金屬絲網膜過濾難沉降煤泥水的影響因素研究

王曉強

（山西工程職業(yè)技術學院管理工程系， 山西 太原 030009）

煤泥水處理是影響選煤廠生產和實現洗水閉路循環(huán)的決定性環(huán)節(jié)。我國2/3煤炭資源分布在缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱的西北部地區(qū)。隨著采煤機械化程度的提高，細粒煤和細泥含量越來越大，煤泥水處理難度增大。我國許多選煤廠的煤泥水難以得到有效沉降[1]，同時，循環(huán)水中含有較多的細粒煤泥，其外排既浪費資源又污染環(huán)境。因此，煤泥水的有效處理除了影響選煤廠的經濟效益和社會效益外，對節(jié)約利用水資源和保護礦區(qū)環(huán)境也有重要意義[1]。

當前，我國的選煤技術可以為大多數選煤廠提供煤泥水處理技術，實現選煤廠洗水閉路循環(huán)，并且在必須排放時也能符合環(huán)境保護的排放要求，不污染環(huán)境。但是無論是煤炭開發(fā)利用，還是煤炭節(jié)能減排，都需要實現洗水的100%循壞以及煤泥的100%回收。所以，合理有效的煤泥水處理技術極其重要。在這種背景下，本文主要是針對細粒難沉降、煤泥水難處理的技術難題，提出一種處理細粒煤泥水的方法——金屬絲網膜過濾技術。

1 金屬絲網膜概況

1.1 金屬絲網膜介紹

剛性燒結金屬絲網膜是一種金屬多孔材料，是以采用普通金屬編織絲網為原料，通過多層絲網疊層的合理搭配和真空高溫燒結等復合工藝制備而成的一種新型多孔功能材料。這種復合功能的多孔材料，是20世紀50—60年代以美國為首的西方各國在能源、航空和航天技術的發(fā)展過程中，為解決高溫燃氣輪機葉片和液體火箭發(fā)動機噴注器面板的燒蝕防熱問題，在發(fā)散冷卻技術和發(fā)散冷卻材料的開發(fā)研究基礎上逐步發(fā)展起來的。在我國，該新型微孔材料也是隨著航天航空技術的需求與發(fā)展，由冶金部鋼鐵研究總院在60—70年代首先研制成功，并逐漸推廣應用到工業(yè)的各個方面。

目前，以剛性燒結金屬絲網微孔材料為核心的凈化分離技術與設備的開發(fā)應用，已被列入國家“九五”重點科技成果推廣項目。其在石油、化工、冶金、機械、煤炭、紡織和食品等工業(yè)領域的應用，不僅可以促進凈化分離工藝過程的穩(wěn)定和產品質量水平的提高，而且能夠推動相關工業(yè)領域整體工藝技術水平的進步與發(fā)展，具有良好的推廣應用前景和廣闊的市場開發(fā)潛力[2]。

1.2 金屬絲網膜過濾機理

金屬絲網膜的過濾機理主要是表層網孔攔截和濾餅截留，并輔助有一定程度的深層過濾捕捉。燒結金屬絲網膜從外到內包括三層：保護層、過濾工作層和支撐層，其中單層的較細金屬絲網經過燒結所形成的阻擋過濾工作層是屬于直接攔截過濾的，這是膜的主要截留部分，其特點是直接把一定大小的固體顆粒截留在過濾層外側表面，一段時間后可以出現一個均勻濾餅層，并且形成的濾餅層慢慢增厚、密度加大，此時濾餅層也可起到攔截作用，能夠截留更小的固體顆粒[3]。這種過濾介質的表面形態(tài)規(guī)則、孔徑均勻，孔道內部光滑，對濾餅層的迅速形成起到很好的作用，并且這種過濾材料對于清洗濾膜非常方便，因此它不僅能夠獲取高精度的過濾效果，而且還能保持高可靠性，穩(wěn)定運行的工藝過程，不僅具有高的耐壓強度、較小的處理壓力，而且還能形成均勻密實的濾餅層并且具有反沖效果好等優(yōu)點，尤其適合應用在連續(xù)化運行和自動化操作的系統(tǒng)中[4]。

2 金屬絲網膜過濾實驗影響因素研究

2.1 進料壓力對膜通量的影響

進料壓力是膜過濾過程的推動力，是影響膜過濾性能的重要因素。在壓力控制區(qū)內，膜通量隨壓力的升高而增大；當壓力達到一個臨界值后，膜通量隨壓力的變化趨于平緩，為傳質控制區(qū)，此時通量與壓力無關。實驗考察了進料壓力對金屬膜微濾過程的影響，圖1-1、1-2為進料壓力在0.8～1.6 MPa之間變化時，膜滲透通量隨時間的變化情況[3]。

實驗條件：室溫下，孔徑為15 μm、45 μm的兩種孔徑金屬絲網膜，煤泥水料液濃度50 g/L，過濾時間為20 min。

圖1 膜孔徑為15 μm和45 μm時，不同壓力下滲透通量隨過濾時間的變化

從圖1中可以看出：不管是15 μm的膜還是45 μm的膜，在進料壓力為0.8 MPa時，膜的滲透通量都很小，其穩(wěn)定膜通量均不足10 L/（m2·min），其可能原因是進料壓力太小，推動力不足，導致膜通量較小；進料壓力為1.2 MPa時，同0.8 MPa時的情況相似，其膜通量稍微比0.8 MPa時大一點；進料壓力為1.6 MPa時，兩種孔徑的膜的膜通量明顯增大，但是衰減很快，從以上情況可知：膜通量隨著進料壓力的增大而增大，但膜通量的衰減幅度較大，主要原因是膜污染（微粒吸附在膜孔內和膜表面，膜孔被微粒部分堵塞，微粒在膜表面沉積）。

2.2 膜孔徑對過濾過程的影響

膜孔徑是影響膜通量及截留率的重要因素，實驗考察了不同膜孔徑（15 μm，45 μm）下，金屬絲網膜的膜通量隨時間的變化情況，結果如圖2所示。

實驗條件：室溫下，煤泥水料液濃度50 g/L，操作壓力為1.6 MPa，過濾時間為20 min。

圖2 膜孔徑對滲透通量的影響

從圖2中可以看出，在整個過濾過程中，膜通量隨膜孔徑的增大而增大。對于45 μm孔徑的金屬絲網膜，過濾初始階段——10 min期間，過濾通量衰減幅度大，10 min后膜通量逐漸趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定通量為11.583 L/（m2·min）；對于孔徑為15 μm的金屬絲網膜，過濾初始階段——5 min期間，通量衰減很快，5 min后通量衰減緩慢直至穩(wěn)定，最終穩(wěn)定通量為10.5 L/（m2·min），產生這種現象的原因主要是膜污染的發(fā)生[4]。

實驗檢測出不同膜孔徑過濾前后水質的懸浮物含量指標，結果如表1所示。分析表中數據可以得出，兩種孔徑的金屬絲網膜都對煤泥水料液中的懸浮物有很好的攔截作用，濾出液中懸浮物含量均到達選煤廠循環(huán)水標準，即0.5 g/L以下；但孔徑越大，膜對懸浮固體的截留率越低。

表1 膜孔徑對濾出液及濃縮液的影響

2.3 料液濃度對過濾過程的影響

實驗考察了料液濃度對金屬膜微濾過程的影響，圖3為進料壓力為1.6 MPa，過濾時間為20 min時，15 μm、45 μm金屬絲網膜分別過濾 30 g/L、50 g/L的煤泥水料液懸浮物，膜滲透通量隨時間的變化情況。

圖3 15μm（左）和 45 μm（右）的膜過濾不同濃度的煤泥水料液時膜通量隨時間的變化

由圖3可以看出：實驗操作參數相同，煤泥水料液濃度越低，膜通量越高。

實驗檢測出不同濃度料液過濾前后水質的懸浮物含量指標，結果如表2所示。分析表中數據可以得出，兩種孔徑的金屬絲網膜對不同濃度的煤泥水料液中的懸浮物都有很好的攔截作用，濾出液中懸浮物含量均到達選煤廠循環(huán)水標準，即0.5 g/L以下；但濃度越大，膜對懸浮固體的截留率越低。

表2 料液濃度對濾出液的影響

3 結論

實驗主要考察了金屬絲網膜過濾難沉降煤泥水過濾過程中的三個影響因素：進料壓力、膜孔徑、料液濃度對過濾性能的影響，得出以下結論：

1）考察15 μm和45 μm金屬絲網膜過濾難沉降煤泥水的實驗結果表明：過濾50 g/L煤泥水懸浮物膜孔徑分別為15 μm和45 μm時的過濾效果都能達到選煤廠洗水要求，具體15 μm濾液懸浮物質量濃度為6.5 mg/L，45 μm濾液懸浮物質量濃度為15.1 mg/L；進料壓力從0.8 MPa增大到1.6 MPa時，15 μm金屬絲網膜的穩(wěn)定通量從1.193 L/（m2·min）提高到10.500 L/（m2·min），45 μm金屬絲網膜的穩(wěn)定通量從1.792 L/（m2·min）提高到11.583 L/（m2·min）。

2）煤泥水懸浮物質量濃度從50g/L降低到30g/L時，15 μm金屬絲網膜的穩(wěn)定通量從10.500 L/（m2·min）提高到14.167 L/（m2·min），過濾20 min的累積通量從 427.7085 L/m2提高到 623.125 L/m2，45 μm金屬絲網膜的穩(wěn)定通量從11.583 L/（m2·min）提高到14.854 L/（m2·min），過濾 20 min 的累積通量從677.30901 L/m2提高到 972.3054 L/m2。

4 展望

金屬絲網膜處理難沉降煤泥水的應用以及理論研究是一項復雜且與生產實際相關聯(lián)的研究課題。本實驗僅在實驗室的研究規(guī)模上初步考察了金屬絲網膜過濾濃縮機溢流液的性能及影響因素，所得結論對煤泥水處理現場具有一定的參考價值。

[1]張明旭.選煤廠煤泥水處理[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2005：1-4；293-296.

[2]尹法杰，方玉誠，陳欣，等.剛性復合燒結金屬絲網微孔材料與氣固過濾分離技術[J].石油化工設備技術，1998，19（4）：25-28.

[3]顧臨，況春江，王凡，等.剛性燒結金屬絲網的孔徑計算[J].化工裝備技術，2000，21（1）：26-29.

[4]高勵成，李復生，許文，等.新型金屬絲網管應用研究[J].化學工程，2001，29（3）：71-74.