陽離子型聚丙烯酰胺的絮凝性能研究

鄭繼洪 徐初陽 聶容春 孫銀宇

（1.安徽理工大學材料科學與工程學院，安徽省淮南市，232001；2.安徽理工大學化學工程學院，安徽省淮南市，232001）

選煤廠煤泥水處理是實現煤泥水閉路循環的重要生產環節，解決煤泥水的澄清問題除了采用合理的工藝流程及設備，還需要合理選擇并使用絮凝劑，聚丙烯酰胺是丙烯酰胺均聚物或丙烯酰胺與其它單體共聚而得聚合物的統稱，主要包括陽離子型聚丙烯酰胺、陰離子型聚丙烯酰胺和兩性離子型聚丙烯酰胺3大類。目前選煤廠廣泛采用的是陰離子型聚丙烯酰胺，其對于高灰細泥含量較多的煤泥水處理效果較差，而陽離子型聚丙烯酰胺 （CPAM）由于其獨特的側鏈結構和帶高密度電荷，適合于含細粒懸浮物、有機物和膠體等廢水的處理。

本文針對淮南礦區張集選煤廠和新莊孜選煤廠的煤泥水進行了一系列的單因素試驗和絮凝性能對比試驗，研究了特性粘數、藥劑用量、煤泥水性質以及煤泥水pH 值對CPAM 絮凝效果的影響。

1 煤泥水性質分析

試樣煤泥水采取張集選煤廠和新莊孜選煤廠原生煤泥，按照GB／T19093-2003 《煤粉篩分試驗方法》規定的方法對采集的煤泥水進行了篩分試驗，試驗結果見下表1和表2。

表1 張集選煤廠煤泥篩分試驗結果

表2 新莊孜選煤廠煤泥篩分試驗結果

由表1可知，張集選煤廠煤泥灰分較高，小于0.045 mm 的微細顆粒占30.89%，灰分高達52.94%，屬于高灰細泥型煤泥水。由表2 可知，新莊孜選煤廠煤泥小于0.045 mm 的微細顆粒占9.40%，灰分為39.54%，煤泥水中的高灰礦物細泥含量較少。因此，張集選煤廠煤泥水粒度細、富含高嶺土，屬于典型的難沉降煤泥水，而新莊孜選煤廠煤泥水粒度適中，易于沉降。

2 絮凝沉降試驗

2.1 絮凝劑的制備

選取了4種聚丙烯酰胺進行了絮凝試驗，4種聚丙烯酰胺的技術特征見表3，試驗參照GB／T18712-2002 《選煤用絮凝劑性能試驗方法》，將CPAM 配制成濃度為0.1%的溶液備用。

表3 聚丙烯酰胺種類與技術特征

2.2 試驗步驟

（1）用500ml的量筒量取煤泥水，使用注射器將絮凝劑溶液加入到煤泥水中，雙向翻轉量筒來回10次，使藥劑與煤泥水混合均勻。

（2）用秒表記錄煤粉沉降的高度，然后量筒靜置約10min，用注射器移取量筒中的上層清液至光電比色計測定上清液透光率。

（3）記錄試驗結果。

（4）根據所測數據，繪制透光率、自由沉降速度與絮凝劑用量的關系曲線。

3 結果與討論

3.1 特性粘數與藥劑添加量對絮凝效果的影響

試驗條件為：張集選煤廠煤泥水，煤泥水pH值為中性，濃度為50g／L，考察CPAM 特性粘數與藥劑添加量對絮凝效果的影響，結果見圖1。

由圖1可知，隨著特性粘數的增大，煤泥水沉降速度加快，同時透光率也不斷提高。但是特性粘數對沉降速度的影響更為明顯，原因是特性粘數大的絮凝劑的分子量大，高分子鏈很長，可同時吸附在多個顆粒表面上形成大粒團聚沉，從而使沉降速度增大。綜合考慮透光率和沉降速度這兩個指標，1＃CPAM 絮凝效果最好，2＃CPAM 次之，3＃CPAM 絮凝效果最差。

隨著藥劑添加量的增加，透光率和沉降速度均呈現先增加后減小的趨勢，藥劑添加量過大不僅造成浪費，而且會發生絮凝保護作用，使絮凝效果下降，可以看出CPAM 的最佳添加量為10g／m3。

圖1 特性粘數對絮凝效果的影響

3.2 煤泥水性質對絮凝效果的影響

藥劑選用1＃CPAM 并固定其添加量為10g／m3，煤泥水分別為張集選煤廠和新莊孜選煤廠原生煤泥，其他條件不變，考察煤泥水性質對絮凝效果的影響，結果見圖2。

由圖2可知，CPAM 對不同性質的煤泥水絮凝效果是不一樣的，在相同藥劑用量條件下，CPAM 對張集選煤廠煤泥水處理效果比新莊孜選煤廠的好，這和煤泥灰分及粒度大小不同有關。張集選煤廠煤泥水中細泥含量高，通常細泥物表面所帶負電荷較高，彼此排斥力較大，影響甚至阻礙了絮凝作用，此時需要加入大量的電解質，以壓縮顆粒表面雙電層，這些顆粒才能絮凝沉降。而CPAM 同時具有絮凝作用和凝聚作用，所以當加入具有相反電荷的CPAM 絮凝劑時，起到了添加無機電解質的作用，煤泥水中細粒級懸浮顆粒會因電中和作用而發生碰撞，形成大的絮團而沉降。因此，CPAM 對于處理高灰細泥含量多的難沉降煤泥水效果更為顯著。

圖2 煤泥水性質對絮凝效果的影響

3.3 煤泥水pH 值對絮凝效果的影響

選用張集選煤廠煤泥水，藥劑為1＃CPAM，固定其添加量為10g／m3，其它條件不變，用鹽酸和氫氧化鈉調節煤泥水的pH 值，考察煤泥水pH值對絮凝效果的影響，結果見圖3。

由圖3可知，隨著pH 值的增大，煤泥水的透光率和沉降速度總體呈下降趨勢，這是由于pH 值直接影響煤顆粒表面電性，煤泥顆粒表面帶有負電荷，在較小的pH 值下，H+可部分中和其表面的負離子，減小顆粒之間的排斥力；隨著pH 值的增大，H+含量減小，OH+含量增加，顆粒之間的排斥力較大。綜合考慮透光率和沉降速度，當1＃CPAM 在pH 值為5 時，煤泥水透光率為98%，沉降速度為600mm／min，絮凝效果最好。

圖3 pH 值對絮凝效果的影響

3.4 絮凝性能對比試驗

選用張集選煤廠煤泥水，煤泥水濃度為50g／L，pH 值為中性，將1＃CPAM 與4＃工業陰離子型聚丙烯酰胺進行對比試驗，結果見圖4。

圖4 絮凝性能對比

由圖4可知，1＃與4＃兩種藥劑的沉降速度差別不大，但1＃透光率遠好于4＃透光率，因此1＃CPAM 處理高灰細泥型煤泥水效果優于4＃。

4 結論

（1）不同特性粘數的CPAM 絮凝效果不同，通常特性粘數越大其絮凝沉降效果越好，因而提倡采用高分子量的CPAM；隨著CPAM 用量增加，絮凝效果提高，最佳藥劑添加量為10g／m3，藥劑添加量超過最佳用量，絮凝效果反而下降。

（2）CPAM 對不同性質的煤泥水絮凝效果不同，對于處理高灰細泥含量多的煤泥水效果更為顯著，并且優于工業陰離子型聚丙烯酰胺。

（3）pH 值對CPAM 的絮凝效果也有影響，CPAM 對酸性煤泥水的處理效果優于堿性和中性煤泥水。

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