劉春福 閔凡飛 陳 軍 陳 帥

（安徽理工大學材料科學與工程學院，安徽省淮南市，232001）

近年來，隨著礦井開采深度的增加及機械化水平的提高，入洗原煤中粉煤及易泥化的矸石量急劇增加，并產生了大量高泥化煤泥水。高泥化煤泥水因其微細粒含量大、粘土礦物含量高、顆粒表面電負性強且易水化，使得微細顆粒間接近時由于水化斥力和空間位阻效應的存在，使煤泥水分散體系保持著較強的穩(wěn)定性，增大了煤泥水沉降處理的難度。

目前絮凝劑和凝聚劑的聯(lián)合使用在選煤廠中的使用比較廣泛，并已取得了一定的效果，但對細粒級含量大且水化嚴重的高泥化煤泥水的沉降效果并不理想。通過添加表面活性劑，如陽離子胺鹽可以使微細礦粒表面疏水化，進而破解水化膜，疏水化的顆粒在水中會發(fā)生相互吸引而形成疏水聚團。季銨鹽是一種陽離子型表面活性劑，能夠改善顆粒表面疏水性和降低顆粒表面電負性并促進微細粒聚集沉降。相關專家對微細粒高嶺石在季銨鹽作用下的疏水聚團行為進行了試驗研究，結果表明季銨鹽能夠改善高嶺石顆粒表面疏水性、降低其顆粒表面電負性，顯著提高高嶺石的疏水聚團效果，增大高嶺石的沉降效率。

本文基于擴展DLVO 理論，選用季銨鹽十八烷基三甲基氯化銨 （1831）做為疏水聚團藥劑，結合傳統(tǒng)藥劑絮凝劑及凝聚劑，采用正交試驗方法對煤泥水在單一藥劑、傳統(tǒng)藥劑復配及季銨鹽與傳統(tǒng)藥劑復配作用下進行了沉降試驗研究。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

試驗用煤泥水樣采自淮南礦區(qū)某動力煤選煤廠濃縮機入料，礦漿濃度為26g／L，pH 值為8.6。根據GB／T19093-2003 《煤粉篩分試驗方法》對所取煤泥水進行粒度組成分析，煤泥粒度組成分析見表1。

表1 煤泥粒度組成分析

由表1可知，煤泥水中小于0.045mm 粒級的產率占90.09%，灰分為53.29%，屬于典型的高泥化難沉降煤泥水。根據斯托克斯 （Strokes）公式可知，顆粒的沉降速度與顆粒直徑的平方呈正比關系，粒徑越小沉降速度也越小，沉降分離的難度就越大，因此煤泥水中這些細微顆粒依靠自身的重力很難沉降，易在濃縮機溢流中聚積，導致循環(huán)水濃度超標，繼而影響整個系統(tǒng)的正常運行。

采用XRD 分析煤泥主要礦物組成，X 射線衍射測試條件：Cu靶K 輻射X 射線管電壓為35kV，X 射線管電流為30mA，連續(xù)掃描速度為2°／min，采樣間隔為0.02°。煤泥X 射線衍射見圖1。

由圖1 可以看出，煤泥中含有石英石、高嶺石、蒙脫石、綠泥石和方解石等礦物，粘土礦物是其主要成分，極易泥化和水化且表面荷負電增大了煤泥水的處理難度。

1.2 試驗藥劑和儀器

1.2.1 試驗藥劑

試驗中的凝聚劑選用氯化鈣；絮凝劑選用陰離子型聚丙烯酰胺 （APAM），分子量為1000 萬；季銨鹽選用十八烷基三甲基氯化銨 （1831）。試驗所用藥劑均為分析純試劑，均選用去離子水配制成相應的水溶液來使用。

圖1 煤泥X 射線衍射

1.2.2 試驗儀器

儀器采用日本島津公司生產的SALD-7101激光粒度分析儀、LabX XRD-6000X 射線衍射儀、PHS-3CpH 計、JJ-1B 型強力電動攪拌器以及上海菁華科技儀器有限公司生產的可見分光光度計721-100等。

1.3 試驗方法

1.3.1 單一藥劑的沉降試驗

分別配制濃度為5% 的CaCl2、0.5% 的APAM 和0.5%的季銨鹽1831，將不同量藥劑加入到500ml的煤泥水中，以750r／min攪拌10min后靜置，開始記錄沉降時間和對應的下降高度，沉降15min時取上清液，以沉降速度和上清液的透光率來評定煤泥水的沉降性能。

1.3.2 復配藥劑沉降試驗

采用正交試驗法進行藥劑的復配試驗，試驗時先加入CaCl2混合均勻后靜置2 min，再加入絮凝劑APAM 和 季 銨 鹽1831，以750r／min 攪 拌10min后靜置，開始記錄沉降時間和對應的下降高度，沉降15min時取上清液。

通常用來評價混凝效果的指標是初始沉降速度與上清液的透光率，現(xiàn)對以上兩項指標進行加權平均法進行綜合評分。根據指標在生產操作中的重要性確定權值，結合工廠操作經驗可知，過度強求上清液透光率不僅難以帶來明顯的經濟效果，反而會加大水處理難度。故可擬定對應的權比為沉降速度∶透光率=1.2∶0.8，即綜合評分=沉降速度×1.2+透光率×0.8，綜合評分越高說明煤泥水沉降效果越好。

2 結果與討論

2.1 單一藥劑沉降試驗

不同單一藥劑用量對煤泥水沉降效果的影響試驗結果見圖2。

圖2 不同藥劑對煤泥水的沉降效果的影響

由圖2 （a）可以看出，煤泥水的初始沉降速度和透光率都隨著絮凝劑APAM 用量的增加而呈現(xiàn)增大趨勢，且絮凝劑APAM 用量范圍在120～160g／t時透光率的增幅較大。絮凝劑APAM 是具有鏈狀結構的高分子化合物，加入到煤泥水中，鏈狀結構上的活性基團會吸附煤泥水中的懸浮顆粒，本身的轉動會增大顆粒的接觸幾率，使小顆粒集中形成絮團發(fā)生沉降即吸附橋聯(lián)作用。陰離子型聚丙烯酰胺對煤泥的沉降除了高分子絮凝作用外，還發(fā)生離子吸附、架橋及電性中和作用，多種作用的疊加達到最好的絮凝效果。

由圖2 （b）可以看出，隨著CaCl2用量的增大，沉降速度和透光率均呈增大趨勢。煤泥水中高灰細泥含量高，加入凝聚劑煤泥水的上清液明顯變清，透光率隨著藥劑用量的增加而增大，但增幅不大。煤泥顆粒、粘土以及其他微細顆粒在煤泥水中荷負電，根據DLVO 理論，這些微細顆粒相互排斥，在水中處于穩(wěn)定的分散狀態(tài)。向煤泥水中加入CaCl2溶液后，帶正電的Ca2+壓縮荷負電顆粒表面的雙電層，降低了其ζ電位，破壞了膠體的穩(wěn)定性，減小顆粒間的斥力，使微細顆粒濃縮凝聚成較大顆粒，促進了顆粒的沉降，從而導致煤泥顆粒的聚沉。

由圖2 （c）可以看出，隨著季銨鹽1831用量的增大，沉降速度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，季銨鹽1831用量為1000g／t時，初始沉降速度達到最大，再增大藥劑用量后沉降速度逐漸減小。在季銨鹽1831的作用下，煤泥水上清液的透光率變化較大，隨著季銨鹽1831用量的增大而增大。季銨鹽是一種陽離子表面活性劑，在煤泥水中以靜電吸附和特性吸附的方式吸附荷負電的顆粒，使顆粒因疏水化發(fā)生聚團。季銨鹽的藥劑用量越大，溶液中的藥劑分子與煤泥顆粒接觸機會越大，在煤泥顆粒表面的吸附量越大，降低顆粒表面電負性的效果越強，煤泥顆粒被疏水化的程度越大，越容易形成疏水聚團且形成的聚團越大，大的聚團因相互堆擠形成空間網狀結構具有網捕作用，從而提高上清液透光率，但同時由于聚團相互堆擠形成的結構也限制了煤泥的沉降速度，才導致了初始沉降速度出現(xiàn)下降的情況。

2.2 復配藥劑沉降試驗

2.2.1 凝聚劑與絮凝劑復配沉降試驗

由于高泥化煤泥水中含有大量小于0.045mm粒級的細顆粒，使用單一藥劑來處理煤泥水難以達到實際生產對煤泥水沉降速度和透光率的要求，因此在實際生產中需要將凝聚劑與絮凝劑配合使用，以期取得較好的沉降效果。絮凝劑與凝聚劑復配進行煤泥水處理時，先加入了無機電解質，壓縮顆粒表面的雙電層，破壞了膠體的穩(wěn)定性，使小顆粒相互接近聚集成大顆粒，然后加入絮凝劑，通過其吸附橋聯(lián)和網捕作用形成大分子絮團，提高沉降速度。凝聚劑和絮凝劑配合添加作用機理示意圖見圖3。

圖3 凝聚劑和絮凝劑配合添加作用機理示意圖

試驗選取絮凝劑APAM 和凝聚劑CaCl2為試驗因素，經單一藥劑的探索試驗確定了合理的藥劑范圍，正交因素水平表見表2。選用L16（24）正交表進行試驗設計，為了對試驗結果進行方差分析，必須保留空白列以便于估計試驗誤差，絮凝劑與凝聚劑復配正交試驗結果見表3。

表2 正交因素水平表

以透光率和初始沉降速度為試驗指標，按試驗方法中綜合評分的方法進行綜合評分計算，經極差法分析RA﹥RB，試驗結果進行方差分析得FA＞FB。兩個因素對煤泥水沉降影響的主次順序為A→B，當APAM 用 量 為100 g／t 且CaCl2為10000g／t 復 配 時， 初 始 沉 降 速 度 達 到 了2.59cm／min，透光率為79.30%，此時的綜合評分最高，即該藥劑配比對煤泥水的沉降效果最好，故絮凝劑和凝聚劑的最佳搭配為A4B2。

表3 絮凝劑與凝聚劑復配正交試驗結果

2.2.2 季銨鹽與混凝劑復配沉降試驗

高泥化煤泥水具有微細粒含量大、粘土礦物含量高、顆粒表面電負性強且易水化等特點，且水化作用導致顆粒表面特別是粘土顆粒表面形成較厚的水化膜，使得顆?？拷鼤r顆粒間會產生很強的水化排斥力，使顆粒所在的分散體系保持較強的穩(wěn)定性。根據DLVO 理論，添加電解質凝聚劑和高分子絮凝劑沉降效果并不理想，這給選煤廠的其他作業(yè)帶來惡化浮選作業(yè)等不利影響。根據擴展的DLVO 理論，添加表面活性劑如陽離子胺鹽使礦粒表面疏水化來破解水化膜，顆粒表面被疏水化后相互吸引形成疏水聚團，增大沉降顆粒的表觀粒徑，優(yōu)化煤泥水的沉降效果。因此，添加季銨鹽很有必要。

本著降低藥劑成本和優(yōu)化工藝流程的目的，將季銨鹽1831、絮凝劑APAM 和凝聚劑CaCl2這3種藥劑進行復配。經過單一藥劑的探索試驗確定了各藥劑合理范圍，選用L16（54）正交表進行試驗設計，因素水平見表4。季銨鹽與混凝劑復配正交試驗結果分析表見表5。

表4 正交因素水平表

表5 季銨鹽與混凝劑復配正交試驗結果分析表

以初始沉降速度和上清液的透光率為試驗指標，通過綜合評分法考察各因素水平的搭配對煤泥水沉降的效果。通過方差分析得出：FA＞FC＞FB。通過極差法分析得出：RA＞RC＞RB。故3種因素對煤泥水沉降影響的主次順序為：A→C→B。在正交表的9 號試驗中，選用季銨鹽1831 用量為1500g／t、絮凝劑APAM 用量為40g／t、凝聚劑CaCl2用量為10000g／t時，煤泥水的初始沉降速度達到0.97cm／min，透光率達到84.1%，此時的綜合評分最高，煤泥水沉降的效果最好，故最佳搭配為A3B1C4。

3 結論

對試驗樣品進行分析表明，煤泥水中細顆粒的含量較高，煤泥粒度小于0.045mm 粒級的產率為90.09%，灰分為53.29%，煤泥水中的粘土顆粒主要集中在細粒級中，屬于典型的高泥化難沉降煤泥水，處理難度較大。

加入單一藥劑處理高泥化煤泥水時，藥劑用量大且沉降效果不理想，藥劑的復配處理既能減少藥劑用量又能兼顧初始沉降速度和上清液透光率。通過藥劑復配的正交試驗確定最佳試驗方案，當季銨鹽1831 用量為1500g／t、絮凝劑APAM 用量為40g／t、凝聚劑CaCl2用量為10000g／t時，煤泥水的初始沉降速度達到0.97cm／min，透光率達到84.1%，此時的綜合評分最高，即沉降效果最好。

采用季銨鹽與混凝劑復配處理與添加單一藥劑處理和混凝處理相比，減少了藥劑用量，優(yōu)化了煤泥水的沉降效果。此外，季銨鹽能增大顆粒表面的疏水性，可在不改變工藝流程及設備的條件下優(yōu)化脫水效果，有利于提高煤泥的回收利用率，具有較大的經濟意義和環(huán)保意義。

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