煤泥水混凝藥劑研究現狀

任紹良

（山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局，山西 太原 030045）

引 言

煤泥水是指煤炭在分選加工過程中所產生的介質用水，是煤礦濕法洗煤加工工藝的工業尾水，其中含有大量的煤泥和泥砂，給礦區附近的環境造成了嚴重的污染，是煤炭工業的主要污染源之一，越來越受到人們的重視。煤泥水處理是選煤廠不可缺少的工藝環節，不僅是環境保護的要求，而且是回收細粒煤泥、提高資源利用效率的措施之一。解決煤泥水的澄清問題，除了采用合理的工藝流程及設備，還需要選擇并使用適當的混凝劑。使煤泥水中的微粒顆粒預先凝聚或絮凝，形成絮團，加速顆粒沉降，提高煤泥水的重力沉降效果。

煤泥水的絮凝處理常用無機電解質和聚合物PAM。如果類型、絮凝條件是正確的，可以達到理想的絮凝沉降效果。由于煤泥水的性質復雜，市場上有很多不同類型的聚丙烯酰胺用于煤泥絮凝處理效果較差，導致高濃度洗滌水的產生，影響煤選煤廠的分離效果和經濟效益。

1 常用煤泥水藥劑［1-3］

1.1 有機高分子絮凝劑

有機高分子絮凝劑有很強的聚沉能力，它們在顆粒表面強烈地吸附，使許多顆粒通過高聚物的鏈節“橋聯”在一起，聯成質量較大的聚集體而發生聚沉。但是，低用量只能網捕粗顆粒，使粗煤泥沉降，細煤泥仍然在系統中循環，形成高濃度的循環煤泥水體系。而高用量又會形成高分散網狀絮體，不僅藥劑成本高，而且直接導致煤泥水外排。

1.2 無機凝聚劑

無機凝聚劑也可以實現顆粒的聚沉，但在煤泥水溶液環境中，無機混凝劑達不到聚沉狀態，不能實現狀態的躍遷。

以三價的鋁鹽和鐵鹽為例，Al3＋、Fe3＋在煤泥水正常pH值（pH＝6～9）范圍內會發生水解，基本上以Al（OH）3、Fe（OH）3沉淀物形式存在。因此，Al3＋、Fe3＋在煤泥水體系中存在量極少，對懸浮顆粒的聚沉效果不明顯。因此，聚合氯化鋁、聚合氯化鐵在煤泥水體系中聚沉效果并不理想［1］。

1.3 生石灰和電石

與有機高分子絮凝劑、無機凝聚劑相比，生石灰和電石都對加速煤泥水沉降有一定效果，它們利用了與水體反應后生成的Ca2＋與黏土形成特性吸附，從而加速煤泥水的聚沉。但是，由于鈣鎂類化合物特殊的化學性質，會給生產、環境、系統管道和工人健康帶來一系列不利的影響，從而制約了其進一步推廣使用。以生石灰為例，實際使用中有3個突出問題：

1）使煤泥水呈堿性，設備與設施表面形成嚴重板結，影響選煤廠正常運行；

2）沉淀物多，雜質含量大，加重了系統負荷，甚至給產品質量帶來不利影響；

3）反應過程劇烈，操作風險大，甚至容易造成人員傷害，易污染環境。

2 煤泥水藥劑的作用機理及分類［4］

2.1 絮凝劑作用機理及分類

絮凝劑通常為有機高分子化合物。一般高分子化合物都有很長的分子鏈，而且鏈上有很多活性基團，這些活性基團能和顆粒表面進行吸附。若1個這樣的分子鏈能同時吸附2個或2個以上微粒.那么就把微粒像架橋一樣連接起來，形成絮團。這種作用又稱架橋作用。用高分子化合物進行架橋作用時，無淪懸浮液中顆粒表面帶電狀況如何，只要添加的絮凝劑分子具有可在顆粒表面吸附的官能團或吸附活性，便可實現絮凝。絮凝劑主要通過靜電鍵合、氫鍵鍵合和共價鍵鍵合3種方式將顆粒吸附在一起，形成大而蓬松的絮團，加快顆粒的沉降［4］。一般而言，絮凝劑的反應時間很短，加入后很快就可以看到絮團成型［2］。

絮凝劑的種類很多，但目前用于我國選煤廠的主要是聚丙烯酰胺類物質。聚丙烯酰胺類物質水溶解性好，能與水以任意比例互溶且不溶于有機溶劑。聚丙烯酰胺類絮凝劑分陽離子型、陰離子型和非離子型3類。

陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）外觀為白色粉粒，相對分子質量從6 000 000到25 000 000，水溶液呈黏稠狀，有效的pH值范圍為7～14，是選煤廠應用最多的一類絮凝劑。

陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）為白色粉末狀的外觀，從8 000 000到15 000 000的相對分子質量，有效pH值范圍在1～14，負電荷和豐富的有機廢水的處理，如酒精廢水、啤酒廢水、味精谷氨酸廢水、制糖廢水、肉廠廢水、飲料廠廢水、紡織印染廠廢水。陽離子聚丙烯酰胺對這種廢水的處理比陰離子聚丙烯酰胺與非離子聚丙烯酰胺和無機鹽效果要好幾倍或幾十倍，因為這種廢水一般是負電荷的。

非離子聚丙烯酰胺（NPAM）外觀為白色粉末。在水處理中，一般用在系統中的酸性污水。在選煤廠沒有應用［3］。

2.2 凝聚劑作用機理及分類

DLVO理論認為，粒子的聚集和分散是靜電能的主要作用，是粒子的雙電層的分子相互作用。粒子的總效應是兩者的代數。靜電斥力對粒子的凝聚是不利的。在正常狀態下，兩者都處于平衡狀態，如果粒子之間產生斥力，就會破壞平衡，使凝結發生。

凝聚劑通過加入無機電解質中和顆粒表面的電性，以解除布朗運動，使微粒能夠靠近接觸而聚集在一起，形成小而緊密的凝聚體。由于微細顆粒比表面積較大且中和的過程中移動緩慢，所以聚團形成需要較長的時間。

凝聚劑分為陰離子型和陽離子型2種。在實際生產中，人們也將陽離子凝聚劑稱為陽離子絮凝劑。其實，絮凝劑與凝聚劑的作用機理是不同，因此這種說法也不確切。

由于大部分物質的顆粒帶負電，因此工業上常用的多為陽離子型，可以分為以下幾類：無機鹽類，如，硫酸鋁、硫酸鋁鉀、硫酸鐵，氯化鐵等；金屬的氫氧化物，如，氫氧化鋁、氫氧化鐵、氫氧化鈣和生石灰等。另外，還有聚合無機鹽類，如，聚合鋁、聚合鐵等。聚合鋁包括聚合氯化鋁和聚合硫酸鋁［4］。

3 煤泥水藥劑的選擇研究

煤中固相物質中除了含有有機質煤之外，還含有大量的黏土礦物、氧化礦物及其他礦物。有機質煤的細顆粒在整個固相顆粒組成中相對較粗，比較容易沉降。但是，黏土礦物易泥化，表面帶負電荷，彼此之間不能有效碰撞而結合成較大的絮團。加之，顆粒粒徑越小，重力也變小，分子的布朗運動加劇，整個體系呈穩定的懸濁狀態，造成煤泥水不容易沉降。這是煤泥水難沉降的主要原因之一。因此，有必要加入適量的絮凝和凝聚藥劑，來破壞這種穩定的懸濁狀態，以加快煤泥水的沉降。

3.1 絮凝劑的選擇研究

目前，選煤廠煤泥水絮凝劑一般選用陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）。本次實驗分別采用8 000 000、11 000 000和12 000 000 3種不同相對分子質量的APAM對某選煤廠煤泥水進行絮凝沉降研究，以考察不同相對分子質量的APAM的絮凝效果。不同相對分子質量的APAM用量（配制成質量分數為千分之一的水溶液）與澄清界面初始沉降速度的關系如圖1所示。

圖1 不同相對分子質量的APAM沉降特性曲線

從圖1可以看出，3種情況下煤泥水的初始沉降速度都相對較快，且藥劑用量也較少，表明現階段該選煤廠煤質狀況較好，泥化現象較輕，煤泥水有較好的沉降特性。就3種藥劑而言，高相對分子質量的APAM沉降效果更好，不僅沉降速度快，藥劑用量少，而且形成的沉淀物比較密實，對后續脫水回收作業較為有利。但相對分子質量過高會造成APAM溶解困難，且APAM分子吸附的固體顆粒空間距離太遠，反而會影響絮凝效果。通常情況下，APAM的相對分子質量以6 000 000～12 000 000為宜。

3.2 凝聚劑的選擇研究

凝聚劑的主要作用機理是通過向煤泥水系統中加入一定量的無機電解質，以壓縮顆粒表面的雙電層。選用目前常用的幾種凝聚劑（三氯化鐵，硫酸鋁鉀，硫酸鋁，氧化鈣）對某選煤廠煤泥水進行了凝聚沉降研究，以考察各種藥劑的凝聚效果。不同凝聚劑用量（配制成質量分數為5%的水溶液）與澄清界面初始沉降速度的關系如圖2所示。

圖2 4種不同凝聚劑沉降特性曲線

從4種不同凝聚劑的沉降特性曲線中可以看出，對于選煤廠煤泥水，氧化鈣和三氯化鐵凝聚效果較好，硫酸鋁鉀和硫酸鋁凝聚效果較差。三氯化鐵的優點在于用量較少；氧化鈣的優點在于沉降速度快且價格低廉；而硫酸鋁用量較少，但沉降速度太慢；硫酸鋁鉀用量較大，且沉降速度緩慢。綜合來講，對于該選煤廠煤泥水，氧化鈣的效果最好，硫酸鋁鉀效果最差。

4 結論

1）絮凝劑和凝聚劑的種類與相對分子質量、加藥量、煤泥水溶液的pH值、共存離子、懸浮顆粒粒度、溫度等會影響煤泥水絮凝和凝聚。

2）在正常情況下，隨著投加量的增加，絮凝和混凝效果增加。

3）凝聚劑與絮凝劑的配合使用是實現選煤廠洗水閉路循環的關鍵。在工業生產中，對高濃度（固體含量120g/L以上）與泥化現象嚴重的煤泥水，要更加重視凝聚劑的使用。凝聚劑與絮凝劑的配合使用，不僅降低了藥劑成本，而且能進一步提高煤泥水的澄清效果。

4）通過添加絮凝劑和混凝劑處理煤泥水，操作簡單，投資少，無需改造選煤廠，現有的設備和工藝可以同時提高煤泥水澄清的效果。不僅給選煤廠帶來了良好的經濟效益，而且創造了巨大的社會效益。

［1］ 中國礦業大學.一種陽離子絮凝劑：中國，93110753［P］.1994-10-12.

［2］ 小田節子.凝聚劑及凝聚方法：中國，02802211.4［P］.2003-12-31.

［3］ 中國礦業大學.一種礦物型凝聚劑處理循環水的方法：中國，96117146［P］.1998-05-06.

［4］ 謝廣元.選礦學［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2001：569-570.