基于電化學預處理對細粒煤脫水效果的試驗研究

馬倩倩

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

0 引言

隨著煤炭大規模的開發利用，細粒煤含量逐年增加，細粒煤含水量較大，在運輸存儲過程中增加成本且污染環境，尤其在煉焦時，細粒煤含水量的增加使得爐溫降低，增加了煉焦能耗，延長了煉焦時間，降低焦煤生產效率[1-2]。因此對細粒煤進行脫水預處理是必不可少的步驟。傳統的細粒煤脫水后濾餅水分含量仍然較高，這就使得后續精煤在運輸過程中煤泥水的滲漏污染環境，還造成了精煤的浪費，實際的開發利用不經濟[2-4]。強化細粒煤脫水是煤炭高效利用的關鍵，本文通過添加不同價態的無機電解質，考察了電化學預處理前后，濾餅水分含量、過濾速度、礦漿pH值及電導率等的變化，探究了無機電解質對強化細粒煤脫水的影響。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

試驗用到的無機鹽有NaCl、CaCl2和AlCl3，均購于天津市科密歐化學試劑有限公司；試驗用到的儀器有精密數顯電導率儀DDS-11A（上海康寧電光技術有限公司），單相電容起動電動機C027124（奉化溪口三和電機廠），微型電泳儀JS94H（上海中晨數字設備有限公司）。

1.2 細粒煤電化學預處理

水煤漿的制備：將一定比例的試驗煤樣與水混合，攪拌均勻，制得一定濃度的水煤漿。

電化學預處理：設定好溫度及攪拌的機械強度，將制備好的水煤漿與無機電解質混合，邊攪拌邊對煤漿進行電化學處理。

1.3 水分含量的測定

取干凈的稱量瓶，準確稱量其質量并記錄，準確稱取一定量的煤樣置于稱量瓶中，稍微搖晃將煤樣平鋪于稱量瓶底部，并記錄兩者的質量總和，將稱量瓶去蓋后置于鼓風干燥箱內干燥煤樣2 h，取出的稱量瓶蓋好蓋子置于干燥器內冷卻至室溫，再次稱量其質量并記錄。在干燥2 h過程中，每隔15 min稱量一次，監測煤樣質量的變化。

1.4 過濾速度

電化學處理后的煤樣，攪拌均勻后倒入布氏漏斗進行過濾，打開真空泵調節活塞至一定真空度，煤漿開始過濾，記錄濾液達到相同體積的時間間隔，繼續過濾，直至濾餅表面的水分消失，停止過濾，計算過濾速度。

1.5 礦漿pH的測定

礦漿pH通過LIDA型pH值計測定，將復合電極頭插入到攪拌均勻礦漿后，待讀數穩定后，記錄電化學前后礦漿的pH值。

1.6 電導率的測定

礦漿的電導率通過精密數顯電導率儀DDS-11A測定，將電導電極頭插入到攪拌均勻的礦漿中，排空氣泡后測定電導率，并記錄礦漿電化學處理前后的電導率值，測量3次求得平均值。

1.7 zeta電位值的測定

本文采用微型電泳儀JS94H電泳儀測定礦漿經電化學處理后的zeta電位值。將礦漿與電解質混合后，充分攪拌。測量時，每個電化學處理后的樣品測量3次，求取測量的平均值。

2 結果與討論

2.1 不同陽離子電解質對細粒煤濾餅水分的影響

本文選用的是辛置礦的焦煤，采用了3種不同價態的陽離子無機鹽對煤漿進行電化學預處理，其對電化學預處理后煤樣的濾餅水分含量的影響如圖1所示。

圖1 不同價態電解質預處理后對煤漿濾餅水分含量的影響

從圖1可以看出，電解質NaCl處理后，濾餅水分含量隨電解質含量的增加而增大，且過濾速度減緩；經CaCl2處理煤泥后，濾餅水分含量先降低后輕微增加，當電解質濃度為2 000 g/t時，濾餅水分含量最低；添加電解質AlCl3后，濾餅水分含量先降低后增加，在電解質濃度為500～3 000 g/t的范圍內，濾餅水分含量一直保持較低狀態；這說明添加NaCl不利于濾餅水分含量降低，CaCl2和AlCl3的添加可以很好得降低濾餅水分含量，有利于細粒煤脫水。同時，AlCl3本身就是一種很好得凝聚劑[5]，可以捕獲大量的細粒煤顆粒，從而有助于細粒煤脫水。

2.2 不同陽離子電解質對細粒煤過濾速度的影響

從圖2可以看出，添加NaCl后，水煤漿過濾速度隨著電解質濃度的增加而降低，過濾速度減慢，濾餅水分含量增加，不利于脫水；添加CaCl2后，濾餅過濾速度先增加后減小，當電解質濃度為500 g/t時，過濾速度最大，濾餅水分含量也最低，利于細粒煤脫水；添加AlCl3后，過濾速度增加，且相比于其余2種電解質的添加，濾餅過濾速度最快，隨著AlCl3濃度的增加，濾餅過濾速度有所降低，但依然比添加NaCl后的過濾速度要快，說明AlCl3的添加也是有利于煤漿的脫水。

圖2 不同價態電解質預處理后對煤漿過濾速度的影響

2.3 不同陽離子電解質對細粒煤煤漿pH的影響

從圖3可以看出，添加電解質預處理后，礦漿的pH值發生明顯得降低，這是因為，隨著電解質濃度的增加，電解過程中陽極發生反應[5]：

圖3 不同價態電解質預處理后對煤漿pH的影響

氫離子移向負極，氫氧根離子移向正極，并消耗了大量OH-，平衡向右移動，pH下降，溶液呈弱酸性。

2.4 不同陽離子電解質對細粒煤煤漿電導率的影響

從圖4可以看出，添加電解質后，礦漿中離子數目隨著電解質濃度的增加而不斷增大，導電性增強，減小能耗，利于增大礦漿的電導率。

圖4 不同價態電解質預處理后對煤漿電導率的影響

2.5 不同陽離子電解質對細粒煤煤漿zeta的影響

為了進一步探究電解質陽離子對細粒煤脫水的影響，測定了不同電解質在預處理后細粒煤表面的zeta值，通過雙電層理論解釋了電解質對細粒煤脫水影響的實質。細粒煤表面zeta電位值如圖5所示。

圖5 不同價態電解質濃度與電動電位的關系

從圖5可知，添加電解質后，zeta電位值隨著電解質濃度的增加而增大，這是因為電解質的加入壓縮了雙電層，使得細粒煤表面的zeta絕對值增加。Na離子的半徑較小，極化率較低，對zeta電位值影響較小，添加NaCl后的zeta電位值明顯高于未經電解質處理的煤樣，不利于細粒煤脫水；Ca2+和Al3+的加入都會使得雙電層厚度變薄，zeta電位值增大，其作用后濾餅水分含量均低于未添加電解質的，利于細粒煤脫水。這是因為無機電解質本來就是常用的凝聚劑[6]，當電解質電離出來的離子與周圍顆粒所帶離子的電性相反，且隨著電離離子的價態的增加，凝聚作用越強。所以經AlCl3預處理，細粒煤脫水效果強于其他電解質。同樣，根據DLVO理論[5]，正離子的加入使得體系中負離子的濃度增加，在反粒子靜電斥力作用下，正離子被迫擠進吸附層，電荷被中和，水化膜消失，促進了顆粒的凝聚，有利于細粒煤脫水。

3 結論

1）添加無機鹽NaCl，濾餅水分含量較高，過濾速度減緩，不利于細粒煤脫水。

2）添加電解質CaCl2和AlCl3后，濾餅水分含量降低，過濾速度增加，有利于細粒煤的脫水。

3）Na+半徑較小，極化率較小，對zeta的影響較小，而Ca2+和Al3+的添加使得雙電層厚度變薄，zeta電位值增大，利于細粒煤脫水。

4）無機電解質本來就是常用的凝聚劑，當電解質電離出來的離子與周圍顆粒所帶離子的電性相反，且隨著電離離子的價態的增加，凝聚作用越強，故經AlCl3作用細粒煤脫水效果。