PAC作用下煤泥水絮凝沉降的EDLVO分析

2020-03-24李桂春闫晓慧李明明

黑龙江科技大学学报 2020年1期

李桂春，闫晓慧，李明明

(黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨 150022)

0 引言

煤泥水中悬浮颗粒之间由于存在范德华力、静电斥力和界面极性相互作用力，导致颗粒难以聚集。在实际生产中表现为煤泥水澄清速度慢、处理周期长、沉降效率低，直接影响选煤厂的经济效益[1-3]。为探讨煤泥水沉降规律，需对煤泥水沉降机理进行深入研究。冯岸岸等[4]对三河尖选煤厂煤泥水进行絮凝沉降工艺研究，采用聚合氯化铝PAC作凝聚剂，1 000万分子量聚丙烯酰胺PAM作絮凝剂进行实验，结果得出添加PAC和PAM有助于提高煤泥水沉降效果的结论。Z.Liu等[5]对PAC作用下煤泥水絮凝过程中的溶液电性和絮团进行检测和观察，分析导致煤泥水难沉降的原因，发现添加PAC可以减小煤泥水颗粒间的电性，且使絮团更加紧密，推断PAC可以减小煤颗粒间的排斥力，但没有进行具体计算和验证。目前，多数研究者采用DLVO理论计算煤粒间作用力的大小。孙华峰[6]利用DLVO理论对煤泥水絮凝机理进行分析，得出范德华力和静电斥力都会影响煤泥水絮凝效果。刘杰等[7]对高岭石水溶液进行沉降实验，并采用DLVO理论与EDLVO理论对煤粒间作用力进行计算，得出EDLVO理论计算结果与实验结果一致，因为EDLVO理论中的界面极性相互作用能是影响细粒煤絮凝和分散的主要因素，所以EDLVO理论可以更好地描述细粒煤的凝聚和分散行为。刘炯天等[8]借助EDLVO理论对蒙脱石、高岭石、蒙脱石与煤混合物、高岭石与煤混合物的各自颗粒间作用力进行计算，得出计算结果与实验现象一致，故EDLVO理论应用于固体细颗粒间作用力的计算具有可行性。因此，笔者采用EDLVO理论计算添加PAC前后鸡西某选煤厂煤泥颗粒间相互作用力的大小，并结合絮凝沉降实验效果进行分析，以期得出最佳沉降条件。

1 实验

1.1 煤泥样品

实验选用鸡西某选煤厂浮选尾煤，对多次采集的样品进行脱水处理，混合均匀后放入电热鼓风干燥箱中恒温70 ℃干燥2 h，取适量煤泥进行筛分处理，选取粒度为0.075 mm以下的样品，参照国家标准GB/T 30732—2014《煤的工业分析方法仪器法》，采用马弗炉和电热恒温鼓风干燥箱对煤泥样品进行工业分析，采用激光粒度分析仪对煤泥样品的粒度进行分析，定义激光粒度仪的参数为：样品采集次数5次，搅拌棒转速200 r/min，背景测试时间20 s，超声波罐分散60 s，结果如表1、图1所示。由表1可知，该煤泥样品灰分高达63.49%。由图1可知，煤泥颗粒平均粒度为11 μm，其中小于24.75 μm的颗粒占90%，表明细颗粒较多，即实验所用煤泥为高灰细粒煤。

表1 煤泥样品的工业分析

Table 1 Industrial analysis of slime samples%

MadAdVdafFCdaf2.1863.4944.5355.47

图1 煤泥样品粒度分析

1.2 材料与仪器

试剂：质量分数2%的聚合氯化铝PAC溶液。

仪器：标有刻度的量筒(500 mL)，XL-1马弗炉，DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱，L1064激光粒度分析仪，WQ770-B浊度计，JS94H微电泳仪，JC2000C接触角测试仪。

1.3 实验方法

实验在室温25 ℃条件下进行，所用煤泥水pH为7.4，考虑到选煤厂煤泥水实际质量浓度，实验煤泥水质量浓度为40 g/L。对煤泥进行工业分析和粒度分析，确定煤泥水的性质。将PAC按药剂与水的质量比为2%进行溶解，在量筒中加入500 mL煤泥水，在煤泥水中分别添加不同量的聚合氯化铝溶液，并将量筒双向翻转5次，使药剂充分作用后静置，记录煤泥水澄清界面下降高度与对应的时间。在沉降5 min后用浊度计测定上清液浊度，并用胶头滴管取上清液，用微电泳仪测定煤泥水的Zeta电位，同时, 采用压片法[9]在接触角测量仪上测定煤泥水与水、甲醛和乙二醇3种液体的接触角(39.56°、58.40°、47.12°)。再根据EDLVO理论计算PAC添加前后煤泥水悬浮液颗粒间的作用能，以此为依据解释实验结果。

1.4 EDLVO计算方法

EDLVO理论认为，颗粒间作用势能包括范德华作用能、静电能及界面极性相互作用能，这三者之和即为总作用能ET。通常假设20 μm 以下的矿物颗粒为球形颗粒，因此该煤泥颗粒可近似看作半径为R的球形颗粒计算[10]。煤泥颗粒间各种作用能计算公式如下。

煤泥颗粒间范德华作用能表达式[11]为

(1)

A11——颗粒自身在真空中的Hamarker常数；

A33——水的Hamaker常数，4.84×10-20J；

H——颗粒间界面力相互作用距离，nm。

煤泥颗粒间的静电作用能表达式为

EE=2πεaRφ2ln(1+e-κH)，

(2)

式中：φ——煤泥颗粒的表面电位,用颗粒ζ电位代替；

εa——煤泥的介电常数，εa=ε×εR，F/m；

ε——煤泥在真空中的介电常数，8.854×10-12F/m；

εR——水的相对介电常数，78.36；

e——电子电荷，1.602×10-19C；

κ-1——Debye长度[12]，双电层厚度，m。

煤泥颗粒间的界面极性相互作用能表达式[13]为

(3)

式中：h0——衰减长度，m；

E0H——界面极性相互作用能量常数[13]，mJ/m2。

煤泥颗粒间总相互作用能表达式[14]为

ET=EF+EE+EH。

(4)

2 结果与分析

2.1 自由沉降实验

取质量浓度为40 g/L的煤泥水，于500 mL的量筒中静置，以上清液高度为基准，每隔1 h记录沉降数据，绘制沉降高度h与时间t的关系曲线,如图2所示。由图2可知，自由沉降6 h后，煤泥水沉降基本完成，在沉降过程中可看到清浑界面逐渐下降, 但上清液含较多黏土类物质, 量筒底部有一薄层粗颗粒煤泥，沉降效果不理想，需添加药剂改善沉降效果。

图2 煤泥水自由沉降曲线

2.2 PAC作用下絮凝沉降实验

为了考察PAC对煤泥水絮凝沉降效果的影响，在500 mL煤泥水中分别添加5、10、15、20和25 mL(25 kg/t)PAC溶液，煤泥水沉降速度与上清液浊度变化如图3所示。

图3 不同PAC用量作用下的沉降速度与上清液浊度

由图3可知，添加PAC之后煤泥水沉降效果明显改善。随着PAC用量的增加，沉降速度v随之加快，上清液浊度φ迅速降低。在PAC用量a为10 mL(10 kg/t)时，沉降速度为0.061 cm/s，浊度为60.23 NTU，继续增加PAC用量，煤泥水上清液浊度下降缓慢，沉降速度趋于平稳，原因可能是PAC溶液添加量为10 mL时，颗粒间作用力可以使煤泥颗粒聚集，从而提高煤泥水沉降效果。

2.3 EDLVO理论分析

为了解释图3中PAC用量大于10 mL时，沉降速度和上清液浊度的变化趋势，采用EDLVO理论对实验结果进行分析。

根据式(1)～(4)，可得煤泥水悬浮体系中煤泥颗粒间范德华作用能、静电作用能、界面极性相互作用能及总作用能随颗粒间距离变化的关系，如图4所示。

图4 煤泥间作用能与颗粒间距离的关系

由图4可知，不同颗粒间距条件下，EF均小于0，此时范德华作用能表现为吸引能，随着颗粒间距的增大，EF逐渐减弱趋向于0；EE值均大于0，表明颗粒间静电作用能为排斥能[15]，且随着颗粒间距的增大，EE逐渐减小；EH均小于0，为疏水吸引能，在不同颗粒间距条件下，随着粒间距的增大，EH呈缓慢增大趋势；在整个粒间距上，颗粒间总的作用能ET大于0，煤泥颗粒间表现为排斥能，且随着粒间距的增大逐渐增大。说明未添加凝聚剂时，煤泥水悬浮液不能自发凝聚，所以自由沉降实验效果不明显。

用微电泳仪测定不同PAC用量下煤泥水的ζ电位V，结果如表2所示。

表2 不同PAC用量下煤泥水的ζ电位

Table 2 Zeta potential of slime water underdifferent PAC dosage

序号a/mLV/mV10-38.5025-28.58310-10.23415 -6.56 520 -4.36625 -3.08

由表2可知，PAC添加量的改变会引起ζ电位的改变，由式(2)可知，ζ电位改变会使颗粒静电作用能发生变化，从而引起总相互作用能改变。不同PAC用量条件下，总作用能变化曲线如图5所示。

图5 不同ζ电位下的总势能

由图5可知，随着PAC用量的增加，ET由正值逐渐减小为负值，即煤泥颗粒间总相互作用能由排斥能逐渐转化为吸引能。PAC用量为5 mL时，当颗粒间距小于2 nm时，ET<0，颗粒间为吸引能；当颗粒间距大于2 nm时，ET>0，颗粒间为排斥能，所以PAC用量为5 mL时，煤泥颗粒部分聚集；PAC用量为10 mL时，ET<0，且ET曲线接近于0，煤泥颗粒之间存在吸引能，此时煤泥颗粒之间可以聚集沉降，所以PAC临界添加量为10 mL[16]。继续增加PAC用量，煤泥水ζ电位下降趋势平缓，即煤泥颗粒间吸引能增长较慢。考虑到实际情况，为了避免加药过量造成浪费，PAC最佳用量为10 mL，图5实验结果与理论计算相符合。