煤泥水處理過程中絮凝劑的選擇與投加量小試

賀少波

(晉能控股煤業集團煤炭洗選分公司,山西 大同 037001)

1 試驗部分

1.1 煤樣的制備及表征

試驗煤樣來源于山西某選煤廠，灰分為1.91%(較低，可以近似為純煤),煤樣平均粒度18.9 μm，BET比表面積12.70 m2/g。

1.2 試驗試劑與儀器

試驗試劑主要有氯化鋁、氯化鈣以及陽離子型聚丙烯酰胺、陰離子型聚丙烯酰胺等。試驗設備主要有激光粒度分析儀、鼓風干燥箱、比表面積及空隙分析儀、磁力攪拌器、光電濁度計、馬弗爐等。

1.3 黏土礦物樣品及表征

本文使用3種常見的黏土礦物種類，具體如表1所示。

表1 黏土礦物樣品種類及表征

1.4 沉降試驗評價指標

1)上清液濁度

上清液中含有的懸浮顆粒越多，上清液表現得就越渾濁[1]。本文中使用WGZ-1A型濁度計，快速測定出不同試驗中上清液的濁度。

2)沉降速度

濃縮機底流濃度主要是由煤泥絮體的沉降速度決定的，且一般而言二者呈正相關關系，同時沉降速度越快，表明濃縮機處理能力就會較大，選煤廠循環水就越能被高效利用。但是值得注意的是，沉降速度過快可能會導致濃縮機壓耙事故，所以尋找到最適宜的沉降速度對現場生產來說至關重要。

3)絮體壓縮率

本文在實驗室量筒實驗中通過測量絮體壓縮率來間接表示決定選煤廠循環水利用率的重要條件——澄清水層的高度和濃度。絮體壓縮率=100-煤泥水初始高度/5min后絮體高度，%。

2 影響煤泥水澄清的主因素篩選

本文在通過大量文獻調研的基礎上，篩選出了影響煤泥水絮凝沉降澄清效果的7個主因素，并設計了確定藥劑用量的試驗條件：黏土礦物確定為高嶺石；離子種類為氯化鐵；煤泥水質量濃度確定為40 g/L；黏土礦物含量為試驗中使用的干煤泥的40%；絮凝劑種類為陰離子聚丙烯酰胺(PHP)等。結果顯示，絮凝劑用量在5 mg/L～60 mg/L，離子用量在50 mg/L～600 mg/L即可。

同時，每個因素安排三個水平建立起七因素三水平的正交試驗，并在直觀分析法的基礎上使用方差分析，確定各因素對試驗結果的主次順序和顯著性。結果顯示，在黏土礦物含量較小即占煤泥水中干煤泥量≦25%的條件下，影響煤泥水澄清過程中澄清界面沉降速度的因素主次排序為：絮凝劑種類>離子種類>煤泥水濃度>黏土礦物種類>黏土礦物含量>離子用量>絮凝劑用量，且前4種影響因子對界面沉降速度影響有顯著性。

在黏土礦物含量較大即占煤泥水中干煤泥量>25%的條件下，影響煤泥水澄清過程中澄清界面沉降速度的因素主次排序為：絮凝劑種類>黏土礦物含量>離子用量>煤泥水濃度>黏土礦物種類>絮凝劑用量>離子種類，且前6種影響因子對界面沉降速度影響有顯著性。經過大量研究可知，選煤廠煤泥水中黏土礦物含量一般較高，故而一般選后者結果來評價影響煤泥水澄清因素的主次順序，確定主因素。

本節可以確定各個影響因素的最佳水平。以下分別選擇凝聚劑用量、絮凝劑種類及用量3個主因素具體探討其對煤泥水澄清的影響。

3 主因素對煤泥水澄清的影響

本節采用Nano Brookhaven-90Plus PALS型Zeta電位儀對Zeta電位進行測量。純煤的Zeta電位為-9.63 mV，純高嶺石的Zeta電位為-22.91 mV。首先配制30%、35%、40%、45%、50%不同高嶺石含量的煤泥水樣品，加入燒杯中，并加入一定量的去離子水，通過磁力攪拌器保證煤和高嶺石顆粒混合均勻，留樣備用。其次先后使用生理鹽水、去離子水對測量用的電極進行潤洗，并將煤泥水樣品加入測量皿中插入電極放置儀器中，待各參數設定完畢后開始對樣品進行Zeta電位測量。

3.1 凝聚劑用量

通過前文對影響煤泥水澄清的主因素篩選，在黏土礦物為高嶺石且含量為30%(高嶺石顆粒的粒徑為1.0 μm)、離子種類為氯化鐵、煤泥水質量濃度為20 g/L(煤泥水中煤顆粒的粒徑為18.9 μm)、絮凝劑為PHP且用量為50 mg/L等各個影響因素的最佳水平條件下，探討離子用量分別為50、100、200、300、400 mg/L下的澄清效果。

結果顯示，隨著離子用量的增加，上清液濁度先降低后升高，沉降速度先升高后降低，煤泥水體系中的電位則逐漸升高。其中，在離子用量為100 mg/L時濁度最低，沉降速度最快，電位值最接近于零電點。將電位值變化與濁度變化、沉降速度變化相結合進行分析，離子用量過少煤泥水中顆粒凝聚不徹底，反之會使煤泥水體系中電位逐漸增加，距離零電點越來越遠，最終改變顆粒表面電性增加斥力。因此，確定在離子用量為100 mg/L時濁度最低，煤泥水澄清效果最好。

3.2 絮凝劑種類

通過前文對影響煤泥水澄清的主因素篩選，在黏土礦物為高嶺石且含量為30%(高嶺石顆粒粒徑為1.0 μm)、離子種類為氯化鐵且用量為 100 mg/L、煤泥水質量濃度為20 g/L(煤泥水中煤顆粒的粒徑為18.9 μm)的條件下，分別對陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)、陰離子型聚丙烯酰胺(PHP)等3種絮凝劑在用量為10、20、30、40、50 mg/L進行試驗，結果如圖1所示。

圖1 不同絮凝劑種類下煤泥水澄清效果

通過圖1可以看出，絮凝劑種類不同對煤泥水澄清效果影響較大，加入PHP的煤泥水澄清后的上清液濁度更低，沉降速度更快。經分析，可溶性淀粉、PHP和CPAM都是高分子聚合物，主要是通過吸附-架橋、吸附-電中等方式進行絮凝作用[2]。絮凝劑的離子特性和相對分子質量分別對吸附電中和作用以及對絮體的大小和沉降速度有顯著影響，可溶性淀粉是天然高分子絮凝劑，PHP和CPAM是人工合成的高分子絮凝劑，后者由于是帶有目的性的人工合成的產物，水解后會產生較長的并且較舒展的分子鏈，可吸引的顆粒就越多，故PHP和CPAM的吸附架橋作用比可溶性淀粉強；同時，煤顆粒和高嶺石顆粒表面都是荷負電，而可溶性淀粉是經過改性后的陽離子淀粉絮凝劑，CPAM也是陽離子絮凝劑，PHP則是陰離子聚丙烯酰胺水解出的帶有荷負電的活性基團，PHP可以將顆粒帶有的正電荷進行中和，使顆粒之間的靜電斥力接近于零，成為大而緊密的凝聚體，因此相比之下，絮凝劑PHP的吸附-電中和作用和網捕-卷掃作用最強。

3.3 絮凝劑用量

通過前文對影響煤泥水澄清的主因素篩選，在黏土礦物為高嶺石且含量為30%(高嶺石顆粒的粒徑為1.0 μm)、絮凝劑種類為PHP、煤泥水質量濃度為20 g/L(煤泥水中煤顆粒的粒徑為18.9 μm)、離子種類為氯化鐵且用量為 100 mg/L的條件下，探討絮凝劑用量分別為10、20、30、40、50 mg/L下的澄清效果。

結果顯示，隨著PHP用量的增加，Zeta電位值降低，沉降速度緩慢升高。這是因為，隨著PHP用量增加，帶負電的活性基團和帶正電的煤顆粒以及高嶺石顆粒實現了吸附-電中和的作用，使電位值越接近于零；同時，PHP的相對分子質量為1 200萬，水解度為30%，當絮凝劑用量增加后，其水解出的大量的舒展的長鏈會在煤泥水中捕捉到更多的懸浮顆粒，使煤泥水得到澄清。因此，在本試驗中絮凝劑用量相對越大其對煤泥水絮凝效果越好。

4 結論

本文在確定了影響煤泥水澄清效果的主因素后，探究3個主因素對煤泥水澄清效果的影響機制，得出結論：在離子用量為100 mg/L時濁度最低，煤泥水澄清效果最好；絮凝劑PHP的吸附-電中和和網捕-卷掃等作用最強，煤泥水澄清效果最好；絮凝劑用量相對越大對煤泥水絮凝效果越好。