粉煤灰基無機絮凝劑絮凝效果影響因素分析

徐德永，徐 巖，康 華

(黑龍江科技大學 礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027)

粉煤灰基無機絮凝劑絮凝效果影響因素分析

徐德永，徐 巖，康 華

(黑龍江科技大學 礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027)

為探索粉煤灰基無機絮凝劑不同影響因素對煤泥水絮凝效果的影響程度，以自制絮凝劑為研究對象，通過絮凝沉降試驗分析煤泥水溫度、攪拌速度、攪拌時間、pH值、絮凝劑用量對其絮凝效果的影響。試驗表明：攪拌速度和攪拌時間對煤泥水絮凝效果的影響最顯著，其他因素影響較小；試驗條件下，攪拌速度為50 r/min、攪拌時間為2 min、煤泥水溫度為30 ℃、pH值為9、絮凝劑用量為1 000 mg/L時，煤泥水絮凝效果最好，濁度為150 NTU。

粉煤灰；無機絮凝劑；煤泥水；絮凝；濁度

粉煤灰是燃煤電廠粉煤燃燒后排放的固體廢棄物，粒徑在0.001～5 mm之間，質輕粒細，極易隨風飛揚。我國每年的粉煤灰產量巨大，2013年的產量達到5.32億t，預計2018年的產量大約為6.29億t。目前，我國的粉煤灰主要用于筑路、燒磚、選取漂珠、改良土壤等，利用率僅為41.70%[1-2]，大部分被堆積廢棄，不僅占用大量耕地，而且極易污染環境[3]。

由于粉煤灰獨特的物理化學性質和低廉的價格，近年來其在水處理方面展現出新的應用前景，粉煤灰的資源化利用成為環境科學的重要研究課題[3-6]。為充分利用現有資源，節約有限的能源，以自制粉煤灰基無機絮凝劑為研究對象，通過絮凝沉降試驗分析溫度、攪拌速度、攪拌時間、pH值、絮凝劑用量對煤泥水絮凝效果的影響[7-10]，為其在煤泥水處理中的工業化應用提供基礎數據。

1 試驗

1.1 試驗儀器與試劑

試驗儀器包括ZH-2B恒溫水浴鍋、MD100-2電子天平(精度為0.000 1 g)、DZF-6020真空干燥箱、KSW-5-12A馬弗爐、721N分光光度計、JB-3型恒溫磁力攪拌器、PHS-3B型酸度計。試驗試劑包括硫酸聯氨、六次甲基四胺、鹽酸、氫氧化鈉、粉煤灰基無機絮凝劑(主要成分為聚硅酸鋁鐵)。

1.2 煤泥水性質

試驗煤泥水來自七臺河選煤廠,煤灰成分主要為SiO2和Al2O3。由于煤泥水中細微粒含量較高,其中的顆粒表面帶有一定量的負電荷，使該煤泥水體系成為一種帶負電的膠體分散體系，很難發生自然沉降。

1.3 試驗方案

1.3.1 煤泥水的絮凝試驗

取10 mL蒸餾水，加入一定量的粉煤灰基無機絮凝劑，快速攪拌1 min，再緩慢攪拌4 min，然后靜置1 h；取上層2～3 cm處的清液，測其吸光度，計算出溶液的濁度。

1.3.2 溶液濁度的測定

(1)濁度貯備液的制備。采用孔徑為0.2 μm的濾膜對蒸餾水進行過濾，并將其收集于經濾液沖洗兩次的燒瓶中備用；分別稱取1.00、10.00 g的硫酸聯氨和六次甲基四胺，并分別配制成溶液，定容至100 mL；分別吸取5.00 mL硫酸聯氨溶液和六次甲基四胺溶液，置于100 mL的容量瓶中，混合均勻；在25±3 ℃的環境中反應24 h，再用水稀釋至標線，混勻后的溶液即為貯備液，濁度為400 NTU。

分別取濁度標準溶液0、0.50、1.25、2.50、5.00、10.00、12.50 mL，置于50 mL的比色管中，加水至標線，搖勻后即得濁度為0、4、10、20、40、80、l00的標準系列；在680 nm的波長下，采用3 cm的比色皿測定溶液的吸光度，并繪制標準曲線(圖1)。

圖1 濁度-吸光度標準曲線

(2)濁度的測定。測定濁度前應初步判斷煤泥水濁度的大小，如果濁度小于100 NTU，直接取樣并將其置于3 cm的比色皿中，在680 nm的波長下測定其吸光度，然后根據標準曲線查出煤泥水的濁度；如果濁度大于100 NTU，應先取一定量的煤泥水，并將其置于50 mL的比色管中稀釋，再測定稀釋煤泥水的吸光度，然后根據標準曲線查出稀釋煤泥水的濁度；采用稀釋煤泥水的濁度乘以稀釋倍數，即得煤泥水的濁度。計算公式為：

式中：α為煤泥水的濁度，NTU；A為稀釋煤泥水的濁度，NTU；V為稀釋煤泥水的體積，mL；VO為煤泥水的體積，mL。

2 試驗結果及分析

絮凝分離過程是一個復雜的物理、化學過程，影響絮凝效果的因素很多，絮凝效果不僅與絮凝劑的種類、性質、結構、用量有關，還與水溶液溫度、攪拌速度、攪拌時間、pH值、絮凝劑用量等有關。在攪拌時間為2 min的條件下，研究不同因素對煤泥水絮凝效果的影響，以濁度作為煤泥水絮凝效果的評價指標。

2.1 煤泥水溫度對絮凝效果的影響

煤泥水溫度對絮凝反應、絮體成長、沉降分離等有重要影響，溫度對煤泥水絮凝效果的影響如表1、圖2所示。

表1 不同溫度時的煤泥水絮凝效果

圖2 溫度對煤泥水絮凝效果的影響Fig.2 Effect of different temperature on coal slurry flocculantion

由表1、圖2可知：煤泥水絮凝的適宜溫度為30 ℃，此時濁度為248.30 NTU。當煤泥水溫度在20 ℃左右時，絮凝效果明顯較差；當煤泥水溫度超過30 ℃時，絮凝效果逐漸變差。煤泥水溫度低時，絮凝劑水解速度慢，粘度大，膠粒運動阻力大，碰撞機會較小，不利于其相互粘結，影響絮體的形成和成長；隨著煤泥水溫度的升高，絮凝效果得到改善，但水溫超過30 ℃后，絮凝劑水解速度過快，形成的絮體大而輕，不易沉降。

2.2 pH值對絮凝效果的影響

pH值對膠體顆粒表面所帶電荷的性質和大小有一定影響，因而會影響煤泥水絮凝效果。一般情況下，鋁鹽、鐵鹽等無機絮凝劑適合在堿性或中性環境中使用。不同環境中的煤泥水絮凝效果如表2、圖3所示。

表2 不同pH值時的煤泥水絮凝效果

圖3 pH值對煤泥水絮凝效果的影響Fig.3 Effect of different pH value on coal slurry flocculantion

由表2、圖3可知：當pH值較小時，煤泥水絮凝效果很差；隨著pH值的增大，煤泥水絮凝效果逐漸改善；當pH值為9時，煤泥水絮凝效果最好。由此看來，經該絮凝劑處理后的廢水可直接排放，且廢水pH值在7～9之間。

2.3 攪拌速度對絮凝效果的影響

為了使煤顆粒與絮凝劑充分接觸，并增加煤顆粒之間的碰撞幾率，在加藥的同時要適當攪拌。攪拌速度選擇合理，有利于提高煤泥水的絮凝效果。攪拌速度對煤泥水絮凝效果的影響如表3、圖4所示。

表3 不同攪拌速度時的煤泥水絮凝效果

圖4 攪拌速度對煤泥水絮凝效果的影響

由表3、圖4可知：當攪拌速度為50 r/min時，煤泥水絮凝效果最好。一般而言，在絮凝劑溶解階段，為使其快速溶解，并在水中均勻分散，攪拌速度應較快；在絮體成長階段，攪拌速度應相應減慢。

2.4 絮凝劑用量對絮凝效果的影響

在煤泥水(pH值為8.65)中加入不同量的粉煤灰基無機絮凝劑，研究絮凝劑用量對煤泥水絮凝效果的影響，結果如表4、圖5所示。

表4 不同絮凝劑用量時的煤泥水絮凝效果

圖5 絮凝劑用量對煤泥水絮凝效果的影響

由表4、圖5可知：隨著絮凝劑用量的增加，煤泥水濁度逐漸降低，之后趨于穩定。煤泥水濁度降低是因為絮凝劑所帶電荷中和了懸浮顆粒所帶的電荷，使懸浮顆粒失穩、下沉；煤泥水濁度趨于穩定是因為水中懸浮顆粒所帶電荷與絮凝劑所帶電荷相互排斥，網捕起主導作用。

2.5 正交試驗

為考查煤泥水溫度、攪拌速度、攪拌時間、pH值、絮凝劑用量對煤泥水絮凝效果的綜合影響，在攪拌時間為2 min的條件下對其進行正交試驗，以煤泥水濁度為指標對試驗結果進行評價。正交試驗因素及水平表如表5所示，試驗結果如表6所示。

表5 因素及水平表

表6 正交試驗結果

由表6可知：攪拌速度為高顯著影響因子，溫度為顯著影響因子，pH值為較顯著影響因子，絮凝劑用量為不顯著影響因子，試驗因素最佳組合為C1A2B3D3；在最佳試驗條件下，在攪拌速度為50 r/min、攪拌時間為2 min、溫度為30 ℃、pH值為9、絮凝劑用量為1 000 mg/L時，煤泥水絮凝效果最好，濁度為150 NTU。

3 結論

通過煤泥水絮凝試驗可得到如下結論：

(1)煤泥水溫度較低時，絮凝劑水解速度慢，粘度大，膠粒運動阻力大，不利于絮體的形成和成長；煤泥水溫度超過30 ℃時，絮凝劑水解速度過快，形成的絮體大而輕，不易沉降；由此看來，粉煤灰基無機絮凝劑絮凝時的適宜溫度為30 ℃。

(2)該絮凝劑適合在堿性環境中使用，當pH值為9時煤泥水絮凝效果最好，且經其處理后的廢水可直接排放，廢水pH值在7～9之間。

(3)在絮凝劑溶解階段，攪拌速度應較快，以保證其快速溶解并在水中均勻分散；在絮體成長階段，攪拌速度應相應減慢。試驗條件下，攪拌速度為50 r/min時，煤泥水絮凝效果最好。

(4)絮凝劑用量較大時，煤泥水濁度較低；繼續增大絮凝劑用量，煤泥水濁度趨于穩定，此時網捕起主導作用。但絮凝劑用量不宜過大，應從藥劑成本和絮凝效果兩方面綜合考慮。

(5)試驗條件下，在攪拌速度為50 r/min、攪拌時間為2 min、溫度為30 ℃、pH值為9、絮凝劑用量為1 000 mg/L時，煤泥水絮凝效果最好，濁度為150 NTU。

[1] 江學榮,林介東,莫乾凱，等.粉煤灰綜合利用現狀及發展方向[J].電力環境保護,2012,18(3):55-57.

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[5] 徐 巖，徐德永，王校風. 粉煤灰基聚硅酸鋁鐵絮凝劑的制備[J].黑龍江科技學院學報，2010(6).

[6] 蘇繼成. 粉煤灰無機絮凝劑的制備與應用研究[D].天津：天津科技大學，2004.

[7] 董歲明.粉煤灰制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑及對高濁水的處理研究[D].西安：長安大學，2009.

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Analysis of influence factors of fly ash basis inorganic flocculant on flocculation effect

XU De-yong, XU Yan, KANG Hua

(Collage of Mineral Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin, Heilongjiang 150027, China)

To understand effect of fly ash basis inorganic flocculant on coal slurry flocculation in different influence factors, self-made flocculant is studied to analyze the effect of coal slurry temperature, stirring speed and time, pH value, dosage of floccutant on coal slurry flocculation by settlement test. The results show that stirring speed and time have the most significant effect on coal slurry flocculation, other factors have less influence; under experimental conditions, coal slurry flocculation effect can achieve the best with turbidity of 150 NTU when stirring speed is 50 r/min, stirring time is 2 min, coal slurry temperature is 30 ℃, pH value is 9 and dosage of flocculant is 1 000 mg/L.

fly ash; inorganic flocculant; coal slurry; flocculation; turbidity

1001-3571(2015)01-0005-04

TD946

A

2015-02-02

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.002

作者簡歷：徐德永(1976—)，男，黑龍江省海倫市人，副研究員，碩士，從事礦物加工工程專業的教學和研究。

E-mail：175870018@qq.com Tel: 18686757879