磁處理強(qiáng)化煤泥水絮凝沉降的實驗研究

李桂春，　莊國鋒，　呂玉庭

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

?

磁處理強(qiáng)化煤泥水絮凝沉降的實驗研究

李桂春，莊國鋒，呂玉庭

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為了提高煤泥水的絮凝沉降效果，首先對煤泥水進(jìn)行磁場預(yù)處理，再進(jìn)行絮凝沉降實驗，分析澄清區(qū)高度和清液濁度的變化。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，煤泥水的沉降效果隨著磁場強(qiáng)度的增大、磁處理時間的增長而提高；當(dāng)HPAM用量1.5 mL、磁場強(qiáng)度200 mT、磁處理時間30 min時，澄清區(qū)的高度最大，清液的濁度最小。磁場對煤泥水的絮凝沉降起著一定的強(qiáng)化作用，該研究為煤泥水處理工藝的改進(jìn)提供了參考。

煤泥水； 絮凝沉降； 磁處理； 濁度

0　引　言

煤泥水處理系統(tǒng)在選煤廠生產(chǎn)過程中有著十分重要的作用，是降低洗水濃度、實現(xiàn)洗水閉路循環(huán)的關(guān)鍵。煤泥水處理效果不但直接影響選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益，而且對保護(hù)礦區(qū)環(huán)境和節(jié)約水資源也有著重要意義。

煤泥水是由懸浮液、電解質(zhì)和膠體組成的混合物，屬于固體顆粒粒度組成不一的多分散系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的煤泥水處理工藝主要通過添加絮凝劑使煤泥水中的微粒凝聚成團(tuán)，最終形成較大的顆粒，從而加速煤泥水的沉降，但是這種絮凝處理工藝用藥量大、處理效率低、處理成本較高、易造成藥劑的二次污染[2，3]，因此，亟待開發(fā)新的處理工藝。磁處理在污水處理領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，相關(guān)研究表明，磁處理可以使水系統(tǒng)發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，導(dǎo)致水的折射率、導(dǎo)電率、介電常數(shù)、表面張力、黏度等發(fā)生一定的改變，也可以對溶解、結(jié)晶、聚合、潤濕、凝聚、凝固、沉淀過程及生物系統(tǒng)的代謝過程產(chǎn)生一定的影響[4]。研究發(fā)現(xiàn)，磁處理對煤泥水的絮凝沉降效果有一定的積極作用[5-7]。筆者通過煤泥水絮凝沉降實驗探究磁處理對煤泥水沉降效果的強(qiáng)化作用。

1　實　驗

1.1樣品與試劑

煤泥樣品：來源于七臺河鐵東選煤廠，配制煤泥水的質(zhì)量濃度為50 g/L。

試劑：陰離子型聚丙烯酰胺(HPAM)，其相對分子量為1 200萬，配置溶液的質(zhì)量濃度為1 g/L。

1.2儀器與設(shè)備

實驗儀器設(shè)備：沉降容器，自制的有機(jī)玻璃立方柱，其高度為300 mm，容器壁厚度為5 mm，容積為250 mL，側(cè)面標(biāo)有刻度；濁度計，北京戴美科技有限公司W(wǎng)Q770-B型；數(shù)字特斯拉計，韋特磁電科技有限公司W(wǎng)T10A型；電動攪拌器，常州智博瑞儀器制造有限公司JJ-1型；激光粒度分析儀，法國塞萊斯公司L1064型。

實驗裝置如圖1所示。

圖1　外加磁場的沉降容器

1.3方法

1.3.1煤泥水配制

稱取煤泥樣品1 000 g，添加2 L自來水，使用電動攪拌器攪拌2 h，使煤泥水達(dá)到均勻穩(wěn)定的狀態(tài)，用烘干法測得煤泥水的質(zhì)量濃度，再通過加水稀釋，將煤泥水的濃度調(diào)配至50 g/L。

1.3.2煤泥水絮凝沉降實驗

按照GB/T 18712—2002《選煤用絮凝劑性能實驗方法》進(jìn)行煤泥水絮凝沉降實驗。進(jìn)行磁處理時，首先將永磁鐵均勻?qū)ΨQ地放置在沉降容器地兩側(cè)，然后將煤泥水添加至沉降容器之中，經(jīng)過一段時間的磁處理，最后添加HPAM進(jìn)行絮凝沉降實驗。

1.3.3磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)與指標(biāo)分析方法

磁場強(qiáng)度的大小主要通過更換永磁鐵和調(diào)節(jié)永磁鐵之間的距離來實現(xiàn)。煤泥水絮凝沉降速度變化主要通過澄清區(qū)的高度變化來分析，煤泥水絮凝沉降600 s后，檢測澄清區(qū)的最終高度H和澄清區(qū)清液的濁度TU分析絮凝沉降的最終效果。

2　結(jié)果與分析

2.1煤泥樣品的工業(yè)分析與粒度特性

對煤泥樣品進(jìn)行工業(yè)分析和粒度檢測，結(jié)果見表1。

表1　煤泥樣品的工業(yè)分析

由表1可知，實驗選用的煤泥樣品灰分較高。高灰煤泥通常含有大量的易泥化黏土類礦物，這些礦物容易在水中吸水膨脹，進(jìn)而泥化成更細(xì)小的微粒，這就導(dǎo)致煤泥的粒度組成、黏度特性以及水質(zhì)特征發(fā)生改變，難以沉降[8]。

通過激光粒度分析儀對煤泥樣品進(jìn)行粒度分析，結(jié)果顯示，煤泥樣品粒度小于1.98 μm的煤粒累計含量為10%，粒度小于28.24 μm的煤粒累計含量為50%，而粒度低于185.34 μm累計含量為90%。由于微細(xì)顆粒的含量較高，使得煤泥水中微粒的布朗運(yùn)動更加劇烈，進(jìn)而增強(qiáng)了煤泥水的穩(wěn)定性[9]。

2.2絮凝劑用量對煤泥水沉降效果的影響

在不進(jìn)行磁處理的情況下，分別取0.5、1.0、1.5、2 .0和2.5 mL 質(zhì)量濃度為1 g/L的HPAM進(jìn)行煤泥水的絮凝沉降實驗，以確定HPAM的最佳用量。由于煤泥水絮凝沉降100 s之后，絮凝沉降過程基本完成，而且后續(xù)的沉降速度會變得非常緩慢，所以，只繪制前100 s的沉降曲線，如圖2所示。在煤泥水沉降600 s后檢測澄清區(qū)高度及上清液的濁度，結(jié)果如表2所示。

圖2　不同HPAM用量的沉降曲線

HPAM用量/mLH/mmTU/NTU0.5235173.01.0236166.01.5237131.42.0237142.52.5236146.0

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，在絮凝沉降進(jìn)行的前20 s，添加1.0 mL HPAM的煤泥水的沉降速度較快，但在20 s之后，隨著HPAM用量的增大，煤泥水沉降速度逐漸加快。通過表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，添加1.5 mL HPAM的煤泥水，在絮凝沉降600 s后，澄清區(qū)高度達(dá)到237 mm，上層清液的濁度降低到131.4 NTU，取得了最佳的沉降效果。

由DLVO理論可知，HPAM的添加可以壓縮微粒的雙電層，減小靜電斥力，破壞煤泥水的穩(wěn)定性，隨著煤泥水中的微細(xì)顆粒凝聚成團(tuán)，煤泥水的沉降速度開始加快[10]。絮凝劑用量繼續(xù)增加，就會使部分帶有相同電荷的絮團(tuán)和絮凝劑重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致泥水的沉降效果變差[11]。由表2可以發(fā)現(xiàn)，HPAM添用量為1.5 mL時，既可以保證煤泥水有較快沉降速度又能保證澄清區(qū)清液的濁度最低，因此，HPAM最佳用量為1.5 mL。

2.3磁場強(qiáng)度對煤泥水沉降效果的影響

在添加絮凝劑之前，分別采用10、50、100、150和200 mT的磁場強(qiáng)度對煤泥水進(jìn)行10 min的磁處理，然后再添加1.5 mL HPAM，對磁處理之后的煤泥水進(jìn)行絮凝沉降實驗。其前100 s的沉降曲線如圖3所示。煤泥水沉降600 s后的澄清區(qū)高度及上清液濁度如表3所示。

圖3　不同磁場強(qiáng)度的沉降曲線

Table 3Changes of turbidity with different magnetic intensity

B/mTH/mmTU/NTU10179121.650197118.1100220104.715023398.220024189.6

由圖3和表3可以發(fā)現(xiàn)，在添加絮凝劑20 s之后，五組煤泥水的絮凝沉降速度均顯著加快，其中，采用200 mT磁場進(jìn)行預(yù)處理的煤泥水，絮凝沉降 40 s內(nèi)澄清區(qū)的高度就達(dá)到了225 mm，且在600 s之后澄清區(qū)清液的濁度也降低到89.6 NTU，此時，磁處理的煤泥水取得了最佳的沉降效果。

這主要是由于磁處理能夠?qū)γ耗嗨械墓腆w微粒起到一定的震蕩攪拌作用，煤泥水中的固體微粒按照一定的頻率震蕩起來，在震蕩過程中擺脫水分子的束縛，從而降低了固體顆粒表面的水合程度和電動勢[12]。震蕩過程還降低了微粒表面的部分電荷，從而降低了微粒之間的斥力，所以經(jīng)過磁場預(yù)處理之后的煤泥水就更易于微粒之間絮凝成團(tuán)，隨著磁場強(qiáng)度的繼續(xù)增加，這種震蕩作用就變得更加強(qiáng)烈，也就促進(jìn)了煤泥水的絮凝沉降。

2.4磁處理時間對煤泥水沉降效果的影響

將煤泥水在200 mT的磁場之下分別預(yù)處理10、20、30、60和90 min，然后再添加1.5 mL HPAM，進(jìn)行絮凝沉降實驗。其前100 s的沉降曲線如圖4所示。煤泥水沉降600 s后澄清區(qū)高度及上清液的濁度如表4所示。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著磁處理時間t1的增長，煤泥水的沉降速度逐漸加快，磁處理30 min的煤泥水的絮凝沉降速度最快，磁處理時間繼續(xù)增加反而會降低煤泥水的絮凝沉降速度。在絮凝沉降40 s之后，澄清區(qū)高度均超過了200 mm。由表4中可以發(fā)現(xiàn)，絮凝沉降600 s之后，五組煤泥水的濁度均達(dá)到了90 NTU以下，其中，磁場預(yù)處理30 min的煤泥水的濁度最低，達(dá)到了77.6 NTU，取得了最佳的絮凝沉降效果。

圖4　不同磁處理時間的沉降曲線

Table 4Changes of turbidity with different magnetic treating time

t1/minH/mmTU/NTU1024289.62024383.23024477.66024479.29024380.7

隨著磁化時間的增加，煤泥水中微粒的水合程度逐漸降低，這就使得微粒表面形成的水化膜遭到破壞，從而增加了微粒之間絮凝成團(tuán)的幾率。隨著絮凝體體積和數(shù)量的不斷增加煤泥水底層沉積物的密實度逐漸增加，重力作用將絮團(tuán)之間的水分子進(jìn)一步擠出，從而使上清液的高度緩慢增加[11]。磁場對煤泥水的處理可以產(chǎn)生磁化能，磁化能會消弱分子間的內(nèi)聚力，降低水的黏度，從而增加煤泥水的絮凝沉降速度。但是，磁場的處理時間過長，將會產(chǎn)生磁能共振，磁能共振的能量會造成水中懸浮物以及其他粒子的分子鍵斷裂，從而形成更多的膠體物質(zhì)，使膠體產(chǎn)生Tyndall效應(yīng)，這就在降低沉降速度的同時又阻礙了澄清區(qū)清液濁度的降低[13]。

3　結(jié)　論

(1)隨著磁場強(qiáng)度的逐漸增大煤泥水的澄清區(qū)高度逐漸增大，澄清區(qū)清液的濁度也隨之降低。

(2)當(dāng)磁場強(qiáng)度一定時，隨著對煤泥水磁處理時間的增長，煤泥水的沉降速度顯著加快，在磁處理時間為30 min時煤泥水的絮凝沉降效果最好。當(dāng)磁處理時間繼續(xù)增加時，煤泥水的沉降速度減慢，澄清區(qū)清液濁度降低緩慢。

(3)當(dāng)HPAM用量1.5 mL、磁場強(qiáng)度200 mT、磁處理時間30 min時，煤泥水絮凝沉降速度最快，絮凝沉降600 s后澄清區(qū)清液的濁度降至77.6 NTU。

(4)實驗研究證明，磁處理對煤泥水的絮凝沉降起到了明顯的強(qiáng)化作用。

[1]馬正先, 佟明煜, 樸正武. pH對煤泥水絮凝沉降的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2010, 4(3): 487-491.

[2]王淑貞, 肖亞珍, 繆旭光. 混凝技術(shù)在實際應(yīng)用中常遇到的問題及對策[J]. 煤礦環(huán)境保護(hù), 2000, 14(4): 51-54.

[3]王海鄰, 賀玉曉. 礦井水資源化混凝試驗研究[J]. 河南化工, 2006, 23(9): 13-14, 25.

[4]朱元保, 顏流水, 曹祉祥, 等. 磁化水的物理化學(xué)性能[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報, 1999, 26(1): 21-25.

[5]呂玉庭, 趙麗穎, 石啟磊. 磁場對煤泥水絮凝沉降效果的研究[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報， 2013, 23(5): 424-426.

[6]呂玉庭, 趙麗穎, 楊強(qiáng). 磁種絮凝對煤泥水沉降效果的影響[J]. 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報, 2014, 24(2): 153-156.

[7]李哲, 劉鳳娟. 磁場強(qiáng)化混凝處理礦井水[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報, 2012, 22(6): 581-583.

[8]劉亮. 影響煤泥水沉降的因素分析[J]. 煤炭加工與綜合利用, 2013(S1): 20-24.

[9]馮莉, 劉炯天, 張明清. 煤泥水沉降特性的影響因素分析[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010, 39(5): 671-674.

[10]孫華峰. DLVO理論在煤泥水絮凝機(jī)理中的應(yīng)用分析[J]. 選煤技術(shù), 2013, 2(1): 39-41.

[11]韓梅, 張萍. 混凝劑在廢水處理中的應(yīng)用[J]. 黑龍江環(huán)境通報, 1999, 23(2): 41-43.

[12]宛鶴, 何廷樹, 謝建宏, 等. 磁處理技術(shù)在礦物加工中的應(yīng)用[J]. 黃金, 2011(1): 53-55.

[13]趙志強(qiáng). 煤泥水的磁處理[J]. 選煤技術(shù), 1999, 8(4): 13-14.

(編輯荀海鑫)

Study on flocculating sedimentation of slim water treated by magnetic field

LIGuichun,ZHUANGGuofeng,LüYuting

(School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper highlights an experimental research intended to improve the flocculation settling effect of coal slurry. This improvement study begins with magnetic field pretreatment of coal slurry, followed by flocculation sedimentation tests designed to probe the changes in height of the clarification zone and the turbidity of the supernatant liquor. The study finds that, within a certain range, a better flocculating sedimentation performance results from a greater magnetic intensity and a longer treating time; a 30 minute treatment of the slim water using magnetic field strength 200 mT and HPAM dosage 1.5 mL affords a maximum height of the clarification zone and a minimum supernatant turbidity; and the magnetic treatment contributes to improving the flocculating sedimentation. The study may provide a reference for an improved slime water treatment.

slime water; flocculating sedimentation; magnetic treatment; turbidity

2015-12-16

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541692)

李桂春(1962-)，男，遼寧省北票人，教授，博士，研究方向：煤炭加工和金屬分選，E-mail:liguichun2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.009

TD94

2095-7262(2016)01-0036-04

A