高濃度煤泥水的沉降

邢 家 寧，　邢 春 永，　孟 繁 生

( 1.鐵嶺東興水處理劑有限公司， 遼寧 鐵嶺　112001；2.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院 環(huán)境與生態(tài)系， 遼寧 丹東　118008 )

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高濃度煤泥水的沉降

邢 家 寧1，邢 春 永1，孟 繁 生2

( 1.鐵嶺東興水處理劑有限公司， 遼寧 鐵嶺112001；2.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院 環(huán)境與生態(tài)系， 遼寧 丹東118008 )

摘要:采用CaCl2、陽離子淀粉為絮凝劑，以聚丙烯酰胺為助凝劑，選取某選煤廠煤泥水樣值懸浮固體(SS)69.1 g/L、pH 7.8、黏度0.042 Pa·s、溶解性固體0.92 g/L、濁度54 000 NTU的高濃度煤泥水進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)研究。通過3種物質(zhì)的水溶液在煤泥水中與煤泥微粒的共同作用，使微粒絮凝沉降，煤泥水得到澄清。結(jié)果證明，在每立方米煤泥水中加入CaCl2 80 g、陽離子淀粉15 g及聚丙烯酰胺助凝劑12 g，選取正確的工藝方法便可得到濁度小于30 NTU的凈化煤泥水。

關(guān)鍵詞:煤泥水；混凝劑；濁度

0引言

煤泥水系統(tǒng)是選煤廠實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)，確保清水洗煤的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高泥質(zhì)原煤洗選所產(chǎn)生的煤泥水懸浮物濃度高、顆粒細(xì)小，表面帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷，是一種穩(wěn)定的膠體形態(tài)，難以處理。目前，在生產(chǎn)實(shí)踐中，添加絮凝劑或凝聚劑是最主要、最有效的技術(shù)措施，其中試劑種類及用量多少與煤泥水的性質(zhì)有密切關(guān)系。本文對(duì)高濃度煤泥水進(jìn)行處理，采用了氯化鈣、陽離子淀粉和聚丙烯酰胺(PAM)混配，得到了較好的處理效果。

1試驗(yàn)

1.1煤泥水

選取某選煤廠高濃度煤泥水樣進(jìn)行試驗(yàn)，煤泥水主要性質(zhì)：懸浮固體(SS)69.1 g/L，pH 7.8，黏度0.042 Pa·s，溶解性固體0.92 g/L，濁度54 000 NTU。

煤泥水的顆粒粒度分布如表1所示。由煤泥水性質(zhì)和表1可知，廠煤泥水樣品中SS、濁度等數(shù)值都很高，是典型的高濃度煤泥水，同時(shí)粒度小于0.045 mm的細(xì)粒煤泥占52%，需要借助化學(xué)藥劑才能實(shí)現(xiàn)良好的沉降效果。

表1　煤泥水中顆粒的粒度分布

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)原理

煤泥水除了含有煤的微粒之外，還含有大量的黏土礦物及少量的方解石、滑石、白云石等氧化物，氯化物，碳酸鹽和硫酸鹽礦物，難以自身沉降，需使用化學(xué)藥劑進(jìn)行混凝并沉降。

混凝的作用機(jī)理是凝聚和絮凝[1]。凝聚是克服微粒間的靜電排斥力，由范德華力引起微粒相互聚結(jié)變大的過程，而絮凝是使微粒進(jìn)一步聚結(jié)變大。通過選擇合適的絮凝劑，使煤泥水中的各種顆粒脫穩(wěn)，然后聚集在一起。當(dāng)顆粒聚集使體積達(dá)到一定程度時(shí)，便從水中沉降并實(shí)現(xiàn)固液兩相的分離。

1.2.2混凝劑的選擇

在煤泥水的沉降實(shí)驗(yàn)研究中可使用的藥劑很多[2]，常用的無機(jī)混凝劑有明礬、硫酸鋁、氯化鈣、聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁等，通常無機(jī)混凝劑分子量較小，水中溶解快。有機(jī)高分子化合物混凝劑分為合成和天然高分子混凝劑，常用的有聚丙烯酰胺、變性淀粉、聚環(huán)氧乙烷等，與無機(jī)混凝劑比較，其分子質(zhì)量大，溶解速度慢，價(jià)格比較高。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性原則并按照離子平衡原則，采用氯化鈣、陽離子淀粉、聚丙烯酰胺3種試劑進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)。

陽離子淀粉，山東桓臺(tái)縣錦湖變性淀粉廠；無水氯化鈣，工業(yè)級(jí)；聚丙烯酰胺，化學(xué)純。

1.2.3絮凝劑水溶液的配制方法

氯化鈣溶液：10%氯化鈣水溶液。

陽離子淀粉溶液：取1份陽離子淀粉，加入19份去離子水，攪拌均勻，加熱至90～95 ℃至完全糊化為止，冷卻后即得到5%的陽離子淀粉糊。

PAM溶液：100 mL去離子水，在不斷攪拌條件下流加0.1 g PAM干粉，待顆粒完全溶解為止，得到0.1%的聚丙烯酰胺溶液。

1.2.4絮凝試驗(yàn)與濁度的檢測(cè)

將攪拌均勻的煤泥水取樣500 mL，置于1 000 mL 燒杯中，加入事先計(jì)算好的絮凝劑溶液，攪拌2 min，然后沉降10 min，取上清液，按文獻(xiàn)[3]水中濁度的測(cè)定，使用722分光光度計(jì)測(cè)定煤泥水上清液的濁度，得到數(shù)據(jù)(NTU)。

2結(jié)果與討論

2.1氯化鈣與陽離子淀粉

煤泥水是懸浮液、電解質(zhì)和膠體組成的混合物質(zhì)，懸浮物主要是細(xì)小的煤粒和黏土類微粒。這些微粒在水中懸浮使水體的透光度減弱，是高濁度的根源。

一般認(rèn)為，水質(zhì)硬度(即Ca2+或Mg2+的濃度)是影響煤泥水沉降特性的一個(gè)關(guān)鍵因素[1]。水質(zhì)硬度越低，煤泥水越難澄清。原因是煤泥水中含有大量的SiO2和Al2O3，這兩種物質(zhì)在水溶液中形成帶負(fù)電荷的膠體，在水中形成一層水化膜，能阻止顆粒與顆粒的接觸，從而形成穩(wěn)定的膠體形態(tài)[4]，難以自身沉降。煤泥水中難澄清的物質(zhì)是高濃度的細(xì)顆粒，主要是黏土顆粒。按照雙電層模型[5]，Ca2+或Mg2+能夠吸附在晶格的表面，使得黏土顆粒聚集，煤泥水可以得到一定程度的澄清。

從另一個(gè)角度來看，高濃度煤泥水的電導(dǎo)率比較低[6]，說明煤泥水溶液中總的離子強(qiáng)度不是很高。難沉降細(xì)粒煤泥水是一個(gè)比較穩(wěn)定的膠體體系，煤泥顆粒表面帶有負(fù)電荷，阻止了煤泥顆粒間的相互碰撞而聚集，從而使得煤泥水不易沉降。

向煤泥水中投加帶有陽離子Ca2+的CaCl2和陽離子淀粉后，由于提供了帶正電的物質(zhì)，壓縮了帶負(fù)電荷的膠體的雙電層，減小了相同固體顆粒之間的相互排斥作用，破壞了膠體的穩(wěn)定性，使煤泥顆粒發(fā)生了凝聚。

如果是粗顆粒含量多的煤泥水，只要單獨(dú)加入一種試劑就可以保證煤泥水達(dá)到閉路循環(huán)的要求。但是從表2看出，單獨(dú)使用CaCl2或單獨(dú)使用陽離子淀粉時(shí)，煤泥水的濁度都有一個(gè)大幅度的下降，但絮凝效果仍不夠理想，當(dāng)把兩種絮凝劑混合使用時(shí)，其混合液對(duì)煤泥水的處理有一定的優(yōu)勢(shì)。選擇每立方米煤泥水加入CaCl280 g和陽離子淀粉15 g可以得到濁度較低的煤泥水，效果良好。

表2　不同試劑添加量對(duì)煤泥水的絮凝效果

2.2聚丙烯酰胺的影響

在高濃度煤泥水的處理中，當(dāng)單獨(dú)使用聚丙烯酰胺時(shí)，絮凝沉降速度快，但上清液的濁度仍然很高。原因是聚丙烯酰胺分子鏈雖然較長(zhǎng)，而僅通過吸附煤泥微粒達(dá)到絮凝的效果畢竟有限。本文研究是在使用固定比例的CaCl2和陽離子淀粉的前提下，選擇聚丙烯酰胺作為助凝劑，以達(dá)到更好的混凝效果[7]。

使用高分子絮凝劑作為助凝劑的機(jī)理，目前較為公認(rèn)的是吸附架橋機(jī)理。在助凝劑加入煤泥水之前，氯化鈣和陽離子淀粉已經(jīng)與煤泥微粒進(jìn)行作用，使得微粒凝結(jié)成細(xì)小的絮體。當(dāng)助凝劑聚丙烯酰胺投加于煤泥水中之后，助凝劑分子和細(xì)小的絮體相接觸，其分子鏈上的活性基團(tuán)與細(xì)粒絮體產(chǎn)生吸附作用，通過這些長(zhǎng)鏈分子把很多個(gè)絮體顆粒連在一起，產(chǎn)生架橋作用，并進(jìn)一步結(jié)合成大的絮團(tuán)。較大的絮團(tuán)在重力作用下從水中沉淀出來，達(dá)到了澄清的目的。

不同添加量的聚丙烯酰胺對(duì)煤泥水的沉降影響如圖1所示。

圖1　PAM加入量對(duì)煤泥水的影響

從圖1可以看出，加入適當(dāng)?shù)腜AM后，煤泥水的濁度是逐漸降低后趨于平穩(wěn)，有明顯的效果。

PAM的加入量與煤泥水的性質(zhì)有關(guān)，過多的加入不能進(jìn)一步降低濁度，反而會(huì)使?jié)岫然厣蚴沁^量的PAM對(duì)煤泥顆粒起到了一定的分散作用，不利于煤泥顆粒的沉降。

單從數(shù)據(jù)來看，PAM的加入使?jié)岫冉档偷姆炔⒉淮?，然而混凝現(xiàn)象看，加入PAM之后，煤泥水中的絮團(tuán)明顯增大，沉降速度加快，說明PAM是很好的混凝助劑。

2.3試劑添加順序

因?yàn)榧?xì)粒煤泥表面帶有負(fù)電，顆粒之間存在靜電斥力，故應(yīng)先加帶有正電荷的凝聚劑以中和其表面負(fù)電荷，使顆粒與顆粒之間可以相互靠近，形成細(xì)粒絮體；之后再加入助凝劑。使其分子結(jié)構(gòu)中的活性基團(tuán)與顆粒發(fā)生作用，形成絮團(tuán)。按照這種順序，可使生成的固體沉淀物相對(duì)比較密實(shí)，對(duì)后續(xù)壓濾處理有利。如果試劑添加順序相反，PAM先與細(xì)粒煤泥作用，將不能得到好的絮凝效果。

合理的操作方法是，將絮凝劑氯化鈣溶液和陽離子淀粉溶液混合后，加入煤泥水中，攪拌2 min，待其混合溶解后再加入聚丙烯酰胺水溶液，繼續(xù)攪拌2 min，然后沉降10 min，便得到凈化的可以循環(huán)使用的清潔煤泥水。

3結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn)使用氯化鈣、陽離子淀粉的混合溶液與聚丙烯酰胺水溶液混配使用，對(duì)處理高濃度煤泥水有比較好的混凝和沉降效果，高濃度煤泥水中三者的合適加入量分別為80、15和12 g/m3。

在處理高濃度煤泥水的操作過程中，混凝操作的步驟是先加入氯化鈣和陽離子淀粉，后加入聚丙烯酰胺。

參考文獻(xiàn):

[1] 馬永梅.煤泥水處理方法的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007,35(5):80-83.

[2] 張明青,曾艷,劉炯天.選煤廠煤泥水澄清處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].能源環(huán)境保護(hù),2010,24(1):16-19.

[3] 崔執(zhí)應(yīng).水分析化學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2006.

[4] 紀(jì)鴻,劉文麗,管大元,等.煤泥水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀探析[J].煤質(zhì)技術(shù),2013(5):63-66.

[5] 劉炯天,張明青,張淑娟,等.煤泥水的沉降特性與水質(zhì)硬度[EB/OL].[2014-03-10].http://xueshu.baidu.com/s?wd=paperuri%3A%28ab4012ac-487d56f6a127744b4212e88d%29&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshusource_2kduw22v&sc_vurl=http%3A%2F%2Fd.wanfangdata.com.cn%2FConference%2F7355931&ie=utf-8.

[6] 胡曉東.難沉降煤泥水性質(zhì)研究[J].能源技術(shù)與管理,2009(2):89-90.

[7] 方立春.絮凝劑在難凈化煤泥水中的應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化,2006,71(2):49.

Settlement of high concentration coal slurry

XINGJianing1,XINGChunyong1,MENGFansheng2

( 1.Tieling Dongxing Water Treatment Agent Company Limited, Tieling 112001, China；2.Department of Environment and Ecology, Liaoning Geology Engineering Vocational College, Dandong 118008, China )

Abstract:High concentration of coal water slurry was studied using CaCl2 and cationic starch as flocculant and polyacrylamide as coagulant. The condition in sedimentation experiment of slurry coal was as follows: slurry value of suspended solids (SS) 69.1 g/L, pH 7.8, viscosity 0.042 Pa·s, dissolved solids 0.92 g/L, turbidity 54 000 NTU. The interaction of coal water slurry with slime particle in three kinds of material was made for particle flocculation sedimentation and the coal water slurry was clarified. Results showed that the turbidity of coal water slurry could be lowed less than 30 (NTU) when 80 g CaCl2 15 g cationic starch and 12 g polyacrylamide flocculant were added in one cubic meter of coal water slurry.

Key words:coal water slurry; coagulant; turbidity

中圖分類號(hào):TD926

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡(jiǎn)介:邢家寧(1990-)，男;通信作者：孟繁生(1961-),男，教授.

收稿日期:2014-10-17.

文章編號(hào):1674-1404(2016)02-0101-03