基于EDLVO理論的電化學(xué)作用強(qiáng)化褐煤煤泥水沉降研究

李明明，高越，張賀，丁淑芳

黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022

煤泥水處理作為選煤廠生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其處理效果直接影響選煤廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。隨著社會發(fā)展對煤炭資源的劇烈消耗，低品質(zhì)和高灰細(xì)粒煤在煤炭洗選中的占比逐漸增大，黏土礦物和細(xì)粒煤含量過高所導(dǎo)致煤泥水難沉降的問題尤為突出[1]。當(dāng)煤泥水不能被有效分離時(shí)，將會引起循環(huán)水濃度過高和細(xì)泥化嚴(yán)重等問題，從而影響選煤廠的處理效率[2-3]。

煤泥水處理通常是通過添加凝聚劑和絮凝劑等就可以達(dá)到較好的沉降效果，但是對于高灰細(xì)粒煤泥而言，單獨(dú)使用藥劑時(shí)仍存在溢流濃度高、沉降速度緩慢等問題[4]。目前，提高煤泥水沉降效果的方法主要有超聲處理[5]、電化學(xué)處理[6]、水質(zhì)調(diào)控法[7]等，其中，電化學(xué)處理是一種新型的煤泥水預(yù)處理方法，相關(guān)研究學(xué)者進(jìn)行了條件試驗(yàn)[8]和處理前后的顆粒表面和結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究[9-10]，得出電解質(zhì)濃度、電位梯度、處理溫度等因素對煤和黏土顆粒間的凝聚效果有明顯影響，且電化學(xué)處理能夠改變礦物顆粒表面的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，直接影響煤泥水的沉降效果，但是電化學(xué)作用對煤和黏土顆粒間相互作用的影響等理論研究還不夠深入和完善。煤泥水體系中顆粒間界面相互作用一般采用DLVO理論或EDLVO理論進(jìn)行分析，EDLVO理論由于綜合考慮了顆粒間的各種相互作用能，能全面的說明顆粒間的凝聚與分散行為，所以被廣泛應(yīng)用[11-13]。即研究電化學(xué)作用對煤泥水體系中顆粒間相互作用的影響對實(shí)現(xiàn)煤泥水的高效處理有重要意義。

本文通過對褐煤煤泥、純褐煤、伊利石、純褐煤與伊利石四個(gè)體系的煤泥水進(jìn)行沉降試驗(yàn)，考察電化學(xué)作用對其沉降效果的影響；通過測定和計(jì)算電化學(xué)處理前后不同顆粒間的相關(guān)參數(shù)，得出顆粒間的界面作用能，并對電化學(xué)處理前后顆粒表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，分析電化學(xué)作用對顆粒間相互作用能的影響規(guī)律，揭示電化學(xué)作用強(qiáng)化褐煤煤泥水沉降的機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品分析

樣品采自內(nèi)蒙古通遼地區(qū)某褐煤煤礦，經(jīng)分級選取-0.038 mm粒級原煤用作試驗(yàn)用煤泥樣品。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212—2008和GB/T 476—2001，采用XL-1馬弗爐、DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱等對煤泥樣品進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果見表1。

表1 煤泥的工業(yè)分析 /%

由表1可知，煤泥的空氣干燥基水分含量高達(dá) 13.36%，干燥基灰分含量高達(dá)65.14%，因此，該煤泥屬于典型的高水、高灰的低品質(zhì)煤。

采用D8ADVANCE型X-射線衍射儀對煤泥進(jìn)行礦物組成分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 褐煤的X-射線衍射

從圖1可知，煤中除了主要非晶質(zhì)有機(jī)煤巖組分外，主要脈石礦物為伊利石、石英和黃鐵礦。伊利石屬于一種典型的黏土類礦物，其在水中易泥化形成高灰細(xì)泥，這是該煤泥水難沉降的主要原因之一。

為方便機(jī)理探討，簡化研究體系，因此本文還選取褐煤煤泥中有代表性的-1.3 g/cm3密度級煤和伊利石含量62%的黏土巖近似作為褐煤和伊利石的純礦物，構(gòu)建褐煤煤泥、純褐煤、伊利石、純褐煤與伊利石四種體系模擬煤泥水，對電化學(xué)作用強(qiáng)化煤泥水沉降的作用機(jī)制進(jìn)行探討。此外，為方便觀察純褐煤和伊利石電化學(xué)處理前后微觀形貌的變化，掃描電鏡試驗(yàn)樣品選取粒度約為13 mm的粗粒純褐煤和伊利石類黏土巖進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

電化學(xué)處理方法：自制H型無隔膜電化學(xué)裝置(100 mm×80 mm×120 mm)，兩極材料均為鈦金屬惰性電極，電解質(zhì)為CaCl2溶液。采用RXN-305D直流穩(wěn)壓電源接通電源，可調(diào)節(jié)到指定電壓。根據(jù)試驗(yàn)方案配制電解質(zhì)濃度1.0 mol/L的CaCl2溶液，將其和樣品(20 g)依次加入電解槽中。借助85-2A型恒溫磁力攪拌器進(jìn)行攪拌(600 r/min)，根據(jù)前期探索試驗(yàn)確定溫度為25 ℃，電化學(xué)處理時(shí)間為4 h。電化學(xué)處理后的礦漿，用去離子水反復(fù)沖洗電極至溶液pH為中性，之后過濾、烘干。

煤泥水沉降試驗(yàn)：褐煤煤泥、純褐煤、伊利石以及純褐煤與伊利石混合樣(質(zhì)量比為1:1)的沉降試驗(yàn)。以電化學(xué)處理前后的樣品為研究對象，用去離子水將其質(zhì)量濃度配制為10 g/L，在500 mL量筒中進(jìn)行沉降試驗(yàn)。沉降過程中測定沉降速度(式(1))，沉降1 h后測量壓實(shí)層高度，在量筒液面下2.5 cm處虹吸2 mL上清液，用DHZ-11型濁度儀測定上清液濁度。

沉降速度的計(jì)算公式[14]為：

(1)

式中，V為沉降速度，cm/min；Ti為某一累計(jì)時(shí)刻，s；Hi為Ti時(shí)刻的澄清區(qū)高度，cm；a為首端順序號；b為末端順序號；M為a到b的累計(jì)數(shù)，M=b-a+1。

2 EDLVO理論計(jì)算

以純褐煤、伊利石、純褐煤與伊利石三種體系為研究對象，分別進(jìn)行煤-煤、伊利石-伊利石、煤-伊利石的顆粒間作用能計(jì)算，其體系中顆粒間界面作用能包括范德華作用能、靜電作用能和界面極性作用能。假設(shè)煤泥水體系中的顆粒均為球形。計(jì)算方法如下[15-16]：

顆粒間范德華作用能：

(2)

式中，R1，R2為顆粒半徑，m；H為顆粒間界面力作用距離，m；A132為物質(zhì)1和物質(zhì)2在介質(zhì)3中相互作用的Hamaker常數(shù)，由式(3)確定：

(3)

式中，A11、A22、A33分別為物質(zhì)1、物質(zhì)2和介質(zhì)3在真空中的Hamaker常數(shù)。

對于同種物質(zhì)顆粒在介質(zhì)3中的Hamaker常數(shù)為：

(4)

顆粒間靜電作用能：

(5)

相同物質(zhì)且粒徑相等時(shí)，顆粒間靜電作用能為：

(6)

式中，R為顆粒半徑，m；ε0為介質(zhì)在真空中的介電常數(shù)，8.854×10-12F/m；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；κ-1為Debye長度，m；φ0為顆粒表面電位，可用ζ電位代替，V；e為電子電荷，1.602×10-19C。

顆粒間極性作用能：

(7)

(8)

極性作用能的正負(fù)可由式(9)得出：

(9)

顆粒為同種物質(zhì)時(shí)，顆粒間極性作用能常數(shù)如式(10)所示，極性作用能的正負(fù)由式(11)得出：

(10)

(11)

即顆粒間總作用能：

VT=VW+VE+VH

(12)

3 結(jié)果與討論

3.1 電化學(xué)作用下煤泥水沉降試驗(yàn)

在前期探索性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定試驗(yàn)條件為：溫度為25 ℃，電解質(zhì)質(zhì)量濃度為1 mol/L，電化學(xué)處理時(shí)間為4 h，pH為7，分別考察褐煤煤泥、純褐煤、伊利石、純褐煤與伊利石四個(gè)體系的煤泥水在不同電位梯度條件下的沉降效果，結(jié)果如圖2所示。

(a)褐煤煤泥；(b)純褐煤；(c)伊利石；(d)純褐煤與伊利石

由圖2(a)可知，褐煤煤泥懸浮液未經(jīng)電化學(xué)處理時(shí)，其沉降效果較差，沉降速度為5.63 cm/min，上清液濁度為220 NTU，壓實(shí)層高度為2.9 cm；隨著電位梯度的增大，其沉降效果逐漸改善，當(dāng)電位梯度增大至2 V/cm時(shí)，其沉降效果為最佳，此時(shí)沉降速度為10.55 cm/min，上清液濁度為69.5 NTU，壓實(shí)層高度為1.9 cm；繼續(xù)增大電位梯度，其沉降效果有所下降。

由圖2(b)可知，純褐煤懸浮液未經(jīng)電化學(xué)處理時(shí)，其沉降速度為8.7 cm/min，上清液濁度為153 NTU，壓實(shí)層高度為1.2 cm；隨著電位梯度的增大，其沉降效果不斷變差，且與褐煤煤泥的沉降效果(圖2(a))變化趨勢正好相反，即電化學(xué)處理使其沉降效果惡化。

由圖2(c)可知，伊利石懸浮液未經(jīng)電化學(xué)處理時(shí)，其沉降速度為4.08 cm/min，上清液濁度為324 NTU，壓實(shí)層高度為3.3 cm，與純褐煤懸浮液的沉降效果相比可知，伊利石的沉降難度明顯增大；隨著電位梯度的增大，沉降速度持續(xù)加快，上清液濁度和壓實(shí)層高度逐漸降低，即電化學(xué)處理可以有效地改善伊利石懸浮液的沉降效果。

由圖2(d)可知，純褐煤與伊利石的懸浮液未經(jīng)電化學(xué)處理時(shí)，其沉降速度為5.43 cm/min，上清液濁度為235.5 NTU，壓實(shí)層高度為3 cm，與褐煤煤泥懸浮液的沉降效果十分接近，且電位梯度對兩種懸浮液的沉降影響基本一致，表明純褐煤與伊利石的配制懸浮液用于模擬褐煤煤泥懸浮液具有可行性。

3.2 EDLVO理論分析

3.2.1 參數(shù)測定與計(jì)算

(1)試樣及顆粒粒徑

伊利石和純褐煤試樣經(jīng)Mastersizer 2000型激光粒度分析儀測得平均粒徑分別為5.2 μm和20.6 μm。

(2)Debye長度

(13)

式中，C為離子體積摩爾濃度，mol/L；e為電荷，1.602×10-19C；Z為離子電荷數(shù)；T為系統(tǒng)絕對溫度，K；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；試驗(yàn)所用分散介質(zhì)為水，ε0取8.854×10-12F/m，εr為78.5；pH=7；溫度為298 K，計(jì)算得出κ為0.104 nm-1。

(3)ζ電位

煤泥水體系pH=7時(shí)，采用JS94H微電泳儀對電化學(xué)處理后樣品的ζ電位進(jìn)行測定，結(jié)果如表3所示。

表3 電化學(xué)處理后樣品的ζ電位 /mV

(4)表面能參數(shù)

顆粒的表面能參數(shù)計(jì)算公式如式(14)所示。試驗(yàn)選取三種液體的表面能參數(shù)見表4，采用JC2000C接觸角測試儀對電化學(xué)處理后純褐煤和伊利石的接觸角進(jìn)行測定，結(jié)果見表5，進(jìn)而計(jì)算出純褐煤和伊利石的表面能參數(shù)見表6。由式(8)～(11)計(jì)算得出電化學(xué)處理后純褐煤和伊利石在水中的相互作用能和Lewis分量，如表7所示。

表4 三種液體的表面能參數(shù) /(mJ·m-2)

表5 電化學(xué)處理后純褐煤和伊利石的接觸角 /(°)

表6 電化學(xué)處理后純褐煤和伊利石的表面能參數(shù) /(mJ·m-2)

表7 電化學(xué)處理后純褐煤和伊利石顆粒在水中相互作用能的Lewis分量 /(mJ·m-2)

(14)

(5)Hamaker常數(shù)

物質(zhì)在真空中的Hamaker常數(shù)如下：

(15)

根據(jù)表6，由式(3)、(4)、(15)計(jì)算得出電化學(xué)處理后純褐煤和伊利石在真空和水中的Hamaker常數(shù)，見表8。

表8 電化學(xué)處理后純褐煤和伊利石顆粒在真空和水中Hamaker常數(shù) /(10-20 J)

3.2.2 電化學(xué)作用對純褐煤顆粒間作用能的影響

采用EDLVO理論對不同電位梯度條件下純褐煤顆粒間的界面作用能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

(a)范德華作用能; (b)靜電作用能; (c)極性作用能; (d)總作用能

由圖3(a)可知，電化學(xué)處理前后純褐煤顆粒在不同粒間距上的范德華作用能VW均小于零，其范德華作用為吸引能。隨著電位梯度的增大，純褐煤顆粒間的范德華排斥能逐漸減小。由圖3(b)可知，電化學(xué)處理前后純褐煤顆粒在不同粒間距上的靜電作用能VE均大于零，其靜電作用為排斥作用。隨著電位梯度的增大，純褐煤顆粒間的靜電排斥能隨之增大。由圖3(c)可知，電化學(xué)處理前后純褐煤顆粒在不同粒間距上的界面極性作用能VH均小于零，其極性作用能表現(xiàn)為疏水吸引能。電位梯度的增大會引起純褐煤顆粒間的疏水吸引能減小，即顆粒間的相互吸引效果減弱。由圖3(d)可知，純褐煤顆粒間的總相互作用能VT～H曲線存在“能壘”和“臨界距離”[17]。當(dāng)H>10 nm時(shí)，總相互作用能逐漸趨近于零；當(dāng)H<10 nm時(shí)，繼續(xù)減小時(shí)總相互作用能穿過“能壘”和“臨界距離”，其值由正變?yōu)樨?fù)，繼續(xù)減小顆粒間距，其相互吸引作用愈加顯著。當(dāng)純褐煤顆粒的粒間距較小(<5 nm)時(shí)，隨著電位梯度的增大，其排斥作用增強(qiáng)。

借助掃描電子顯微鏡對電化學(xué)處理前后(電位梯度為2 V/cm)的純褐煤進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果如圖4(a)、(b)所示。

圖4 煤樣的微觀結(jié)構(gòu)(×5 000) (a)處理前；(b)處理后

由圖4(a)、(b)可知，電化學(xué)處理前后的純褐煤樣品表面結(jié)構(gòu)稍有變化，電化學(xué)處理后純褐煤樣表面相較于未處理時(shí)粗糙度更高，且裂隙數(shù)量有所增加，說明電化學(xué)處理降低了純褐煤樣表面的致密性，導(dǎo)致純褐煤顆粒的水化反應(yīng)加劇，疏水性減弱。即從微觀層面上解釋了電化學(xué)處理不利于純褐煤顆粒間的凝聚。

3.2.3 電化學(xué)作用對伊利石顆粒間作用能的影響

采用EDLVO理論對不同電位梯度條件下伊利石顆粒間的界面作用能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

(a)范德華作用能; (b)靜電作用能; (c)極性作用能; (d)總作用能

由圖5(a)可知，電化學(xué)處理前后伊利石顆粒在不同粒間距上的范德華作用能VW均小于零，其范德華作用為吸引能，VW～H曲線的變化趨勢與圖4(a)基本一致。未經(jīng)電化學(xué)處理的伊利石顆粒間的VW無明顯變化，電化學(xué)處理后其范德華吸引能顯著增強(qiáng)，當(dāng)電位梯度為2 V/cm時(shí)，VW達(dá)到最大。由圖5(b)可知，電化學(xué)處理前后伊利石顆粒在不同粒間距上的VE均大于零，其靜電作用為排斥作用。經(jīng)電化學(xué)處理后，VE急劇減小，且隨著顆粒間距的增大，其逐漸趨向于零。當(dāng)電位梯度為2 V/cm時(shí)，VE達(dá)到最小值，即電化學(xué)處理可以有效降低伊利石顆粒間的靜電作用能。由圖5(c)可知，電化學(xué)處理前后伊利石顆粒間的VH～H曲線變化趨勢相同，VH與粒間距呈負(fù)相關(guān)變化，且不同粒間距上的界面極性作用能均為正值，即為親水排斥能。增大電位梯度可以減小顆粒間的親水排斥能，有利于伊利石顆粒相互凝聚。由圖5(d)可知，伊利石顆粒間在不同粒間距上的總作用能VT>0，為排斥作用。當(dāng)電位梯度為2 V/cm時(shí)，VT達(dá)到最小值，即電化學(xué)處理可以顯著降低伊利石顆粒間的排斥作用。

借助掃描電子顯微鏡對電化學(xué)處理前后(電位梯度為2 V/cm)的伊利石進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果如圖6(a)、(b)所示。

由圖6(a)、(b)可知，電化學(xué)處理前后伊利石的表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯變化。未經(jīng)電化學(xué)處理的伊利石表面呈多孔不均勻結(jié)構(gòu)，且條狀裂隙較多；電化學(xué)處理后伊利石的表面層較為平整致密，比表面積減小，有效抑制水化反應(yīng)的產(chǎn)生。煤泥水沉降過程中，顆粒間凝聚是影響沉降效果的關(guān)鍵因素之一[18]。電化學(xué)處理后更有助于伊利石顆粒進(jìn)行凝聚。即從微觀層面上解釋了電化學(xué)處理對伊利石顆粒沉降的促進(jìn)作用。

(a)處理前；(b)處理后

3.2.4 電化學(xué)作用對純褐煤與伊利石顆粒間作用能的影響

采用EDLVO理論對不同電位梯度條件下純褐煤與伊利石顆粒間的界面作用能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

(a)范德華作用能; (b)靜電作用能; (c)極性作用能; (d)總作用能

由圖7(a)可知，純褐煤與伊利石顆粒不同粒間距上的范德華作用能VW均為正值，即表現(xiàn)為排斥作用。電化學(xué)處理可以使純褐煤與伊利石顆粒間的范德華排斥能增大，在H<5 nm時(shí)，范德華排斥能的變化尤為明顯。當(dāng)電位梯度為2 V/cm時(shí)，范德華排斥能最大。由圖7(b)可知，隨著H的增大，未經(jīng)電化學(xué)處理的伊利石顆粒間的VE先急劇增大，待穿過“能壘”(VE極大值)后，VE大幅度減小，并逐漸趨于零。電化學(xué)處理后，VE明顯減小，當(dāng)電位梯度為2 V/cm和2.5 V/cm的VE曲線在H小于臨界距離時(shí)，靜電作用能變?yōu)樨?fù)值，為吸引作用；在H大于臨界距離時(shí)，電位梯度為2 V/cm時(shí)的VE曲線也處于0附近，此時(shí)純褐煤與伊利石顆粒間的靜電排斥能最小。由圖7(c)可知，電化學(xué)處理前后純褐煤與伊利石顆粒在不同粒間距上的VH均大于零，為親水排斥能。電化學(xué)作用可使其VH減小，當(dāng)電位梯度為2 V/cm時(shí)，VH為最小值。由圖7(d)可知，電化學(xué)處理前后的純褐煤與伊利石顆粒不同粒間距上的總作用能VT均為正值，為排斥作用，且VT～H曲線與圖7(a)的VH～H曲線的變化趨勢基本一致，表明電化學(xué)處理可以降低純褐煤與伊利石顆粒間的總作用能，當(dāng)電位梯度為2 V/cm時(shí)，總作用能為最小值，此時(shí)純褐煤與伊利石顆粒間的排斥作用最小。

3.3 討論

以褐煤煤泥、純褐煤、伊利石、純褐煤與伊利石四個(gè)體系的煤泥水為研究對象，采用EDLVO理論對煤泥水體系中顆粒間的相互作用能進(jìn)行分析，并結(jié)合煤泥水的沉降效果進(jìn)行討論，將理論計(jì)算與實(shí)際結(jié)果相對比，驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。

由圖3可知，當(dāng)純褐煤顆粒間距較小(<5 nm)時(shí)，其VW和VH表現(xiàn)為吸引作用，且VH遠(yuǎn)大于VH；當(dāng)純褐煤顆粒間距較大(>5 nm)時(shí)，VW和VH逐漸趨于零，僅存在VE，且表現(xiàn)為排斥作用。隨著電位梯度的增大，不同粒間距上的VW和VH逐漸趨于零，VE持續(xù)增大，即純褐煤顆粒間的吸引作用減弱，排斥作用增強(qiáng)。從VT～H曲線也可以看出，隨著電位梯度的增大，純褐煤顆粒間總作用能呈現(xiàn)出更大的排斥作用。說明電化學(xué)處理不利于純褐煤顆粒間的相互凝聚，從而惡化其沉降效果。由圖2(b)可知，隨著電位梯度的增大，其沉降速度不斷下降，濁度和壓實(shí)層高度持續(xù)升高，這與理論分析結(jié)果一致。相關(guān)研究[19-21]得出，當(dāng)純褐煤進(jìn)行電化學(xué)處理時(shí)，煤中的有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦會在電場作用下發(fā)生電解反應(yīng)。電化學(xué)處理強(qiáng)度越大，其氧化反應(yīng)越劇烈，有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦會逐漸分離，導(dǎo)致煤顆粒破裂，進(jìn)而引起懸浮液體系中的顆粒數(shù)量增加，粒度減小。圖4也可看出，電化學(xué)處理后純褐煤的表面不規(guī)則程度有所提高，致密性變差。

由圖5可知，電化學(xué)處理前后的伊利石顆粒在不同粒間距上的VW<0，且數(shù)值較??；VE、VH均>0，即伊利石顆粒間主要表現(xiàn)為排斥作用。隨著電位梯度的增大，不同粒間距上的VW、VE和VH均有所減小，即吸引作用增強(qiáng)，排斥作用減弱。從VT～H曲線也可以看出，隨著電位梯度的增大，純褐煤顆粒間總作用能呈現(xiàn)出的排斥作用減弱，當(dāng)電位梯度為2 V/cm時(shí)，VT達(dá)到最小值，說明電化學(xué)處理可以促進(jìn)伊利石顆粒間的相互凝聚，從而改善其沉降效果。由圖2(c)可知，隨著電位梯度的增大，其沉降速度快速上升，濁度和壓實(shí)層高度不斷下降，這與理論分析結(jié)果相一致。根據(jù)文獻(xiàn)[22-23]可知，EDLVO理論計(jì)算是假設(shè)伊利石顆粒為球體，實(shí)際上伊利石顆粒為層狀硅酸鹽，當(dāng)pH為中性時(shí)，在水溶液中其顆粒結(jié)構(gòu)的邊上帶正電荷，面上帶負(fù)電荷，易形成“邊-面”相互吸附的網(wǎng)架構(gòu)造，使得該結(jié)構(gòu)的整體沉降速度較慢。增大電位梯度可以減小伊利石的永久電荷和ζ電位，顆粒間“邊-面”吸附減弱，“面-面”吸附增強(qiáng)，可以加快其沉降速度。以上分析與圖6所得結(jié)果一致，即從顆粒間總相互作用能的計(jì)算結(jié)果和顆粒的表面結(jié)構(gòu)變化均可以證明電化學(xué)處理有利于伊利石顆粒的凝聚沉降。

由圖7可知，電化學(xué)處理前后純褐煤與伊利石顆粒在不同粒間距上的VW和VH均>0，當(dāng)電位梯度為2 V/cm時(shí)，VW和VH分別達(dá)到最小值和最大值，但VH明顯大于VW，故顆粒間的排斥作用主要取決于極性作用能，所以電化學(xué)處理可以降低純褐煤與伊利石顆粒間的排斥作用。由VT～H曲線可知，電化學(xué)處理可以有效降低純褐煤與伊利石顆粒間的靜電作用能，尤其是當(dāng)電位梯度為2 V/cm，H無限縮小時(shí)，純褐煤與伊利石顆粒間的靜電作用能轉(zhuǎn)變?yōu)槲饔茫S著H的增大，VE逐漸趨于零，說明電化學(xué)處理可以增大純褐煤與伊利石顆粒間的吸引作用。電化學(xué)作用前后純褐煤與伊利石顆粒和伊利石顆粒的VT～H曲線和沉降效果(圖2(c)、2(d))整體趨勢基本相同。結(jié)合已有文獻(xiàn)[24-25]分析可知，在純褐煤與伊利石的懸浮液中，電化學(xué)處理后的伊利石顆粒具有明顯的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可以對純褐煤顆粒進(jìn)行“包裹”，即體系中主要為水與伊利石顆粒的界面作用。以上分析已知，電化學(xué)處理可以提高伊利石顆粒的沉降效果，故純褐煤與伊利石顆粒的沉降效果也將得到改善，同時(shí)電化學(xué)處理能夠降低純褐煤與伊利石顆粒的靜電排斥作用能和親水排斥能，增強(qiáng)網(wǎng)架“包裹”結(jié)構(gòu)的緊密性，進(jìn)一步提高其沉降效果。因此，純褐煤與伊利石顆粒的沉降試驗(yàn)結(jié)果與EDLVO理論計(jì)算結(jié)果高度吻合。

綜上，顆粒間總作用能決定其相互凝聚與分散狀態(tài)，電化學(xué)處理后，純褐煤顆粒的沉降效果惡化，但是伊利石顆粒、純褐煤與伊利石顆粒的沉降效果改善。因此，電化學(xué)處理對褐煤煤泥水懸浮液的凝聚沉降具有調(diào)控作用。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)合理控制電化學(xué)條件，當(dāng)電化學(xué)作用過強(qiáng)時(shí)會加劇煤質(zhì)氧化，降低煤泥水的沉降效果，同時(shí)也使處理成本增加。

4 結(jié)論

(1)電化學(xué)處理對純褐煤顆粒的沉降具有抑制作用，對伊利石顆粒、純褐煤與伊利石顆粒的沉降具有促進(jìn)作用。

(2)EDLVO理論計(jì)算得出電化學(xué)處理后的純褐煤顆粒間總作用能增大，表現(xiàn)為排斥作用增強(qiáng)，不利于純褐煤顆粒的相互凝聚；伊利石顆粒、純褐煤與伊利石顆粒間總作用能減小，表現(xiàn)為排斥作用減弱，有利于伊利石顆粒、純褐煤與伊利石顆粒的相互凝聚。

(3)電化學(xué)處理的最佳電化學(xué)條件為電位梯度2 V/cm，電解質(zhì)濃度1 mol/L，此時(shí)實(shí)際煤泥水(褐煤煤泥水)和模擬煤泥水(純褐煤與伊利石的混合煤泥水)的沉降效果最佳，與EDLVO理論的計(jì)算結(jié)果相一致，證明配制的懸浮液體系用于模擬實(shí)際情況具有可行性。