混凝剂在选煤厂煤泥水处理中的应用及机理研究

张建成 刘利波

(神华准能集团有限公司选煤厂，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010300)

湿法选煤所产生的煤泥水中含有大量的煤泥颗粒，是煤矿的重要污染源之一，其中悬浮物浓度较高，而且颗粒表面带有较强的负电荷，久置不沉，难于处理。多年来，选煤工作者始终将煤泥水的处理与回收利用作为矿山废水处理的一个重点内容进行专项研究，目前我国的选煤技术水平完全能够为各种类型的选煤厂提供成熟可靠的煤泥水处理全套技术和装备，实现煤泥水闭路循环使用。但是在实际生产中，煤泥水处理系统投资和生产费用较大，而且煤和矸石泥化后产生的细泥使煤泥水粘度增大，不易絮凝沉淀，导致煤泥水浓度较高，影响整个系统的运作，不仅造成了资源的浪费，而且也给企业带来了巨大的经济损失。

混凝沉淀法是煤泥水处理的常用方法之一，混凝沉淀法就是指煤泥水中添加某种混凝药剂使煤泥水中的固体颗粒聚集成大的絮团后加速下沉的过程。混凝的主要目的是为了改变水中粘土和细菌等悬浮固体的存在性质和状态，以利于后续工序的去除过程，由于混凝沉淀法可以经济有效地实现煤泥水的闭路循环，所以目前在选煤厂中得到了广泛的应用。在混凝沉淀法处理煤泥水过程中，混凝剂是决定其效果的主要因素之一，因此本文针对不同的混凝剂，研究混凝剂及操作因素对煤泥水混凝沉降的效果的影响规律，探讨煤泥混凝沉淀的机理。

1 试验方法及材料

1.1 试验药剂

本试验选用的混凝剂分别为氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)和氯化铝(AlCl3)。

絮凝剂采用阴离子型、阳离子型和非离子型聚丙烯酰胺(PAM)。PAM系列的水溶液以质量百分比为0.1%进行配制，步骤如下：称取1 g的 PAM分析纯试剂，在1000 mL的容量瓶中定容，搅拌均匀，充分溶解后即可，溶液现用现配。

采用现场采取的煤泥样品，制成浓度为30 g/L的煤泥水，每份量取200 mL水样进行煤泥水沉降试验。

1.2 量筒沉降试验

在500 mL的烧杯中加入200 mL煤泥水样，再加入一定量的混凝剂和絮凝剂，用磁力搅拌器搅拌一定时间后，将煤泥水倒入量筒中，使其静置，用秒表开始计时，测定不同时间的絮团沉降界面高度，在沉降过程基本结束后，从量筒上部20 mL处抽取澄清液测定其浊度。

1.3 浊度的测定

本试验采用WGZ-200散射式浊度仪直接测定浊度，该仪器的测量原理为利用一束红光激光穿过含有待测样品的样品池，光源为高发射强度红外LED，一个检测器接收散射光光量，另一个检测器接收直透光光量。再同时进入比较电路，经电处理将比较数值转换成FTU(Formazinue Turbidity)值。

1.4 Zeta电位的测定

Zeta电位的数值正负和大小取决于固体表面属性、介质属性、固液界面的Stern 层和溶剂化层中离子的性质和浓度，可以反映煤表面性质的差异。煤表面和周围介质形成双电层所产生的Zeta电位不仅与介质的表面电性相关，还与煤表面的官能团特性相关，是煤表面微观性质的宏观表现。本试验煤样的Zeta电位采用 Malvern 公司生产的 Zetersizer Nano 进行测定。

2 试验结果与讨论

2.1 单一PAM用量条件试验

采用自制浓度为30 g/L煤泥水，用500 mL量筒取上述水样3份，PAM用量为30 mg/L，搅拌60 s后静置观察沉降效果。根据试验结果计算得到，沉降60 min后阳离子型PAM可从选煤废水中分离出清水52%，初始沉速v为0.667 mm/s；非离子型PAM可分离出清水49%，初始沉速v为0.633 mm/s；阴离子型PAM可分离出清水45%，初始沉速v为0.567 mm/s。加入不同离子类型的PAM的沉降上清液浊度见表1，不同种类PAM的混凝沉降曲线如图1所示。

表1 加入不同离子类型的PAM的沉降上清液浊度结果

图1 不同种类PAM的混凝沉降曲线图

由表1和图1可以看出，相同的分子量条件下PAM阳离子型处理效果最好，然后是非离子型，阴离子型最差。主要原因是选煤废水中悬浮颗粒表面主要是带有负电荷，阳离子型PAM，在吸附架桥的同时还能够吸附电中和；阴离子型PAM只能中和带正电荷的悬浮颗粒，在选煤废水中只能起到吸附架桥作用，因此效果较差；非离子型PAM因自身不带电荷，适用范围较广，对选煤废水的絮凝沉降效果介于两者之间。

根据上述试验结果及理论分析，综合考虑沉降效果与经济因素，最终选择非离子型PAM作进一步研究。

2.2 PAM用量条件试验

自制煤泥水的浓度为30 g/L，用500 mL量筒取上述水样3份，PAM用量分为10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L和40 mg/L，搅拌60 s后将煤泥水倒入量筒中静置观察沉降效果，不同PAM投加量的沉降上清液浊度结果见表2，不同PAM投加量的混凝沉降曲线如图2所示。

表2 不同PAM投加量的沉降上清液浊度结果

图2 不同PAM投加量的混凝沉降曲线图

由表2可以看出，当PAM投加量为40 mg/L时与30 mg/L的沉降效果差不多。最终选择30 mg/L作进一步研究；由图2可以看出，PAM投加量的增大使得沉降速度显著提高，混凝过程30 min已基本完成沉降，PAM投加量越大，沉降速度越高，随着投加量的增大，沉降速度增幅越小。

2.3 凝聚剂种类条件试验

经过PAM用量条件试验，确定PAM用量为30 mg/L，凝聚剂选用2 g/L，加入不同种类凝聚剂的沉降上清液浊度结果见表3，不同种类凝聚剂的混凝沉降曲线如图3所示。

表3 加入不同种类凝聚剂的沉降上清液浊度结果

由图3可以看出，不同种类凝聚剂处理煤泥水效果的顺序为AlCl3>CaCl2>NaCl，其中NaCl、CaCl2和AlCl3的加入都可以降低颗粒的表面电位，其中尤其是AlCl3可以迅速降低颗粒的表面电位并使之异号；PAM与凝聚剂联用的效果要好于单独使用PAM的效果，所以低表面电位的颗粒更易于絮凝处理；在相同投加剂量的条件下，与NaCl和CaCl2相比，AlCl3更能有效的降低Zeta电位，因此使用AlCl3时的处理效果远好于使用NaCl和CaCl2的处理效果，但是AlCl3的价格要远高于CaCl2的价格，因此根据上述试验结果及理论分析，综合考虑沉降效果与经济因素，混凝剂最后选择CaCl2作进一步研究。

图3 不同种类凝聚剂的混凝沉降曲线图

2.4 凝聚剂用量条件试验

PAM用量为30 mg/L，凝聚剂用量分别为1 g/L、2 g/L、3 g/L、4 g/L和5 g/L，不同CaCl2投加量的混凝沉降试验指标如图4所示。

图4 不同CaCl2投加量的混凝沉降试验指标图

由图4可以看出，煤泥水沉降后上清液的浊度随着CaCl2投加量的增加先降低后增加，大约在CaCl2投加量为3 g/L时效果最好。说明合适剂量的凝聚剂对煤泥水的沉降有促进作用，当投加量过大的时候，反而不利于煤泥水的沉降。

2.5 絮凝剂PAM和混凝剂的投加顺序条件试验

当PAM投加量为30 mg/L，混凝剂CaCl2投加量为3 g/L时，不同加药顺序的混凝沉降曲线如图5所示。

图5 不同加药顺序的混凝沉降曲线图

由试验现象及图5可以看出，从絮凝体形态来看，先投加PAM生成的絮体粒度较大，强度较高；先投加CaCl2再投放PAM可以提高初始沉速，而且泥面高度更低，煤泥和清水的分离效果更好，先投加CaCl2钙离子可以中和煤泥表面的负电荷，减少了颗粒之间的排斥作用力，有助于颗粒相互聚集沉降，之后再投加PAM，借助PAM的桥架和网捕作用，加速颗粒的聚集沉降，因此实际应用时应先投加CaCl2，再投加PAM。

2.6 搅拌时间条件试验

在500 mL的烧杯中加入200 mL煤泥水样，先加入CaCl2，投加量为3 g/L，再开启磁力搅拌器，搅拌时间分别为30 s、60 s、90 s和120 s，然后再加入PAM，投加量为30 mg/L，通过磁力搅拌器搅拌60 s搅拌后将煤泥水倒入量筒中，观察沉降过程，投加CaCl2后不同搅拌时间的混凝沉降曲线如图6所示。

图6 投加CaCl2后不同搅拌时间的混凝沉降曲线图

由试验现象及图6可以看出，投加CaCl2后的搅拌时间比投加PAM后的搅拌时间影响更大。如果搅拌时间太短会使药剂混合不充分，沉降效果不佳，但是搅拌时间太长则会破坏已经形成的絮体，同样会影响混凝沉淀效果，因此选择最佳搅拌时间为60 s。

3 机理分析

利用Zeta电位仪对煤泥水的电动电位进行了测试，得到CaCl2对煤泥水Zeta电位的影响结果，不同CaCl2投加量下煤泥水的Zeta电位如图7所示。

图7 不同CaCl2投加量下煤泥水的Zeta电位图

由图7可以看出，随着CaCl2投加量的增加，煤泥水的Zeta电位从-33 mV增加到11 mV左右，在CaCl2投加量为3 g/L时，煤泥水的电动电位最接近零。这是因为带有较强的负电荷胶粒之间会产生较强的静电斥力，而Zeta电位的绝对值愈高，静电斥力就愈大，胶体也愈稳定。另外由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜， Zeta电位的绝对值愈高，水化膜的厚度也越大，水化膜能阻止胶粒间的相互接触，提高了煤泥水的稳定性。所以，胶体的稳定性与Zeta电位之间存在着依存关系，Zeta电位绝对值越低越有利于颗粒的絮凝沉降。当Zeta电位接近为零时，是最有利于煤泥水沉降的，这与图4的试验结果一致，在CaCl2可以降低煤泥水的电动电位，在CaCl2投加量为3 g/L时，煤泥水的电动电位最接近零，此时煤泥水的沉降效果也最佳。

4 结论

(1)阴离子型、阳离子型与非离子型这3种PAM处理煤泥水的效果较好，阳离子型PAM澄清度与其他工种相比较好。

(2)PAM与混凝剂联用处理煤泥水的效果明显优于单独使用的处理效果，其中PAM与AlCl3联用处理煤泥水的效果最好。

(3)先投CaCl2后投PAM生成的絮体粒度较大，强度较高，不仅提高了初始沉速，而且分离出的清水更多。

(4)最佳混凝沉淀的条件为先投加PAM后投CaCl2，PAM最佳用量为30 mg/L，混凝剂CaCl2投加量为3 g/L，最佳搅拌时间为60 s。

[1] 薛玺罡，刘彧，赵寒雪等. 磁处理技术在煤泥水处理中的应用[J]. 煤炭技术，2000(3)

[2] 李梅，黄廷林，汪国雅. 洗煤废水高效处理的实验研究[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2002(1)

[3] 刘春福,闵凡飞,陈军.季铵盐与混凝剂复配处理高泥化煤泥水的试验研究[J]. 中国煤炭，2014(12)

[4] 常青. 水处理絮凝学[M]. 北京：化学工业出版社，2003

[5] 张东晨, 张明旭, 陈清如. 煤泥水处理中絮凝剂的应用现状及发展展望[J]. 选煤技术, 2004(2)

[6] Odegaard, H. Optimised particle separation in the primary step of wastewater treatment [J].Water Science and Technology, 1998(10)

[7] Duong,C.,Choung,J.,Xu,Z., A Novel process for recovering clean coal and water from coal tailings[J].Minerals Engineering, 2000(2)

[8] Sabah,E., Cenqiz,I., An evaluation procedure for flocculation of coal preparation plant tailings[J]. Water Research, 2004 (6)

[9] Karmakar, N.C., Rath, S.K., Sastry, B.S. ,Investigation on flocculation characteristics of polysaccharide-based graft copolymers in coal fines suspension[J]. Applied Polymer Science, 1998 (13)

[10] Gong G, Zhang Y, Zheng H, et al. Experimental Study on the Transmittance of the Supernatant of Refractory Slime Water [J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 2016(5)

[11] 陈建启，纪玉华. 絮凝剂在选煤厂煤泥水处理中的合理应用[J]. 煤炭加工与综合利用，1998(5)

[12] 李秋华，舒毅. 二塘选煤厂煤泥水处理中絮凝剂的合理应用[J]. 贵州工业大学学报(自然科学版)，2003(4)

[13] 郭玲香，郭世全，胡明星等. 新型阳离子絮凝剂在煤泥水治理中的应用研究[J]. 太原理工大学学报，1999(2)

[14] 刘亚星, 吕一波, 张乃旭. 絮凝剂CPSA制备及煤泥水沉降试验研究[J]. 洁净煤技术, 2016(4)

[15] 张超国. 探讨不同性质药剂对煤泥水沉降效果的影响[J]. 煤炭技术, 2016 (2)