洗煤廠煤泥水絮凝沉降及澄清影響因素分析

高 煜

（霍州煤電集團云廈公司團柏煤礦白龍洗煤廠，山西 霍州 031400）

我國是煤炭能源消耗大國，當前和今后較長時期內煤炭仍是我國主要的能源資源。為響應環保要求，煤炭在加工利用之前需進行洗選，洗選后的煤炭會產生大量的煤泥水，煤泥水的直接排放會造成資源的浪費及環境污染，因此需對煤泥水進行澄清化處理[1]。隨著煤炭的大量開發利用，采煤機械化程度越來越高，煤泥水中細粒煤的含量大大增加，這些微細顆粒成分結構復雜，使得煤泥水更加難以沉降和壓濾，造成選煤廠經濟負擔的增加[1-2]。本實驗選取白龍選煤廠煤樣，采用濁度、沉降速度及zeta 電位值等方法，通過凝聚劑用量、絮凝劑用量及種類以及粘土礦物的含量等因素，探究影響煤泥水絮凝沉降及澄清的因素，表明了影響煤泥水絮凝澄清的機制，以便指導煤泥水澄清化處理，提高經濟效益。

1 實驗方法

1.1 主要試劑與儀器

試驗用到的試劑有：氯化鋁AlCl3、氯化鈣CaCl2、氯化鐵FeCl3、氯化鋅ZnCl、陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM 分子量800 萬，離子度為30%）、陰離子型聚丙烯酰胺（PHP 分子量1200 萬，水解度為30%）、水溶性淀粉（淀粉接枝共聚物），高嶺石（分析純），平均粒度為1.0 μm，比表面積17.36 m2/g。

試驗儀器：XPC-150×250 型顎式破碎機（南昌健峰礦機制造有限公司）、DHG-9240A 型鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）、JS94H 型微電泳儀、85-2A型磁力攪拌器（江蘇榮華儀器制造有限公司）、WGZ-1A 型光電濁度計（上海昕瑞儀器儀表有限公司）、GSL-1000 型激光粒度分析儀（遼寧儀表研究所有限責任公司）。

1.2 試驗樣品的制備

試驗煤樣選自白龍選煤廠，煤樣經破碎篩分后去煤泥，通過氯化鋅制成一定密度的重液，浮沉試驗后對浮物進行反復沖洗，之后置于鼓風干燥箱干燥，干燥的煤泥經粉碎后制得試驗煤樣。

1.3 沉降速度及濁度的測定

將一定量的絮凝劑加入到懸浮液的沉降管中，快速翻轉沉降管數次后靜置沉降管并打開秒表計時，翻轉后以每一次沉降后氣泡上升完畢為基準，在30 s 內每隔5 s 記錄澄清頁面的高度，5 min后記錄絮體高度，并移取上清液，通過WGZ-1A 型濁度計測量其濁度值。

2 實驗結果與討論

2.1 凝聚劑用量對煤泥水澄清的影響

試驗中煤泥水濃度為20 g/L，絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺，添加30%（m/v）的高嶺土，并添加不同量的氯化鐵對煤泥進行澄清試驗，并對試驗后煤泥水上清液濁度、沉降速度及煤泥水中粒子zeta 進行測定，結果見圖1。

圖1 凝聚劑添加量對煤泥水沉降試驗的影響

從圖1可以看出，凝聚劑用量較低時，煤泥水的濁度值較大，隨著凝聚劑用量的增加，煤泥水的濁度值先降低后逐漸增加，同時，煤泥水的zeta 值一直增加，沉降速度呈現先增加后降低的趨勢；當凝聚劑用量為100 mg/L 時，煤泥水的沉降速度最快，煤泥水的濁度值最低，此時，煤泥水的zeta 電位值接近0 mV。這是因為，高嶺石因表面帶有負電荷，可以與同樣表面帶負電荷的煤泥發生泥化作用生成穩定的水化膜，存在于煤泥水中[3-4]。當凝聚劑氯化鐵的加入，解離出帶正電荷的離子，與煤泥水中帶負電荷的煤顆粒和高嶺石顆粒發生靜電吸附，中和了粒子表面的負電荷，壓縮了顆粒表明的雙電層，降低了煤泥水中煤顆粒與高嶺石顆粒的泥化作用，降低了zeta；同時，氯化鐵電離出的陽離子還可與煤粒子及高嶺石粒子表明的硅羥基發生羥基絡合反應，降低煤顆粒與高嶺石粒子間的斥力，利于粒子凝聚。當繼續增加凝聚劑的用量，凝聚劑電離出的正電荷粒子增加，除了中和煤泥水中的負電荷后，多余的正電荷吸附在煤泥水粒子表面，使煤泥水中粒子的電性發生轉變，粒子之間的斥力增加，煤泥水沉降速度減慢，濁度增加，不利于煤泥水沉降處理。

2.2 絮凝劑種類對煤泥水澄清的影響

從圖2可以看出，三種絮凝劑加入后，煤泥水的濁度值越高，沉降速度越小。加入PHP 后，煤泥水的濁度值最低，煤泥水的沉降速度最快，CPAM次之，可溶性淀粉最差。隨著PHP用量的加入，煤泥水的濁度值逐漸降低，沉降速度逐漸增加；加入CPAM 后，煤泥水沉降速度先增加后減小，濁度值先減小后增加；可溶性淀粉的加入，煤泥水濁度值先下降后呈稍微增加趨勢，沉降速度先增加后緩慢降低。這是因為，煤顆粒和高嶺石粒子表面帶有負電荷，凝聚劑氯化鐵加入后，電離出的陽離子，與體系中的煤顆粒及高嶺石粒子表面發生靜電吸附，使得煤顆粒和高嶺石粒子表面電位發生了轉變，當加入陰離子型絮凝劑PHP 后，PHP 水解出帶有負電荷的活性基團，與帶正電荷的粒子進行中和，降低了體系中粒子的靜電斥力，使顆粒更加容易聚集形成凝聚體沉降；而CPAM 和可溶性淀粉加入煤泥水后，電離產生正電荷粒子，與體系中已帶有正電荷的粒子產生靜電斥力，增加了粒子間聚集的難度，使得粒子不易沉降聚集。同時，可溶性淀粉的分子量為6～10 萬，CPAM 的分子量為800 萬，而PHP 的分子量為1200 萬，分子量越大，其在溶液中電離后分子鏈越長，空間網狀結構越大，可以網羅更多的顆粒，即網捕卷掃作用越強。因此，加入PHP后，煤泥水沉降速度最快，濁度值最低。

圖2 絮凝劑種類對煤泥水沉降試驗的影響

2.3 絮凝劑用量對煤泥水澄清的影響

從圖3可以看出，隨著絮凝劑用量的增加，煤泥水體系的濁度值降低，沉降速度增大。這是因為，PHP 量的增加，其水解的負電荷基團增加，與體系中帶正電荷的粒子發生靜電吸附，降低了體系中粒子間的斥力，使得粒子更易沉降聚集；同時，高分子量的PHP解離出的大量舒展開的長鏈結構，形成網狀結構包裹煤泥水體系中更多的顆粒，加速了煤泥顆粒的沉降。

圖3 絮凝劑用量對煤泥水沉降試驗的影響

2.4 粘土礦物含量對煤泥水澄清的影響

從圖4可以看出，隨著粘土礦物含量的增加，煤泥水沉降速度和zeta 電位值呈降低趨勢，濁度值逐漸增加；當粘土礦物含量為30%時，體系的zeta電位值接近于0，繼續增加粘土礦物含量，zeta電位絕對值增加，遠離等電點。這是因為，高嶺石粒子與煤顆粒相比，粒度較小，在煤泥水體系中易分散，且高嶺石粒子粒度較小，在絮凝劑電離后的網狀結構作用下，易于從網狀結構中漏掉，增加了煤泥水沉降難度。高嶺石表面含有大量的羥基基團，與水分子形成了牢固的水化膜，也不利于煤泥水的沉降絮凝[5]。當煤泥水體系中高嶺石含量增加到30%時，根據上述試驗可知，此時體系中的zeta 電位值接近等電點，體系中顆粒表面的雙電層被壓縮，粒子間的斥力減弱，有助于煤泥水的沉降聚集；繼續增加粘土礦物的含量，體系中的正電荷量增加，靜電斥力增強，粒子間難以發生相互碰撞，不利于煤泥水的沉降。

圖4 粘土礦物含量對煤泥水沉降試驗的影響

3 結論

1）凝聚劑氯化鐵加入可以中和煤泥水體系中的負電荷，減小煤泥水的靜電斥力，加速煤泥水沉降澄清；但過量的氯化鐵會導致煤泥水體系中正電荷增加，靜電斥力增加，不利于煤泥煤泥水的沉降；

2）陰離子型絮凝劑的加入可以中和煤泥水體系中，由于凝聚劑電離出的正電荷，降低了體系中的靜電斥力，利于沉降；且高分子量的陰離子型絮凝劑電離后產生的大量的網狀結構，可以網羅更多的顆粒，使其聚集沉降，因此陰離子型聚丙烯酰胺PHP 的加入，促進了煤泥水的沉降；

3）高嶺石粒度小比表面積大，當其添加量為30%時，煤泥水體系中的zeta 電位值接近等電點，與體系中絮凝劑凝聚劑電離出的正電荷發生靜電作用，有利于煤泥水的沉降聚集，繼續增加高嶺石含量，煤泥水體系中正電荷含量增加，粒子間的斥力增加，不利于煤泥水沉降澄清。