高泥化煤泥水中微細(xì)顆粒疏水聚團(tuán)特性及機(jī)理研究

陳忠平

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)東大能源有限公司，山西 晉城 048026)

引 言

洗煤工序是重要的煤炭利用化前置工序，該工序產(chǎn)生的煤泥水是一種懸浮物很多的工業(yè)廢水，對(duì)其處理后的再利用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)隨著煤質(zhì)的深入開(kāi)采以及機(jī)械化開(kāi)采程度的加大，洗煤工序產(chǎn)生的煤泥水處理難度越來(lái)越大，高泥煤泥水的產(chǎn)生量也不斷增大。高泥煤泥水與普通煤泥水相比，其顆粒組成種類大致相同，但其個(gè)組成含量差距較大。細(xì)質(zhì)微粒和黏土微粒含量較普通煤泥水高，微粒間的電極性較強(qiáng)，相互間穩(wěn)定存在，聚團(tuán)能力低，大部分微粒獨(dú)自懸浮存在于煤泥水中，從而更加增大高泥煤泥水的難沉降性。鑒于高泥煤泥水的難自由沉降特點(diǎn)，傳統(tǒng)的煤泥水沉降技術(shù)在處理該類煤泥水時(shí)，效果非常不好，已經(jīng)不太適合高泥化的煤泥水處理，因此對(duì)煤泥水中礦物顆粒界面性特征的研究，以確定更加高效的處理技術(shù)，具有重要的意義[1-2]。

1 煤泥水中微細(xì)顆粒界面結(jié)構(gòu)特性研

對(duì)高泥煤泥水沉降技術(shù)的研究的關(guān)鍵在于研究微細(xì)礦物顆粒高效聚團(tuán)的界面結(jié)構(gòu)特性。通過(guò)研究，掌握不同溶液條件下，煤泥水中微細(xì)煤泥礦物顆粒之間的相互影響以及與親水性的改變狀況，可以更加科學(xué)的解釋在疏水改性藥劑作用下疏水聚團(tuán)沉降機(jī)理。

1.1 礦物組成

首先需要確定高泥煤泥水中礦物質(zhì)微粒的組成。分別對(duì)兩種煤泥水做X-射線衍射圖，從圖1中看出，兩種煤泥水微粒種類組成基本相同，主要包括：高嶺石、石英、蒙脫石、綠泥石及方解石等礦物，其中主體成分是黏土礦物。黏土礦物的存在是煤泥水難沉降的原因，因?yàn)轲ね恋V物微粒表面具有強(qiáng)電荷，很難自行聚團(tuán)沉降。

圖1 煤泥X-射線衍射

1.2 表面Zeta電位

測(cè)試表面Zeta電位時(shí)，用去離子水配置高泥煤泥水溶液，并用酸性溶液鹽酸和堿性溶液燒堿調(diào)節(jié)水溶液pH值，然后采用電位分析儀進(jìn)行Zeta電位測(cè)定，結(jié)果如表1所示。

表1 不同高泥煤泥水的Zeta電位

由表1可知，煤泥水中微粒的負(fù)電性都較精煤和高嶺石強(qiáng)，即相互間的排斥性強(qiáng)，可以有效維持煤泥水中微粒的穩(wěn)定性，增加了自由沉降的阻力。

1.3 表面官能團(tuán)

為了確定高泥煤泥水的表面官能團(tuán)種類，利用紅外光譜儀分別對(duì)選取的煤泥進(jìn)行紅外測(cè)定，結(jié)果如第41頁(yè)圖2所示。

圖2 兩種煤泥紅外光譜圖

由圖2看出，煤泥紅外圖譜有明顯的峰值區(qū)域，這一特征表明含有高嶺石，一個(gè)較寬的吸收峰，此為烷烴類C-H官能團(tuán)的紅外圖譜特征，其分析結(jié)果與前面關(guān)于煤泥水礦物組成的分析結(jié)果相一致[3]。

2 改性劑對(duì)煤泥水微粒微觀作用方式

疏水改性藥劑可以改變煤泥水中微粒的界面特性，從而改善顆粒聚團(tuán)能力，達(dá)到沉降目的。

2.1 對(duì)顆粒表面潤(rùn)濕性的影響

表面接觸角可以準(zhǔn)確的反映出某種顆粒表面的潤(rùn)濕性，因此本文選擇其為改性劑對(duì)煤泥水顆粒表面潤(rùn)濕性影響的反映因子。如圖3和圖4所示。

圖3 藥劑種類對(duì)表面接觸角測(cè)定結(jié)果

圖4 藥劑用量對(duì)表面接觸角測(cè)定結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)比，隨著季銨鹽烷基鏈的增長(zhǎng)，要想達(dá)到相同的微粒濕潤(rùn)性，其使用量也在隨著增加，而煤泥的表面接觸角呈增大趨勢(shì)。這種趨勢(shì)可以說(shuō)明，季銨鹽類疏水改性劑對(duì)煤泥水微粒表面的親水性具有較好的抑制作用，且效果隨著烷基鏈的增加而增加。

2.2 對(duì)顆粒表面Zeta電位的影響

Zeta電位的改變程度是反映煤泥水改性劑效果的重要參數(shù)。為了研究改性劑不同用量以及pH值對(duì)Zeta電位的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到如圖5和圖6所示。

圖5 不同藥劑用量對(duì)表面Zeta電位的影響

圖6 不同pH值對(duì)表面Zeta電位的影響

分析可知，季銨鹽烷基鏈長(zhǎng)越長(zhǎng)且藥劑用量越大時(shí)，改性劑與煤泥顆粒接觸的可能性越大，即改性劑的效能發(fā)揮的越明顯。在pH值不斷增加的過(guò)程中，改性劑的吸附量也會(huì)不斷增加，但當(dāng)超過(guò)某一峰值后，溶液中的堿性增加，游離的-OH離子會(huì)與部分季銨鹽陽(yáng)離子發(fā)生中和反應(yīng)，降低了季銨鹽的濃度，限制了其作用的發(fā)揮。

2.3 對(duì)表面官能團(tuán)的影響

如第42頁(yè)圖7所示，高泥煤泥水在加入改性劑后，其紅外光譜特性與改性劑的紅外光譜特性相似，即煤泥水中的微粒受到了改性劑的同化。在pH值不斷增加的過(guò)程中，改性劑的吸附量也會(huì)不斷增加，但當(dāng)超過(guò)某一峰值后，吸附量逐步降低，即改性劑在煤泥水微粒中的吸附量只有在弱堿環(huán)境下才能達(dá)到最大化[4]。

3 疏水改性劑的疏水聚團(tuán)作用機(jī)理分析

季銨鹽改性劑陽(yáng)離子在煤泥水中微粒表面的吸附符合“吸附電中和”聚團(tuán)模式，如第42頁(yè)圖8所示。胺/銨鹽陽(yáng)離子帶有極性，可以與高泥煤泥水中的微粒結(jié)合，并將微粒包裹，一方面中和了微粒表面的電性，另一方面阻隔了微粒相互間的排斥作用，從而改變了煤泥水中微粒間的團(tuán)聚能力，使之更加容易聚集沉淀。

圖7 pH值下吸附改性劑后煤泥紅外光譜圖

圖8 陽(yáng)離子胺/銨鹽的“吸附電中和”模式

4 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)離子胺/銨鹽類疏水改性劑對(duì)煤泥顆粒的影響主要是通過(guò)化學(xué)鍵的吸附，包圍微粒表面，中和并改變其極性，從而在宏觀上表現(xiàn)出疏水性，完成難沉降微粒的聚團(tuán)沉降。疏水性改性劑在中和微粒極性的同時(shí)，間接弱化了相互間的排斥力，提高了疏水引力；另一方面阻隔了微粒相互間的排斥作用，從而改變了煤泥水中微粒間的團(tuán)聚能力，使之更加容易聚集沉淀。