孫景丹，李 濤，朱瑩瑩

(1.黑龍江工業(yè)學(xué)院 資源工程學(xué)院，黑龍江 雞西 158100；2.鶴崗師范高等?？茖W(xué)校 職業(yè)技術(shù)系，黑龍江 鶴崗 154100)

煤泥水是原煤洗選加工過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水，煤炭濕法處理過程中不可避免地產(chǎn)生大量的煤泥水，如果將煤泥水直接排放，不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且還會造成大量的煤泥流失。煤泥水處理已經(jīng)變成整個選煤工藝中涉及面最廣、投資最大、最復(fù)雜、最難管理的工藝環(huán)節(jié)[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(xì)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(fā)生過濾介質(zhì)堵塞，濾餅致密、透氣性惡化等現(xiàn)象，從而引起脫水速度降低、濾餅水分增高、過濾機(jī)處理能力下降等一系列問題，嚴(yán)重影響了選煤廠的正常生產(chǎn)[3-4]。在煤泥水處理中添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)助濾劑，可以強(qiáng)化煤泥過濾脫水效果，使用助濾劑強(qiáng)化物料脫水是一種基本不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝流程，最為經(jīng)濟(jì)、簡便的脫水技術(shù)[5-6]。為了實(shí)現(xiàn)選煤廠的閉路循環(huán)，國內(nèi)外學(xué)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(rèn)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(zhì)，制備了聚丙烯酰胺反相微乳液，經(jīng)聚合得到的復(fù)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(jìn)行研究，同時向?yàn)V液中加入Fe3+，結(jié)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(xì)管壓力，提高了過濾速度，降低濾餅水分[13-14]。

由單因素試驗(yàn)可知，單獨(dú)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(chǎn)實(shí)際大都采用聯(lián)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(lián)合助濾劑對煤泥水助濾效果的影響，試驗(yàn)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(jìn)行聯(lián)合用藥試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)樣品與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)藥劑

化學(xué)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(yàn)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(yàn)選取三種不同類型、不同分子量的PAM分別進(jìn)行過濾脫水試驗(yàn)，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(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包括：DL-5C盤式真空過濾機(jī)、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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高泥化煤泥水小篩分與浸泡試驗(yàn)

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(jù)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(dāng)煤泥顆粒粒度>75μm時，煤泥易于沉降、脫水和精選，當(dāng)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(guī)定對煤泥試樣進(jìn)行小篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)率和灰分，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 煤樣小篩分試驗(yàn)

由表1可知，試驗(yàn)煤泥樣品的粒度組成較細(xì)，0.075mm粒級以下的產(chǎn)率占68.92%，其中，小于0.045mm粒級產(chǎn)率占54.57%，累計(jì)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(xì)、灰分高，而且含有大量粘土類礦物雜質(zhì)，致使煤泥在水中易泥化，泥化現(xiàn)象使煤泥微細(xì)顆粒大量增加，嚴(yán)重影響煤泥過濾脫水效果。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(dāng)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(xiàn)象加劇，這使得煤泥微細(xì)顆粒大量增加，在過濾脫水時，這些大量微細(xì)顆粒極易堵塞過濾介質(zhì)，致使濾餅透氣性變差，嚴(yán)重影響脫水效果。

2.2 MgCl2-PAM聯(lián)合處理煤泥水的助濾試驗(yàn)

試驗(yàn)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(jìn)行煤泥水過濾脫水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖2和圖3。

MgCl2和不同類型PAM聯(lián)合用藥時加藥量與過濾速度的關(guān)系曲線，如圖2所示。當(dāng)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(dāng)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(yàn)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(dāng)加藥量增加到20g·t-1時，再繼續(xù)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(guān)系

MgCl2和不同類型PAM聯(lián)合用藥時加藥量與濾餅水分的關(guān)系曲線，如圖3所示。當(dāng)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(yàn)，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(yàn)相比，降低3.80%。在一定范圍內(nèi)，濾餅水分隨著加藥量的增加而逐漸降低，當(dāng)PAM用量達(dá)到30g·t-1時，再繼續(xù)添加PAM，濾餅水分逐漸增加，但仍低于空白試驗(yàn)。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(guān)系

2.3 CaCl2-PAM聯(lián)合處理煤泥水的助濾試驗(yàn)

試驗(yàn)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(jìn)行煤泥水過濾脫水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4和圖5。

CaCl2和不同類型PAM聯(lián)合用藥時加藥量與過濾速度的關(guān)系曲線，如圖4所示。當(dāng)CaCl2用量為1.5kg·t-1時，分別與不同類型PAM聯(lián)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(dāng)CPAM用量為20g·t-1時，與空白試驗(yàn)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(dāng)加藥量達(dá)到20g·t-1時，繼續(xù)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(guān)系

CaCl2和不同類型PAM聯(lián)合用藥時加藥量與濾餅水分的關(guān)系曲線，如圖5所示。CaCl2與PAM聯(lián)合用藥時，與空白試驗(yàn)相比，均能顯著降低濾餅水分，且優(yōu)于MgCl2-PAM復(fù)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(lián)合用藥時，隨著加藥量的增加，濾餅水分逐漸降低，當(dāng)CPAM加藥量為20g·t-1時，濾餅水分達(dá)到最低為27.53%，與空白試驗(yàn)相比，降低4.52%，繼續(xù)添加CPAM時，濾餅水分有所上升。CaCl2與NPAM聯(lián)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(yàn)相比，降低4.6%。CaCl2與HPAM聯(lián)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(yàn)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(guān)系

由MgCl2-PAM和CaCl2-PAM復(fù)配試驗(yàn)可知，MgCl2和CaCl2分別與不同類型PAM復(fù)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(yōu)于CaCl2，對于降低濾餅水分而言，CaCl2總體效果顯著優(yōu)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(biāo)，凝聚劑型助濾劑選擇CaCl2進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。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(yōu)于NPAM和HPAM，但是由于CPAM的價格較昂貴，并且考慮到選煤廠現(xiàn)場大都選用HPAM，因此，絮凝劑型助濾劑選擇HPAM進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.4 CaCl2與不同分子量的HPAM助濾試驗(yàn)

PAM的分子量也是影響助濾效果的重要因素之一，試驗(yàn)分別選取500萬、800萬、1200萬不同分子量的HPAM，分別與CaCl2進(jìn)行助濾試驗(yàn)，探討PAM的分子量對助濾效果的影響。試驗(yàn)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(jìn)行煤泥水過濾脫水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7。

CaCl2和不同分子量的HPAM聯(lián)合用藥時加藥量與過濾速度的關(guān)系曲線，如圖6所示。當(dāng)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(dāng)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(dāng)分子量達(dá)到1200萬時，過濾試驗(yàn)中迅速形成較大絮團(tuán)，煤泥水溶液不能完全覆蓋過濾區(qū)域，瞬間完成過濾。當(dāng)分子量為1200萬的HPAM加藥量為40g·t-1時，過濾速度最高達(dá)到311.49ml·(m2·s)-1，與空白試驗(yàn)相比，過濾速度提高約17.89倍，繼續(xù)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(guān)系

CaCl2和不同類型PAM聯(lián)合用藥時加藥量與濾餅水分的關(guān)系曲線，如圖7所示。CaCl2與不同分子量的HPAM聯(lián)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(dāng)加藥量達(dá)到一定量時，繼續(xù)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(yàn)相比，降低4.67%，繼續(xù)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(yàn)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(dāng)加藥量超過10g·t-1時，濾餅水分均高于空白試驗(yàn)。由于分子量大、分子鏈長，在過濾試驗(yàn)中能夠快速形成較大絮團(tuán)，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(tuán)也越大，絮團(tuán)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(guān)系

3 結(jié)論

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

(2)MgCl2和CaCl2分別與不同類型PAM復(fù)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(yōu)于CaCl2，對于降低濾餅水分而言，CaCl2總體效果顯著優(yōu)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(biāo)，凝聚劑型助濾劑選擇CaCl2。

(3)CaCl2與不同分子量的HPAM聯(lián)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(tuán)也越大，這些絮團(tuán)中包裹的水分也越多，致使濾餅中殘留水分較高。結(jié)果表明，試驗(yàn)選擇CaCl2和分子量為800萬的HPAM進(jìn)行聯(lián)合使用效果最佳。