煤泥對SAF的吸附特性及其對煤泥漿性能的影響

鄧業(yè)新 李寒旭 胡 俠 胡 洋

(安徽理工大學化學工程學院，安徽省淮南市，232000)

為了保護環(huán)境，我國近年來不斷加大原煤的入洗率，到2020年煤泥的產(chǎn)量將達到3億t左右。由于煤泥具有灰分高、水份高和熱值低的缺點，洗選出的煤泥很難得到工業(yè)應(yīng)用，造成了大量的資源浪費，因此如何將煤泥變廢為寶對節(jié)約資源有著重要的意義。摻混煤泥制漿用于氣化和燃燒是解決煤泥資源化、無害化利用的途徑之一，不僅利用了煤泥中的熱值，而且降低了煤炭消耗，增加了企業(yè)效益。

目前，關(guān)于摻混煤泥對水煤漿漿體性能影響的研究較少，已有專家研究發(fā)現(xiàn)聚羧酸分散劑和煤泥的表面結(jié)構(gòu)官能團相似，且聚羧酸SAF分散劑對煤泥漿體的性能改善更佳；還有專家的研究結(jié)果表明，神華煤摻混煤泥后，大顆粒煤樣由于吸附了較多的煤泥，其Zeta電位絕對值增加，漿體穩(wěn)定性增強，摻混的煤泥填充了煤樣顆粒的空隙，阻止了大顆粒煤樣的沉降。

現(xiàn)有研究表明，煤泥中礦物質(zhì)含量較高，由于礦物質(zhì)密度較大，煤泥在漿體中會迅速沉淀，使?jié){體的成漿性能變差。煤泥所含的礦物質(zhì)較多為黏土礦物，而黏土礦物對成漿體系中的水份和分散劑有不同程度的吸附能力，進而影響漿體的性能。摻混煤泥對漿體性能的改變，根源在于煤泥改變了煤樣與分散劑、水分三者之間的相互作用的程度。因此，本文通過試驗原料對SAF分散劑的吸附試驗，探討了煤泥和煤樣對分散劑的吸附性能，研究了煤泥摻混量對整個漿體體系的影響，對煤泥水煤漿的成漿機理研究具有一定的指導意義。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

煤泥選自選煤廠的真空脫水棗莊煤泥，選取成漿濃度較高、穩(wěn)定性較差的陜西省榆林市朱家卯煤樣作為試驗用煤，樣品的基礎(chǔ)分析見表1(棗莊煤泥簡稱ZZ，朱家卯煤樣簡稱ZJM)。

表1 樣品的基礎(chǔ)分析

1.2 ZZ煤泥的礦物組成和紅外光譜分析及

煤泥的FTIR譜圖采用Nicolet 380傅立葉變換紅外光譜儀進行測定，將煤泥經(jīng)研缽研磨過后，過200目篩子后進行壓片制樣，采用XD-3型 X射線衍射儀，利用K值法對煤泥中的礦物組成進行分析。

1.3 對分散劑SAF的吸附試驗

將樣品和不同質(zhì)量濃度的SAF分散劑溶液加入250 mL的錐形瓶中，用塞子封閉后置于SHA-BA型恒溫水浴振蕩器(20℃)在150次/min下震蕩6 h至吸附平衡，取離心后的上清溶液用日本島津公司生產(chǎn)的UV-2700紫外分光光度計測定其SAF的吸光度A，根據(jù)不同濃度SAF的擬合公式C=0.01547A-0.05424(R2=0.9992)，計算出上清液中SAF的質(zhì)量濃度C。

1.4 ZZ煤泥水煤漿的制備及漿體Zeta電位的測定

本試驗采用干法制漿制備煤泥水煤漿，選用與高灰煤泥成漿性更好的SAF分散劑作為添加劑，稱取定量的SAF和去離子水倒入燒杯中，加入煤泥和煤樣，在1500 r/min下攪拌7 min制得煤泥水煤漿。取少量制得的漿體于10 mL的去離子水燒杯中，采用JS94H型微電泳儀測定稀釋后漿體的Zeta電位值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 煤泥的礦物組成分析

ZZ煤泥的XRD譜圖如圖1所示。

圖1 ZZ煤泥的XRD譜圖分析

由圖1可以看出，煤泥中礦物質(zhì)有高嶺石、石英石和石灰石，根據(jù)各礦物的衍射峰強度可知，ZZ煤泥中礦物質(zhì)含量高低順序是石英石>高嶺石>石灰石。曾有專家對高嶺石和石灰石對漿體性能的影響進行了研究，結(jié)果表明高嶺石和石灰石的添加均增強了漿體的穩(wěn)定性。

2.2 ZZ煤泥的紅外光譜分析

ZZ煤泥的FTIR譜圖如圖2所示。

由圖2可以看出，煤泥表面存在著大量親水集團，即羥基吸收峰，波長為3800～3100 cm-1的吸收峰最寬，為酚類羥基振動峰；波長為2800～3100 cm-1是羧酸類羥基伸縮振動峰；波長為960～1260 cm-1是醇羥基伸縮振動峰。ZZ表面的羥基官能團含量越多，對分散劑和水份的締合能力就越強。

圖2 ZZ煤泥的紅外光譜分析

2.3 SAF的濃度對吸附性能的影響

不同濃度的SAF在ZZ煤泥和ZJM煤樣表面的吸附等溫曲線如圖3所示。

圖3 不同濃度的SAF在ZZ煤泥和ZJM煤樣表面的吸附等溫曲線

由圖3可以看出，ZJM在SAF濃度為700 mg/L時表觀吸附達到平衡，而ZZ在SAF濃度為800 mg/L時表觀吸附基本達到平衡，且ZZ對SAF的平衡吸附量明顯高于ZJM，這是由于ZZ煤泥顆粒粒徑細，比表面積大，與分散劑締合的吸附位含量要高于ZJM。

Langmuir和 Freundlich吸附模型可用來描述煤泥和煤樣(吸附劑)在溶液中對SAF的吸附過程，Langmuir 等溫吸附模型見式(1)，F(xiàn)reundlich等溫吸附模型見式(2)：

式中：QL——單位質(zhì)量吸附劑對SAF的吸附量，mg/g；

nL——Langmuir模型表觀平衡吸附常數(shù)；

Qmax——吸附劑的表觀飽和吸附量，mg/g；

CL——吸附平衡后單位體積溶液中SAF的濃度，mg/L；

QF——單位質(zhì)量吸附劑對SAF的吸附量，mg/g；

nF——吸附劑的表觀平衡吸附常數(shù)；

k——Freundlich模型表觀平衡吸附常數(shù)；

CF——吸附平衡后單位體積溶液中SAF的濃度，mg/L。

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)吸附模型線性擬合后結(jié)果見表2。

表2 等溫吸附模型線性擬合結(jié)果

由表2中L吸附模型和F吸附模型的線性相關(guān)系數(shù)R2結(jié)果可知，ZZ煤泥和ZJM煤樣對SAF的表觀吸附更符合L模型單分子層吸附。即煤泥和煤樣對SAF進行吸附，隨著SAF在吸附劑顆粒表面趨于吸附飽和，顆粒表面的吸附位逐漸減少，因而吸附速率降低。ZZ煤泥的飽和吸附量Qmax大于ZJM，這是由于ZZ煤泥中含有更多的吸附位，且煤泥中的黏土礦物在溶液中會有一定程度的膨脹，增加了煤泥的表面吸附位，增強了ZZ煤泥對SAF的吸附作用。

由Langmuir等溫吸附模型對ZZ煤泥和ZJM煤樣的吸附結(jié)果可知，兩者吸附相關(guān)系數(shù)數(shù)值接近，表明對SAF的吸附能力接近，因此在煤泥漿中兩者對SAF可能存在競爭吸附。由于ZJM的平衡吸附量要明顯高于ZZ，煤泥摻量的增加會從漿體中吸附更多的分散劑，而分散劑反過來改善了煤泥的表面特性，增強了煤泥表面水化膜的厚度，從而同時減少了漿體中的分散劑量和自由水量，使得煤粉的分散效果變差，導致漿體體系黏度增大，漿體濃度下降。

2.4 對SAF的吸附動力學研究

ZZ煤泥和ZJM煤樣顆粒表面對SAF分散劑(700 mg/L)的吸附量與時間的關(guān)系如圖4所示，其曲線斜率表示吸附速率。

圖4 ZZ煤泥和ZJM煤樣對SAF的表觀吸附量與時間的關(guān)系

由圖4可以看出，ZZ在80 min左右、ZJM在70 min左右時對SAF的吸附達到吸附平衡臺。隨著吸附曲線的斜率逐漸降低，可以表明煤泥和煤樣隨著吸附時間的增加，其吸附能力在減弱，這是由于吸附試驗首先發(fā)生在易與SAF接觸的吸附劑的表面吸附速率升高，當吸附劑表面被分散劑覆蓋后，SAF進入吸附劑的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，由于吸附劑孔隙的孔徑非常小，導致分散質(zhì)在吸附劑內(nèi)部中的吸附阻力增大，吸附速率變得緩慢。

煤泥和煤樣(吸附劑)在溶液中吸附SAF的動力學過程可用Lagergen動力學模型方程來描述。Lagergen一級動力學模型見式(3)，Lagergen二級動力學模型見式(4)：

式中：Qe——吸附平衡的表觀吸附量，mg/g；

Qt——吸附劑在t時的表觀吸附量，mg/g；

n1——吸附劑的一級模型吸附速率，min；

t——吸附劑吸附時間，min；

n2——吸附劑的二級模型吸附速率，g/(mg·min)。

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Lagergen模型方程的擬合后如圖5所示，吸附動力學模型擬合結(jié)果見表3。

圖5 吸附動力學擬合曲線

樣品Qe/mg·g-1L一級動力學模型n1/minR2L二級動力學模型n2/g·(mg·min)-1R2ZJM5.960.02740.92370.10850.9949ZZ7.540.03780.92770.00410.8595

由表3的ZJM煤樣對SAF的一級模型擬合的相關(guān)系數(shù)R2值小于二級模型擬合結(jié)果可以看出，ZJM對SAF的吸附更接近于二級動力學模型且存在化學吸附過程。而一級動力學模型可以更好的描述ZZ對SAF的吸附過程，ZZ煤泥的一級模型吸附的特征是隨著分散劑的濃度增加，ZZ煤泥的平衡吸附量在增加，但平衡吸附率在降低。

2.5 煤泥摻量對煤泥漿性能的影響

為了考察煤泥摻混量對漿體的濃度和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響， SAF添加量為干基煤樣的1.5‰，分別摻混煤樣質(zhì)量的5%、10%、15%和20%的煤泥進行制漿，煤泥摻混量對漿體濃度和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響見表4。

表4 煤泥摻混量對漿體濃度和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響

由表4可以看出，煤泥摻混量從0、5%、10%、15%直至20%，漿體的濃度從65.34%逐步降低到了60.33%。煤泥摻量為0時，漿體明顯分層，上層出現(xiàn)較多析水，下層漿體為硬沉淀；摻混煤泥后，漿體的靜態(tài)穩(wěn)定性得到了改善，煤泥摻量為20%時，漿體在連續(xù)12 d無硬沉淀出現(xiàn)。

2.6 煤泥摻混量對漿體的Zeta電位值的影響

分別摻混5%、10%、15%和20%的煤泥進煤樣后，煤泥摻量對漿體Zeta電位的影響如圖6所示。

圖6 煤泥摻量對漿體Zeta電位的影響

由圖6可以看出，煤泥漿體呈負電性，隨著煤泥摻混量的增加，漿體的Zeta電位逐漸減小，這是由于煤泥吸附的分散劑改善了煤泥顆粒表面的性質(zhì)，吸附的分散劑越多，煤泥的電位越低，漿體體系的斥力越大，漿體顆粒的沉降越難，漿體的穩(wěn)定性越好。

3 結(jié)論

(1)ZZ煤泥對SAF吸附實驗過程符合Langmuir模型單分子層吸附，且兩者對 SAF 的吸附能力接近，但ZZ煤泥的表觀平衡吸附量要明顯高于ZJM煤樣，這是由于ZZ煤泥顆粒比表面積大、顆粒表面含有的吸附位點更多的原因，且煤泥中與分散劑接觸的黏土礦物對SAF也具有吸附作用。

(2)由Lagergen動力學模型可知，ZZ煤泥對SAF的吸附過程更符合一級模型，其吸附特征是分散劑的濃度增加，分散質(zhì)表面的吸附位逐漸飽和，吸附質(zhì)的表觀平衡吸附量雖在增加，但平衡吸附率在降低。

(3)ZZ煤泥吸附的分散劑增強了煤泥表面的水膜厚度，煤泥摻量越多，漿體中的分散劑和水份越少，ZJM煤顆粒的分散效果越差，煤泥水煤漿漿體濃度和Zeta電位越低，漿體的穩(wěn)定性越好。

[1] 張建民,李春梅.我國煤泥綜合利用現(xiàn)狀、問題及建議[J].中國能源, 2010 (10)

[2] 曹曉哲,趙衛(wèi)東,劉建忠等.煤泥水煤漿燃燒特性的熱重研究[J].煤炭學報, 2009(10)

[3] 顧則仁.煤泥綜合利用的有效技術(shù)途徑——煤泥水煤漿燃燒發(fā)電[J].煤炭科學技術(shù), 1996(12)

[4] 孟獻梁,王紅林,吳國光等.聚羧酸系水煤漿分散劑對高灰煤泥成漿性的研究[J].煤炭科學技術(shù), 2013(10)

[5] 郝華東,李寒旭,段錦等.摻配煤泥對水煤漿性能影響因素的研究[J].煤炭技術(shù),2017(2)

[6] 李婷婷,吳國光,孟獻梁等.煤泥對木質(zhì)素系分散劑的吸附性能研究[J].煤炭科學技術(shù),2014(3)

[7] 張明青,劉炯天,李小兵.煤泥水中黏土顆粒對鈣離子的吸附實驗研究及機理探討[J].中國礦業(yè)大學學報, 2004(5)

[8] 劉紅纓,朱書全,王奇.礦物對水煤漿穩(wěn)定性的影響研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2004(3)

[9] 朱國君,桂夏輝,徐中金等.煤泥水中鈣鎂離子的吸附特性研究[J].中國煤炭,2011 (11)

[10] 馬少蓮,吳國光,孟獻梁等.煤泥對分散劑的吸附及其對煤泥水煤漿成漿特性的影響[J].煤炭學報,2017 (6)

[11] Zhang X, Ren Y, Wei C. Adsorption mechanism of organic pollutants from biologically treated coking wastewater by powdered activated carbon[J]. Acta Scientiae Circumstantiae,2007(7)

[12] 劉曉陽,張雷,劉生玉等.CTAB吸附對褐煤親水性抑制作用機理的研究[J].中國煤炭, 2017(5)

[13] 鐘倩倩,岳欽艷,李倩等.改性麥草秸稈對活性艷紅的吸附動力學研究[J].山東大學學報(工學版),2011(1)

[14] Aksu Z.Determination of the Equilibrium,Kinetic and Thermodynamic Parameters of the Batch Biosorption of Lead(II) Ions ontoChlorella Vulgaris[J].Process Biochem,2002 (1)