顆粒間作用力和eDLVO理論在水煤漿中的應(yīng)用

李強(qiáng)，侯健，廖長林，張揚(yáng)，張建勝

（清華大學(xué)能源與動力工程系熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084）

我國石油和天然氣儲量在世界總量中占比較小，而煤炭的儲量相對較多，在已知的資源儲量中，煤炭資源儲量占能源總儲量90%以上，煤炭是我國重要的工業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)能源[1-2]。根據(jù)對我國一次能源消費(fèi)預(yù)測，將來可再生能源、核能等都會大量增加，但到2050年煤炭仍將是我國能源消費(fèi)的主體[3]。雖然以煤炭資源為基礎(chǔ)的能源消費(fèi)使我國經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，但煤炭的開采、運(yùn)輸、加工、消費(fèi)等過程對環(huán)境造成了巨大破壞，比如煤的直接燃燒會產(chǎn)生大量的SO2、NOx、汞和顆粒物等污染物[4]。發(fā)展清潔煤技術(shù)，從源頭減少污染排放，提高能源利用效率是大趨勢，也是關(guān)鍵策略[5]。

水煤漿是一種煤基液態(tài)燃料，其物理特性與燃料油相似，具有污染小、效率高等特點(diǎn)[6]。水煤漿可顯著減少二氧化硫和氮氧化物的排放，可用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)爐以替代石油、煤炭和天然氣[7]。水煤漿也是一種重要的氣化原料，可以通過水煤漿氣化技術(shù)變成合成氣（主要成分為氫氣、一氧化碳、二氧化碳和甲烷），可用于生產(chǎn)氨、甲醇、二甲醚和烯烴等化學(xué)產(chǎn)品，也可用于間接液化煤生產(chǎn)石油和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等領(lǐng)域[8]。20世紀(jì)70年代，美國、加拿大、瑞典、日本和德國等發(fā)達(dá)國家在制備水煤漿、長距離管道輸送、大型發(fā)電廠燃燒等方面進(jìn)行了大量研究[9]。近年來，我國煤氣化技術(shù)特別是水煤漿氣化技術(shù)和應(yīng)用不斷完善和迅速發(fā)展，已達(dá)到世界先進(jìn)水平[10-16]。目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國水煤漿氣化的煤漿需求量已突破2億t/a，鍋爐燃燒水煤漿也突破了3×108t/a[17-18]。近年來，人們將熱量相對較低的生物質(zhì)和廢棄物加入水煤漿中氣化制氫，使煤氣化過程更加環(huán)保[19-25]。

然而，水煤漿的濃度和穩(wěn)定性一直是制約水煤漿大規(guī)模高效應(yīng)用的一個難題。此外，加入生物質(zhì)和廢棄物會顯著影響水煤漿的穩(wěn)定性和流變性[26-30]，因此，有必要研究和了解水煤漿內(nèi)部顆粒間作用的微觀機(jī)理。水煤漿在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，由于大多數(shù)顆粒的粒徑大于1 μm，不可避免地在重力作用下沉降[31-33]。制備穩(wěn)定的大顆粒懸浮液（粒徑大于1 μm）需要額外的力來支撐顆粒對抗重力[34-35]。在膠體懸浮液系統(tǒng)中，DLVO 理論中的雙電層排斥力和范德華力常用來定量表征顆粒間的相互作用力，解釋膠體的穩(wěn)定性[36-37]。在處理細(xì)煤泥和煤炭浮選時，發(fā)現(xiàn)疏水力不可忽視[38]。通過在DLVO理論中考慮疏水力的影響，發(fā)展了擴(kuò)展型DLVO（eDLVO）理論[39-42]。本文作者從水煤漿中顆粒間作用力對其流變性和穩(wěn)定性的影響入手，通過論述顆粒間作用關(guān)系的eDLVO 理論，結(jié)合近年來的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r，為水煤漿的高效清潔利用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

1 顆粒間作用力對流變性和穩(wěn)定性的影響

若水煤漿懸浮液中顆粒間作用力較弱，則往往呈現(xiàn)出牛頓流型的特點(diǎn)。在高剪切速率時，水動力占主導(dǎo)作用，高剪切會破壞顆粒間的結(jié)構(gòu)，形成近似牛頓流型。對于剪切稀化的水煤漿，隨剪切應(yīng)力增大，顆粒間吸引力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)破裂，表觀黏度隨施加的應(yīng)力增大而降低[43]。觸變性表現(xiàn)為剪切稀化并且需要一段時間來改變水煤漿內(nèi)部顆粒間結(jié)構(gòu)，這段時間可以從幾分鐘到幾天不等[43]。必須施加一定的力破壞顆粒間塑性結(jié)構(gòu)，流體才能開始流動[44]。黏度、觸變性和屈服應(yīng)力是重要的流變特性參數(shù)，這些都與煤顆粒間相互作用有關(guān)。

在采用可制漿濃度作為評價不同煤種成漿性難易時，很容易忽略水煤漿不同的應(yīng)用場景對于剪切速率的要求，從而造成評價結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用結(jié)果的偏差。圖1所示為相同濃度的水煤漿的不同流變性質(zhì)。由圖1可知：相同濃度的水煤漿A和水煤漿B在100 s-1的剪切速率下，有著近乎相同的黏度；但在較低剪切速率下，水煤漿A 的黏度遠(yuǎn)比水煤漿B的黏度低，而在較高剪切速率下，水煤漿A的黏度遠(yuǎn)比水煤漿B的高。水煤漿的流變性同時影響著水煤漿的濃度和穩(wěn)定性，這主要由微觀煤顆粒間的作用力決定。

圖1 相同濃度的水煤漿的不同流變性質(zhì)Fig.1 Different rheological properties of CWS with same concentration

水煤漿的穩(wěn)定性可分為靜態(tài)穩(wěn)定性（沉淀穩(wěn)定性）、動態(tài)穩(wěn)定性和團(tuán)聚穩(wěn)定性3 大類，根據(jù)漿料的不同應(yīng)用，例如儲存、運(yùn)輸和霧化，不同的穩(wěn)定特性對應(yīng)用效果的影響較大[32-33,45]。1）水煤漿對重力的穩(wěn)定性稱為靜態(tài)穩(wěn)定性（沉淀穩(wěn)定性），本文中涉及的穩(wěn)定性如果不加特殊說明，均指靜態(tài)穩(wěn)定性。2）動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性稱為動態(tài)穩(wěn)定性，其涉及機(jī)械應(yīng)力的疊加，在泵送和管道運(yùn)輸中都涉及動態(tài)穩(wěn)定性[46]。3）團(tuán)聚穩(wěn)定性與顆粒間的作用力有關(guān)，顆粒團(tuán)聚會增加顆粒的實(shí)際直徑，這在某些情況下是不利因素，例如霧化時[47-48]。水煤漿的穩(wěn)定性是指維持不產(chǎn)生“硬沉淀”（硬沉淀是指比較結(jié)實(shí)和堅硬的沉淀，難以被攪拌）的性能；或者即使產(chǎn)生析水，下面“軟沉淀”通過機(jī)械攪拌能恢復(fù)漿體均勻的性能[49]。

對于靜態(tài)不穩(wěn)定的水煤漿，懸浮液中顆粒將快速沉淀，并形成結(jié)實(shí)的沉淀層。水煤漿在顆粒直徑和固體濃度方面與普通膠體系統(tǒng)存在較大不同。在稀相的膠體系統(tǒng)中，顆粒之間的團(tuán)聚或聚集會使顆粒喪失穩(wěn)定性。關(guān)于水煤漿的穩(wěn)定性機(jī)理的解釋不止一種[34-35,50]，一般認(rèn)為膠體顆粒（粒徑d＜1 μm）團(tuán)聚會加快沉降，而大顆粒（d＞1 μm）絮狀結(jié)構(gòu)可以減緩沉降。從顆粒間作用角度分析，在大顆粒的重載懸浮液（如水煤漿）中，顆粒的團(tuán)聚可以形成絮狀結(jié)構(gòu)防止顆粒沉降[34-35]。圖2所示為顆粒團(tuán)聚對于穩(wěn)定性影響的示意圖。由圖2可見：通過顆粒間的弱吸引力產(chǎn)的團(tuán)聚或絮凝可以形成支撐顆粒的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這能使水煤漿系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定性，同時改變漿料的流變性，例如增大黏度，特別是在低剪切速率下，黏度增大更明顯[35]。

圖2 顆粒團(tuán)聚對于穩(wěn)定性影響的示意圖[35]Fig.2 Schematic diagram of effect of particle aggregation on stability[35]

在測量水煤漿流變性和黏度時，假設(shè)水煤漿具有良好的穩(wěn)定性，即在整個測試過程中，水煤漿中的顆粒不沉降，為均一懸浮液。對于褐煤水煤漿，其顆粒間作用力相對較弱，不容易形成顆粒團(tuán)聚和絮凝結(jié)構(gòu)，沒有額外作用力的支撐，大顆粒極易沉淀[34]。在測試中，如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的褐煤制得的水煤漿就很可能不是一個穩(wěn)定的懸浮液，在5 min內(nèi)就出現(xiàn)明顯的顆粒沉降。通常水煤漿的黏度隨水煤漿中的煤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大，高黏度有利于提高懸浮液的穩(wěn)定性[9,51-52]。

基于不同工業(yè)應(yīng)用場景，理想的水煤漿應(yīng)該具有Bingham塑性或假塑性（剪切變?。涸谒簼{儲存和海上運(yùn)輸?shù)冉屏慵羟兴俾实那闆r下，水煤漿應(yīng)具有較高黏度或屈服應(yīng)力，以此來增強(qiáng)水煤漿穩(wěn)定性；在管道運(yùn)輸?shù)戎械燃羟兴俾实那闆r下，水煤漿應(yīng)該具有較低黏度，方便輸運(yùn)和減少管道壓降，以及具有動態(tài)穩(wěn)定性；在噴嘴中霧化等更高的剪切速率情況下，水煤漿的黏度應(yīng)能快速降低，以便產(chǎn)生更細(xì)的液滴。

水煤漿中顆粒間作用力主要通過改變懸浮液中煤顆粒的聚集狀態(tài)，進(jìn)而對水煤漿的流變性和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。可以通過宏觀手段來調(diào)節(jié)微觀顆粒間作用力，進(jìn)而優(yōu)化水煤漿的濃度和穩(wěn)定性等。eDLVO 理論是建立宏觀參數(shù)與微觀顆粒間作用力之間聯(lián)系的有力工具。

2 顆粒間作用力表征與計算

2.1 理論概述

DLVO 和eDLVO 理論通常應(yīng)用于尾礦漿水處理和浮選等膠體體系中。在煤炭科學(xué)領(lǐng)域中，eDLVO 理論已應(yīng)用于煤-氣泡相互作用和煤-礦物相互作用的研究。在水煤漿和其他大顆粒懸浮液中eDVLO理論也有應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了使具有天然沉降性的大顆粒懸浮液具有穩(wěn)定性，需要額外的力來支撐顆粒對抗重力。LASKOWSKI等[38]通過甲基化硅石表面的水膜不穩(wěn)定現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)除了傳統(tǒng)的DLVO力（雙電層力和范德華力）外，氣泡和疏水性固體顆粒之間還存在其他吸引力。ISRAELACHVILI 等[42]使用表面力儀直接測量了固體表面之間除了傳統(tǒng)的DLVO力外的額外長程吸引力，為疏水力的存在提供了直接證據(jù)。DLVO 理論考慮疏水力的影響，發(fā)展了擴(kuò)展的DLVO（eDLVO）理論。

為了計算和表述方便，本文中作用力采用作用能的方式表達(dá)。在水煤漿中主要存在以下幾種主要的顆粒間微觀相互作用或者作用力[51,53]：

1）顆粒間的雙電層力（VE）；

2）顆粒間的范德華力（VD）；

3）疏水相互作用（VH）；

4）顆粒表面高分子之間其他作用力。

對于單個煤顆粒，除了上述4種作用力外，在水煤漿受到剪切或流動時，還會有水動力作用。在低剪切情況下，微觀作用力比水動力大，煤顆粒間的微觀結(jié)構(gòu)破壞較少；而在高剪切情況下，水動力比微觀作用力大，煤顆粒間的微觀結(jié)構(gòu)被破壞，煤顆粒在水中趨于均勻分散。由于水動力是水煤漿受到外在作用而產(chǎn)生的力，本文不進(jìn)行詳細(xì)討論。

雙電層力和范德華力的相互作用的示意圖如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)2 個煤顆?？拷鼤r，其總能量曲線先有一個局部最小值，這個最小值代表顆粒間弱團(tuán)聚的可能性；當(dāng)距離再減小時，可能會有一個能壘（雙電層力占優(yōu)時）阻止2個顆?？拷?；當(dāng)突破能壘顆粒時將產(chǎn)生較強(qiáng)團(tuán)聚，即顆粒突破雙電層結(jié)構(gòu)團(tuán)聚。曲線的形式取決于顆粒性質(zhì)、粒徑和表面電荷等[54]。

圖3 顆粒間相互作用的勢能示意圖[39]Fig.3 Schematic diagram of potential energy of particle interaction[39]

疏水力在疏水表面之間具有較大作用范圍，疏水性顆粒傾向于彼此締合，因此，高階煤在水溶液中易團(tuán)聚[33,55-56]。擴(kuò)展型的eDLVO 理論是在DLVO理論的基礎(chǔ)上增加了疏水力（VH）的作用，顆粒間的總勢能（VT）具體表達(dá)式為[57]

下面分別對顆粒間的范德華力、雙電層力和疏水力進(jìn)行介紹，并列出典型的計算公式。這些公式都是在部分假設(shè)和簡化條件下得到的，在不同假設(shè)的前提下，會產(chǎn)生較大變化。

2.2 范德華力

范德華力是粒子之間普遍存在的相互作用力。相似材料之間的范德華力總是相互吸引的。范德華力包括3 種不同類型的原子或分子相互作用，即：1）極性分子的永久偶極矩之間的相互作用；2）一個極性分子使另一個分子極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩并相互吸引；3）分子中電子的運(yùn)動產(chǎn)生瞬時偶極矩，這是由電子極化產(chǎn)生的誘導(dǎo)偶極而產(chǎn)生的作用[58]。

煤顆粒之間的范德華力總是吸引力，當(dāng)顆粒之間的距離非常小時，顆粒將聚集。對于2個相同的直徑為a的煤顆粒球體，當(dāng)a＞＞H時，范德華力VD可以表示為[57,59]

式中：A121為物質(zhì)1在介質(zhì)2中相互作用的Hamaker常數(shù)；H為2個顆粒之間的距離。在計算范德華力時，關(guān)鍵是獲得可靠的Hamaker常數(shù)。

2.3 雙電層力

當(dāng)煤顆粒在水煤漿中與水質(zhì)接觸時，其表面產(chǎn)生水合作用，通過離子吸附及離子溶解的機(jī)制獲得表面電荷。煤顆粒表面電荷影響溶液中附近離子的分布，與離子熱運(yùn)動的效應(yīng)相結(jié)合，形成煤顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)。在水煤漿中，當(dāng)2個煤顆?？拷鼤r，由于雙電層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力（雙電層力）通常起到排斥作用，通常煤表面的Zeta 電位是負(fù)的。

對于2 個具有表面電勢（ψδ）的相同球體顆粒，其雙電層力VE可以表示為[60]

式中：ε為介質(zhì)介電常數(shù)；κ-1為德拜屏蔽長度（Debye screening length）；ψδ為Stern 電位。在實(shí)際計算過程中，Stern 電位通常采用數(shù)值相近且方便測量的Zeta 電位代替計算，這會引入一些誤差。κ-1的不同測量方式和計算方法也會產(chǎn)生誤差。

2.4 疏水力

相對于范德華力，疏水力在疏水表面之間具有較大作用范圍，疏水性顆粒傾向于彼此締合，因此，高階煤在水溶液中容易團(tuán)聚。疏水力的本質(zhì)仍有爭論，目前未達(dá)成共識。

YOON 等[55,57,61]認(rèn)為疏水相互作用主要是由非極性溶質(zhì)破壞液態(tài)水分子間高度動態(tài)氫鍵而產(chǎn)生的熵效應(yīng)。碳?xì)浠衔镦溁虼蠓肿宇愃频姆菢O性區(qū)域不能與水形成氫鍵，將這種非氫鍵表面引入水中會破壞水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。氫鍵被重新定向到這樣的表面，導(dǎo)致最小化氫鍵的三維水分子網(wǎng)絡(luò)被破壞。一般來說，這將導(dǎo)致水分子的平移熵和旋轉(zhuǎn)熵大幅度降低。非極性表面聚集在一起，非極性分子減少了暴露在水中的表面積，并將它們對氫鍵的破壞作用降到最低，進(jìn)而形成了疏水作用。

在不同理論和假設(shè)條件下，計算方法不同。YOON等[62-63]提出了一個相對簡化的計算公式，根據(jù)上文理論和假設(shè)得到，通過類比范德華力，對于2個相同的球形顆粒，當(dāng)a＞＞H時，其疏水力VH可以用下面表達(dá)式近似計算：

式中，K121為物質(zhì)1在介質(zhì)2與物質(zhì)1的疏水力常數(shù)。其可以用以下的表達(dá)式近似計算[56]：

式中：bk為常數(shù)；當(dāng)θ＜86.89°時，A=2.732×10-21，bk=0.041 36[64]。

2.5 假設(shè)與簡化

將式（2～（4）代入式（1），可得通過eDLVO 理論模型計算2個相同的球形煤顆粒之間作用力的近似計算公式。

在表征和計算煤顆粒間作用力時，上述理論公式在推導(dǎo)、參數(shù)獲取和計算過程中存在較大的簡化和波動。在推導(dǎo)和引用過程中，主要假設(shè)：2個煤顆粒完全相同，并且是球形煤顆粒；煤顆粒直徑a遠(yuǎn)比顆粒間距H大，即a＞＞H；煤顆粒表面性能具有均一性，包括電荷等；式（5）和后續(xù)計算式為經(jīng)驗(yàn)公式等。

在計算過程中所引入的誤差有：將Zeta 電勢近似為Stern 電勢進(jìn)行計算；接觸角和Zeta 電勢測量過程中的系統(tǒng)誤差；在計算和測量Hamaker常數(shù)和κ-1參數(shù)過程中產(chǎn)生的誤差。

在不同理論、假設(shè)和簡化條件下，相應(yīng)的計算方法和公式會產(chǎn)生較大的變化。表1所示為一些相關(guān)的具體研究和公式。在表征和計算顆粒間作用力時，公式中參數(shù)獲取的難易程度以及具體數(shù)值的可靠程度往往會影響具體假設(shè)和計算公式的選取。從表1可以看出：在不同領(lǐng)域，其選取的假設(shè)和計算公式也有所不同。對于大顆粒懸浮液，特別是對水煤漿中顆粒間作用力進(jìn)行表征時，常從顆粒表面性質(zhì)入手，通過測量接觸角、Zeta電勢等宏觀量入手，代入相應(yīng)簡化的公式進(jìn)行計算，得到顆粒間作用力或者作用勢能隨2個顆粒間距離變化的曲線，以表征顆粒間的吸引和排斥關(guān)系，進(jìn)而解釋懸浮液的宏觀現(xiàn)象。

表1 eDLVO理論中的公式和研究重點(diǎn)Table 1 Equations and research focus of eDLVO theory

續(xù)表1

3 顆粒間作用力理論應(yīng)用與進(jìn)展

3.1 顆粒間作用力在水煤漿中的應(yīng)用

煤的種類、濃度、粒度分布、分散相性質(zhì)和添加劑是影響水煤漿性質(zhì)的主要因素[72]，這些宏觀性質(zhì)都會影響顆粒間的作用力，eDLVO 理論能夠預(yù)測和解釋這些參數(shù)變化對顆粒間的作用的影響。即通過改變這些宏觀性質(zhì)，eDLVO 理論可以分析和優(yōu)化水煤漿的濃度和穩(wěn)定性。

采用實(shí)驗(yàn)手段可以人為地提高煤階以及改變煤的理化性質(zhì)，控制其他變量不變，可通過eDLVO 理論分析提高褐煤成漿濃度。LI 等[34]采用水熱法改變了褐煤性質(zhì)，控制濃度、粒度分布、添加劑等不變，使顆粒間的作用力發(fā)生變化，采用eDLVO 理論分析其變化的原因。通過水熱法在不同溫度下處理褐煤表面，隨溫度升高，褐煤表面含氧官能團(tuán)分解，空隙縮小，表面和空隙部分覆蓋焦油，進(jìn)而造成表面疏水性增強(qiáng)，Zeta電勢減小[34,73]。煤顆粒之間的疏水引力和范德華力隨接觸角增大而增大，而電雙層斥力由于Zeta 電位的減小而減小。圖4所示為不同溫度水熱法對煤顆粒間作用力的影響[34]（BD300指BD褐煤通過300 ℃水熱法處理，其他樣品的含義類同）。利用eDLVO理論計算作用能。由圖4可知：水熱法使顆粒間整體吸引力增加，在300 ℃處理溫度下，顆粒間的能壘消失，更傾向于聚集。這使顆粒間產(chǎn)生具有一定分形維數(shù)的三維結(jié)構(gòu)，阻止了煤顆粒形成硬沉淀。

圖4 不同溫度水熱法對煤顆粒間作用力的影響Fig.4 Effect of hydrothermal treatment temperature on interparticle potential

LI 等[34,74-76]在水煤漿中添加不同分散劑和穩(wěn)定劑，通過eDLVO 理論分析了顆粒間作用力，建立了水煤漿性質(zhì)與添加劑的關(guān)系，用于預(yù)測和解釋水煤漿隨添加劑加入對于流變性和穩(wěn)定性的影響。當(dāng)添加劑（通常是表面活性劑和大分子）以高覆蓋率吸附到顆粒表面上時，會發(fā)生空間相互作用。當(dāng)粒子彼此接近時，分子的一部分或分子鏈重疊并脫水，相互排斥[77]，在小顆粒（粒徑d＜1 μm）懸浮液中，這可以增加漿料的穩(wěn)定性。而對于大顆粒（粒徑d＞1 μm）懸浮液，當(dāng)顆粒表面覆蓋有相對分子質(zhì)量較高的聚合物且覆蓋率較低時，聚合物橋接顆粒并形成絮凝物，會增加黏度，對于大顆粒高濃度懸浮液可以增加穩(wěn)定性[78]。CHAI 等[79]通過間歇吸附實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，吸附的腐殖質(zhì)顯著提高了褐煤表面的親水性和電負(fù)性，減小了褐煤的表觀粒徑。eDLVO 理論計算結(jié)算顯示，吸附了腐殖質(zhì)的褐煤顆粒的相互作用能在18 nm 間隔處得到顯著提高，微米級褐煤顆粒的分散穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3.2 顆粒間作用力在污泥煤漿和廢水煤漿中的應(yīng)用

近年來，CHAI 等[79-83]針對在水煤漿中加入廢水、生物質(zhì)和污泥等低熱物質(zhì)進(jìn)行氣化制氫或直接燃燒，使過程更加環(huán)保低碳。加入物質(zhì)對于煤漿的穩(wěn)定性和流變性均有重大的影響，并對下游平穩(wěn)運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。加入新物質(zhì)后的煤漿仍然是一種大顆粒懸浮液，顆粒間作用力的理論和表征方法仍然適用。新的煤漿體系也會加入添加劑（分散劑和穩(wěn)定劑），并且對水煤漿體系產(chǎn)生較大影響，這些影響也可以通過測量添加劑對于顆粒表面性質(zhì)的影響，進(jìn)而用eDLVO 理論進(jìn)行表征和計算，分析添加劑對于水煤漿性質(zhì)的影響。

煤化工產(chǎn)生的污泥危害較大，處置比較困難。ZHANG 等[26]將污泥與褐煤、焦煤和貧煤混合，制備氣化和燃燒用的煤泥漿。eDLVO 計算顯示褐煤的靜電斥力強(qiáng)，疏水引力較弱，2個褐煤顆粒之間存在能壘，使褐煤顆粒之間無法相互接近，污泥顆粒間的相互作用能也很小，而污泥與3種煤的相互作用總能均為負(fù)值，表明污泥顆粒容易與煤顆粒團(tuán)聚。因此，他們認(rèn)為污泥可能與煤顆粒結(jié)合形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，攪拌破壞了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，釋放出截留的水分，造成泥煤漿的偽塑性。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還可以防止顆粒聚集，提高漿料的穩(wěn)定性。

高濃度有機(jī)廢液成分復(fù)雜，對其處理較困難，這些液體含有疏水性有機(jī)污染物。對于有機(jī)廢液可以通過制備廢液水煤漿進(jìn)行處理，有利于環(huán)境保護(hù)和資源利用。WANG 等[84]從11 種添加劑中篩選出黃原膠來克服高濃度有機(jī)廢液混合時不相容的問題。黃原膠的加入可以影響顆粒的表面電性和疏水性。eDLVO 理論計算結(jié)果表明，黃原膠將空間位阻相互作用能引入有機(jī)廢水煤漿體系中，使體系能夠穩(wěn)定分散。

煤與氣化有機(jī)廢水共漿工藝可以實(shí)現(xiàn)廢水的同步處理和利用。WANG 等[82]使用氣化爐廢水和二次沉淀池廢水2種類型的廢水制備水煤漿，利用Zeta 電位和接觸角分析了加入廢水后煤的表面性質(zhì)，應(yīng)用eDLVO 理論對水煤漿的分散穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了分析。氣化爐廢水中的兩親性分子吸附在煤表面，降低了煤的接觸角，提高了煤表面的親水性和極性，進(jìn)而使水化層增厚，疏水吸引力下降。二次沉淀池廢水中的NH4+和K+等陽離子壓縮了電雙層，降低了粒子間的靜電斥力。eDLVO 理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣化廢水煤漿比二次沉淀池廢水煤漿更加穩(wěn)定，因?yàn)闅饣瘡U水中有機(jī)成分含量較高，顆粒更加容易聚集和絮凝。

3.3 其他大顆粒懸浮體系中的應(yīng)用

顆粒間作用力和eDLVO 理論不僅可以應(yīng)用于水煤漿領(lǐng)域，在其他大顆粒懸浮體系中同樣具有適用性。近年來，在煤浮選領(lǐng)域[85-90]和超凈煤分離領(lǐng)域[91-92]也廣泛應(yīng)用eDLVO 理論分析顆粒間以及氣泡和顆粒間的作用力。一個典型的應(yīng)用是分析不同礦物與煤顆粒間的作用力和結(jié)合情況。劉炯天等[93]測定了高嶺石、蒙脫石和煤顆粒的Zeta電位和表面接觸角，根據(jù)eDLVO 理論，計算得到高嶺石顆粒之間作用勢能為正，即顆?；ハ嗯懦猓幻侯w粒之間及其與高嶺石顆粒之間的作用勢能均為負(fù)，即顆?；ハ辔＿@解釋了含高嶺石的煤泥水上清液中，僅含少量分散的高嶺石顆粒、煤顆粒與高嶺石顆粒團(tuán)聚后快速沉降的原因。在含蒙脫石的煤泥水中，蒙脫石顆粒之間及其與煤顆粒之間作用勢能均為正，但考慮到蒙脫石片狀結(jié)構(gòu)以及表面帶電性差異[94]，蒙脫石與煤顆粒形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，煤顆粒被包裹其中，如圖5所示，整體形成疏松沉淀。

圖5 蒙脫石網(wǎng)架結(jié)構(gòu)"包裹"煤顆粒示意圖[93]Fig.5 Schematic diagram of clay flocculent structure capturing coal particles[93]

除顆粒間作用力外，油滴和氣泡等與顆粒作用也可以用eDLVO 理論進(jìn)行預(yù)測和計算。LIAO等[85]研究了十二烷和油酸混合捕收劑浮選低級煤時液滴分散和顆粒相互作用對捕收劑浮選效果的影響，eDLVO 計算結(jié)果表明油滴與煤顆粒之間始終存在引力作用，相互作用吸引力的絕對值按十二烷、混合捕收劑、油酸的順序減小，并通過誘導(dǎo)時間測量驗(yàn)證了eDLVO 理論計算結(jié)果。通過對比相互作用力以及油滴尺寸，發(fā)現(xiàn)添加的油酸的協(xié)同效應(yīng)主要來自減小油滴尺寸和增加油滴數(shù)量，而不是提高油滴與煤顆粒間的相互作用能。

4 結(jié)論和展望

1）在具體的理論基礎(chǔ)方面特別是疏水力的產(chǎn)生和基本表達(dá)式方面，還需進(jìn)行深入的研究。

2）在計算顆粒間作用力時，公式推導(dǎo)和參數(shù)獲得過程均會引入大量誤差，對結(jié)果產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步完善。

3）對于生物質(zhì)、廢水和污泥煤漿等體系，加添加劑后對它們的影響以及組分變化對煤漿的影響需要進(jìn)一步研究。

4）對于加入新物質(zhì)的煤漿，需要統(tǒng)籌煤種、粒度級配和添加劑篩選等的協(xié)同影響，系統(tǒng)研究體系穩(wěn)定性和流變性的變化。