高泥化煤泥水中微細顆粒疏水聚團特性及機理研究

陳忠平

(山西煤炭運銷集團東大能源有限公司，山西 晉城 048026)

引 言

洗煤工序是重要的煤炭利用化前置工序，該工序產生的煤泥水是一種懸浮物很多的工業廢水，對其處理后的再利用具有重大的現實意義。近年來隨著煤質的深入開采以及機械化開采程度的加大，洗煤工序產生的煤泥水處理難度越來越大，高泥煤泥水的產生量也不斷增大。高泥煤泥水與普通煤泥水相比，其顆粒組成種類大致相同，但其個組成含量差距較大。細質微粒和黏土微粒含量較普通煤泥水高，微粒間的電極性較強，相互間穩定存在，聚團能力低，大部分微粒獨自懸浮存在于煤泥水中，從而更加增大高泥煤泥水的難沉降性。鑒于高泥煤泥水的難自由沉降特點，傳統的煤泥水沉降技術在處理該類煤泥水時，效果非常不好，已經不太適合高泥化的煤泥水處理，因此對煤泥水中礦物顆粒界面性特征的研究，以確定更加高效的處理技術，具有重要的意義[1-2]。

1 煤泥水中微細顆粒界面結構特性研

對高泥煤泥水沉降技術的研究的關鍵在于研究微細礦物顆粒高效聚團的界面結構特性。通過研究，掌握不同溶液條件下，煤泥水中微細煤泥礦物顆粒之間的相互影響以及與親水性的改變狀況，可以更加科學的解釋在疏水改性藥劑作用下疏水聚團沉降機理。

1.1 礦物組成

首先需要確定高泥煤泥水中礦物質微粒的組成。分別對兩種煤泥水做X-射線衍射圖，從圖1中看出，兩種煤泥水微粒種類組成基本相同，主要包括：高嶺石、石英、蒙脫石、綠泥石及方解石等礦物，其中主體成分是黏土礦物。黏土礦物的存在是煤泥水難沉降的原因，因為黏土礦物微粒表面具有強電荷，很難自行聚團沉降。

圖1 煤泥X-射線衍射

1.2 表面Zeta電位

測試表面Zeta電位時，用去離子水配置高泥煤泥水溶液，并用酸性溶液鹽酸和堿性溶液燒堿調節水溶液pH值，然后采用電位分析儀進行Zeta電位測定，結果如表1所示。

表1 不同高泥煤泥水的Zeta電位

由表1可知，煤泥水中微粒的負電性都較精煤和高嶺石強，即相互間的排斥性強，可以有效維持煤泥水中微粒的穩定性，增加了自由沉降的阻力。

1.3 表面官能團

為了確定高泥煤泥水的表面官能團種類，利用紅外光譜儀分別對選取的煤泥進行紅外測定，結果如第41頁圖2所示。

圖2 兩種煤泥紅外光譜圖

由圖2看出，煤泥紅外圖譜有明顯的峰值區域，這一特征表明含有高嶺石，一個較寬的吸收峰，此為烷烴類C-H官能團的紅外圖譜特征，其分析結果與前面關于煤泥水礦物組成的分析結果相一致[3]。

2 改性劑對煤泥水微粒微觀作用方式

疏水改性藥劑可以改變煤泥水中微粒的界面特性，從而改善顆粒聚團能力，達到沉降目的。

2.1 對顆粒表面潤濕性的影響

表面接觸角可以準確的反映出某種顆粒表面的潤濕性，因此本文選擇其為改性劑對煤泥水顆粒表面潤濕性影響的反映因子。如圖3和圖4所示。

圖3 藥劑種類對表面接觸角測定結果

圖4 藥劑用量對表面接觸角測定結果

經過對比，隨著季銨鹽烷基鏈的增長，要想達到相同的微粒濕潤性，其使用量也在隨著增加，而煤泥的表面接觸角呈增大趨勢。這種趨勢可以說明，季銨鹽類疏水改性劑對煤泥水微粒表面的親水性具有較好的抑制作用，且效果隨著烷基鏈的增加而增加。

2.2 對顆粒表面Zeta電位的影響

Zeta電位的改變程度是反映煤泥水改性劑效果的重要參數。為了研究改性劑不同用量以及pH值對Zeta電位的影響，通過實驗得到如圖5和圖6所示。

圖5 不同藥劑用量對表面Zeta電位的影響

圖6 不同pH值對表面Zeta電位的影響

分析可知，季銨鹽烷基鏈長越長且藥劑用量越大時，改性劑與煤泥顆粒接觸的可能性越大，即改性劑的效能發揮的越明顯。在pH值不斷增加的過程中，改性劑的吸附量也會不斷增加，但當超過某一峰值后，溶液中的堿性增加，游離的-OH離子會與部分季銨鹽陽離子發生中和反應，降低了季銨鹽的濃度，限制了其作用的發揮。

2.3 對表面官能團的影響

如第42頁圖7所示，高泥煤泥水在加入改性劑后，其紅外光譜特性與改性劑的紅外光譜特性相似，即煤泥水中的微粒受到了改性劑的同化。在pH值不斷增加的過程中，改性劑的吸附量也會不斷增加，但當超過某一峰值后，吸附量逐步降低，即改性劑在煤泥水微粒中的吸附量只有在弱堿環境下才能達到最大化[4]。

3 疏水改性劑的疏水聚團作用機理分析

季銨鹽改性劑陽離子在煤泥水中微粒表面的吸附符合“吸附電中和”聚團模式，如第42頁圖8所示。胺/銨鹽陽離子帶有極性，可以與高泥煤泥水中的微粒結合，并將微粒包裹，一方面中和了微粒表面的電性，另一方面阻隔了微粒相互間的排斥作用，從而改變了煤泥水中微粒間的團聚能力，使之更加容易聚集沉淀。

圖7 pH值下吸附改性劑后煤泥紅外光譜圖

圖8 陽離子胺/銨鹽的“吸附電中和”模式

4 結語

陽離子胺/銨鹽類疏水改性劑對煤泥顆粒的影響主要是通過化學鍵的吸附，包圍微粒表面，中和并改變其極性，從而在宏觀上表現出疏水性，完成難沉降微粒的聚團沉降。疏水性改性劑在中和微粒極性的同時，間接弱化了相互間的排斥力，提高了疏水引力；另一方面阻隔了微粒相互間的排斥作用，從而改變了煤泥水中微粒間的團聚能力，使之更加容易聚集沉淀。