FeSO4/K2S2O8對微細粒高黏煤泥的化學調控助濾影響

武晉川,樊民強,劉愛榮,楊宏麗,畢海怡

(太原理工大學 礦業工程學院,山西 太原 030024)

0 引 言

目前大多數選煤廠煤泥水處理環節均存在濃縮機入料難沉降、底流壓濾周期長、濾餅水分偏高等問題[1-4]。究其原因,主要由于濃縮機入料中含大量微細粒高黏礦物,為加速這部分高灰細泥顆粒沉降,需在濃縮機中添加大量高分子絮凝劑(聚丙烯酰胺,PAM)[5-7]。PAM憑借自身的長鏈特點將微細顆粒連接起來,形成絮團,從而提高煤泥水的沉降速率和濃縮效率,因而其在煤泥水處理中發揮重要作用[8-9]。但高分子聚丙烯酰胺的大量使用會導致絮團結構上未飽和的支鏈相互排斥、擁擠而向空間伸展,導致絮凝體孔隙率增大,在膠體顆粒周圍形成水化外殼,惡化礦漿脫水效果[5];同時導致本已黏稠的濃縮機底流的黏度大幅增加,壓濾脫水環節周期延長。

筆者采用含有大量微細粒高灰細泥的煤泥,配制成礦漿,向其中添加大量高分子量聚丙烯酰胺,模擬壓濾機入料的黏稠礦漿,然后添加具有部分降解PAM作用的FeSO4、K2S2O8溶液,研究其對礦漿壓濾效果的影響,并分析其對高黏細粒煤泥水助濾的化學調控作用。

1 試 驗

1.1 試驗煤樣

1.1.1 粒度組成分析

煤樣取自陜西青龍寺選煤廠濃縮機入料,煤泥水中未添加任何藥劑,經過濾、晾干后備用。根據GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》對煤泥進行了濕法小篩分試驗,試驗結果見表1。

表1 青龍寺煤樣篩分試驗結果

由表1可知,青龍寺煤樣<0.045 mm粒級為主導粒級,產率為67.21%,且灰分高達49.65%。加壓過濾時,<0.045 mm粒級細顆粒極易游離于大顆粒之間的空隙,到達濾布時易堵塞濾孔,造成脫水阻力增大。

1.1.2 礦物組成分析

圖1給出了試驗所用煤樣的X射線衍射圖譜,可以看出該煤樣的礦物質主要包含高嶺石和石英,其中高嶺石質量分數高達94.73%,高嶺石屬于黏土礦物,在水中極易泥化分散,導致煤泥水脫水困難,是影響青龍寺煤樣難過濾的主要因素。

圖1 青龍寺煤樣XRD圖譜

1.1.3 官能團分析

為探究煤顆粒表面官能團,對煤樣進行紅外分析,如圖2所示。在3 693、3 648、3 619、3 335 cm-1處觀察到的吸收峰為游離羥基(—OH)和酚羥基或醇羥基的伸縮振動。說明該煤樣的氧元素主要以羥基分布于煤的表面,由于羥基易與水分子形成氫鍵,故煤的親水性較強,脫水難度大。

圖2 煤泥的紅外光譜圖

1.2 試驗藥劑及儀器、裝置與方法

1.2.1 試驗藥劑及儀器

主要使用的化學藥劑與主要儀器分別見表2和表3,藥劑分子結構如圖3所示。

圖3 藥劑分子結構

表2 試驗所用的主要試劑

表3 試驗所用的主要儀器

1.2.2 試驗裝置與方法

實驗室加壓過濾實時監測系統如圖4所示,試驗人員打開入料閥門從入料口將配制好的礦漿注入加壓罐(底部鋪有規格為500目(0.03 mm)的濾布)

圖4 實驗室加壓過濾實時監測系統示意

內,之后關閉入料口,打開截止閥,空氣壓縮機開始向加壓罐內提供0.25 MPa的恒定壓力,由于濾液出口與大氣相通,故多孔濾板上下存在壓差,為加壓過濾試驗提供壓力;試驗過程中裝有組態軟件系統(MCGS)的微型電腦通過壓力傳感器全程實時記錄加壓罐內的壓力變化來反映加壓罐內礦漿的壓濾情況,從而精確獲得過濾時間,極大減少試驗過程中試驗人員的主觀性。

通過向煤樣中加水、攪拌配制成400 g/L煤泥水后加入相應藥劑,利用磁力攪拌器在500 r/min轉速下攪拌5 min,然后將煤泥水轉移到自制加壓過濾脫水壓力實時監測裝置中(圖4),煤泥水在0.25 MPa恒壓的推動下,固體顆粒被截留在濾布上形成濾餅,濾液透過濾餅滲出,從而實現煤泥水的固液分離。

1.2.3 加壓過濾試驗評價指標

采用過濾速度和濾餅含水率對脫水效果進行評價,其中過濾速度[1]計算式:

(1)

式中,υ為過濾速度,mL/(s·cm2);V為濾液體積,mL;t為濾餅穿孔時間,s;A為濾餅橫截面積,cm2。

濾餅含水率使用VM-E50鹵素快速水分測定儀測定,使用前對儀器進行0.5 h預熱和重量校準,經九點取樣法從濾餅上取樣后放入水分測定儀中,設置儀器加熱溫度為105 ℃,待托盤內30 s質量無變化時視為測定結束,直接記錄含水率。

2 試驗結果與分析

2.1 化學藥劑對高黏礦漿加壓過濾效果的影響

2.1.1 PAM

在礦漿中加入不同用量的0.1%濃度的PAM加壓過濾試驗結果如圖5所示,可知在PAM用量小于120 g/t時,隨藥劑用量的增加過濾速度增大,濾餅含水率降低,但當PAM用量高于120 g/t時,過濾速度逐漸降低,濾餅含水率大幅增加。證明壓濾入料礦漿中過量的聚丙烯酰胺會阻礙壓濾過程。藥劑用量達到200 g/t時,速度為4.95×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率33.51%,比不添加PAM時增加了1.48個百分點。

2.1.2 化學調控藥劑和PAM的添加順序

向礦漿中先后添加PAM和化學調控藥劑的加壓過濾試驗結果見表4,可知反加(先加1 000 g/t 化學調控藥劑,作用2.5 min后添加200 g/t PAM,2.5 min后進行過濾試驗)藥劑較正加(先加200 g/t PAM,作用2.5 min后添加1 000 g/t化學調控藥劑,2.5 min后進行過濾試驗)藥劑均能小幅提高過濾速度,但測得的濾餅含水率高于正加藥劑。當K2S2O8溶液正加時,過濾速度降低了0.007×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低0.45%;當FeSO4正加時,過濾速度降低了0.442×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低1.13%。

2.1.3 化學調控藥劑

單獨使用無機鹽藥劑FeSO4和K2S2O8,及在礦漿中加入過量PAM(200 g/t,模擬實際壓濾入料,下文簡稱處理樣)后再在分別加入上述無機鹽溶液的藥劑條件下進行4組加壓過濾試驗,結果如圖6、7所示。

圖6 無機鹽對煤泥水過濾速度及濾餅含水率的影響

由圖6可知,FeSO4和K2S2O8單獨添加時,過濾速度均隨藥劑用量增加而逐漸增大,濾餅含水率也逐漸降低,起助濾作用;尤其是對處理樣的過濾速度大幅提高,FeSO4用量達1 000 g/t時,過濾速度6.12×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率與單獨添加PAM相比降低2.31%,當K2S2O8用量達2 000 g/t時,過濾速度達高達6.17×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低3.68%。但FeSO4和K2S2O8分別作用于原樣和處理樣時,不同藥劑用量下,處理樣的濾餅含水率較原樣均小幅提升,說明PAM過量對煤泥水分影響很大;圖7為實驗室加壓過濾實時監測系統中加壓罐內礦漿所受壓力變化的實時監測曲線,當濾餅成型后,在壓力作用下濾餅會出現一些細小裂痕,使得加壓罐內部分氣壓從裂痕泄出,微型電腦上壓力曲線驟降,代表過濾完成;由圖7可知,無論加入哪種無機藥劑,濾餅成型后的穿孔時間都比不添加藥劑時縮短,且處理樣+FeSO4<處理樣+K2S2O8<處理樣<原樣。

圖7 系統壓力隨時間變化的曲線

綜上所述,在壓濾入料礦漿中添加化學藥劑PAM、FeSO4和K2S2O8均有助濾作用。無機鹽FeSO4和K2S2O8加入含高分子PAM礦漿中后,加壓過濾效果明顯改善,壓濾周期顯著縮短。因此,認為無機鹽FeSO4或K2S2O8與PAM之間存在協同作用。

2.2 化學藥劑對礦漿助濾的協同作用機理分析

2.2.1 化學藥劑對PAM溶液的降黏作用

配制PAM水溶液時,邊攪拌邊將PAM粉末緩慢加入水中,在磁力攪拌器400 r/min的轉速下攪拌2 h,待PAM溶解完全后等分,分別加入不同用量的FeSO4、K2S2O8及與藥劑相應用量的去離子水做對照,在恒溫水浴鍋中作用5 min(29 ℃),利用NDJ-8S數顯黏度計進行黏度測定,每組樣品測量3次,取其平均值。其中未添加藥劑的聚丙烯酰胺溶液的黏度計示數為7.6 mPa·s;用黏度降低百分數來表示FeSO4、K2S2O8的降黏效果[26],計算式為

(2)

式中,P為黏度降低百分數,%;η為藥劑作用PAM溶液后黏度計示數,mPa·s;η1為PAM初始黏度;η0為去離子水作用后黏度計示數。

不同藥劑用量下聚丙烯酰胺溶液黏度變化如圖8所示,可知聚丙烯酰胺溶液中添加K2S2O8和FeSO4均可降低溶液黏度,隨藥劑用量增加,溶液黏度大幅降低,用量達90 g/t時,溶液黏度基本無變化,且FeSO4的降黏效果明顯優于K2S2O8,溶液黏度減低62.89%。國內外學者[28-32]認為降解體現在溶液流變特性的變化和特性黏度的降低上,表明降解涉及斷鏈而導致聚合物分子量降低,由此判斷K2S2O8和FeSO4對PAM產生了降解作用。

圖8 不同藥劑用量下聚丙烯酰胺溶液黏度變化

總結文獻并歸納K2S2O8/ FeSO4與PAM可能發生的反應[10,28-32],具體反應見表5,并用圖9進行降解機理圖示。

圖9 K2S2O8和FeSO4氧化降解機理

表5 K2S2O8和Fe2+降解PAM反應方案建議

綜合試驗研究與降解機理分析表明,K2S2O8和FeSO4均對PAM產生降解作用,使部分(PAM)n+m→xAM +(PAM)m+(PAM)n進而起降黏效果。

2.2.2 化學藥劑對礦漿及濾液的黏度影響

向配制好的原樣中加入200 g/t PAM配置成處理樣,然后向處理樣中分別添加1 000 g/t FeSO4和2 000 g/t K2S2O8,在500 r/min轉速下攪拌5 min,利用NDJ-8S數顯黏度計對其分別測定黏度,然后收集加壓過濾后的濾液,測定黏度。每組樣品測量3次,取平均值。試驗操作在恒溫水浴鍋中(29 ℃)進行,試驗結果如圖10所示。

圖10 無機鹽對礦漿和濾液黏度的影響

由圖10可知,向礦漿中添加PAM會導致礦漿和濾液黏度顯著增加,礦漿黏度由原來的1 764 mPa·s增至2 597 mPa·s,濾液黏度由原來的1.24 mPa·s增至1.31 mPa·s,當向含PAM的礦漿中分別添加FeSO4和K2S2O8溶液時,黏度分別降至2 115和2 380 mPa·s。隨FeSO4和K2S2O8加入,濾液黏度也由1.31 mPa·s分別降至1.26和1.28 mPa·s。因此可認為K2S2O8和FeSO4對礦漿中部分PAM產生降解作用,引起PAM長鏈斷裂和分子量降低,黏度降低。其中,FeSO4對含有PAM的礦漿/濾液降黏效果優于K2S2O8,這與化學藥劑對PAM溶液的降黏結果一致。

2.2.3 化學藥劑與煤樣作用的絮團影像分析

采用高清顆粒影像分析儀分別觀測原樣和添加藥劑后的絮團形態,結果如圖11所示。觀察到:圖11(a)原樣顆粒微小且分散;圖11(b)當原樣中加入FeSO4后,產生凝聚現象,存在微小的凝聚體;圖11(c)原樣中加入K2S2O8后,微細顆粒更加分散,并未產生凝聚現象;圖11(d)處理樣即原樣加入大分子PAM后,形成了較大直徑且密實的絮團、聚集;圖11(e)向處理樣中添加FeSO4后,絮團直徑相對減小,而絮團與絮團之間相互連接,形成較松散的大絮體;圖11(f)向處理樣中加入K2S2O8后,絮團尺寸減小且分散在礦漿中。

圖11 藥劑作用前后煤樣絮團的影像

2.2.4 化學藥劑對煤顆粒表面電性的影響

對原樣以及處理樣分別添加1 000 g/t 的K2S2O8和FeSO4藥劑,處理后的煤樣使用微電泳儀進行Zeta電位測定,結果見表6。

表6 礦物顆粒表面在藥劑作用前后的Zeta電位

由表6可知,自然pH條件下,原樣的Zeta電位為-41.52 mV,顆粒表面負電性較強,親水性強。PAM的添加無法降低煤顆粒表面的負電性,無機電解質FeSO4與K2S2O8添加,煤顆粒表面的Zeta電位絕對值分別降低30.82和6.36 mV,說明Fe2+電中和的作用遠強于K+;向含大量高分子PAM的煤泥水中添加FeSO4與K2S2O8后,因FeSO4在降解PAM過程中Fe2+被氧化為Fe3+,因此對煤顆粒表面負電荷的電中和作用仍然存在,Zeta電位絕對值較只添加PAM時降低了34.53 mV,而K2S2O8的添加,電中和作用相對較小,Zeta電位僅降低了6.12 mV。

2.2.5 化學藥劑對礦漿助濾的協同作用分析

試驗所采用的微細顆粒煤樣表面負電性強,分散在礦漿中不易沉降和過濾,不添加任何藥劑,過濾周期長達31 min。向礦漿中單獨添加無機鹽FeSO4時,溶液中的Fe2+起電中和作用,顆粒在礦漿中產生凝聚現象,因此添加FeSO4溶液后,過濾速度明顯提高,濾餅含水率有所降低,添加K2S2O8溶液后,因K+的電中和作用不明顯,助濾效果較FeSO4溶液差。

當向礦漿中添加大量高分子PAM模擬壓濾機入料時,礦漿黏度顯著增加,礦漿中的顆粒形成了直徑較大且密實的絮團,過濾過程中絮團不易破裂,其中包裹的水分也無法穿透絮團排出,因此導致濾餅含水率增大,與試驗結果一致。

當向含大量高分子PAM的黏稠礦漿中添加無機鹽FeSO4和K2S2O8溶液時,由于FeSO4和K2S2O8能夠對PAM產生降解作用,使PAM主鏈斷裂,得到大量小分子鏈的PAM,表現為煤泥水黏度降低,絮團直徑變小。溶液中的Fe3+對負電性較強的絮團起凝聚作用,形成如圖11(e)所示的松散的大絮體,這種大絮體既增大了顆粒的表觀粒度,又不會包裹水分,形成的濾餅透氣性好,因此過濾效果明顯改善,壓濾周期縮短22 min;而K+電中和作用小,凝聚效果差,形成如圖11(f)所示的小絮團分散在礦漿中,助濾效果略低于FeSO4溶液,這與試驗結果吻合。

3 結 論

1)試驗煤樣的粒度細,灰分高,含大量高嶺石,含氧官能團多,電負性強,礦漿中加入大量高分子量的PAM后黏度進一步增大,礦漿系統穩定性增強,濾餅透氣性差,導致壓濾周期長,濾餅含水率高。

2)改變礦漿中藥劑(PAM和化學調控藥劑)的添加順序,發現反加藥劑較正加藥劑可小幅降低煤泥水過濾時間,但測得的濾餅含水率也較正加藥劑變高。

3)向含有大量高分子量的PAM的礦漿中添加無機鹽FeSO4和K2S2O8溶液,過濾效果明顯改善。FeSO4用量達1 000 g/t時過濾速度可達6.12×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低2.31%,而K2S2O8用量達2 000 g/t時,過濾速度達到6.17×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低了3.68%。

4)FeSO4可降解礦漿中的部分大分子PAM,生成大量短鏈PAM,降低礦漿黏度;又由于存在高價金屬陽離子,對細顆粒有凝聚作用,既增大了顆粒的表觀粒度,又不會包裹水分,形成的濾餅透氣性好,因此明顯改善過濾效果,過濾周期縮短70.97%,因此認為礦漿中添加大分子PAM和無機鹽FeSO4在加壓過濾過程中存在協同作用。