褐煤煤泥水沉降特性的实验研究

2020-09-24李明明尹禹琦

黑龙江科技大学学报 2020年4期

李明明，尹禹琦

(黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨 150022)

我国褐煤资源约占煤炭保有储量的13%，洗选是实现其大规模清洁高效利用的基础技术[1]。然而，褐煤在洗选过程中因泥化形成的大量难沉降煤泥水，严重影响了选煤工艺的正常运行，导致我国褐煤入洗比例一直处于较低水平[1-3]。研究褐煤煤泥水的沉降特性，对于开发褐煤煤泥水高效处理技术以及解决褐煤难洗选等问题具有重要意义。国内外学者对难沉降煤泥水处理开展了大量的研究工作，并取得一定成果，大致可归纳为三方面：研究煤泥水固相组成特性对其凝聚沉降的影响及相关作用机制[2-3]；研究煤泥水溶液化学环境对其沉降的影响及相关作用机制[4-6]；研究混凝剂、电化学、磁场、微波等辅助技术对煤泥水的处理效果及相关作用机制[7-10]。但有关褐煤煤泥水处理方面研究较少。因此，笔者以通辽地区某褐煤中的煤和伊利石为研究对象，利用EDLVO理论计算煤颗粒间、伊利石颗粒间、煤与伊利石颗粒间在水中的相互作用能，分析褐煤煤泥水难沉降的微观作用机制，以期为解决褐煤煤泥水的沉降问题提供理论参考。

1 实验

1.1 试样制备

从通辽某褐煤矿生产煤样中选取+50 mm粒级煤，用氯化锌重液分离出-1.3 g/cm3密度级煤，经破碎、细磨制成-38 μm粒级实验煤样，激光粒度仪测得其平均粒径20.6 μm；从生产煤样中选取+50 mm粒级矸石，经破碎、细磨、沉降分级和H2O2消化处理，制成-10 μm粒级矸石试样，XRD检测分析试样中伊利石含量高达62%，因此，将本矸石试样按伊利石试样分析，激光粒度仪测得其平均粒径5.2 μm。

1.2 实验仪器

D8ADVANCE型X-射线衍射仪、Mastersizer 2000型激光粒度分析仪、JS94H型微电泳仪、JC2000B静滴接触角测定仪。

1.3 EDLVO理论计算方法

根据EDLVO理论，在无外加磁场和无混凝药剂加入条件下，悬浮液体系中颗粒间总相互作用能由静电作用能、极化作用能和范德华作用能组成。实际选矿过程中颗粒形状具有复杂多样性，为简化计算及便于研究，将颗粒形状按球形处理。球形颗粒间的相互作用能计算如下。

(1)颗粒间的总相互作用能

ET=EE+EH+EW，

(1)

式中：EE——静电作用能，J；

EH——极化作用能，J；

EW——范德华作用能，J。

(2)颗粒间的静电作用能

ln(1+e-κH)],

(2)

式中：εr——介质的相对介电常数；

ε0——介质在真空中的介电常数，F·m-1；

R1、R2——球形颗粒半径，m；

φ01、φ02——颗粒表面电位，V；

e——电子电荷，C；

κ-1——Debye长度，m；

H——颗粒间距，m。

Debye长度的倒数为

(3)

式中：c——离子浓度，mol/L；

z——溶液中离子的电荷数；

T——系统绝对温度，K；

k——玻耳兹曼常数，J/K。

(3)颗粒间的极化作用能

(4)

式中：h0——衰减长度，m；

H0——两颗粒的接触距离，m。

(5)

颗粒表面能参数可由式(6)求得，即

(6)

θ——固液界面接触角。

(4)颗粒间的范德华作用能

(7)

式中，A132——物质1和物质2在介质3中相互作用的Hamaker常数。

(8)

式中，A11、A22、A33——物质1、物质2和介质3在真空中的Hamaker常数。

物质在真空中的Hamaker常数A为

(9)

2 结果与讨论

2.1 颗粒间的静电作用能

煤及伊利石颗粒在水溶液中因发生溶解、取代等化学反应，使其表界面带负电荷，导致水溶液中的阳离子在其表界面吸附富集，同时，阳离子因受静电作用和布朗运动影响，在颗粒表界面与本体溶液之间形成浓度梯度，进而产生电势差，即颗粒的表面电位。不同颗粒表面电位大小和正负不同，导致颗粒间接触时发生静电排斥或吸引作用强弱不同。

利用电泳仪测得伊利石颗粒和煤颗粒电动电位分别为-52和-18 mV，用其近似替代表面电位。煤泥水体系电解质按1∶1型处理，电解质浓度近似看作0.001 mol/L，由式(3)计算得κ-1=9.62 nm。结合式(2)计算得到不同颗粒间距下的静电作用能，绘制EE-H的关系曲线，结果如图1所示。

图1 颗粒间距对颗粒间静电作用能的影响Fig. 1 Effect of inter particle distance on inter particle electrostatic interaction energy

分析图1可知，煤颗粒间和伊利石颗粒间EE-H曲线变化规律相似，即颗粒间的静电作用能随颗粒间距H的增大先呈线性快速减小，之后缓慢减小至0趋势变化，H=14 nm时是静电作用能变化速度的转折点。煤与伊利石颗粒间的静电作用能与颗粒间距呈单峰变化关系，峰值点被称为“能量势垒”，此时对应的H值称为“临界距离”。具体表现为：煤与伊利石颗粒间的静电作用能随着H的减小逐渐增大，穿过“能量势垒”，颗粒间的静电作用能随H减小而快速减小，并趋向于0。各类颗粒间的静电作用能在不同颗粒间距上的取值均大于0，说明各类颗粒间在水中的静电作用力均表现为斥力。

图1中3条曲线进行对比可见，当H>10 nm时，煤与伊利石颗粒间的静电作用能曲线与煤颗粒间的静电作用能曲线几乎重合，表明一定颗粒间距范围内混合颗粒间的静电作用能大小取决于低表面电位颗粒；当H<10 nm时，混合颗粒间的静电作用能小于单一种类颗粒间的静电作用能，且差距随H的减小而增大，表明混合颗粒比单一种类颗粒分散性差。

2.2 颗粒间的极化作用能

颗粒结构及表界面电性质不同，其表界面极性大小也不同，通常用润湿接触角来表征颗粒表界面极性的大小。利用JC2000型接触角测定仪测得水在煤和伊利石表面的润湿接触角分别为61.3°和20.0°。根据式(6)，计算得到不同颗粒的表面能参数，见表1。

表1 煤和伊利石的表面能参数Table 1 Surface energy parameters of coal and illite mJ/m2

根据式(5)，计算得煤、伊利石、煤与伊利石在水中作用能的Lewis酸碱分量分别为-27.78、20.18和10.86 mJ/m2。结合式(4)，计算不同H条件下各类颗粒间的极化作用能，绘制EH-H的关系曲线，结果如图2所示。

分析图2可知，随着颗粒间距H的增大，三类颗粒间的极化作用能绝对值均单调减小，并在H>6 nm之后逐渐趋向于0。伊利石颗粒间和煤与伊利石颗粒间的极化作用能曲线几乎重合，表明混合颗粒的极化作用能大小取决于极化作用能绝对值较小的颗粒。煤颗粒间在不同间距下的极化作用能均为负值，而伊利石颗粒间和煤与伊利石颗粒间在不同间距下的极化作用能均为正值，表明煤颗粒间的极化作用力为疏水引力，伊利石颗粒间和煤与伊利石颗粒间的极化作用力为水化斥力，这是由于煤颗粒与伊利石颗粒表面润湿性不同所致。

图2 颗粒间距对颗粒间极化作用能的影响Fig. 2 Effect of inter particle distance on inter particle hydrophobic interaction energy

2.3 颗粒间的范德华作用能

不同种类颗粒具有不同的表面能，其表面能的范德华分量又决定了颗粒Hamaker常数的大小，进而影响颗粒间范德华作用能的大小。根据表1数据，利用式(9)计算得到煤颗粒和伊利石颗粒在真空中的Hamaker常数分别为9.74×10-20和4.06×10-20J；利用式(8)计算得到煤、伊利石、煤与伊利石在水中的Hamaker常数分别为1.20×10-20、1.06×10-24和-1.09×10-22J；结合式(7)，计算得到不同H条件下各类颗粒间的范德华作用能，绘制EW-H关系曲线，结果如图3所示。

分析图3可知，三类颗粒间的范德华作用能绝对值随颗粒间距H的增大均呈减小至0趋势变化。当H>10 nm时，煤颗粒间的范德华作用能绝对值随H的减小而缓慢增大；当H<10 nm时，煤颗粒间范德华作用能绝对值随H减小呈线性急速增大。煤颗粒间的范德华作用能为负值，表明其颗粒间范德华作用力为引力，必然趋向于促进颗粒间凝聚；伊利石颗粒间和煤与伊利石颗粒间的范德华作用能均相对较小，故对颗粒间的凝聚与分散状态影响可以忽略。

图3 颗粒间距对颗粒间范德华作用能的影响Fig. 3 Effect of inter particle distance on inter particle Van Der Waals interaction energy

2.4 颗粒间总相互作用能

根据式(1)，计算不同种类颗粒间的总相互作用能，绘制ET-H关系曲线，结果如图4所示。

分析图4可知，三类颗粒间的总相互作用能绝对值随颗粒间距H的增大均呈减小至0趋势变化。当H>10 nm时，颗粒间总相互作用能均接近0；当H<10 nm时，随着颗粒间距H的减小，三类颗粒间的总相互作用能绝对值均呈先缓慢增大而后急速增大变化。煤颗粒间总相互作用能为负值，故其颗粒间作用力合力为引力。这是因为H<10 nm时，疏水引力占主导，其值远大于静电排斥力；H>10 nm时，范德华引力占主导，其值大于静电作用排斥力。伊利石颗粒间和煤与伊利石颗粒间总相互作用能为正值，故其颗粒间作用力合力均为斥力。这是因为范德华力相对较小，以致可以忽略。当H<10 nm时，水化斥力和静电排斥力共同作用；当H>10 nm时，水化斥力占主导。煤与伊利石颗粒间的总相互作用能小于伊利石颗粒间的总相互作用能，表明前者分散性相对较差。

综上所述，悬浮液体系输入一定动能，使颗粒间相互接触，可以促进煤颗粒间发生凝聚、沉降，而伊利石颗粒间、伊利石与煤颗粒间更加趋于分散，导致悬浮液体系煤颗粒凝聚沉降和伊利石颗粒均匀分散现象发生。由此可知，在该煤泥水体系中，煤颗粒具有较好的凝聚沉降性能，易于沉降分离，而伊利石类黏土颗粒沉降性能较差，易与水形成稳定的悬浮液，这是该褐煤煤泥水难沉降的原因。