煤泥性質(zhì)及其混凝劑作用下的沉降試驗(yàn)研究

張 遷，尹禹琦，許普查

(1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司洗選中心，寧夏 銀川 750411；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027)

寧東礦區(qū)井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷層多，煤層直接頂板多為泥巖、粉砂巖和炭質(zhì)泥巖，底板多為泥巖和粉砂巖[1]。該礦區(qū)煤炭屬于低變質(zhì)程度的不粘煤，局部分布有長焰煤，該礦區(qū)煤具有含氧量高、極性官能團(tuán)多、遇水易被潤濕等性質(zhì)[2]。煤質(zhì)分析結(jié)果表明，寧東礦區(qū)煤泥中的礦物組成主要是石英、高嶺土和蒙脫石，其中高嶺土和蒙脫石屬黏土類礦物，遇水極易泥化并穩(wěn)定分散于水中，導(dǎo)致壓濾機(jī)入料中煤泥粒度過細(xì)，壓濾困難。目前，選煤廠通常使用混凝劑對(duì)煤泥水進(jìn)行處理，以加快煤泥水的沉降速度，降低上清液濁度，實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)[3]?；炷齽┌蹌┖托跄齽﹥煞N，其中，凝聚劑作用機(jī)理為電中和及壓縮雙電層作用加速煤泥顆粒沉降，使上清液濁度減??；絮凝劑作用機(jī)理為“架橋”作用使煤泥顆粒形成大絮團(tuán)加速其沉降[4]。當(dāng)煤泥水高灰細(xì)泥含量低時(shí)，使用絮凝劑可以獲得較好的沉降效果；反之，需要絮凝劑與凝聚劑聯(lián)合使用才能取得良好的沉降效果[5，6]。本論文通過研究凝聚劑、絮凝劑及其聯(lián)合使用對(duì)該煤泥水沉降的影響，確定凝聚劑和絮凝劑聯(lián)合使用的最佳藥劑種類及用量。

1 煤泥性質(zhì)分析及沉降試驗(yàn)方法

1.1 煤泥性質(zhì)分析

1)工業(yè)分析：按照《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212—2008)對(duì)煤泥(自然風(fēng)干)進(jìn)行工業(yè)分析。

2)傅里葉紅外光譜：利用Nicolet iS5型傅里葉紅外光譜儀對(duì)煤泥的官能團(tuán)進(jìn)行測試。

3)XRF(X射線熒光光譜儀)：利用Bruker D8 Advance型X射線熒光光譜儀對(duì)煤泥組成成分進(jìn)行分析，測試時(shí)儀器的管壓和管流分別為50 KV和60mA，對(duì)元素的測量范圍為9號(hào)(F)至92號(hào)元素(U)。

4)XRD(X射線衍射)：丹東浩元儀器公司制造的DX-2700型X射線衍射儀，測試時(shí)儀器的電壓和電流分別為35 KV和25 mA，靶材為Cukα，掃描速度為2°/min。

5)接觸角測定：試驗(yàn)選用JCY-1型接觸角測定儀，工作溫度為15 ～ 25℃。測量時(shí)，先用天平稱量3g已干燥的煤泥，再用壓片法對(duì)煤泥進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制樣。制樣時(shí)，利用千斤頂配合相應(yīng)模具將煤泥壓制成片狀，壓力為60MPa，制成的煤泥壓片厚度為2mm。

6)pH值測定：試驗(yàn)采用PHS-25型pH計(jì)對(duì)煤泥水進(jìn)行pH值的測定。

7)Zeta電位：試驗(yàn)采用JS94H型微電泳儀對(duì)煤泥Zeta電位進(jìn)行測量，煤泥水選取自然沉降下含有煤泥顆粒的煤泥水上清液。

1.2 沉降試驗(yàn)方法

首先在帶有詳細(xì)刻度標(biāo)注的500mL具塞量筒中配制試驗(yàn)所需濃度的煤泥水，之后加入試驗(yàn)所需藥劑，人工將量筒進(jìn)行翻轉(zhuǎn)數(shù)次，保證藥劑與煤泥水進(jìn)行充分混合，再將量筒放回原位；立即開始計(jì)時(shí)，每隔相同時(shí)間測定并記錄煤泥水的上清液高度、上清液濁度及絮團(tuán)高度等數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算沉降速度和綜合指標(biāo)，沉降速度和綜合指標(biāo)的計(jì)算見式(1)、式(2)[7]。

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(hào)；b為末端順序號(hào)；M為a到b的累計(jì)數(shù)，M=b-a+1。

式中，H0為煤泥水倒入量筒中的高度；H1為煤泥水沉降后的絮團(tuán)高度。

2 煤泥性質(zhì)與沉降特性

2.1 煤泥性質(zhì)分析

2.1.1 工業(yè)分析

工業(yè)分析結(jié)果見表1，煤泥空氣干燥基灰分為46.15%，屬高灰煤泥[8]。

表1 工業(yè)分析 %

2.1.2 官能團(tuán)分析

圖1 煤泥的紅外光譜

2.1.3 煤泥XRF和XRD分析

煤泥的熒光光譜分析結(jié)果見表2，由表2可知，煤泥的SiO2和Al2O3含量較多，其中SiO2占10.37%、Al2O3占8.56%。

表2 煤泥成分(熒光光譜分析) %

XRD分析是一種對(duì)樣品組成成分測定的有效分析方法[11]。煤泥的XRD分析如圖2所示，由圖2可知，煤泥主要礦物成分有高嶺石、蒙脫石和石英。其中，高嶺石和蒙脫石屬于黏土礦物，由于其易泥化的特點(diǎn)，當(dāng)煤泥中含有這兩種礦物時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤泥水中細(xì)微顆粒的含量增加，惡化煤泥水沉降效果。

圖2 煤泥的X射線衍射

2.1.4 潤濕性分析

潤濕性可以用固液界面的接觸角表示，經(jīng)測量，煤泥與水的接觸角為49°，表明煤泥具有一定的親水性[12]。

2.1.5 煤泥水pH值

不同煤泥水的pH值試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，煤泥水pH值平均值為7.8，說明煤泥水呈弱堿性，這與官能團(tuán)分析一致[13]。

表3 煤泥的pH值

2.1.6 Zeta電位

Zeta電位是一種反映顆粒間穩(wěn)定性的參數(shù)[14，15]。本試驗(yàn)對(duì)3組煤泥水平行樣的Zeta電位進(jìn)行測試，結(jié)果見表4。煤泥顆粒的Zeta電位較高，煤泥顆粒間有較大的靜電斥力，煤泥水體系穩(wěn)定，難以沉降。

表4 煤泥的Zeta電位 mV

據(jù)相關(guān)研究可知，煤泥水pH值在8左右時(shí)，煤泥水的Zeta電位絕對(duì)值達(dá)到最大。此時(shí)，煤泥水中的高嶺土等礦物成分表面電負(fù)性最大，細(xì)微的高嶺土等礦物顆粒會(huì)穩(wěn)定地分散于煤泥水中，給煤泥水的沉降澄清造成很大困難[16，17]。高嶺土為層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，解離時(shí)在其層面存在大量顯負(fù)電性的Si—O鍵和Al—O斷鍵及兩性Al—OH鍵，其表面會(huì)絡(luò)合大量的OH-，使顆粒表面帶負(fù)電，增大表面的負(fù)電性。因此，改變煤泥水pH值，中和礦物顆粒表面—OH，對(duì)于降低Zeta電位，改善煤泥水沉降效果具有重要意義。

2.2 混凝劑作用下的煤泥水沉降特性分析

在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究不同凝聚劑和絮凝劑作用下的煤泥水沉降效果，確定其單獨(dú)使用時(shí)的種類及最佳用量，再將遴選出的凝聚劑和絮凝劑聯(lián)合使用，最終確定凝聚劑和絮凝劑聯(lián)合使用時(shí)的比例[18]。

2.2.1 凝聚劑作用下的煤泥水沉降特性分析

固定煤泥水溫度15℃、濃度40g/L和pH值7.8的條件下，考察AC、PAS和PFS三類凝聚劑作用下的煤泥水沉降效果，結(jié)果如圖3—圖5所示。

圖3 不同聚合硫酸鋁添加量下煤泥水沉降效果

圖4 不同聚合硫酸鐵添加量下煤泥水沉降效果

圖5 不同聚合氯化鋁添加量下煤泥水沉降效果

由圖3—圖5可以看出，分別使用PFS、PAS和PAC后，煤泥水依次在40、30、9min基本沉降完成。通過對(duì)各自上清液濁度進(jìn)行對(duì)比，PFS、PAS對(duì)煤泥水的沉降效果不理想。添加PAC后，煤泥上清液濁度相比于前兩種明顯降低，說明PAC對(duì)于煤泥水中細(xì)微顆粒作用效果更為顯著。由圖3(a)可知，隨著PAC用量的增加，相同作用時(shí)間下煤泥水上清液高度均有所下降。當(dāng)PAC用量為3～15mL時(shí)煤泥水上清液高度下降明顯，繼續(xù)添加PAC至25mL，同等時(shí)間下煤泥水上清液高度隨著添加量的提升反而降低。由圖3(b)可知，隨著PAC用量的增加，同時(shí)間下煤泥水上清液濁度均有所下降。當(dāng)PAC添加量為3～15mL時(shí)煤泥水上清液濁度下降明顯，繼續(xù)添加PAC至25mL，隨著用量的增加，同等時(shí)間下煤泥水上清液濁度下降幅度較緩。綜合考慮，選擇處理效果較佳的PAC作為該煤泥水的凝聚劑，PAC用量為15mL(15kg/t)。

2.2.2 絮凝劑作用下的煤泥水沉降特性

目前，選煤廠進(jìn)行煤泥水處理時(shí)多選用聚丙烯酰胺作為絮凝劑[19]，其為合成高分子絮凝劑，具有高效絮凝優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。聚丙烯酰胺可根據(jù)所攜帶電荷種類不同分為陽離子型、陰離子型、兩性離子型和非離子型四種[20，21]。

選用800萬分子量的陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)、陰離子型(APAM)、兩性離子型(ACPAM)和非離子型(NPAM)作為絮凝劑進(jìn)行煤泥水沉降試驗(yàn)，考察該四種絮凝劑對(duì)煤泥水沉降效果的影響。試驗(yàn)條件為：煤泥水溫度為15℃，煤泥水濃度為40g/L，pH值為7.8，絮凝劑用量為0.5～ 4mL，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同種類絮凝劑試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，CPAM、ACPAM、NPAM及APAM四類絮凝劑作用下煤泥水最快沉降速度分別為1.13、0.97、1.06和0.63cm/s，表明添加任何一種絮凝劑在加快煤泥水沉降方面均優(yōu)于添加PAC，其中CPAM作用下煤泥水的沉降速度最快。在煤泥水沉降后的絮團(tuán)高度方面，隨著四種絮凝劑加藥量的提升，煤泥水的絮團(tuán)高度均有所增高，CPAM、ACPAM、NPAM及APAM作用后煤泥水沉降的最低絮團(tuán)高度分別為2.9、2.6、3.3和2.6cm。在上清液濁度方面，在絮凝劑用量為0.5～4mL范圍內(nèi)，CPAM、ACPAM、NPAM及APAM的最低上清液濁度分別為170.9、188.47、193.69和200.19NTU。綜合對(duì)比，CPAM作用下煤泥水沉降綜合指標(biāo)最高，達(dá)到0.49cm/(s·NTU)，絮凝沉降效果相對(duì)最好，NPAM次之，APAM最差。

2.2.3 凝聚劑與絮凝劑聯(lián)合作用下的煤泥水沉降特性

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，添加凝聚劑PAC時(shí)煤泥水絮凝沉降后上清液濁度降低明顯，但沉降時(shí)間仍然較高。添加絮凝劑CPAM對(duì)沉降效率有所提高，但煤泥水綜合指標(biāo)不高，沉降效果不理想。為了進(jìn)一步提高煤泥水沉降效果，對(duì)PAC和CPAM的聯(lián)合使用效果進(jìn)行研究。

試驗(yàn)條件：在煤泥水溫度為15℃，煤泥水濃度為40g/L，pH為7.8，PAC的用量5～15mL，CPAM的用量為1～3mL，考察不同用量的PAC和NPAM對(duì)煤泥水絮凝沉降效果的影響。結(jié)果如圖7所示。

圖7 PAC與CPAM聯(lián)合作用下的試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，當(dāng)添加CPAM 2mL(150g/t)，PAC 10mL(10kg/t)時(shí)，煤泥水沉降效果最好。 對(duì)比添加單一混凝劑的沉降效果，PAC與CPAM聯(lián)合使用時(shí)，煤泥水沉降效果顯著提升。雖然二者聯(lián)合使用時(shí)沉降速度由1.13cm/s降低至0.65cm/s，但是煤泥水絮團(tuán)高度、上清液濁度均有明顯下降，絮團(tuán)高度由3.7cm下降至3.57cm，上清液濁度由170.9NTU下降至44.26NTU，綜合指標(biāo)可由0.49cm/(s·NTU)提升至1.26cm/(s·NTU)。

對(duì)PAC、CPAM和PAC+CPAM最優(yōu)用量條件作用下的煤泥水進(jìn)行Zeta電位測試，結(jié)果分別為-23.52、-25.27和-18.79mV。這表明煤泥水在加入PAC、CPAM或PAC+CPAM時(shí)均可以顯著降低固液界面的電動(dòng)電位，致使煤泥顆粒之間靜電斥力顯著降低，進(jìn)而促使煤泥顆粒脫穩(wěn)沉降，使上清液濁度降低。PAC與CPAM聯(lián)合作用下煤泥水Zeta電位絕對(duì)值最小，因此其混凝沉降效果最好。

3 結(jié) 論

1)寧東棗泉選煤廠煤泥性質(zhì)研究表明，煤泥空氣干燥基灰分高達(dá)46.15%，煤泥中含有一定量的高嶺石和蒙脫石，易泥化；煤泥中含有較多的含氧官能團(tuán)，接觸角為49°，該煤泥具有一定的親水性；煤泥水的pH值為7.8，Zeta電位為-32.47mV，表明煤泥顆粒之間存在較大的靜電斥力，穩(wěn)定地分散于煤泥水中，難以沉降。

2)凝聚劑和絮凝劑作用下煤泥水沉降試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)使用凝聚劑時(shí)，PAC對(duì)煤泥水沉降效果優(yōu)于PAS和PFS，PAC最佳用量為15kg/t；單獨(dú)使用絮凝劑時(shí)，CPAM處理煤泥水的綜合指標(biāo)優(yōu)于APAM、ACPAM和NPAM，CPAM最佳用量為150g/t。

3)凝聚劑PAC與絮凝劑CPAM聯(lián)合作用時(shí)，綜合指標(biāo)進(jìn)一步提高，表明煤泥水沉降效果顯著改善；當(dāng)CPAM用量為150g/t和PAC用量為10kg/t時(shí)，煤泥水的沉降效果最好，具體指標(biāo)為：沉降速度為0.65cm/s，上清液濁度為44.26NTU，絮團(tuán)高度為3.57cm，綜合指標(biāo)為1.26cm/(s·NTU)。