煤泥对SAF的吸附特性及其对煤泥浆性能的影响

邓业新 李寒旭 胡 侠 胡 洋

(安徽理工大学化学工程学院，安徽省淮南市，232000)

为了保护环境，我国近年来不断加大原煤的入洗率，到2020年煤泥的产量将达到3亿t左右。由于煤泥具有灰分高、水份高和热值低的缺点，洗选出的煤泥很难得到工业应用，造成了大量的资源浪费，因此如何将煤泥变废为宝对节约资源有着重要的意义。掺混煤泥制浆用于气化和燃烧是解决煤泥资源化、无害化利用的途径之一，不仅利用了煤泥中的热值，而且降低了煤炭消耗，增加了企业效益。

目前，关于掺混煤泥对水煤浆浆体性能影响的研究较少，已有专家研究发现聚羧酸分散剂和煤泥的表面结构官能团相似，且聚羧酸SAF分散剂对煤泥浆体的性能改善更佳；还有专家的研究结果表明，神华煤掺混煤泥后，大颗粒煤样由于吸附了较多的煤泥，其Zeta电位绝对值增加，浆体稳定性增强，掺混的煤泥填充了煤样颗粒的空隙，阻止了大颗粒煤样的沉降。

现有研究表明，煤泥中矿物质含量较高，由于矿物质密度较大，煤泥在浆体中会迅速沉淀，使浆体的成浆性能变差。煤泥所含的矿物质较多为黏土矿物，而黏土矿物对成浆体系中的水份和分散剂有不同程度的吸附能力，进而影响浆体的性能。掺混煤泥对浆体性能的改变，根源在于煤泥改变了煤样与分散剂、水分三者之间的相互作用的程度。因此，本文通过试验原料对SAF分散剂的吸附试验，探讨了煤泥和煤样对分散剂的吸附性能，研究了煤泥掺混量对整个浆体体系的影响，对煤泥水煤浆的成浆机理研究具有一定的指导意义。

1 试验部分

1.1 试验原料

煤泥选自选煤厂的真空脱水枣庄煤泥，选取成浆浓度较高、稳定性较差的陕西省榆林市朱家卯煤样作为试验用煤，样品的基础分析见表1(枣庄煤泥简称ZZ，朱家卯煤样简称ZJM)。

表1 样品的基础分析

1.2 ZZ煤泥的矿物组成和红外光谱分析及

煤泥的FTIR谱图采用Nicolet 380傅立叶变换红外光谱仪进行测定，将煤泥经研钵研磨过后，过200目筛子后进行压片制样，采用XD-3型 X射线衍射仪，利用K值法对煤泥中的矿物组成进行分析。

1.3 对分散剂SAF的吸附试验

将样品和不同质量浓度的SAF分散剂溶液加入250 mL的锥形瓶中，用塞子封闭后置于SHA-BA型恒温水浴振荡器(20℃)在150次/min下震荡6 h至吸附平衡，取离心后的上清溶液用日本岛津公司生产的UV-2700紫外分光光度计测定其SAF的吸光度A，根据不同浓度SAF的拟合公式C=0.01547A-0.05424(R2=0.9992)，计算出上清液中SAF的质量浓度C。

1.4 ZZ煤泥水煤浆的制备及浆体Zeta电位的测定

本试验采用干法制浆制备煤泥水煤浆，选用与高灰煤泥成浆性更好的SAF分散剂作为添加剂，称取定量的SAF和去离子水倒入烧杯中，加入煤泥和煤样，在1500 r/min下搅拌7 min制得煤泥水煤浆。取少量制得的浆体于10 mL的去离子水烧杯中，采用JS94H型微电泳仪测定稀释后浆体的Zeta电位值。

2 试验结果与分析

2.1 煤泥的矿物组成分析

ZZ煤泥的XRD谱图如图1所示。

图1 ZZ煤泥的XRD谱图分析

由图1可以看出，煤泥中矿物质有高岭石、石英石和石灰石，根据各矿物的衍射峰强度可知，ZZ煤泥中矿物质含量高低顺序是石英石>高岭石>石灰石。曾有专家对高岭石和石灰石对浆体性能的影响进行了研究，结果表明高岭石和石灰石的添加均增强了浆体的稳定性。

2.2 ZZ煤泥的红外光谱分析

ZZ煤泥的FTIR谱图如图2所示。

由图2可以看出，煤泥表面存在着大量亲水集团，即羟基吸收峰，波长为3800～3100 cm-1的吸收峰最宽，为酚类羟基振动峰；波长为2800～3100 cm-1是羧酸类羟基伸缩振动峰；波长为960～1260 cm-1是醇羟基伸缩振动峰。ZZ表面的羟基官能团含量越多，对分散剂和水份的缔合能力就越强。

图2 ZZ煤泥的红外光谱分析

2.3 SAF的浓度对吸附性能的影响

不同浓度的SAF在ZZ煤泥和ZJM煤样表面的吸附等温曲线如图3所示。

图3 不同浓度的SAF在ZZ煤泥和ZJM煤样表面的吸附等温曲线

由图3可以看出，ZJM在SAF浓度为700 mg/L时表观吸附达到平衡，而ZZ在SAF浓度为800 mg/L时表观吸附基本达到平衡，且ZZ对SAF的平衡吸附量明显高于ZJM，这是由于ZZ煤泥颗粒粒径细，比表面积大，与分散剂缔合的吸附位含量要高于ZJM。

Langmuir和 Freundlich吸附模型可用来描述煤泥和煤样(吸附剂)在溶液中对SAF的吸附过程，Langmuir 等温吸附模型见式(1)，Freundlich等温吸附模型见式(2)：

式中：QL——单位质量吸附剂对SAF的吸附量，mg/g；

nL——Langmuir模型表观平衡吸附常数；

Qmax——吸附剂的表观饱和吸附量，mg/g；

CL——吸附平衡后单位体积溶液中SAF的浓度，mg/L；

QF——单位质量吸附剂对SAF的吸附量，mg/g；

nF——吸附剂的表观平衡吸附常数；

k——Freundlich模型表观平衡吸附常数；

CF——吸附平衡后单位体积溶液中SAF的浓度，mg/L。

试验数据经吸附模型线性拟合后结果见表2。

表2 等温吸附模型线性拟合结果

由表2中L吸附模型和F吸附模型的线性相关系数R2结果可知，ZZ煤泥和ZJM煤样对SAF的表观吸附更符合L模型单分子层吸附。即煤泥和煤样对SAF进行吸附，随着SAF在吸附剂颗粒表面趋于吸附饱和，颗粒表面的吸附位逐渐减少，因而吸附速率降低。ZZ煤泥的饱和吸附量Qmax大于ZJM，这是由于ZZ煤泥中含有更多的吸附位，且煤泥中的黏土矿物在溶液中会有一定程度的膨胀，增加了煤泥的表面吸附位，增强了ZZ煤泥对SAF的吸附作用。

由Langmuir等温吸附模型对ZZ煤泥和ZJM煤样的吸附结果可知，两者吸附相关系数数值接近，表明对SAF的吸附能力接近，因此在煤泥浆中两者对SAF可能存在竞争吸附。由于ZJM的平衡吸附量要明显高于ZZ，煤泥掺量的增加会从浆体中吸附更多的分散剂，而分散剂反过来改善了煤泥的表面特性，增强了煤泥表面水化膜的厚度，从而同时减少了浆体中的分散剂量和自由水量，使得煤粉的分散效果变差，导致浆体体系黏度增大，浆体浓度下降。

2.4 对SAF的吸附动力学研究

ZZ煤泥和ZJM煤样颗粒表面对SAF分散剂(700 mg/L)的吸附量与时间的关系如图4所示，其曲线斜率表示吸附速率。

图4 ZZ煤泥和ZJM煤样对SAF的表观吸附量与时间的关系

由图4可以看出，ZZ在80 min左右、ZJM在70 min左右时对SAF的吸附达到吸附平衡台。随着吸附曲线的斜率逐渐降低，可以表明煤泥和煤样随着吸附时间的增加，其吸附能力在减弱，这是由于吸附试验首先发生在易与SAF接触的吸附剂的表面吸附速率升高，当吸附剂表面被分散剂覆盖后，SAF进入吸附剂的内部孔隙结构，由于吸附剂孔隙的孔径非常小，导致分散质在吸附剂内部中的吸附阻力增大，吸附速率变得缓慢。

煤泥和煤样(吸附剂)在溶液中吸附SAF的动力学过程可用Lagergen动力学模型方程来描述。Lagergen一级动力学模型见式(3)，Lagergen二级动力学模型见式(4)：

式中：Qe——吸附平衡的表观吸附量，mg/g；

Qt——吸附剂在t时的表观吸附量，mg/g；

n1——吸附剂的一级模型吸附速率，min；

t——吸附剂吸附时间，min；

n2——吸附剂的二级模型吸附速率，g/(mg·min)。

试验数据经Lagergen模型方程的拟合后如图5所示，吸附动力学模型拟合结果见表3。

图5 吸附动力学拟合曲线

样品Qe/mg·g-1L一级动力学模型n1/minR2L二级动力学模型n2/g·(mg·min)-1R2ZJM5.960.02740.92370.10850.9949ZZ7.540.03780.92770.00410.8595

由表3的ZJM煤样对SAF的一级模型拟合的相关系数R2值小于二级模型拟合结果可以看出，ZJM对SAF的吸附更接近于二级动力学模型且存在化学吸附过程。而一级动力学模型可以更好的描述ZZ对SAF的吸附过程，ZZ煤泥的一级模型吸附的特征是随着分散剂的浓度增加，ZZ煤泥的平衡吸附量在增加，但平衡吸附率在降低。

2.5 煤泥掺量对煤泥浆性能的影响

为了考察煤泥掺混量对浆体的浓度和静态稳定性的影响， SAF添加量为干基煤样的1.5‰，分别掺混煤样质量的5%、10%、15%和20%的煤泥进行制浆，煤泥掺混量对浆体浓度和静态稳定性的影响见表4。

表4 煤泥掺混量对浆体浓度和静态稳定性的影响

由表4可以看出，煤泥掺混量从0、5%、10%、15%直至20%，浆体的浓度从65.34%逐步降低到了60.33%。煤泥掺量为0时，浆体明显分层，上层出现较多析水，下层浆体为硬沉淀；掺混煤泥后，浆体的静态稳定性得到了改善，煤泥掺量为20%时，浆体在连续12 d无硬沉淀出现。

2.6 煤泥掺混量对浆体的Zeta电位值的影响

分别掺混5%、10%、15%和20%的煤泥进煤样后，煤泥掺量对浆体Zeta电位的影响如图6所示。

图6 煤泥掺量对浆体Zeta电位的影响

由图6可以看出，煤泥浆体呈负电性，随着煤泥掺混量的增加，浆体的Zeta电位逐渐减小，这是由于煤泥吸附的分散剂改善了煤泥颗粒表面的性质，吸附的分散剂越多，煤泥的电位越低，浆体体系的斥力越大，浆体颗粒的沉降越难，浆体的稳定性越好。

3 结论

(1)ZZ煤泥对SAF吸附实验过程符合Langmuir模型单分子层吸附，且两者对 SAF 的吸附能力接近，但ZZ煤泥的表观平衡吸附量要明显高于ZJM煤样，这是由于ZZ煤泥颗粒比表面积大、颗粒表面含有的吸附位点更多的原因，且煤泥中与分散剂接触的黏土矿物对SAF也具有吸附作用。

(2)由Lagergen动力学模型可知，ZZ煤泥对SAF的吸附过程更符合一级模型，其吸附特征是分散剂的浓度增加，分散质表面的吸附位逐渐饱和，吸附质的表观平衡吸附量虽在增加，但平衡吸附率在降低。

(3)ZZ煤泥吸附的分散剂增强了煤泥表面的水膜厚度，煤泥掺量越多，浆体中的分散剂和水份越少，ZJM煤颗粒的分散效果越差，煤泥水煤浆浆体浓度和Zeta电位越低，浆体的稳定性越好。

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