洗煤廠煤泥水絮凝沉降及澄清影響因素分析

高 煜

（霍州煤電集團(tuán)云廈公司團(tuán)柏煤礦白龍洗煤廠，山西 霍州 031400）

我國是煤炭能源消耗大國，當(dāng)前和今后較長時期內(nèi)煤炭仍是我國主要的能源資源。為響應(yīng)環(huán)保要求，煤炭在加工利用之前需進(jìn)行洗選，洗選后的煤炭會產(chǎn)生大量的煤泥水，煤泥水的直接排放會造成資源的浪費(fèi)及環(huán)境污染，因此需對煤泥水進(jìn)行澄清化處理[1]。隨著煤炭的大量開發(fā)利用，采煤機(jī)械化程度越來越高，煤泥水中細(xì)粒煤的含量大大增加，這些微細(xì)顆粒成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得煤泥水更加難以沉降和壓濾，造成選煤廠經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的增加[1-2]。本實(shí)驗(yàn)選取白龍選煤廠煤樣，采用濁度、沉降速度及zeta 電位值等方法，通過凝聚劑用量、絮凝劑用量及種類以及粘土礦物的含量等因素，探究影響煤泥水絮凝沉降及澄清的因素，表明了影響煤泥水絮凝澄清的機(jī)制，以便指導(dǎo)煤泥水澄清化處理，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要試劑與儀器

試驗(yàn)用到的試劑有：氯化鋁AlCl3、氯化鈣CaCl2、氯化鐵FeCl3、氯化鋅ZnCl、陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM 分子量800 萬，離子度為30%）、陰離子型聚丙烯酰胺（PHP 分子量1200 萬，水解度為30%）、水溶性淀粉（淀粉接枝共聚物），高嶺石（分析純），平均粒度為1.0 μm，比表面積17.36 m2/g。

試驗(yàn)儀器：XPC-150×250 型顎式破碎機(jī)（南昌健峰礦機(jī)制造有限公司）、DHG-9240A 型鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、JS94H 型微電泳儀、85-2A型磁力攪拌器（江蘇榮華儀器制造有限公司）、WGZ-1A 型光電濁度計(jì)（上海昕瑞儀器儀表有限公司）、GSL-1000 型激光粒度分析儀（遼寧儀表研究所有限責(zé)任公司）。

1.2 試驗(yàn)樣品的制備

試驗(yàn)煤樣選自白龍選煤廠，煤樣經(jīng)破碎篩分后去煤泥，通過氯化鋅制成一定密度的重液，浮沉試驗(yàn)后對浮物進(jìn)行反復(fù)沖洗，之后置于鼓風(fēng)干燥箱干燥，干燥的煤泥經(jīng)粉碎后制得試驗(yàn)煤樣。

1.3 沉降速度及濁度的測定

將一定量的絮凝劑加入到懸浮液的沉降管中，快速翻轉(zhuǎn)沉降管數(shù)次后靜置沉降管并打開秒表計(jì)時，翻轉(zhuǎn)后以每一次沉降后氣泡上升完畢為基準(zhǔn)，在30 s 內(nèi)每隔5 s 記錄澄清頁面的高度，5 min后記錄絮體高度，并移取上清液，通過WGZ-1A 型濁度計(jì)測量其濁度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 凝聚劑用量對煤泥水澄清的影響

試驗(yàn)中煤泥水濃度為20 g/L，絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺，添加30%（m/v）的高嶺土，并添加不同量的氯化鐵對煤泥進(jìn)行澄清試驗(yàn)，并對試驗(yàn)后煤泥水上清液濁度、沉降速度及煤泥水中粒子zeta 進(jìn)行測定，結(jié)果見圖1。

圖1 凝聚劑添加量對煤泥水沉降試驗(yàn)的影響

從圖1可以看出，凝聚劑用量較低時，煤泥水的濁度值較大，隨著凝聚劑用量的增加，煤泥水的濁度值先降低后逐漸增加，同時，煤泥水的zeta 值一直增加，沉降速度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；當(dāng)凝聚劑用量為100 mg/L 時，煤泥水的沉降速度最快，煤泥水的濁度值最低，此時，煤泥水的zeta 電位值接近0 mV。這是因?yàn)?，高嶺石因表面帶有負(fù)電荷，可以與同樣表面帶負(fù)電荷的煤泥發(fā)生泥化作用生成穩(wěn)定的水化膜，存在于煤泥水中[3-4]。當(dāng)凝聚劑氯化鐵的加入，解離出帶正電荷的離子，與煤泥水中帶負(fù)電荷的煤顆粒和高嶺石顆粒發(fā)生靜電吸附，中和了粒子表面的負(fù)電荷，壓縮了顆粒表明的雙電層，降低了煤泥水中煤顆粒與高嶺石顆粒的泥化作用，降低了zeta；同時，氯化鐵電離出的陽離子還可與煤粒子及高嶺石粒子表明的硅羥基發(fā)生羥基絡(luò)合反應(yīng)，降低煤顆粒與高嶺石粒子間的斥力，利于粒子凝聚。當(dāng)繼續(xù)增加凝聚劑的用量，凝聚劑電離出的正電荷粒子增加，除了中和煤泥水中的負(fù)電荷后，多余的正電荷吸附在煤泥水粒子表面，使煤泥水中粒子的電性發(fā)生轉(zhuǎn)變，粒子之間的斥力增加，煤泥水沉降速度減慢，濁度增加，不利于煤泥水沉降處理。

2.2 絮凝劑種類對煤泥水澄清的影響

從圖2可以看出，三種絮凝劑加入后，煤泥水的濁度值越高，沉降速度越小。加入PHP 后，煤泥水的濁度值最低，煤泥水的沉降速度最快，CPAM次之，可溶性淀粉最差。隨著PHP用量的加入，煤泥水的濁度值逐漸降低，沉降速度逐漸增加；加入CPAM 后，煤泥水沉降速度先增加后減小，濁度值先減小后增加；可溶性淀粉的加入，煤泥水濁度值先下降后呈稍微增加趨勢，沉降速度先增加后緩慢降低。這是因?yàn)?，煤顆粒和高嶺石粒子表面帶有負(fù)電荷，凝聚劑氯化鐵加入后，電離出的陽離子，與體系中的煤顆粒及高嶺石粒子表面發(fā)生靜電吸附，使得煤顆粒和高嶺石粒子表面電位發(fā)生了轉(zhuǎn)變，當(dāng)加入陰離子型絮凝劑PHP 后，PHP 水解出帶有負(fù)電荷的活性基團(tuán)，與帶正電荷的粒子進(jìn)行中和，降低了體系中粒子的靜電斥力，使顆粒更加容易聚集形成凝聚體沉降；而CPAM 和可溶性淀粉加入煤泥水后，電離產(chǎn)生正電荷粒子，與體系中已帶有正電荷的粒子產(chǎn)生靜電斥力，增加了粒子間聚集的難度，使得粒子不易沉降聚集。同時，可溶性淀粉的分子量為6～10 萬，CPAM 的分子量為800 萬，而PHP 的分子量為1200 萬，分子量越大，其在溶液中電離后分子鏈越長，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越大，可以網(wǎng)羅更多的顆粒，即網(wǎng)捕卷掃作用越強(qiáng)。因此，加入PHP后，煤泥水沉降速度最快，濁度值最低。

圖2 絮凝劑種類對煤泥水沉降試驗(yàn)的影響

2.3 絮凝劑用量對煤泥水澄清的影響

從圖3可以看出，隨著絮凝劑用量的增加，煤泥水體系的濁度值降低，沉降速度增大。這是因?yàn)?，PHP 量的增加，其水解的負(fù)電荷基團(tuán)增加，與體系中帶正電荷的粒子發(fā)生靜電吸附，降低了體系中粒子間的斥力，使得粒子更易沉降聚集；同時，高分子量的PHP解離出的大量舒展開的長鏈結(jié)構(gòu)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包裹煤泥水體系中更多的顆粒，加速了煤泥顆粒的沉降。

圖3 絮凝劑用量對煤泥水沉降試驗(yàn)的影響

2.4 粘土礦物含量對煤泥水澄清的影響

從圖4可以看出，隨著粘土礦物含量的增加，煤泥水沉降速度和zeta 電位值呈降低趨勢，濁度值逐漸增加；當(dāng)粘土礦物含量為30%時，體系的zeta電位值接近于0，繼續(xù)增加粘土礦物含量，zeta電位絕對值增加，遠(yuǎn)離等電點(diǎn)。這是因?yàn)?，高嶺石粒子與煤顆粒相比，粒度較小，在煤泥水體系中易分散，且高嶺石粒子粒度較小，在絮凝劑電離后的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作用下，易于從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中漏掉，增加了煤泥水沉降難度。高嶺石表面含有大量的羥基基團(tuán)，與水分子形成了牢固的水化膜，也不利于煤泥水的沉降絮凝[5]。當(dāng)煤泥水體系中高嶺石含量增加到30%時，根據(jù)上述試驗(yàn)可知，此時體系中的zeta 電位值接近等電點(diǎn)，體系中顆粒表面的雙電層被壓縮，粒子間的斥力減弱，有助于煤泥水的沉降聚集；繼續(xù)增加粘土礦物的含量，體系中的正電荷量增加，靜電斥力增強(qiáng)，粒子間難以發(fā)生相互碰撞，不利于煤泥水的沉降。

圖4 粘土礦物含量對煤泥水沉降試驗(yàn)的影響

3 結(jié)論

1）凝聚劑氯化鐵加入可以中和煤泥水體系中的負(fù)電荷，減小煤泥水的靜電斥力，加速煤泥水沉降澄清；但過量的氯化鐵會導(dǎo)致煤泥水體系中正電荷增加，靜電斥力增加，不利于煤泥煤泥水的沉降；

2）陰離子型絮凝劑的加入可以中和煤泥水體系中，由于凝聚劑電離出的正電荷，降低了體系中的靜電斥力，利于沉降；且高分子量的陰離子型絮凝劑電離后產(chǎn)生的大量的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以網(wǎng)羅更多的顆粒，使其聚集沉降，因此陰離子型聚丙烯酰胺PHP 的加入，促進(jìn)了煤泥水的沉降；

3）高嶺石粒度小比表面積大，當(dāng)其添加量為30%時，煤泥水體系中的zeta 電位值接近等電點(diǎn)，與體系中絮凝劑凝聚劑電離出的正電荷發(fā)生靜電作用，有利于煤泥水的沉降聚集，繼續(xù)增加高嶺石含量，煤泥水體系中正電荷含量增加，粒子間的斥力增加，不利于煤泥水沉降澄清。