混凝劑在選煤廠煤泥水處理中的應用及機理研究

張建成 劉利波

(神華準能集團有限公司選煤廠，內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，010300)

濕法選煤所產(chǎn)生的煤泥水中含有大量的煤泥顆粒，是煤礦的重要污染源之一，其中懸浮物濃度較高，而且顆粒表面帶有較強的負電荷，久置不沉，難于處理。多年來，選煤工作者始終將煤泥水的處理與回收利用作為礦山廢水處理的一個重點內容進行專項研究，目前我國的選煤技術水平完全能夠為各種類型的選煤廠提供成熟可靠的煤泥水處理全套技術和裝備，實現(xiàn)煤泥水閉路循環(huán)使用。但是在實際生產(chǎn)中，煤泥水處理系統(tǒng)投資和生產(chǎn)費用較大，而且煤和矸石泥化后產(chǎn)生的細泥使煤泥水粘度增大，不易絮凝沉淀，導致煤泥水濃度較高，影響整個系統(tǒng)的運作，不僅造成了資源的浪費，而且也給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

混凝沉淀法是煤泥水處理的常用方法之一，混凝沉淀法就是指煤泥水中添加某種混凝藥劑使煤泥水中的固體顆粒聚集成大的絮團后加速下沉的過程?；炷闹饕康氖菫榱烁淖兯姓惩梁图毦葢腋」腆w的存在性質和狀態(tài)，以利于后續(xù)工序的去除過程，由于混凝沉淀法可以經(jīng)濟有效地實現(xiàn)煤泥水的閉路循環(huán)，所以目前在選煤廠中得到了廣泛的應用。在混凝沉淀法處理煤泥水過程中，混凝劑是決定其效果的主要因素之一，因此本文針對不同的混凝劑，研究混凝劑及操作因素對煤泥水混凝沉降的效果的影響規(guī)律，探討煤泥混凝沉淀的機理。

1 試驗方法及材料

1.1 試驗藥劑

本試驗選用的混凝劑分別為氯化鈉(NaCl)、氯化鈣(CaCl2)和氯化鋁(AlCl3)。

絮凝劑采用陰離子型、陽離子型和非離子型聚丙烯酰胺(PAM)。PAM系列的水溶液以質量百分比為0.1%進行配制，步驟如下：稱取1 g的 PAM分析純試劑，在1000 mL的容量瓶中定容，攪拌均勻，充分溶解后即可，溶液現(xiàn)用現(xiàn)配。

采用現(xiàn)場采取的煤泥樣品，制成濃度為30 g/L的煤泥水，每份量取200 mL水樣進行煤泥水沉降試驗。

1.2 量筒沉降試驗

在500 mL的燒杯中加入200 mL煤泥水樣，再加入一定量的混凝劑和絮凝劑，用磁力攪拌器攪拌一定時間后，將煤泥水倒入量筒中，使其靜置，用秒表開始計時，測定不同時間的絮團沉降界面高度，在沉降過程基本結束后，從量筒上部20 mL處抽取澄清液測定其濁度。

1.3 濁度的測定

本試驗采用WGZ-200散射式濁度儀直接測定濁度，該儀器的測量原理為利用一束紅光激光穿過含有待測樣品的樣品池，光源為高發(fā)射強度紅外LED，一個檢測器接收散射光光量，另一個檢測器接收直透光光量。再同時進入比較電路，經(jīng)電處理將比較數(shù)值轉換成FTU(Formazinue Turbidity)值。

1.4 Zeta電位的測定

Zeta電位的數(shù)值正負和大小取決于固體表面屬性、介質屬性、固液界面的Stern 層和溶劑化層中離子的性質和濃度，可以反映煤表面性質的差異。煤表面和周圍介質形成雙電層所產(chǎn)生的Zeta電位不僅與介質的表面電性相關，還與煤表面的官能團特性相關，是煤表面微觀性質的宏觀表現(xiàn)。本試驗煤樣的Zeta電位采用 Malvern 公司生產(chǎn)的 Zetersizer Nano 進行測定。

2 試驗結果與討論

2.1 單一PAM用量條件試驗

采用自制濃度為30 g/L煤泥水，用500 mL量筒取上述水樣3份，PAM用量為30 mg/L，攪拌60 s后靜置觀察沉降效果。根據(jù)試驗結果計算得到，沉降60 min后陽離子型PAM可從選煤廢水中分離出清水52%，初始沉速v為0.667 mm/s；非離子型PAM可分離出清水49%，初始沉速v為0.633 mm/s；陰離子型PAM可分離出清水45%，初始沉速v為0.567 mm/s。加入不同離子類型的PAM的沉降上清液濁度見表1，不同種類PAM的混凝沉降曲線如圖1所示。

表1 加入不同離子類型的PAM的沉降上清液濁度結果

圖1 不同種類PAM的混凝沉降曲線圖

由表1和圖1可以看出，相同的分子量條件下PAM陽離子型處理效果最好，然后是非離子型，陰離子型最差。主要原因是選煤廢水中懸浮顆粒表面主要是帶有負電荷，陽離子型PAM，在吸附架橋的同時還能夠吸附電中和；陰離子型PAM只能中和帶正電荷的懸浮顆粒，在選煤廢水中只能起到吸附架橋作用，因此效果較差；非離子型PAM因自身不帶電荷，適用范圍較廣，對選煤廢水的絮凝沉降效果介于兩者之間。

根據(jù)上述試驗結果及理論分析，綜合考慮沉降效果與經(jīng)濟因素，最終選擇非離子型PAM作進一步研究。

2.2 PAM用量條件試驗

自制煤泥水的濃度為30 g/L，用500 mL量筒取上述水樣3份，PAM用量分為10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L和40 mg/L，攪拌60 s后將煤泥水倒入量筒中靜置觀察沉降效果，不同PAM投加量的沉降上清液濁度結果見表2，不同PAM投加量的混凝沉降曲線如圖2所示。

表2 不同PAM投加量的沉降上清液濁度結果

圖2 不同PAM投加量的混凝沉降曲線圖

由表2可以看出，當PAM投加量為40 mg/L時與30 mg/L的沉降效果差不多。最終選擇30 mg/L作進一步研究；由圖2可以看出，PAM投加量的增大使得沉降速度顯著提高，混凝過程30 min已基本完成沉降，PAM投加量越大，沉降速度越高，隨著投加量的增大，沉降速度增幅越小。

2.3 凝聚劑種類條件試驗

經(jīng)過PAM用量條件試驗，確定PAM用量為30 mg/L，凝聚劑選用2 g/L，加入不同種類凝聚劑的沉降上清液濁度結果見表3，不同種類凝聚劑的混凝沉降曲線如圖3所示。

表3 加入不同種類凝聚劑的沉降上清液濁度結果

由圖3可以看出，不同種類凝聚劑處理煤泥水效果的順序為AlCl3>CaCl2>NaCl，其中NaCl、CaCl2和AlCl3的加入都可以降低顆粒的表面電位，其中尤其是AlCl3可以迅速降低顆粒的表面電位并使之異號；PAM與凝聚劑聯(lián)用的效果要好于單獨使用PAM的效果，所以低表面電位的顆粒更易于絮凝處理；在相同投加劑量的條件下，與NaCl和CaCl2相比，AlCl3更能有效的降低Zeta電位，因此使用AlCl3時的處理效果遠好于使用NaCl和CaCl2的處理效果，但是AlCl3的價格要遠高于CaCl2的價格，因此根據(jù)上述試驗結果及理論分析，綜合考慮沉降效果與經(jīng)濟因素，混凝劑最后選擇CaCl2作進一步研究。

圖3 不同種類凝聚劑的混凝沉降曲線圖

2.4 凝聚劑用量條件試驗

PAM用量為30 mg/L，凝聚劑用量分別為1 g/L、2 g/L、3 g/L、4 g/L和5 g/L，不同CaCl2投加量的混凝沉降試驗指標如圖4所示。

圖4 不同CaCl2投加量的混凝沉降試驗指標圖

由圖4可以看出，煤泥水沉降后上清液的濁度隨著CaCl2投加量的增加先降低后增加，大約在CaCl2投加量為3 g/L時效果最好。說明合適劑量的凝聚劑對煤泥水的沉降有促進作用，當投加量過大的時候，反而不利于煤泥水的沉降。

2.5 絮凝劑PAM和混凝劑的投加順序條件試驗

當PAM投加量為30 mg/L，混凝劑CaCl2投加量為3 g/L時，不同加藥順序的混凝沉降曲線如圖5所示。

圖5 不同加藥順序的混凝沉降曲線圖

由試驗現(xiàn)象及圖5可以看出，從絮凝體形態(tài)來看，先投加PAM生成的絮體粒度較大，強度較高；先投加CaCl2再投放PAM可以提高初始沉速，而且泥面高度更低，煤泥和清水的分離效果更好，先投加CaCl2鈣離子可以中和煤泥表面的負電荷，減少了顆粒之間的排斥作用力，有助于顆粒相互聚集沉降，之后再投加PAM，借助PAM的橋架和網(wǎng)捕作用，加速顆粒的聚集沉降，因此實際應用時應先投加CaCl2，再投加PAM。

2.6 攪拌時間條件試驗

在500 mL的燒杯中加入200 mL煤泥水樣，先加入CaCl2，投加量為3 g/L，再開啟磁力攪拌器，攪拌時間分別為30 s、60 s、90 s和120 s，然后再加入PAM，投加量為30 mg/L，通過磁力攪拌器攪拌60 s攪拌后將煤泥水倒入量筒中，觀察沉降過程，投加CaCl2后不同攪拌時間的混凝沉降曲線如圖6所示。

圖6 投加CaCl2后不同攪拌時間的混凝沉降曲線圖

由試驗現(xiàn)象及圖6可以看出，投加CaCl2后的攪拌時間比投加PAM后的攪拌時間影響更大。如果攪拌時間太短會使藥劑混合不充分，沉降效果不佳，但是攪拌時間太長則會破壞已經(jīng)形成的絮體，同樣會影響混凝沉淀效果，因此選擇最佳攪拌時間為60 s。

3 機理分析

利用Zeta電位儀對煤泥水的電動電位進行了測試，得到CaCl2對煤泥水Zeta電位的影響結果，不同CaCl2投加量下煤泥水的Zeta電位如圖7所示。

圖7 不同CaCl2投加量下煤泥水的Zeta電位圖

由圖7可以看出，隨著CaCl2投加量的增加，煤泥水的Zeta電位從-33 mV增加到11 mV左右，在CaCl2投加量為3 g/L時，煤泥水的電動電位最接近零。這是因為帶有較強的負電荷膠粒之間會產(chǎn)生較強的靜電斥力，而Zeta電位的絕對值愈高，靜電斥力就愈大，膠體也愈穩(wěn)定。另外由于膠粒帶電，將極性水分子吸引到它的周圍形成一層水化膜， Zeta電位的絕對值愈高，水化膜的厚度也越大，水化膜能阻止膠粒間的相互接觸，提高了煤泥水的穩(wěn)定性。所以，膠體的穩(wěn)定性與Zeta電位之間存在著依存關系，Zeta電位絕對值越低越有利于顆粒的絮凝沉降。當Zeta電位接近為零時，是最有利于煤泥水沉降的，這與圖4的試驗結果一致，在CaCl2可以降低煤泥水的電動電位，在CaCl2投加量為3 g/L時，煤泥水的電動電位最接近零，此時煤泥水的沉降效果也最佳。

4 結論

(1)陰離子型、陽離子型與非離子型這3種PAM處理煤泥水的效果較好，陽離子型PAM澄清度與其他工種相比較好。

(2)PAM與混凝劑聯(lián)用處理煤泥水的效果明顯優(yōu)于單獨使用的處理效果，其中PAM與AlCl3聯(lián)用處理煤泥水的效果最好。

(3)先投CaCl2后投PAM生成的絮體粒度較大，強度較高，不僅提高了初始沉速，而且分離出的清水更多。

(4)最佳混凝沉淀的條件為先投加PAM后投CaCl2，PAM最佳用量為30 mg/L，混凝劑CaCl2投加量為3 g/L，最佳攪拌時間為60 s。

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