体吸附后，降低了尾矿胶体间的静电斥力，从而失稳团聚.
水化学条件对钒钛磁铁矿尾矿胶体稳定性的影响
Study on the stability of vanadium-titanium magnetite tailing-derived colloid under hydrochemical conditions
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摘要: 尾矿胶体的稳定性对其携带污染物的迁移能力具有重要影响，但目前其稳定性尚未得到关注. 为探究不同水化学条件对钒钛磁铁矿尾矿胶体稳定性的影响，采用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析尾矿样品和尾矿胶体的性质，并通过团聚动力学试验和DLVO理论计算考察了不同pH（6—9）、离子强度（1—150 mmol·L−1 NaCl）和天然有机质（0.1—100 mg·L−1腐殖酸钠和0.01—10 mmol·L−1乙酸）条件下尾矿胶体的稳定性. 结果表明：（1）pH的升高增加了尾矿胶体表面的负电荷量，使得胶体颗粒间静电排斥力增大，增加了尾矿胶体在水溶液中的稳定性. （2）在设置的离子强度梯度下，离子强度越大，尾矿胶体越不稳定. 这是由于尾矿胶体的双电层结构被压缩，导致胶体颗粒之间的静电斥力减弱从而失稳团聚. （3）尾矿胶体的水动力学直径（Dh）随着腐殖酸钠浓度的提高而显著减小. 因腐殖酸钠的吸附导致的负电荷增加和空间位阻效应，使得尾矿胶体更加稳定. 而尾矿胶体Dh随乙酸浓度提高显著增大. 这是由于乙酸的zeta电位随乙酸浓度增加趋近于中性. 高浓度乙酸与尾矿胶体吸附后，降低了尾矿胶体间的静电斥力，导致失稳团聚.Abstract: The stability of tailings colloid has an important influence on their capacity to carry pollutants, but its stability has not been paid much attention. The tailings sample and tailings colloid properties were analyzed to explore the effects of different hydrochemical conditions on the stability of vanadium-titanium magnetite tailing-derived colloid. Scanning electron microscopy with X-ray energy dispersive spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy were employed in this study. The stability of tailings colloid in the presence of different pH (6—9), ionic strength (1—150 mmol·L−1 NaCl), and natural organic matter (0.1—100 mg·L−1 sodium humate and 0.01—10 mmol·L−1 acetic acid) were investigated via the coagulation kinetics experiment and DLVO theoretical calculation. The experimental results showed that: (1) The increase of pH enhanced the amount of negative charge on the surface of the tailings colloid, increasing the electrostatic repulsion force between colloidal particles and the stability of the tailings colloid solution. (2) The higher the ionic strength, the more unstable the tailings colloid under the set ionic strength gradient. The electrostatic repulsion force between colloidal particles was weakened due to the compression of the double electric layer, leading to colloidal instability. (3) The hydrodynamic diameter (Dh) of tailings colloid decreased significantly with increased sodium humate concentration. The increase of negative charge and steric hindrance effect caused by the adsorption of sodium humate made the tailings colloid more stable. The Dh of tailings colloid increased significantly with the increase of acetic acid concentration. It was because the zeta potential of acetic acid tended to be neutral with the increase of acetic acid concentration. After the adsorption of high-concentration acetic acid to the tailings colloid, the electrostatic repulsion force between the tailings colloid was reduced, resulting in unstable coagulation.
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Key words:
- tailings colloid /
- stability /
- coagulation /
- DLVO theory.
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图 1 （a）尾矿扫描电镜图（20000倍），（b）尾矿胶体颗粒扫描电镜图（50000倍），（c）尾矿EDS能谱图，（d）尾矿胶体颗粒EDS能谱图，（e）尾矿胶体颗粒直径分布直方图，（f）尾矿和尾矿胶体颗粒元素质量比
Figure 1. （a） The scanning electron microscopy image of tailings （20000 times）, （b） the scanning electron microscopy image of tailings colloidal particles （50000 times）, （c） the EDS energy spectrum of tailing, （d） the EDS energy spectrum of tailings colloidal particles, （e） the diameter distribution histogram of tailings colloidal particles, （f） the elemental mass ratio of tailing and tailings colloidal particles
图 2 尾矿和尾矿胶体颗粒的（a）FTIR图谱和（b）XPS全谱
Figure 2. The （a） FTIR spectra and （b） XPS full spectrum of tailings and tailings colloidal particles
图 3 不同pH条件下（a）尾矿胶体Dh在30 min内的变化，（b）Dh平均值，（c）zeta电位，（d）
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 随胶体间距离变化Figure 3. The variations of （a） Dh in 30 min, （b） average Dh, （c） zeta potential and （d） the
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ varies with the distance of the tailings colloid under different pH
图 4 不同离子强度条件下（a）尾矿胶体Dh在30 min内的变化情况，（b）Dh平均值，（c）zeta电位，（d）
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 随胶体间距离变化Figure 4. The variations of （a） Dh in 30 min, （b） average Dh, （c） zeta potential and （d） the
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ varies with the distance of the tailings colloid under different IS
图 5 不同腐殖酸钠浓度下（a）尾矿胶体Dh在30 min内的变化情况，（b）Dh平均值，（c）zeta电位，（d）
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 随胶体间距离变化Figure 5. The variations of （a） Dh in 30 min, （b） average Dh, （c） zeta potential and （d） the
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ varies with the distance of the tailings colloid under different SH concentrations
图 6 不同AA浓度下（a）尾矿胶体Dh在30 min内的变化情况，（b）Dh平均值，（c）zeta电位，（d）
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ 随胶体间距离变化Figure 6. The variations of （a） Dh in 30 min, （b） average Dh, （c） zeta potential and （d） the
$ {E}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}} $ varies with the distance of the tailings colloid under different AA concentrations表 1 不同水化学实验条件
Table 1. Different experimental hydrochemical conditions
pH IS/（mmol·L−1） SH/（mg·L−1） AA/（mmol·L−1） pH 6 1 — — 7 1 — — 8 1 — — 9 1 — — IS 7 1 — — 7 10 — — 7 50 — — 7 100 — — 7 150 — — SH 7 1 0 — 7 1 20 — 7 1 50 — 7 1 100 — AA 7 1 — 0 7 1 — 0.01 7 1 — 5 7 1 — 10 
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表 2 不同pH条件下尾矿胶体的最大能量势垒和次级势阱
Table 2. The maximum energy barrier and secondary minima of tailings colloid under different pH conditions
pH 最大能量势垒/kT
Maximum energy barrier次级势阱/kT
Secondary minima6 10.005 −0.01306 7 40.657 −0.00983 8 57.724 −0.00918 9 67.748 −0.00890
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表 3 不同IS条件下尾矿胶体的最大能量势垒和次级势阱
Table 3. The maximum energy barrier and secondary minima of tailings colloid under different IS conditions
IS/（mmol·L−1） 最大能量势垒/kT
Maximum energy barrier次级势阱/kT
Secondary minima1 40.657 −0.00983 10 18.485 −0.16258 50 4.231 −1.07017 100 — — 150 — —
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表 4 不同SH浓度下尾矿胶体的最大能量势垒和次级势阱
Table 4. The maximum energy barrier and secondary minima of tailings colloid under different concentrations of SH
SH/（mg·L−1） 最大能量势垒/kT
Maximum energy barrier次级势阱/kT
Secondary minima0 40.657 −0.00983 20 45.668 −0.00383 50 58.434 −0.00348 100 61.589 −0.00376
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表 5 不同AA浓度下尾矿胶体的最大能量势垒和次级势阱
Table 5. The maximum energy barrier and secondary minima of tailings colloid under different concentrations of AA
AA/（mmol·L−1） 最大能量势垒/kT
Maximum energy barrier次级势阱/kT
Secondary minima0 40.657 −0.00983 0.01 14.804 −0.02979 5 12.976 −0.04679 10 — —
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