高嶺土懸浮液凝聚劑加藥量基準辨析

胡金良,王凱雄,王鴻昌

(國家能源集團準能集團有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 010300)

煤泥水是指煤炭在分選加工過程中所產生的泥水混合物,含有煤和高嶺土、蒙脫土、伊利石等黏土類礦物以及石英等。煤泥水處理與選煤廠的洗選生產密切相關,隨著對選煤產品的要求愈加嚴格、選煤工藝的愈加復雜、選煤廠的大型化愈加明顯,以及水資源的愈加珍貴和環境保護標準的愈加苛刻,煤泥水處理已經變成了整個選煤工藝中涉及面最廣、投資最大、最復雜、最難管理的工藝環節[1]。通常情況下,煤泥水中具有較大的懸浮物濃度,且懸浮的固體物顆粒表面帶有較強的負電荷,難以自然沉降。絮凝沉降法是當前主流的處理工藝。

煤泥水絮凝沉淀受到許多因素的影響,除了pH值外,凝聚劑與絮凝劑的藥劑種類和用量、流場類型、流場能量輸入和藥劑作用時間等也對煤泥水絮凝沉降有重要影響[2],其中藥劑制度(凝聚劑與絮凝劑的藥劑種類、加藥點、配比和加藥量)是可調可控的核心要素。藥劑主要分為凝聚劑和絮凝劑,凝聚劑一般是無機電解質,通過電性中和的作用減小或消除顆粒間的靜電斥力,使其能夠互相靠近、接觸并發生黏附聚集[3]。絮凝劑通常是帶有很多能吸附微粒的有效官能團的線狀高分子化合物,通過長鏈將許多微粒吸附在一起,形成一個絮團,從而加速了沉降[4-5]。

煤泥顆粒間的作用力可以用DLVO或XDLVO理論來解釋[5-6]。天然條件下煤泥水顆粒表面的電負性會使DLVO作用力中的靜電作表現為排斥力,在幾十納米至微米級別的范圍起主要作用力,從而阻止顆粒的相互靠近[3]。煤泥的表面的荷電情況通常用zeta電位來表示。Zeta電位的絕對值(正或負)越高,分散體系越穩定;反之,zeta電位(正或負)越低,分散顆粒越傾向于凝聚和黏附。凝聚劑的添加,正是為了降低顆粒表面的zeta電位,使其接近等電點,從而減小或消除靜電斥力[8]。

需要注意的是,過量的凝聚劑的添加,會使原本帶負電的煤泥顆粒轉變為帶正電,顆粒間的靜電作用力由負-負斥力轉變為正-正斥力。因此,合適的凝聚劑加藥量是生產關注的重要指標。但是目前生產上難以實現電位的實時在線監測,如何準確加藥是困擾煤泥水生產的難題。通常意義上,煤泥水加藥采用干煤泥量為基準,但從DLVO理論來看,煤泥水中的藥劑濃度才是改變煤泥表面zeta電位的因素,以干煤泥量還是煤泥水的體積為基準更為準確,至今尚無定論。本研究致力于解決該問題,以煤泥水常見礦物高嶺土為材料,通過設計系列凝聚沉降實驗,以上清液濁度為指標,結合zeta電位的測定,以確定煤泥水加藥的科學基準。研究結果可為煤泥水加藥自動化控制提供指導依據,有利于提高煤泥水處理環節的可靠性,節約藥劑使用。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

高嶺土懸浮液的配制:高嶺土購自天津福晨化學藥劑廠(分析純),根據實驗設計稱取10,20,30,40或50 g高嶺土,置于1 L的燒杯中,加水500 mL,用電動攪拌器以150 r/min的轉速攪拌30 min,得到固體物濃度分別為20,40,60,80,100 g/L的高嶺土懸浮液。

凝聚劑氯化鐵溶液的配制:實驗使用氯化鐵(分析純)作為凝聚劑,由國藥集團化學試劑有限公司提供。每次實驗稱取1 g氯化鐵,用燒杯溶解后再用200 mL容量瓶定容,配制為5 g/L的溶液備用。為避免氯化鐵在水中解離形成膠體影響藥劑效果,氯化鐵溶液均當天配制當天使用。

1.2 凝聚沉降實驗

取100 mL配制好的高嶺土懸浮液,倒入具塞量筒中,蓋好塞子,翻轉5次使之均勻。按表1設定的加藥量方案,加入一定量的氯化鐵溶液,再上下翻轉10 次后,立即用移液管取10 mL懸浮液,用布魯克海文生產的Zeta PALS 高分辨zeta電位及粒度分析儀測定懸浮液中固體顆粒的電位。剩余懸浮液靜置沉降20 min后,用移液管在液面下約1 cm處取上清液用上海昕瑞WGZ-1A型濁度儀測定濁度。

表1 高嶺土懸浮液加藥凝聚沉降試驗方案

實驗數據統計時,將表1所示的加藥量用兩種基準進行分析。其一為固體物基準,即直接以懸浮液中含有的干燥固體物(高嶺土)的質量為基準,按擬加入的藥劑量(相對量,g/kg)計算應加入的藥劑絕對量進行凝聚的添加。其二為體積濃度基準,在表1所列的方案的實驗中,將實際加入的藥劑絕對量,除以實驗時的懸浮液體積(100 mL),得到以體積為基準的藥劑添加量數據。通過分析和比較這兩種基準下濁度的變化情況,確定較優加藥基準。

2 結果與討論

實驗結果如圖1所示。由圖可知,隨著凝聚劑氯化鐵加藥量的增大,高嶺土凝聚沉降后上清液的濁度平均值總體上隨之減小,但以不同加藥量為基準時,其規律有較大差異,具體分析如下。

圖1 不同固體物濃度的高嶺土懸浮液加藥凝聚沉降后上清液濁度隨加藥量的變化

圖1(a)顯示為不同固體物含量的懸浮液中,以干燥固體物為加藥基準的藥劑添加量對上清液濁度的影響。圖中可見,在所有含有不同固體物含量的懸浮液中,上清液的濁度均存在極值點(最低值),可以初步判定這些最低值條件下懸浮液中的細顆粒均處于等電點,這說明試驗設計的加藥范圍在合理的區間。但是上清液濁度與加藥量(固體物基準)沒有表現出明顯的關聯性。為了進一步探索可能存在的規律,將極值點之前的其他較小加藥量條件下的數據點剔除,如圖1(b)所示,發現每個固體物濃度下上清液濁度均近乎以線性關系隨著加藥量(固體物基準)的增大而增大,且固體物濃度越大,斜率越大。這個現象可能是因為以固體物為加藥基準的情況下,固體物濃度越大,加大加藥量時懸浮液中藥劑的體積濃度增量就越大,促使顆粒表面的zeta電位變為更大的正值,從而增大顆粒間的靜電斥力作用,顆粒更容易穩定分散而不發生凝集沉降,因此上清液濁度增加。

圖1(c)所示為以懸浮液體積為加藥基準計算所得的實驗結果,從圖中可見,由于實驗設計以固體物為加藥基準,因此不同固體物濃度的懸浮液實驗所加藥劑換算為體積基準時,加藥量的范圍有所差別。在低固體物質量濃度(20 g/L)下,以懸浮液體積為基準時的最大加藥量僅為70 g/L。在這樣的條件下,由于藥劑在懸浮液中的體積濃度不足,所能起到的壓縮雙電層的作用就不強,因此沉降后的濁度總體都比較高,均在140 NTU以上。隨著固體物濃度的增加,按同樣的固體物基準加藥量水平加藥時,藥劑在懸浮液中的體積濃度上升,上清液濁度總體呈下降趨勢,但仍無法得到明顯的關聯性。為此,圖1(d)中刪除了加藥量大于最低濁度值時加藥量的其他數據點,獲得了較好的關聯性,即隨著體積基準加藥量的增大,濁度近似呈線性關系逐步降低。

為了進一步確認極值點(最低濁度)是否為等電點(zeta電位為0 mV),以及顆粒表面荷電是否發生反轉,對不加藥、極值點以及每個固體物濃度下的最大加藥量時的懸浮液進行zeta電位的測定。結果為:不加藥的情況下,顆粒表面的zeta電位值為-21.63 mV,而在40,60,80和100 g/L固體物濃度下最低濁度對應的zeta電位分別為-0.19,0.1,0.2和0.1 mV,而各濃度在200 g/kg加藥條件下的zeta電位值如圖2所示。圖中可見,在過量加藥的情況下,顆粒表面的電性均轉變為正值,而懸浮液中藥劑的體積濃度增加,zeta電位值有向零點靠近的趨勢。由于以固體物為基準的加藥量不變,藥劑體積濃度的增加是因為懸浮物濃度的增大,可以推測,zeta電位的降低是因為增多的顆粒物表面吸附了大量的陽離子,使懸浮體系中游離的陽離子濃度降低,離子吸附平衡發生移動。這說明,固體物濃度對表面電性轉正電后的電位有影響。

圖2 按200 g/kg加藥時對應的體積加藥量與zeta電位的關系

圖3為不同固體物濃度下濁度最低時對應的以懸浮液體積為基準的加藥量,從zeta電位的測定結果來看,這幾個加藥條件下對應的zeta電位均接近于0 mV,可以視為等電點。

圖3 不同固體物濃度下等電點時的藥劑體積濃度加藥量

圖3中顯示,達到這些等電點時,所需的以體積為基準的加藥量與固體物的濃度近似成正比關系。

3 結論

綜合上述實驗結果和分析討論,可以得到以下結論:

高嶺土懸浮物體系到達等電點所需的體積基準加藥量與懸浮體系中的固體物濃度成正比關系;在藥劑添加量未達到等電點時,體系的濁度與體積基準加藥量成反比。

到達等電點以后,過量加藥會導致顆粒表面電位由負轉正,過量加藥后,相同的固體物基準加藥量下,zeta電位值隨體系固體物濃度減小,但濁度隨濃度近似以線性關系增大。以懸浮液的體積量為基準進行凝聚劑的添加更為合理。