煤泥水处理过程中絮凝剂的选择与投加量小试

2021-05-14贺少波

山西化工 2021年2期

关键词：沉降速度高岭石泥水

贺少波

(晋能控股煤业集团煤炭洗选分公司,山西大同 037001)

1 试验部分

1.1 煤样的制备及表征

试验煤样来源于山西某选煤厂，灰分为1.91%(较低，可以近似为纯煤),煤样平均粒度18.9 μm，BET比表面积12.70 m2/g。

1.2 试验试剂与仪器

试验试剂主要有氯化铝、氯化钙以及阳离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺等。试验设备主要有激光粒度分析仪、鼓风干燥箱、比表面积及空隙分析仪、磁力搅拌器、光电浊度计、马弗炉等。

1.3 黏土矿物样品及表征

本文使用3种常见的黏土矿物种类，具体如表1所示。

表1 黏土矿物样品种类及表征

1.4 沉降试验评价指标

1)上清液浊度

上清液中含有的悬浮颗粒越多，上清液表现得就越浑浊[1]。本文中使用WGZ-1A型浊度计，快速测定出不同试验中上清液的浊度。

2)沉降速度

浓缩机底流浓度主要是由煤泥絮体的沉降速度决定的，且一般而言二者呈正相关关系，同时沉降速度越快，表明浓缩机处理能力就会较大，选煤厂循环水就越能被高效利用。但是值得注意的是，沉降速度过快可能会导致浓缩机压耙事故，所以寻找到最适宜的沉降速度对现场生产来说至关重要。

3)絮体压缩率

本文在实验室量筒实验中通过测量絮体压缩率来间接表示决定选煤厂循环水利用率的重要条件——澄清水层的高度和浓度。絮体压缩率=100-煤泥水初始高度/5min后絮体高度，%。

2 影响煤泥水澄清的主因素筛选

本文在通过大量文献调研的基础上，筛选出了影响煤泥水絮凝沉降澄清效果的7个主因素，并设计了确定药剂用量的试验条件：黏土矿物确定为高岭石；离子种类为氯化铁；煤泥水质量浓度确定为40 g/L；黏土矿物含量为试验中使用的干煤泥的40%；絮凝剂种类为阴离子聚丙烯酰胺(PHP)等。结果显示，絮凝剂用量在5 mg/L～60 mg/L，离子用量在50 mg/L～600 mg/L即可。

同时，每个因素安排三个水平建立起七因素三水平的正交试验，并在直观分析法的基础上使用方差分析，确定各因素对试验结果的主次顺序和显著性。结果显示，在黏土矿物含量较小即占煤泥水中干煤泥量≦25%的条件下，影响煤泥水澄清过程中澄清界面沉降速度的因素主次排序为：絮凝剂种类>离子种类>煤泥水浓度>黏土矿物种类>黏土矿物含量>离子用量>絮凝剂用量，且前4种影响因子对界面沉降速度影响有显著性。

在黏土矿物含量较大即占煤泥水中干煤泥量>25%的条件下，影响煤泥水澄清过程中澄清界面沉降速度的因素主次排序为：絮凝剂种类>黏土矿物含量>离子用量>煤泥水浓度>黏土矿物种类>絮凝剂用量>离子种类，且前6种影响因子对界面沉降速度影响有显著性。经过大量研究可知，选煤厂煤泥水中黏土矿物含量一般较高，故而一般选后者结果来评价影响煤泥水澄清因素的主次顺序，确定主因素。

本节可以确定各个影响因素的最佳水平。以下分别选择凝聚剂用量、絮凝剂种类及用量3个主因素具体探讨其对煤泥水澄清的影响。

3 主因素对煤泥水澄清的影响

本节采用Nano Brookhaven-90Plus PALS型Zeta电位仪对Zeta电位进行测量。纯煤的Zeta电位为-9.63 mV，纯高岭石的Zeta电位为-22.91 mV。首先配制30%、35%、40%、45%、50%不同高岭石含量的煤泥水样品，加入烧杯中，并加入一定量的去离子水，通过磁力搅拌器保证煤和高岭石颗粒混合均匀，留样备用。其次先后使用生理盐水、去离子水对测量用的电极进行润洗，并将煤泥水样品加入测量皿中插入电极放置仪器中，待各参数设定完毕后开始对样品进行Zeta电位测量。

3.1 凝聚剂用量

通过前文对影响煤泥水澄清的主因素筛选，在黏土矿物为高岭石且含量为30%(高岭石颗粒的粒径为1.0 μm)、离子种类为氯化铁、煤泥水质量浓度为20 g/L(煤泥水中煤颗粒的粒径为18.9 μm)、絮凝剂为PHP且用量为50 mg/L等各个影响因素的最佳水平条件下，探讨离子用量分别为50、100、200、300、400 mg/L下的澄清效果。

结果显示，随着离子用量的增加，上清液浊度先降低后升高，沉降速度先升高后降低，煤泥水体系中的电位则逐渐升高。其中，在离子用量为100 mg/L时浊度最低，沉降速度最快，电位值最接近于零电点。将电位值变化与浊度变化、沉降速度变化相结合进行分析，离子用量过少煤泥水中颗粒凝聚不彻底，反之会使煤泥水体系中电位逐渐增加，距离零电点越来越远，最终改变颗粒表面电性增加斥力。因此，确定在离子用量为100 mg/L时浊度最低，煤泥水澄清效果最好。

3.2 絮凝剂种类

通过前文对影响煤泥水澄清的主因素筛选，在黏土矿物为高岭石且含量为30%(高岭石颗粒粒径为1.0 μm)、离子种类为氯化铁且用量为 100 mg/L、煤泥水质量浓度为20 g/L(煤泥水中煤颗粒的粒径为18.9 μm)的条件下，分别对阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子型聚丙烯酰胺(PHP)等3种絮凝剂在用量为10、20、30、40、50 mg/L进行试验，结果如图1所示。

图1 不同絮凝剂种类下煤泥水澄清效果

通过图1可以看出，絮凝剂种类不同对煤泥水澄清效果影响较大，加入PHP的煤泥水澄清后的上清液浊度更低，沉降速度更快。经分析，可溶性淀粉、PHP和CPAM都是高分子聚合物，主要是通过吸附-架桥、吸附-电中等方式进行絮凝作用[2]。絮凝剂的离子特性和相对分子质量分别对吸附电中和作用以及对絮体的大小和沉降速度有显著影响，可溶性淀粉是天然高分子絮凝剂，PHP和CPAM是人工合成的高分子絮凝剂，后者由于是带有目的性的人工合成的产物，水解后会产生较长的并且较舒展的分子链，可吸引的颗粒就越多，故PHP和CPAM的吸附架桥作用比可溶性淀粉强；同时，煤颗粒和高岭石颗粒表面都是荷负电，而可溶性淀粉是经过改性后的阳离子淀粉絮凝剂，CPAM也是阳离子絮凝剂，PHP则是阴离子聚丙烯酰胺水解出的带有荷负电的活性基团，PHP可以将颗粒带有的正电荷进行中和，使颗粒之间的静电斥力接近于零，成为大而紧密的凝聚体，因此相比之下，絮凝剂PHP的吸附-电中和作用和网捕-卷扫作用最强。

3.3 絮凝剂用量

通过前文对影响煤泥水澄清的主因素筛选，在黏土矿物为高岭石且含量为30%(高岭石颗粒的粒径为1.0 μm)、絮凝剂种类为PHP、煤泥水质量浓度为20 g/L(煤泥水中煤颗粒的粒径为18.9 μm)、离子种类为氯化铁且用量为 100 mg/L的条件下，探讨絮凝剂用量分别为10、20、30、40、50 mg/L下的澄清效果。

结果显示，随着PHP用量的增加，Zeta电位值降低，沉降速度缓慢升高。这是因为，随着PHP用量增加，带负电的活性基团和带正电的煤颗粒以及高岭石颗粒实现了吸附-电中和的作用，使电位值越接近于零；同时，PHP的相对分子质量为1 200万，水解度为30%，当絮凝剂用量增加后，其水解出的大量的舒展的长链会在煤泥水中捕捉到更多的悬浮颗粒，使煤泥水得到澄清。因此，在本试验中絮凝剂用量相对越大其对煤泥水絮凝效果越好。