鹤岗矿区1/3焦煤煤泥水絮凝沉降实验研究

徐 岩， 王校风

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院，哈尔滨 150022;2.黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司 鹤岗分公司，黑龙江 鹤岗 154100)

煤泥水浓缩澄清是选煤厂实现固液分离的关键工艺之一。通过煤泥水的固液分离，降低洗水浓度，实现清水选煤、洗水循环，是保证原煤分选效果和产品质量的关键。了解煤泥水特性，选择合适的絮凝剂，对煤泥水的净化处理具有重要意义。国内选煤厂煤泥水的浓缩澄清作业基本采用凝聚剂或絮凝剂，较难处理的煤泥水则采用凝聚剂与絮凝剂配合使用的技术。目前，选煤厂大多选用聚丙烯酰胺(PAM)作为絮凝剂，PAM按其侧链所带官能团的不同可分为非离子型PAM、阳离子型PAM和阴离子型PAM[1－3]。而以PAM为絮凝剂，研究1/3焦煤煤泥水絮凝沉降的文献尚不多见[4]。笔者选取黑龙江省鹤岗矿区1/3焦煤煤样，采用阴离子型、阳离子型及非离子型PAM进行絮凝沉降实验，分析1/3焦煤煤泥水在絮凝沉降过程中的影响因素和沉降效果，探索适用于该矿区1/3焦煤煤泥水絮凝沉降的条件，为选煤厂煤泥水处理提供了有益参考。

1 实验

1.1 样品

实验选取黑龙江省鹤岗矿区1/3焦煤干煤泥，煤泥的粒度组成区间为1.04 ～27.28 μm，平均粒度为10.49 μm，灰分为43.06%。取适量煤泥，用水调配成质量浓度为25 g/L的煤泥水，备用。

1.2 试剂与仪器

试剂:凝聚剂为聚合氯化铝，其质量分数为2%;絮凝剂选择分子量分别为300、500和1 000万的阴离子型PAM，离子度分别为10～20、25～35和40～50的阳离子型PAM，以及非离子型PAM，质量分数均为0.1%。

仪器:ALL－110.4型精密电子天平、722型分光光度计、磁力搅拌器、4.0 mL注射器。

1.3 方法

取六份100 mL质量浓度为25 g/L的1/3焦煤煤泥水，分别倒入六个烧杯中，调节pH，并分别加入一定量的聚合氯化铝(质量分数为2%);搅拌一定时间后，将阴离子型PAM(分子量分别为300、500和1 000万)和阳离子型PAM(离子度分别为10～20、25～35和40～50)分别加入六个烧杯中，再用搅拌器在100 r/min条件下搅拌一定时间，然后迅速将煤泥水分别移入100 mL量筒中，沉降1 min后，立刻用分光光度计测定上清液的透光率[5]，同时测量上清液的高度。

沉降效果用沉降速度和上清液的透光率表示，其中，沉降速度为单位时间内上清液高度。沉降速度越快，透光率越大，絮凝沉降效果越好[6]。

2 结果与讨论

2.1 不同类型PAM对絮凝沉降效果的影响

2.1.1 阴离子型PAM

在聚合氯化铝加入量为2 mL、搅拌时间为20 s的条件下，研究分子量为300、500和1 000万的阴离子型PAM对1/3焦煤煤泥水絮凝沉降效果的影响。PAM加药量与沉降速度(v)的关系如图1、2所示。

In the case where the film is condensed on the one hand and smooth on the other hand, the multiple reflections of the light are between the lower surface in contact with the substrate and the free surface of the thin film.

图1 阴离子型PAM加药量与沉降速度的关系Fig.1 Relationship between dosage of anionic PAM and settling velocity

图2 阴离子型PAM加药量与透光率的关系Fig.2 Relationship between dosage of anionic PAM and transmittance

从图1可以看出，采用分子量为300万的阴离子型PAM进行絮凝沉降实验时，1/3焦煤煤泥水的沉降速度随着加药量增加而减慢，加药量为2 mL时沉降较快，沉降速度为14.88 cm/min。采用分子量为500万的阴离子型PAM时，煤泥水沉降速度随着加药量增加，先减慢再加快，然后又减慢;在加药量为3 mL时，沉降速度达到一个波谷;加药量为4 mL时，沉降速度达到一个峰值。采用分子量为1 000万的阴离子型PAM时，煤泥水沉降速度随着加药量的增加而增加，加药量为3 mL时沉降速度达到最大值，继续加药，沉降速度逐渐降低。由上述分析可知，分子量为500万的阴离子型PAM，其加药量对煤泥水的沉降速度影响最大。

分析图2得出，加药量在2～3 mL之间，随着分子量的增加，上清液的透光率先提高又降低，分子量为500万的阴离子型PAM的澄清效果最好;加药量在3～6 mL之间，上清液的透光率随着分子量的增加明显降低，分子量为500万的阴离子型PAM的澄清效果最好。由上述分析可知，分子量增大至500万时，絮凝沉降效果最佳，分子量继续增加，其效果反而不好。主要原因是，PAM主要通过架桥作用降低煤泥水悬浮物浓度，当PAM分子质量较大时，分子链太长未能有效打开，故无法起到架桥作用，因此絮凝效果并不佳;加药量较小的情况下，PAM以架桥作用为主，随着加药量的增大，阴离子型PAM因带有负电而相互排斥，反而降低了对悬浮物的去除效果[7]。

在实验药剂量取值范围内，不同阴离子型絮凝剂对煤泥水进行絮凝作用后，上清液透光率的最小值均高于现场所取溢流水样本的，所以，实验主要影响因素为沉降速度。在既不提高生产成本又能快速沉降的前提下，絮凝剂宜选用分子量为300万的阴离子型PAM。

2.1.2 阳离子型PAM

采用离子度为10～20、25～35、40～50的阳离子型PAM对鹤岗矿区1/3焦煤煤泥水进行絮凝沉降实验，结果如图3、4所示。

图3 阳离子型PAM加药量与沉降速度的关系Fig.3 Relationship between dosage of cationic PAM and settling velocity

如图3所示，随着加药量的增加，采用三种PAM实验时的沉降速度均先达到最佳值，然后逐渐降低，离子度为25～35的阳离子型PAM，表现最为明显。加药量在2～5 mL之间，离子度为10～20的PAM的煤泥水沉降效果优于其他两种絮凝剂;当加药量为4 mL时，煤泥水沉降最快，沉降速度为14.55 cm/min。

从絮凝机理角度分析，阳离子型PAM具有吸附、电性中和和架桥作用，在一定范围内，随着加药量的增加，若其吸附和电性中和作用增强，打破胶体平衡的速度就提高，絮凝体沉降速度也越快[8]。

图4 阳离子型PAM加药量与透光率的关系Fig.4 Relationship between dosage of cationic PAM and transmittance

由于离子度25～35和40～50的阳离子型PAM对煤泥水的澄清效果不理想，达不到现场生产所需循环水的透光率指标80%的要求，因此，实验选取离子度为10～20的阳离子型PAM作为絮凝剂。

2.2 不同类型PAM的絮凝沉降效果对比

采用非离子型PAM与分子量为300万的阴离子型PAM、离子度为10～20的阳离子型PAM进行絮凝沉降对比实验，加药量与絮凝沉降速度关系曲线如图5、6所示。

从图5可以看出，在加药量较小的情况下，采用分子量为300万的阴离子型PAM，煤泥水的沉降速度最佳。实验研究的加药量范围内，随着加药量增加，阴离子型PAM的沉降速度明显降低，加药量为2 mL时，煤泥水沉降较快，沉降速度为14.79 cm/min;阳离子型PAM的沉降速度升高，加药量为4 mL时，沉降最快，沉降速度达到14.52 cm/min，继续加药反而影响沉降效果;非离子型PAM的沉降速度先增加而后降低，加药量为4 mL时，沉降最快，沉降速度达到14.80 cm/min。

图5 加药量与沉降速度的关系Fig.5 Relationship between dosage and settling velocity

图6 加药量与透光率的关系Fig.6 Relationship between dosage and transmittance

从图6可以看出，阴离子型PAM和阳离子型PAM对煤泥水的澄清效果受加药量影响较大，上清液的透光率分别在85.5%～98.8%和82.3%～94.5%之间。在实验研究的加药量范围内，非离子型PAM澄清效果受加药量的影响最小，上清液的透光率完全能够满足现场生产的标准。

分析实验结果可知，非离子型PAM为鹤岗矿区1/3焦煤煤泥水的最佳絮凝剂。

2.3 最佳絮凝条件的确定

实验主要考察聚合氯化铝凝聚剂的加药量(A)、搅拌时间(B)、非离子型PAM絮凝剂的加药量(C)和pH(D)四因素对1/3焦煤煤泥水絮凝效果的影响，根据四因素三水平正交实验设计，进行煤泥水絮凝沉降正交实验，结果见表1。

由表1可知，通过搅拌，凝聚剂中和了颗粒表面电荷，使双电层压缩，降低了电动电位，减少了斥力，加快了凝聚的发生，60 s时沉降速度最佳。上清液透光率受搅拌时间变化的影响较明显，随着搅拌时间的增加，透光率开始明显提高，45 s时达到了峰值，继续增加搅拌时间，密实的凝聚体又被破坏，煤泥颗粒分散，透光率逐渐降低。

pH对1/3焦煤煤泥水的沉降速度有很大的影响。pH为8时沉降速度和透光率均达到理想值;pH超过8时，煤泥水中杂质所带负电荷增大了电极电位和颗粒间的斥力，不利于颗粒凝聚。pH接近中性时，又不利于聚合氯化铝水解成氢氧化铝高聚物，从而影响煤泥水的絮凝[9]。

表1 沉降速度与透光率正交实验结果Table 1 Settling velocity and transmittance results of orthogonal test

聚合氯化铝的加入使得非离子PAM的加入量明显减少，这是无机高分子凝聚剂和有机高分子絮凝剂二者协同作用的结果，即将无机高分子凝聚剂的电性中和作用和有机高分子架桥作用有机结合起来了。

根据正交实验结果(表1)可以总结如下:

(1)影响鹤岗矿区1/3焦煤煤泥沉降速度、透光率的主要因素是pH，其次是非离子PAM的加药量和聚合氯化铝的加药量，影响最小的因素是加入聚合氯化铝后的搅拌时间。

(2)沉降速度的最佳实验条件为A2B3C1D2，即1/3焦煤煤泥水 pH为8，聚合氯化铝溶液用量2 mL、搅拌时间45 s，非离子型PAM用量 3 mL、搅拌时间60 s。

(3)透光率的最佳实验条件是A2B2C1D2，即1/3焦煤煤泥水pH为8，聚合氯化铝溶液用量2 mL、搅拌时间45 s，非离子PAM用量3 mL、搅拌时间45 s。

综上所述，沉降速度正交实验和透光率正交实验的主要影响因素并不矛盾，两种指标的正交实验结果均可代表鹤岗矿区1/3焦煤煤泥水的最佳絮凝条件。在确保煤泥水快速沉降又不影响上清液作为循环水使用的情况下，确定聚合氯化铝的搅拌时间，为45 s。

3 结论

选取阴离子型、阳离子型以及非离子型聚丙烯酰胺(PAM)作为絮凝剂，对鹤岗矿区1/3焦煤煤泥水进行絮凝沉降实验，得到如下结论:

(1)影响鹤岗矿区1/3焦煤煤泥水沉降速度的主要因素是pH，其次是非离子PAM的用量和聚合氯化铝的用量，影响最小的因素是加入聚合氯化铝后的搅拌时间。

(2)以非离子型PAM为絮凝剂、聚合氯化铝为凝聚剂，将两者复配用于处理鹤岗矿区1/3焦煤煤泥水，絮凝效果较好。

(3)该矿1/3焦煤煤泥水采用复配絮凝剂进行絮凝实验的最佳条件是，pH为8、聚合氯化铝溶液用量2 mL、搅拌时间45 s、非离子PAM 用量3 mL。

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