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        煤泥對(duì)SAF的吸附特性及其對(duì)煤泥漿性能的影響

        2018-03-22 02:49:19鄧業(yè)新李寒旭
        中國(guó)煤炭 2018年2期
        關(guān)鍵詞:水煤漿漿體分散劑

        鄧業(yè)新 李寒旭 胡 俠 胡 洋

        (安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽省淮南市,232000)

        為了保護(hù)環(huán)境,我國(guó)近年來(lái)不斷加大原煤的入洗率,到2020年煤泥的產(chǎn)量將達(dá)到3億t左右。由于煤泥具有灰分高、水份高和熱值低的缺點(diǎn),洗選出的煤泥很難得到工業(yè)應(yīng)用,造成了大量的資源浪費(fèi),因此如何將煤泥變廢為寶對(duì)節(jié)約資源有著重要的意義。摻混煤泥制漿用于氣化和燃燒是解決煤泥資源化、無(wú)害化利用的途徑之一,不僅利用了煤泥中的熱值,而且降低了煤炭消耗,增加了企業(yè)效益。

        目前,關(guān)于摻混煤泥對(duì)水煤漿漿體性能影響的研究較少,已有專家研究發(fā)現(xiàn)聚羧酸分散劑和煤泥的表面結(jié)構(gòu)官能團(tuán)相似,且聚羧酸SAF分散劑對(duì)煤泥漿體的性能改善更佳;還有專家的研究結(jié)果表明,神華煤摻混煤泥后,大顆粒煤樣由于吸附了較多的煤泥,其Zeta電位絕對(duì)值增加,漿體穩(wěn)定性增強(qiáng),摻混的煤泥填充了煤樣顆粒的空隙,阻止了大顆粒煤樣的沉降。

        現(xiàn)有研究表明,煤泥中礦物質(zhì)含量較高,由于礦物質(zhì)密度較大,煤泥在漿體中會(huì)迅速沉淀,使?jié){體的成漿性能變差。煤泥所含的礦物質(zhì)較多為黏土礦物,而黏土礦物對(duì)成漿體系中的水份和分散劑有不同程度的吸附能力,進(jìn)而影響漿體的性能。摻混煤泥對(duì)漿體性能的改變,根源在于煤泥改變了煤樣與分散劑、水分三者之間的相互作用的程度。因此,本文通過(guò)試驗(yàn)原料對(duì)SAF分散劑的吸附試驗(yàn),探討了煤泥和煤樣對(duì)分散劑的吸附性能,研究了煤泥摻混量對(duì)整個(gè)漿體體系的影響,對(duì)煤泥水煤漿的成漿機(jī)理研究具有一定的指導(dǎo)意義。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 試驗(yàn)原料

        煤泥選自選煤廠的真空脫水棗莊煤泥,選取成漿濃度較高、穩(wěn)定性較差的陜西省榆林市朱家卯煤樣作為試驗(yàn)用煤,樣品的基礎(chǔ)分析見(jiàn)表1(棗莊煤泥簡(jiǎn)稱ZZ,朱家卯煤樣簡(jiǎn)稱ZJM)。

        表1 樣品的基礎(chǔ)分析

        1.2 ZZ煤泥的礦物組成和紅外光譜分析及

        煤泥的FTIR譜圖采用Nicolet 380傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定,將煤泥經(jīng)研缽研磨過(guò)后,過(guò)200目篩子后進(jìn)行壓片制樣,采用XD-3型 X射線衍射儀,利用K值法對(duì)煤泥中的礦物組成進(jìn)行分析。

        1.3 對(duì)分散劑SAF的吸附試驗(yàn)

        將樣品和不同質(zhì)量濃度的SAF分散劑溶液加入250 mL的錐形瓶中,用塞子封閉后置于SHA-BA型恒溫水浴振蕩器(20℃)在150次/min下震蕩6 h至吸附平衡,取離心后的上清溶液用日本島津公司生產(chǎn)的UV-2700紫外分光光度計(jì)測(cè)定其SAF的吸光度A,根據(jù)不同濃度SAF的擬合公式C=0.01547A-0.05424(R2=0.9992),計(jì)算出上清液中SAF的質(zhì)量濃度C。

        1.4 ZZ煤泥水煤漿的制備及漿體Zeta電位的測(cè)定

        本試驗(yàn)采用干法制漿制備煤泥水煤漿,選用與高灰煤泥成漿性更好的SAF分散劑作為添加劑,稱取定量的SAF和去離子水倒入燒杯中,加入煤泥和煤樣,在1500 r/min下攪拌7 min制得煤泥水煤漿。取少量制得的漿體于10 mL的去離子水燒杯中,采用JS94H型微電泳儀測(cè)定稀釋后漿體的Zeta電位值。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 煤泥的礦物組成分析

        ZZ煤泥的XRD譜圖如圖1所示。

        圖1 ZZ煤泥的XRD譜圖分析

        由圖1可以看出,煤泥中礦物質(zhì)有高嶺石、石英石和石灰石,根據(jù)各礦物的衍射峰強(qiáng)度可知,ZZ煤泥中礦物質(zhì)含量高低順序是石英石>高嶺石>石灰石。曾有專家對(duì)高嶺石和石灰石對(duì)漿體性能的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明高嶺石和石灰石的添加均增強(qiáng)了漿體的穩(wěn)定性。

        2.2 ZZ煤泥的紅外光譜分析

        ZZ煤泥的FTIR譜圖如圖2所示。

        由圖2可以看出,煤泥表面存在著大量親水集團(tuán),即羥基吸收峰,波長(zhǎng)為3800~3100 cm-1的吸收峰最寬,為酚類羥基振動(dòng)峰;波長(zhǎng)為2800~3100 cm-1是羧酸類羥基伸縮振動(dòng)峰;波長(zhǎng)為960~1260 cm-1是醇羥基伸縮振動(dòng)峰。ZZ表面的羥基官能團(tuán)含量越多,對(duì)分散劑和水份的締合能力就越強(qiáng)。

        圖2 ZZ煤泥的紅外光譜分析

        2.3 SAF的濃度對(duì)吸附性能的影響

        不同濃度的SAF在ZZ煤泥和ZJM煤樣表面的吸附等溫曲線如圖3所示。

        圖3 不同濃度的SAF在ZZ煤泥和ZJM煤樣表面的吸附等溫曲線

        由圖3可以看出,ZJM在SAF濃度為700 mg/L時(shí)表觀吸附達(dá)到平衡,而ZZ在SAF濃度為800 mg/L時(shí)表觀吸附基本達(dá)到平衡,且ZZ對(duì)SAF的平衡吸附量明顯高于ZJM,這是由于ZZ煤泥顆粒粒徑細(xì),比表面積大,與分散劑締合的吸附位含量要高于ZJM。

        Langmuir和 Freundlich吸附模型可用來(lái)描述煤泥和煤樣(吸附劑)在溶液中對(duì)SAF的吸附過(guò)程,Langmuir 等溫吸附模型見(jiàn)式(1),F(xiàn)reundlich等溫吸附模型見(jiàn)式(2):

        式中:QL——單位質(zhì)量吸附劑對(duì)SAF的吸附量,mg/g;

        nL——Langmuir模型表觀平衡吸附常數(shù);

        Qmax——吸附劑的表觀飽和吸附量,mg/g;

        CL——吸附平衡后單位體積溶液中SAF的濃度,mg/L;

        QF——單位質(zhì)量吸附劑對(duì)SAF的吸附量,mg/g;

        nF——吸附劑的表觀平衡吸附常數(shù);

        k——Freundlich模型表觀平衡吸附常數(shù);

        CF——吸附平衡后單位體積溶液中SAF的濃度,mg/L。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)吸附模型線性擬合后結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 等溫吸附模型線性擬合結(jié)果

        由表2中L吸附模型和F吸附模型的線性相關(guān)系數(shù)R2結(jié)果可知,ZZ煤泥和ZJM煤樣對(duì)SAF的表觀吸附更符合L模型單分子層吸附。即煤泥和煤樣對(duì)SAF進(jìn)行吸附,隨著SAF在吸附劑顆粒表面趨于吸附飽和,顆粒表面的吸附位逐漸減少,因而吸附速率降低。ZZ煤泥的飽和吸附量Qmax大于ZJM,這是由于ZZ煤泥中含有更多的吸附位,且煤泥中的黏土礦物在溶液中會(huì)有一定程度的膨脹,增加了煤泥的表面吸附位,增強(qiáng)了ZZ煤泥對(duì)SAF的吸附作用。

        由Langmuir等溫吸附模型對(duì)ZZ煤泥和ZJM煤樣的吸附結(jié)果可知,兩者吸附相關(guān)系數(shù)數(shù)值接近,表明對(duì)SAF的吸附能力接近,因此在煤泥漿中兩者對(duì)SAF可能存在競(jìng)爭(zhēng)吸附。由于ZJM的平衡吸附量要明顯高于ZZ,煤泥摻量的增加會(huì)從漿體中吸附更多的分散劑,而分散劑反過(guò)來(lái)改善了煤泥的表面特性,增強(qiáng)了煤泥表面水化膜的厚度,從而同時(shí)減少了漿體中的分散劑量和自由水量,使得煤粉的分散效果變差,導(dǎo)致漿體體系黏度增大,漿體濃度下降。

        2.4 對(duì)SAF的吸附動(dòng)力學(xué)研究

        ZZ煤泥和ZJM煤樣顆粒表面對(duì)SAF分散劑(700 mg/L)的吸附量與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示,其曲線斜率表示吸附速率。

        圖4 ZZ煤泥和ZJM煤樣對(duì)SAF的表觀吸附量與時(shí)間的關(guān)系

        由圖4可以看出,ZZ在80 min左右、ZJM在70 min左右時(shí)對(duì)SAF的吸附達(dá)到吸附平衡臺(tái)。隨著吸附曲線的斜率逐漸降低,可以表明煤泥和煤樣隨著吸附時(shí)間的增加,其吸附能力在減弱,這是由于吸附試驗(yàn)首先發(fā)生在易與SAF接觸的吸附劑的表面吸附速率升高,當(dāng)吸附劑表面被分散劑覆蓋后,SAF進(jìn)入吸附劑的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),由于吸附劑孔隙的孔徑非常小,導(dǎo)致分散質(zhì)在吸附劑內(nèi)部中的吸附阻力增大,吸附速率變得緩慢。

        煤泥和煤樣(吸附劑)在溶液中吸附SAF的動(dòng)力學(xué)過(guò)程可用Lagergen動(dòng)力學(xué)模型方程來(lái)描述。Lagergen一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)式(3),Lagergen二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)式(4):

        式中:Qe——吸附平衡的表觀吸附量,mg/g;

        Qt——吸附劑在t時(shí)的表觀吸附量,mg/g;

        n1——吸附劑的一級(jí)模型吸附速率,min;

        t——吸附劑吸附時(shí)間,min;

        n2——吸附劑的二級(jí)模型吸附速率,g/(mg·min)。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Lagergen模型方程的擬合后如圖5所示,吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果見(jiàn)表3。

        圖5 吸附動(dòng)力學(xué)擬合曲線

        樣品Qe/mg·g-1L一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型n1/minR2L二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型n2/g·(mg·min)-1R2ZJM5.960.02740.92370.10850.9949ZZ7.540.03780.92770.00410.8595

        由表3的ZJM煤樣對(duì)SAF的一級(jí)模型擬合的相關(guān)系數(shù)R2值小于二級(jí)模型擬合結(jié)果可以看出,ZJM對(duì)SAF的吸附更接近于二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型且存在化學(xué)吸附過(guò)程。而一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型可以更好的描述ZZ對(duì)SAF的吸附過(guò)程,ZZ煤泥的一級(jí)模型吸附的特征是隨著分散劑的濃度增加,ZZ煤泥的平衡吸附量在增加,但平衡吸附率在降低。

        2.5 煤泥摻量對(duì)煤泥漿性能的影響

        為了考察煤泥摻混量對(duì)漿體的濃度和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響, SAF添加量為干基煤樣的1.5‰,分別摻混煤樣質(zhì)量的5%、10%、15%和20%的煤泥進(jìn)行制漿,煤泥摻混量對(duì)漿體濃度和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響見(jiàn)表4。

        表4 煤泥摻混量對(duì)漿體濃度和靜態(tài)穩(wěn)定性的影響

        由表4可以看出,煤泥摻混量從0、5%、10%、15%直至20%,漿體的濃度從65.34%逐步降低到了60.33%。煤泥摻量為0時(shí),漿體明顯分層,上層出現(xiàn)較多析水,下層漿體為硬沉淀;摻混煤泥后,漿體的靜態(tài)穩(wěn)定性得到了改善,煤泥摻量為20%時(shí),漿體在連續(xù)12 d無(wú)硬沉淀出現(xiàn)。

        2.6 煤泥摻混量對(duì)漿體的Zeta電位值的影響

        分別摻混5%、10%、15%和20%的煤泥進(jìn)煤樣后,煤泥摻量對(duì)漿體Zeta電位的影響如圖6所示。

        圖6 煤泥摻量對(duì)漿體Zeta電位的影響

        由圖6可以看出,煤泥漿體呈負(fù)電性,隨著煤泥摻混量的增加,漿體的Zeta電位逐漸減小,這是由于煤泥吸附的分散劑改善了煤泥顆粒表面的性質(zhì),吸附的分散劑越多,煤泥的電位越低,漿體體系的斥力越大,漿體顆粒的沉降越難,漿體的穩(wěn)定性越好。

        3 結(jié)論

        (1)ZZ煤泥對(duì)SAF吸附實(shí)驗(yàn)過(guò)程符合Langmuir模型單分子層吸附,且兩者對(duì) SAF 的吸附能力接近,但ZZ煤泥的表觀平衡吸附量要明顯高于ZJM煤樣,這是由于ZZ煤泥顆粒比表面積大、顆粒表面含有的吸附位點(diǎn)更多的原因,且煤泥中與分散劑接觸的黏土礦物對(duì)SAF也具有吸附作用。

        (2)由Lagergen動(dòng)力學(xué)模型可知,ZZ煤泥對(duì)SAF的吸附過(guò)程更符合一級(jí)模型,其吸附特征是分散劑的濃度增加,分散質(zhì)表面的吸附位逐漸飽和,吸附質(zhì)的表觀平衡吸附量雖在增加,但平衡吸附率在降低。

        (3)ZZ煤泥吸附的分散劑增強(qiáng)了煤泥表面的水膜厚度,煤泥摻量越多,漿體中的分散劑和水份越少,ZJM煤顆粒的分散效果越差,煤泥水煤漿漿體濃度和Zeta電位越低,漿體的穩(wěn)定性越好。

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