煤泥水混凝藥劑研究現(xiàn)狀

任紹良

（山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局，山西 太原 030045）

引 言

煤泥水是指煤炭在分選加工過程中所產(chǎn)生的介質(zhì)用水，是煤礦濕法洗煤加工工藝的工業(yè)尾水，其中含有大量的煤泥和泥砂，給礦區(qū)附近的環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，是煤炭工業(yè)的主要污染源之一，越來越受到人們的重視。煤泥水處理是選煤廠不可缺少的工藝環(huán)節(jié)，不僅是環(huán)境保護(hù)的要求，而且是回收細(xì)粒煤泥、提高資源利用效率的措施之一。解決煤泥水的澄清問題，除了采用合理的工藝流程及設(shè)備，還需要選擇并使用適當(dāng)?shù)幕炷齽?。使煤泥水中的微粒顆粒預(yù)先凝聚或絮凝，形成絮團(tuán)，加速顆粒沉降，提高煤泥水的重力沉降效果。

煤泥水的絮凝處理常用無機(jī)電解質(zhì)和聚合物PAM。如果類型、絮凝條件是正確的，可以達(dá)到理想的絮凝沉降效果。由于煤泥水的性質(zhì)復(fù)雜，市場(chǎng)上有很多不同類型的聚丙烯酰胺用于煤泥絮凝處理效果較差，導(dǎo)致高濃度洗滌水的產(chǎn)生，影響煤選煤廠的分離效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 常用煤泥水藥劑［1-3］

1.1 有機(jī)高分子絮凝劑

有機(jī)高分子絮凝劑有很強(qiáng)的聚沉能力，它們?cè)陬w粒表面強(qiáng)烈地吸附，使許多顆粒通過高聚物的鏈節(jié)“橋聯(lián)”在一起，聯(lián)成質(zhì)量較大的聚集體而發(fā)生聚沉。但是，低用量只能網(wǎng)捕粗顆粒，使粗煤泥沉降，細(xì)煤泥仍然在系統(tǒng)中循環(huán)，形成高濃度的循環(huán)煤泥水體系。而高用量又會(huì)形成高分散網(wǎng)狀絮體，不僅藥劑成本高，而且直接導(dǎo)致煤泥水外排。

1.2 無機(jī)凝聚劑

無機(jī)凝聚劑也可以實(shí)現(xiàn)顆粒的聚沉，但在煤泥水溶液環(huán)境中，無機(jī)混凝劑達(dá)不到聚沉狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的躍遷。

以三價(jià)的鋁鹽和鐵鹽為例，Al3＋、Fe3＋在煤泥水正常pH值（pH＝6～9）范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生水解，基本上以Al（OH）3、Fe（OH）3沉淀物形式存在。因此，Al3＋、Fe3＋在煤泥水體系中存在量極少，對(duì)懸浮顆粒的聚沉效果不明顯。因此，聚合氯化鋁、聚合氯化鐵在煤泥水體系中聚沉效果并不理想［1］。

1.3 生石灰和電石

與有機(jī)高分子絮凝劑、無機(jī)凝聚劑相比，生石灰和電石都對(duì)加速煤泥水沉降有一定效果，它們利用了與水體反應(yīng)后生成的Ca2＋與黏土形成特性吸附，從而加速煤泥水的聚沉。但是，由于鈣鎂類化合物特殊的化學(xué)性質(zhì)，會(huì)給生產(chǎn)、環(huán)境、系統(tǒng)管道和工人健康帶來一系列不利的影響，從而制約了其進(jìn)一步推廣使用。以生石灰為例，實(shí)際使用中有3個(gè)突出問題：

1）使煤泥水呈堿性，設(shè)備與設(shè)施表面形成嚴(yán)重板結(jié)，影響選煤廠正常運(yùn)行；

2）沉淀物多，雜質(zhì)含量大，加重了系統(tǒng)負(fù)荷，甚至給產(chǎn)品質(zhì)量帶來不利影響；

3）反應(yīng)過程劇烈，操作風(fēng)險(xiǎn)大，甚至容易造成人員傷害，易污染環(huán)境。

2 煤泥水藥劑的作用機(jī)理及分類［4］

2.1 絮凝劑作用機(jī)理及分類

絮凝劑通常為有機(jī)高分子化合物。一般高分子化合物都有很長(zhǎng)的分子鏈，而且鏈上有很多活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)能和顆粒表面進(jìn)行吸附。若1個(gè)這樣的分子鏈能同時(shí)吸附2個(gè)或2個(gè)以上微粒.那么就把微粒像架橋一樣連接起來，形成絮團(tuán)。這種作用又稱架橋作用。用高分子化合物進(jìn)行架橋作用時(shí)，無淪懸浮液中顆粒表面帶電狀況如何，只要添加的絮凝劑分子具有可在顆粒表面吸附的官能團(tuán)或吸附活性，便可實(shí)現(xiàn)絮凝。絮凝劑主要通過靜電鍵合、氫鍵鍵合和共價(jià)鍵鍵合3種方式將顆粒吸附在一起，形成大而蓬松的絮團(tuán)，加快顆粒的沉降［4］。一般而言，絮凝劑的反應(yīng)時(shí)間很短，加入后很快就可以看到絮團(tuán)成型［2］。

絮凝劑的種類很多，但目前用于我國(guó)選煤廠的主要是聚丙烯酰胺類物質(zhì)。聚丙烯酰胺類物質(zhì)水溶解性好，能與水以任意比例互溶且不溶于有機(jī)溶劑。聚丙烯酰胺類絮凝劑分陽離子型、陰離子型和非離子型3類。

陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）外觀為白色粉粒，相對(duì)分子質(zhì)量從6 000 000到25 000 000，水溶液呈黏稠狀，有效的pH值范圍為7～14，是選煤廠應(yīng)用最多的一類絮凝劑。

陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）為白色粉末狀的外觀，從8 000 000到15 000 000的相對(duì)分子質(zhì)量，有效pH值范圍在1～14，負(fù)電荷和豐富的有機(jī)廢水的處理，如酒精廢水、啤酒廢水、味精谷氨酸廢水、制糖廢水、肉廠廢水、飲料廠廢水、紡織印染廠廢水。陽離子聚丙烯酰胺對(duì)這種廢水的處理比陰離子聚丙烯酰胺與非離子聚丙烯酰胺和無機(jī)鹽效果要好幾倍或幾十倍，因?yàn)檫@種廢水一般是負(fù)電荷的。

非離子聚丙烯酰胺（NPAM）外觀為白色粉末。在水處理中，一般用在系統(tǒng)中的酸性污水。在選煤廠沒有應(yīng)用［3］。

2.2 凝聚劑作用機(jī)理及分類

DLVO理論認(rèn)為，粒子的聚集和分散是靜電能的主要作用，是粒子的雙電層的分子相互作用。粒子的總效應(yīng)是兩者的代數(shù)。靜電斥力對(duì)粒子的凝聚是不利的。在正常狀態(tài)下，兩者都處于平衡狀態(tài)，如果粒子之間產(chǎn)生斥力，就會(huì)破壞平衡，使凝結(jié)發(fā)生。

凝聚劑通過加入無機(jī)電解質(zhì)中和顆粒表面的電性，以解除布朗運(yùn)動(dòng)，使微粒能夠靠近接觸而聚集在一起，形成小而緊密的凝聚體。由于微細(xì)顆粒比表面積較大且中和的過程中移動(dòng)緩慢，所以聚團(tuán)形成需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

凝聚劑分為陰離子型和陽離子型2種。在實(shí)際生產(chǎn)中，人們也將陽離子凝聚劑稱為陽離子絮凝劑。其實(shí)，絮凝劑與凝聚劑的作用機(jī)理是不同，因此這種說法也不確切。

由于大部分物質(zhì)的顆粒帶負(fù)電，因此工業(yè)上常用的多為陽離子型，可以分為以下幾類：無機(jī)鹽類，如，硫酸鋁、硫酸鋁鉀、硫酸鐵，氯化鐵等；金屬的氫氧化物，如，氫氧化鋁、氫氧化鐵、氫氧化鈣和生石灰等。另外，還有聚合無機(jī)鹽類，如，聚合鋁、聚合鐵等。聚合鋁包括聚合氯化鋁和聚合硫酸鋁［4］。

3 煤泥水藥劑的選擇研究

煤中固相物質(zhì)中除了含有有機(jī)質(zhì)煤之外，還含有大量的黏土礦物、氧化礦物及其他礦物。有機(jī)質(zhì)煤的細(xì)顆粒在整個(gè)固相顆粒組成中相對(duì)較粗，比較容易沉降。但是，黏土礦物易泥化，表面帶負(fù)電荷，彼此之間不能有效碰撞而結(jié)合成較大的絮團(tuán)。加之，顆粒粒徑越小，重力也變小，分子的布朗運(yùn)動(dòng)加劇，整個(gè)體系呈穩(wěn)定的懸濁狀態(tài)，造成煤泥水不容易沉降。這是煤泥水難沉降的主要原因之一。因此，有必要加入適量的絮凝和凝聚藥劑，來破壞這種穩(wěn)定的懸濁狀態(tài)，以加快煤泥水的沉降。

3.1 絮凝劑的選擇研究

目前，選煤廠煤泥水絮凝劑一般選用陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）。本次實(shí)驗(yàn)分別采用8 000 000、11 000 000和12 000 000 3種不同相對(duì)分子質(zhì)量的APAM對(duì)某選煤廠煤泥水進(jìn)行絮凝沉降研究，以考察不同相對(duì)分子質(zhì)量的APAM的絮凝效果。不同相對(duì)分子質(zhì)量的APAM用量（配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為千分之一的水溶液）與澄清界面初始沉降速度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同相對(duì)分子質(zhì)量的APAM沉降特性曲線

從圖1可以看出，3種情況下煤泥水的初始沉降速度都相對(duì)較快，且藥劑用量也較少，表明現(xiàn)階段該選煤廠煤質(zhì)狀況較好，泥化現(xiàn)象較輕，煤泥水有較好的沉降特性。就3種藥劑而言，高相對(duì)分子質(zhì)量的APAM沉降效果更好，不僅沉降速度快，藥劑用量少，而且形成的沉淀物比較密實(shí)，對(duì)后續(xù)脫水回收作業(yè)較為有利。但相對(duì)分子質(zhì)量過高會(huì)造成APAM溶解困難，且APAM分子吸附的固體顆?？臻g距離太遠(yuǎn)，反而會(huì)影響絮凝效果。通常情況下，APAM的相對(duì)分子質(zhì)量以6 000 000～12 000 000為宜。

3.2 凝聚劑的選擇研究

凝聚劑的主要作用機(jī)理是通過向煤泥水系統(tǒng)中加入一定量的無機(jī)電解質(zhì)，以壓縮顆粒表面的雙電層。選用目前常用的幾種凝聚劑（三氯化鐵，硫酸鋁鉀，硫酸鋁，氧化鈣）對(duì)某選煤廠煤泥水進(jìn)行了凝聚沉降研究，以考察各種藥劑的凝聚效果。不同凝聚劑用量（配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水溶液）與澄清界面初始沉降速度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 4種不同凝聚劑沉降特性曲線

從4種不同凝聚劑的沉降特性曲線中可以看出，對(duì)于選煤廠煤泥水，氧化鈣和三氯化鐵凝聚效果較好，硫酸鋁鉀和硫酸鋁凝聚效果較差。三氯化鐵的優(yōu)點(diǎn)在于用量較少；氧化鈣的優(yōu)點(diǎn)在于沉降速度快且價(jià)格低廉；而硫酸鋁用量較少，但沉降速度太慢；硫酸鋁鉀用量較大，且沉降速度緩慢。綜合來講，對(duì)于該選煤廠煤泥水，氧化鈣的效果最好，硫酸鋁鉀效果最差。

4 結(jié)論

1）絮凝劑和凝聚劑的種類與相對(duì)分子質(zhì)量、加藥量、煤泥水溶液的pH值、共存離子、懸浮顆粒粒度、溫度等會(huì)影響煤泥水絮凝和凝聚。

2）在正常情況下，隨著投加量的增加，絮凝和混凝效果增加。

3）凝聚劑與絮凝劑的配合使用是實(shí)現(xiàn)選煤廠洗水閉路循環(huán)的關(guān)鍵。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)高濃度（固體含量120g/L以上）與泥化現(xiàn)象嚴(yán)重的煤泥水，要更加重視凝聚劑的使用。凝聚劑與絮凝劑的配合使用，不僅降低了藥劑成本，而且能進(jìn)一步提高煤泥水的澄清效果。

4）通過添加絮凝劑和混凝劑處理煤泥水，操作簡(jiǎn)單，投資少，無需改造選煤廠，現(xiàn)有的設(shè)備和工藝可以同時(shí)提高煤泥水澄清的效果。不僅給選煤廠帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且創(chuàng)造了巨大的社會(huì)效益。

［1］ 中國(guó)礦業(yè)大學(xué).一種陽離子絮凝劑：中國(guó)，93110753［P］.1994-10-12.

［2］ 小田節(jié)子.凝聚劑及凝聚方法：中國(guó)，02802211.4［P］.2003-12-31.

［3］ 中國(guó)礦業(yè)大學(xué).一種礦物型凝聚劑處理循環(huán)水的方法：中國(guó)，96117146［P］.1998-05-06.

［4］ 謝廣元.選礦學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001：569-570.