聯合助濾劑對高泥化煤泥水助濾效果影響研究

孫景丹，李 濤，朱瑩瑩

(1.黑龍江工業學院 資源工程學院，黑龍江 雞西 158100；2.鶴崗師范高等專科學校 職業技術系，黑龍江 鶴崗 154100)

煤泥水是原煤洗選加工過程中產生的工業廢水，煤炭濕法處理過程中不可避免地產生大量的煤泥水，如果將煤泥水直接排放，不僅嚴重污染環境，而且還會造成大量的煤泥流失。煤泥水處理已經變成整個選煤工藝中涉及面最廣、投資最大、最復雜、最難管理的工藝環節[1-2]。對含有大量伴生礦石、在水中易泥化的煤泥水來說，處理起來更加困難，這類煤泥水中含有大量細微顆粒，煤泥水的粘度大，不僅使煤泥水的絮凝沉降變得困難，同時過濾脫水時，還容易發生過濾介質堵塞，濾餅致密、透氣性惡化等現象，從而引起脫水速度降低、濾餅水分增高、過濾機處理能力下降等一系列問題，嚴重影響了選煤廠的正常生產[3-4]。在煤泥水處理中添加適當的化學助濾劑，可以強化煤泥過濾脫水效果，使用助濾劑強化物料脫水是一種基本不改變現有生產工藝流程，最為經濟、簡便的脫水技術[5-6]。為了實現選煤廠的閉路循環，國內外學者在助濾藥劑方面做了大量研究：黃少斌教授研究了不同用量的天然改性CAM陰離子型絮凝劑，可使浮選精煤濾餅水分從32.90%降到21.82%[7-8]。柴曉敏教授對比了四種絮凝劑對煤泥水的凈化和助濾性能，認為其中兩性聚丙烯酰胺具有較好的助濾性，對煤泥水的凈化率高[9-10]。劉愛榮教授等人以表面活性劑為乳化劑，醇為助乳化劑，煤油為分散介質，制備了聚丙烯酰胺反相微乳液，經聚合得到的復合體對煤泥具有很好的助濾脫水效果[11-12]。Stroh G等人采用一種陰離子型和兩種非離子型表面活性劑進行研究，同時向濾液中加入Fe3+，結果表明非離子型表面活性劑使濾餅透氣性變好，同時降低了毛細管壓力，提高了過濾速度，降低濾餅水分[13-14]。

由單因素試驗可知，單獨添加絮凝劑型助濾劑效果并不是十分理想，考慮到選煤廠生產實際大都采用聯合用藥處理煤泥水，并取得了顯著的過濾效果。因此，為了探索聯合助濾劑對煤泥水助濾效果的影響，試驗選取了不同類型的凝聚劑型助濾劑和不同類型、不同分子量的絮凝劑型助濾劑進行聯合用藥試驗。

1 試驗樣品與設備

1.1 試驗藥劑

化學助濾劑主要包括凝聚劑型助濾劑、絮凝劑型助濾劑和表面活性劑型助濾劑。在凝聚劑型助濾劑方面，試驗選取助濾效果較好的兩種凝聚劑：MgCl2(氯化鎂)和CaCl2(氯化鈣)。在絮凝劑型助濾劑方面，試驗選取三種不同類型、不同分子量的PAM分別進行過濾脫水試驗，分別為HPAM(陰離子型)、CPAM(陽離子型)、NPAM(非離子型)，分子量分別選取500萬、800萬、1200萬。

1.2 試驗設備

試驗設備主要包括：DL-5C盤式真空過濾機、真空干燥箱、磁力攪拌器、X射線熒光光譜分析儀、X射線衍射光譜分析儀、激光粒度儀、電子天平和秒表等。

2 試驗結果及分析

2.1 高泥化煤泥水小篩分與浸泡試驗

煤泥粒度是影響煤泥過濾脫水效果的一個重要因素，煤泥粒度及其組成直接影響濾餅孔隙率及孔隙大小，從而影響煤泥的過濾過程。根據斯托克斯公式，粒徑越小，沉降速度越慢，煤泥脫水分離越困難[15-17]。當煤泥顆粒粒度>75μm時，煤泥易于沉降、脫水和精選，當煤泥顆粒<75μm時，煤泥不易沉降、脫水。因此，粒度<75μm的微粒煤泥含量較高時，煤泥水的處理十分困難[18]。按照GB/T477-2008規定對煤泥試樣進行小篩分試驗，試驗使用標準篩，篩分孔徑分別為0.500mm、0.250mm、0.125mm、0.075mm、0.045mm，分別測定各粒級煤樣的產率和灰分，試驗結果如表1所示。

表1 煤樣小篩分試驗

由表1可知，試驗煤泥樣品的粒度組成較細，0.075mm粒級以下的產率占68.92%，其中，小于0.045mm粒級產率占54.57%，累計灰分為55.32%，可見煤泥樣品灰分較高。

該煤泥樣品不僅粒度細、灰分高，而且含有大量粘土類礦物雜質，致使煤泥在水中易泥化，泥化現象使煤泥微細顆粒大量增加，嚴重影響煤泥過濾脫水效果。試驗用激光粒度分析儀分別測定煤泥樣品浸泡2h和浸泡8h的粒度組成，試驗結果如圖1所示。

(a)煤泥樣品浸泡2h粒度分布

(b)煤泥樣品浸泡8h粒度分布圖1 煤泥樣品泥化后粒度分布

由圖1(a)可知，煤泥樣品浸泡2h后，平均粒度為15.48μm，粒度小于59.80μm的顆粒占到90%以上，且煤泥顆粒粒度均小于75μm，可見，該煤泥在水中易泥化，泥化速度快。由圖1(b)可知，當浸泡時間增加到8h時，平均粒度為6.82μm，粒度小于24.43μm的顆粒占到90%以上，可見，隨著煤泥樣品浸泡時間的加長，煤泥泥化現象加劇，這使得煤泥微細顆粒大量增加，在過濾脫水時，這些大量微細顆粒極易堵塞過濾介質，致使濾餅透氣性變差，嚴重影響脫水效果。

2.2 MgCl2-PAM聯合處理煤泥水的助濾試驗

試驗每次均勻取500ml煤泥水樣置于燒杯中,分別向其中加入濃度為5%的MgCl2溶液1.5kg·t-1，用磁力攪拌器以120r·min-1的速度攪拌90s。然后分別加入濃度為1‰、分子量為800萬的HPAM、CPAM、NPAM，分別取10g·t-1、20g·t-1、30g·t-1、40g·t-1、50g·t-1，用磁力攪拌器以100r·min-1的速度攪拌60s后，進行煤泥水過濾脫水試驗。試驗結果見圖2和圖3。

MgCl2和不同類型PAM聯合用藥時加藥量與過濾速度的關系曲線，如圖2所示。當MgCl2用量為1.5kg·t-1時，分別添加分子量為800萬的HPAM、CPAM、NPAM時，CPAM的助濾效果最好，HPAM助濾效果相對較差，NPAM的助濾效果介于HPAM和CPAM之間。當PAM加藥量為20g·t-1時，三種類型的PAM均使過濾速度顯著提高，其中，CPAM使過濾速度提高最快，與空白試驗相比提高約3.93倍，隨著加藥量的增加，過濾速度逐漸提高，但當加藥量增加到20g·t-1時，再繼續添加PAM，過濾速度提高的并不明顯。

圖2 MgCl2和不同類型PAM加藥量與過濾速度的關系

MgCl2和不同類型PAM聯合用藥時加藥量與濾餅水分的關系曲線，如圖3所示。當MgCl2用量為1.5kg·t-1時，分別添加分子量為800萬的HPAM、CPAM、NPAM，濾餅水分低于空白試驗，變化趨勢總體呈先減小后增大，其中添加CPAM為30g·t-1時，濾餅水分最低為28.25%，與空白試驗相比，降低3.80%。在一定范圍內，濾餅水分隨著加藥量的增加而逐漸降低，當PAM用量達到30g·t-1時，再繼續添加PAM，濾餅水分逐漸增加，但仍低于空白試驗。可見，PAM加藥量并不是越多越好。

圖3 MgCl2和不同類型PAM加藥量與濾餅水分的關系

2.3 CaCl2-PAM聯合處理煤泥水的助濾試驗

試驗每次均勻取500ml煤泥水樣置于燒杯中，分別向其中加入濃度為5%的CaCl2溶液1.5kg·t-1，用磁力攪拌器以120r·min-1的速度攪拌90s。然后分別加入濃度為1‰、分子量為800萬的HPAM、CPAM、NPAM，分別取10g·t-1、20g·t-1、30g·t-1、40g·t-1、50g·t-1，用磁力攪拌器以100r·min-1的速度攪拌60s后，進行煤泥水過濾脫水試驗，試驗結果見圖4和圖5。

CaCl2和不同類型PAM聯合用藥時加藥量與過濾速度的關系曲線，如圖4所示。當CaCl2用量為1.5kg·t-1時，分別與不同類型PAM聯合用藥，均能顯著提高過濾速度。其中CPAM使過濾速度提高最快，當CPAM用量為20g·t-1時，與空白試驗相比，過濾速度提高約3.85倍，其次是NPAM，助濾效果相對較差的是HPAM，三種PAM對過濾速度的提高總體差距不大。這與MgCl2-PAM類似。隨著PAM用量的增加，過濾速度逐漸增大，當加藥量達到20g·t-1時，繼續添加PAM，過濾速度變化不大。

圖4 CaCl2和不同類型PAM加藥量與過濾速度的關系

CaCl2和不同類型PAM聯合用藥時加藥量與濾餅水分的關系曲線，如圖5所示。CaCl2與PAM聯合用藥時，與空白試驗相比，均能顯著降低濾餅水分，且優于MgCl2-PAM復配的助濾效果。三種類型PAM的助濾效果總體類似，隨著加藥量的增加，濾餅水分先降低后增加。其中，CaCl2與CPAM聯合用藥時，隨著加藥量的增加，濾餅水分逐漸降低，當CPAM加藥量為20g·t-1時，濾餅水分達到最低為27.53%，與空白試驗相比，降低4.52%，繼續添加CPAM時，濾餅水分有所上升。CaCl2與NPAM聯合用藥時，NPAM加藥量為30g·t-1時，濾餅水分最低為27.45%，與空白試驗相比，降低4.6%。CaCl2與HPAM聯合用藥時，HPAM加藥量為40g·t-1時，濾餅水分最低為27.32%，與空白試驗相比，降低4.73%。

圖5 CaCl2和不同類型PAM加藥量與濾餅水分的關系

由MgCl2-PAM和CaCl2-PAM復配試驗可知，MgCl2和CaCl2分別與不同類型PAM復配均能得到顯著的助濾效果。其中，對于提高過濾速度而言，MgCl2總體效果略優于CaCl2，對于降低濾餅水分而言，CaCl2總體效果顯著優于MgCl2，因此，考慮到助濾效果的過濾速度和濾餅水分兩個評價指標，凝聚劑型助濾劑選擇CaCl2進行后續試驗。添加不同類型的PAM，均能取得顯著的助濾效果，其中，CPAM整體助濾效果優于NPAM和HPAM，但是由于CPAM的價格較昂貴，并且考慮到選煤廠現場大都選用HPAM，因此，絮凝劑型助濾劑選擇HPAM進行后續試驗。

2.4 CaCl2與不同分子量的HPAM助濾試驗

PAM的分子量也是影響助濾效果的重要因素之一，試驗分別選取500萬、800萬、1200萬不同分子量的HPAM，分別與CaCl2進行助濾試驗，探討PAM的分子量對助濾效果的影響。試驗每次均勻取煤泥水樣500ml置于燒杯中,分別向其中加入濃度為5%的CaCl2溶液1.5kg·t-1，用磁力攪拌器以120r·min-1的速度攪拌90s。然后分別加入濃度為1‰，分子量為500萬、800萬、1200萬的HPAM，分別取10g·t-1、20g·t-1、30g·t-1、40g·t-1、50g·t-1，用磁力攪拌器分別以100r·min-1的速度攪拌60s后，進行煤泥水過濾脫水試驗，試驗結果見圖6和圖7。

CaCl2和不同分子量的HPAM聯合用藥時加藥量與過濾速度的關系曲線，如圖6所示。當CaCl2加藥量為1.5kg·t-1時，分別添加不同分子量的HPAM，在加藥量相同的條件下，隨著分子量的增加，過濾速度逐漸提高。當分子量一定時，過濾速度隨加藥量的增加而增大，但過濾速度增加的并不顯著。當分子量達到1200萬時，過濾試驗中迅速形成較大絮團，煤泥水溶液不能完全覆蓋過濾區域，瞬間完成過濾。當分子量為1200萬的HPAM加藥量為40g·t-1時，過濾速度最高達到311.49ml·(m2·s)-1，與空白試驗相比，過濾速度提高約17.89倍，繼續添加分子量為1200萬的HPAM，過濾速度略有下降。

圖6 CaCl2與不同分子量的HPAM加藥量與過濾速度的關系

CaCl2和不同類型PAM聯合用藥時加藥量與濾餅水分的關系曲線，如圖7所示。CaCl2與不同分子量的HPAM聯合用藥時，分子量為500萬和800萬時，濾餅水分隨加藥量的增加逐漸降低，當加藥量達到一定量時，繼續添加HPAM，濾餅水分略有升高。分子量為500萬時，最佳用藥量為30g·t-1，此時，濾餅水分與空白試驗相比，降低4.67%，繼續添加絮凝劑，濾餅水分逐漸升高。分子量為800萬時，最佳用藥量為40g·t-1，與空白試驗相比，濾餅水分降低4.73%。分子量為1200萬時，濾餅水分隨加藥量的增加逐漸升高，當加藥量超過10g·t-1時，濾餅水分均高于空白試驗。由于分子量大、分子鏈長，在過濾試驗中能夠快速形成較大絮團，過濾速度提高非常顯著，但分子量為1200萬的HPAM粘度很大，過濾時濾餅中的殘留水分很難排出，這是由于絮凝劑分子量越大，形成的絮團也越大，絮團中包裹的水分也越多，致使濾餅中殘留水分較高。

圖7 CaCl2與不同分子量的HPAM加藥量與濾餅水分的關系

3 結論

(1)試驗煤泥樣品的粒度組成較細，0.075mm粒級以下的產率占68.92%，其中，小于0.045mm粒級產率占54.57%，累計灰分為55.32%，可見煤泥樣品灰分較高。煤泥樣品不僅粒度細、灰分高，而且含有大量粘土類礦物雜質，致使煤泥在水中易泥化，泥化現象使煤泥微細顆粒大量增加，嚴重影響煤泥過濾脫水效果。

(2)MgCl2和CaCl2分別與不同類型PAM復配均能得到顯著的助濾效果。其中，對于提高過濾速度而言，MgCl2總體效果略優于CaCl2，對于降低濾餅水分而言，CaCl2總體效果顯著優于MgCl2，綜合考慮到助濾效果的過濾速度和濾餅水分兩個評價指標，凝聚劑型助濾劑選擇CaCl2。

(3)CaCl2與不同分子量的HPAM聯合用藥時，分子量為500萬，助濾效果相對較差，分子量為1200萬時，過濾速度最快，但濾餅水分也較高，這是由于絮凝劑分子量越大，形成的絮團也越大，這些絮團中包裹的水分也越多，致使濾餅中殘留水分較高。結果表明，試驗選擇CaCl2和分子量為800萬的HPAM進行聯合使用效果最佳。