金属丝网膜过滤难沉降煤泥水的影响因素研究

2018-05-24王晓强

山西冶金 2018年2期

王晓强

（山西工程职业技术学院管理工程系，山西太原 030009）

煤泥水处理是影响选煤厂生产和实现洗水闭路循环的决定性环节。我国2/3煤炭资源分布在缺水、生态环境脆弱的西北部地区。随着采煤机械化程度的提高，细粒煤和细泥含量越来越大，煤泥水处理难度增大。我国许多选煤厂的煤泥水难以得到有效沉降[1]，同时，循环水中含有较多的细粒煤泥，其外排既浪费资源又污染环境。因此，煤泥水的有效处理除了影响选煤厂的经济效益和社会效益外，对节约利用水资源和保护矿区环境也有重要意义[1]。

当前，我国的选煤技术可以为大多数选煤厂提供煤泥水处理技术，实现选煤厂洗水闭路循环，并且在必须排放时也能符合环境保护的排放要求，不污染环境。但是无论是煤炭开发利用，还是煤炭节能减排，都需要实现洗水的100%循坏以及煤泥的100%回收。所以，合理有效的煤泥水处理技术极其重要。在这种背景下，本文主要是针对细粒难沉降、煤泥水难处理的技术难题，提出一种处理细粒煤泥水的方法——金属丝网膜过滤技术。

1 金属丝网膜概况

1.1 金属丝网膜介绍

刚性烧结金属丝网膜是一种金属多孔材料，是以采用普通金属编织丝网为原料，通过多层丝网叠层的合理搭配和真空高温烧结等复合工艺制备而成的一种新型多孔功能材料。这种复合功能的多孔材料，是20世纪50—60年代以美国为首的西方各国在能源、航空和航天技术的发展过程中，为解决高温燃气轮机叶片和液体火箭发动机喷注器面板的烧蚀防热问题，在发散冷却技术和发散冷却材料的开发研究基础上逐步发展起来的。在我国，该新型微孔材料也是随着航天航空技术的需求与发展，由冶金部钢铁研究总院在60—70年代首先研制成功，并逐渐推广应用到工业的各个方面。

目前，以刚性烧结金属丝网微孔材料为核心的净化分离技术与设备的开发应用，已被列入国家“九五”重点科技成果推广项目。其在石油、化工、冶金、机械、煤炭、纺织和食品等工业领域的应用，不仅可以促进净化分离工艺过程的稳定和产品质量水平的提高，而且能够推动相关工业领域整体工艺技术水平的进步与发展，具有良好的推广应用前景和广阔的市场开发潜力[2]。

1.2 金属丝网膜过滤机理

金属丝网膜的过滤机理主要是表层网孔拦截和滤饼截留，并辅助有一定程度的深层过滤捕捉。烧结金属丝网膜从外到内包括三层：保护层、过滤工作层和支撑层，其中单层的较细金属丝网经过烧结所形成的阻挡过滤工作层是属于直接拦截过滤的，这是膜的主要截留部分，其特点是直接把一定大小的固体颗粒截留在过滤层外侧表面，一段时间后可以出现一个均匀滤饼层，并且形成的滤饼层慢慢增厚、密度加大，此时滤饼层也可起到拦截作用，能够截留更小的固体颗粒[3]。这种过滤介质的表面形态规则、孔径均匀，孔道内部光滑，对滤饼层的迅速形成起到很好的作用，并且这种过滤材料对于清洗滤膜非常方便，因此它不仅能够获取高精度的过滤效果，而且还能保持高可靠性，稳定运行的工艺过程，不仅具有高的耐压强度、较小的处理压力，而且还能形成均匀密实的滤饼层并且具有反冲效果好等优点，尤其适合应用在连续化运行和自动化操作的系统中[4]。

2 金属丝网膜过滤实验影响因素研究

2.1 进料压力对膜通量的影响

进料压力是膜过滤过程的推动力，是影响膜过滤性能的重要因素。在压力控制区内，膜通量随压力的升高而增大；当压力达到一个临界值后，膜通量随压力的变化趋于平缓，为传质控制区，此时通量与压力无关。实验考察了进料压力对金属膜微滤过程的影响，图1-1、1-2为进料压力在0.8～1.6 MPa之间变化时，膜渗透通量随时间的变化情况[3]。

实验条件：室温下，孔径为15 μm、45 μm的两种孔径金属丝网膜，煤泥水料液浓度50 g/L，过滤时间为20 min。

图1 膜孔径为15 μm和45 μm时，不同压力下渗透通量随过滤时间的变化

从图1中可以看出：不管是15 μm的膜还是45 μm的膜，在进料压力为0.8 MPa时，膜的渗透通量都很小，其稳定膜通量均不足10 L/（m2·min），其可能原因是进料压力太小，推动力不足，导致膜通量较小；进料压力为1.2 MPa时，同0.8 MPa时的情况相似，其膜通量稍微比0.8 MPa时大一点；进料压力为1.6 MPa时，两种孔径的膜的膜通量明显增大，但是衰减很快，从以上情况可知：膜通量随着进料压力的增大而增大，但膜通量的衰减幅度较大，主要原因是膜污染（微粒吸附在膜孔内和膜表面，膜孔被微粒部分堵塞，微粒在膜表面沉积）。

2.2 膜孔径对过滤过程的影响

膜孔径是影响膜通量及截留率的重要因素，实验考察了不同膜孔径（15 μm，45 μm）下，金属丝网膜的膜通量随时间的变化情况，结果如图2所示。

实验条件：室温下，煤泥水料液浓度50 g/L，操作压力为1.6 MPa，过滤时间为20 min。

图2 膜孔径对渗透通量的影响

从图2中可以看出，在整个过滤过程中，膜通量随膜孔径的增大而增大。对于45 μm孔径的金属丝网膜，过滤初始阶段——10 min期间，过滤通量衰减幅度大，10 min后膜通量逐渐趋于稳定，最终稳定通量为11.583 L/（m2·min）；对于孔径为15 μm的金属丝网膜，过滤初始阶段——5 min期间，通量衰减很快，5 min后通量衰减缓慢直至稳定，最终稳定通量为10.5 L/（m2·min），产生这种现象的原因主要是膜污染的发生[4]。

实验检测出不同膜孔径过滤前后水质的悬浮物含量指标，结果如表1所示。分析表中数据可以得出，两种孔径的金属丝网膜都对煤泥水料液中的悬浮物有很好的拦截作用，滤出液中悬浮物含量均到达选煤厂循环水标准，即0.5 g/L以下；但孔径越大，膜对悬浮固体的截留率越低。

表1 膜孔径对滤出液及浓缩液的影响

2.3 料液浓度对过滤过程的影响

实验考察了料液浓度对金属膜微滤过程的影响，图3为进料压力为1.6 MPa，过滤时间为20 min时，15 μm、45 μm金属丝网膜分别过滤 30 g/L、50 g/L的煤泥水料液悬浮物，膜渗透通量随时间的变化情况。

图3 15μm（左）和 45 μm（右）的膜过滤不同浓度的煤泥水料液时膜通量随时间的变化

由图3可以看出：实验操作参数相同，煤泥水料液浓度越低，膜通量越高。

实验检测出不同浓度料液过滤前后水质的悬浮物含量指标，结果如表2所示。分析表中数据可以得出，两种孔径的金属丝网膜对不同浓度的煤泥水料液中的悬浮物都有很好的拦截作用，滤出液中悬浮物含量均到达选煤厂循环水标准，即0.5 g/L以下；但浓度越大，膜对悬浮固体的截留率越低。

表2 料液浓度对滤出液的影响

3 结论

实验主要考察了金属丝网膜过滤难沉降煤泥水过滤过程中的三个影响因素：进料压力、膜孔径、料液浓度对过滤性能的影响，得出以下结论：

1）考察15 μm和45 μm金属丝网膜过滤难沉降煤泥水的实验结果表明：过滤50 g/L煤泥水悬浮物膜孔径分别为15 μm和45 μm时的过滤效果都能达到选煤厂洗水要求，具体15 μm滤液悬浮物质量浓度为6.5 mg/L，45 μm滤液悬浮物质量浓度为15.1 mg/L；进料压力从0.8 MPa增大到1.6 MPa时，15 μm金属丝网膜的稳定通量从1.193 L/（m2·min）提高到10.500 L/（m2·min），45 μm金属丝网膜的稳定通量从1.792 L/（m2·min）提高到11.583 L/（m2·min）。

2）煤泥水悬浮物质量浓度从50g/L降低到30g/L时，15 μm金属丝网膜的稳定通量从10.500 L/（m2·min）提高到14.167 L/（m2·min），过滤20 min的累积通量从 427.7085 L/m2提高到 623.125 L/m2，45 μm金属丝网膜的稳定通量从11.583 L/（m2·min）提高到14.854 L/（m2·min），过滤 20 min 的累积通量从677.30901 L/m2提高到 972.3054 L/m2。