胡金良,王凱雄,王鴻昌

(國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

煤泥水是指煤炭在分選加工過程中所產(chǎn)生的泥水混合物,含有煤和高嶺土、蒙脫土、伊利石等黏土類礦物以及石英等。煤泥水處理與選煤廠的洗選生產(chǎn)密切相關(guān),隨著對選煤產(chǎn)品的要求愈加嚴(yán)格、選煤工藝的愈加復(fù)雜、選煤廠的大型化愈加明顯,以及水資源的愈加珍貴和環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的愈加苛刻,煤泥水處理已經(jīng)變成了整個(gè)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]。通常情況下,煤泥水中具有較大的懸浮物濃度,且懸浮的固體物顆粒表面帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷,難以自然沉降。絮凝沉降法是當(dāng)前主流的處理工藝。

煤泥水絮凝沉淀受到許多因素的影響,除了pH值外,凝聚劑與絮凝劑的藥劑種類和用量、流場類型、流場能量輸入和藥劑作用時(shí)間等也對煤泥水絮凝沉降有重要影響[2],其中藥劑制度(凝聚劑與絮凝劑的藥劑種類、加藥點(diǎn)、配比和加藥量)是可調(diào)可控的核心要素。藥劑主要分為凝聚劑和絮凝劑,凝聚劑一般是無機(jī)電解質(zhì),通過電性中和的作用減小或消除顆粒間的靜電斥力,使其能夠互相靠近、接觸并發(fā)生黏附聚集[3]。絮凝劑通常是帶有很多能吸附微粒的有效官能團(tuán)的線狀高分子化合物,通過長鏈將許多微粒吸附在一起,形成一個(gè)絮團(tuán),從而加速了沉降[4-5]。

煤泥顆粒間的作用力可以用DLVO或XDLVO理論來解釋[5-6]。天然條件下煤泥水顆粒表面的電負(fù)性會使DLVO作用力中的靜電作表現(xiàn)為排斥力,在幾十納米至微米級別的范圍起主要作用力,從而阻止顆粒的相互靠近[3]。煤泥的表面的荷電情況通常用zeta電位來表示。Zeta電位的絕對值(正或負(fù))越高,分散體系越穩(wěn)定;反之,zeta電位(正或負(fù))越低,分散顆粒越傾向于凝聚和黏附。凝聚劑的添加,正是為了降低顆粒表面的zeta電位,使其接近等電點(diǎn),從而減小或消除靜電斥力[8]。

需要注意的是,過量的凝聚劑的添加,會使原本帶負(fù)電的煤泥顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閹д?顆粒間的靜電作用力由負(fù)-負(fù)斥力轉(zhuǎn)變?yōu)檎?正斥力。因此,合適的凝聚劑加藥量是生產(chǎn)關(guān)注的重要指標(biāo)。但是目前生產(chǎn)上難以實(shí)現(xiàn)電位的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,如何準(zhǔn)確加藥是困擾煤泥水生產(chǎn)的難題。通常意義上,煤泥水加藥采用干煤泥量為基準(zhǔn),但從DLVO理論來看,煤泥水中的藥劑濃度才是改變煤泥表面zeta電位的因素,以干煤泥量還是煤泥水的體積為基準(zhǔn)更為準(zhǔn)確,至今尚無定論。本研究致力于解決該問題,以煤泥水常見礦物高嶺土為材料,通過設(shè)計(jì)系列凝聚沉降實(shí)驗(yàn),以上清液濁度為指標(biāo),結(jié)合zeta電位的測定,以確定煤泥水加藥的科學(xué)基準(zhǔn)。研究結(jié)果可為煤泥水加藥自動化控制提供指導(dǎo)依據(jù),有利于提高煤泥水處理環(huán)節(jié)的可靠性,節(jié)約藥劑使用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

高嶺土懸浮液的配制:高嶺土購自天津福晨化學(xué)藥劑廠(分析純),根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)稱取10,20,30,40或50 g高嶺土,置于1 L的燒杯中,加水500 mL,用電動攪拌器以150 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30 min,得到固體物濃度分別為20,40,60,80,100 g/L的高嶺土懸浮液。

凝聚劑氯化鐵溶液的配制:實(shí)驗(yàn)使用氯化鐵(分析純)作為凝聚劑,由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。每次實(shí)驗(yàn)稱取1 g氯化鐵,用燒杯溶解后再用200 mL容量瓶定容,配制為5 g/L的溶液備用。為避免氯化鐵在水中解離形成膠體影響藥劑效果,氯化鐵溶液均當(dāng)天配制當(dāng)天使用。

1.2 凝聚沉降實(shí)驗(yàn)

取100 mL配制好的高嶺土懸浮液,倒入具塞量筒中,蓋好塞子,翻轉(zhuǎn)5次使之均勻。按表1設(shè)定的加藥量方案,加入一定量的氯化鐵溶液,再上下翻轉(zhuǎn)10 次后,立即用移液管取10 mL懸浮液,用布魯克海文生產(chǎn)的Zeta PALS 高分辨zeta電位及粒度分析儀測定懸浮液中固體顆粒的電位。剩余懸浮液靜置沉降20 min后,用移液管在液面下約1 cm處取上清液用上海昕瑞WGZ-1A型濁度儀測定濁度。

表1 高嶺土懸浮液加藥凝聚沉降試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí),將表1所示的加藥量用兩種基準(zhǔn)進(jìn)行分析。其一為固體物基準(zhǔn),即直接以懸浮液中含有的干燥固體物(高嶺土)的質(zhì)量為基準(zhǔn),按擬加入的藥劑量(相對量,g/kg)計(jì)算應(yīng)加入的藥劑絕對量進(jìn)行凝聚的添加。其二為體積濃度基準(zhǔn),在表1所列的方案的實(shí)驗(yàn)中,將實(shí)際加入的藥劑絕對量,除以實(shí)驗(yàn)時(shí)的懸浮液體積(100 mL),得到以體積為基準(zhǔn)的藥劑添加量數(shù)據(jù)。通過分析和比較這兩種基準(zhǔn)下濁度的變化情況,確定較優(yōu)加藥基準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖可知,隨著凝聚劑氯化鐵加藥量的增大,高嶺土凝聚沉降后上清液的濁度平均值總體上隨之減小,但以不同加藥量為基準(zhǔn)時(shí),其規(guī)律有較大差異,具體分析如下。

圖1 不同固體物濃度的高嶺土懸浮液加藥凝聚沉降后上清液濁度隨加藥量的變化

圖1(a)顯示為不同固體物含量的懸浮液中,以干燥固體物為加藥基準(zhǔn)的藥劑添加量對上清液濁度的影響。圖中可見,在所有含有不同固體物含量的懸浮液中,上清液的濁度均存在極值點(diǎn)(最低值),可以初步判定這些最低值條件下懸浮液中的細(xì)顆粒均處于等電點(diǎn),這說明試驗(yàn)設(shè)計(jì)的加藥范圍在合理的區(qū)間。但是上清液濁度與加藥量(固體物基準(zhǔn))沒有表現(xiàn)出明顯的關(guān)聯(lián)性。為了進(jìn)一步探索可能存在的規(guī)律,將極值點(diǎn)之前的其他較小加藥量條件下的數(shù)據(jù)點(diǎn)剔除,如圖1(b)所示,發(fā)現(xiàn)每個(gè)固體物濃度下上清液濁度均近乎以線性關(guān)系隨著加藥量(固體物基準(zhǔn))的增大而增大,且固體物濃度越大,斜率越大。這個(gè)現(xiàn)象可能是因?yàn)橐怨腆w物為加藥基準(zhǔn)的情況下,固體物濃度越大,加大加藥量時(shí)懸浮液中藥劑的體積濃度增量就越大,促使顆粒表面的zeta電位變?yōu)楦蟮恼?從而增大顆粒間的靜電斥力作用,顆粒更容易穩(wěn)定分散而不發(fā)生凝集沉降,因此上清液濁度增加。

圖1(c)所示為以懸浮液體積為加藥基準(zhǔn)計(jì)算所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從圖中可見,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以固體物為加藥基準(zhǔn),因此不同固體物濃度的懸浮液實(shí)驗(yàn)所加藥劑換算為體積基準(zhǔn)時(shí),加藥量的范圍有所差別。在低固體物質(zhì)量濃度(20 g/L)下,以懸浮液體積為基準(zhǔn)時(shí)的最大加藥量僅為70 g/L。在這樣的條件下,由于藥劑在懸浮液中的體積濃度不足,所能起到的壓縮雙電層的作用就不強(qiáng),因此沉降后的濁度總體都比較高,均在140 NTU以上。隨著固體物濃度的增加,按同樣的固體物基準(zhǔn)加藥量水平加藥時(shí),藥劑在懸浮液中的體積濃度上升,上清液濁度總體呈下降趨勢,但仍無法得到明顯的關(guān)聯(lián)性。為此,圖1(d)中刪除了加藥量大于最低濁度值時(shí)加藥量的其他數(shù)據(jù)點(diǎn),獲得了較好的關(guān)聯(lián)性,即隨著體積基準(zhǔn)加藥量的增大,濁度近似呈線性關(guān)系逐步降低。

為了進(jìn)一步確認(rèn)極值點(diǎn)(最低濁度)是否為等電點(diǎn)(zeta電位為0 mV),以及顆粒表面荷電是否發(fā)生反轉(zhuǎn),對不加藥、極值點(diǎn)以及每個(gè)固體物濃度下的最大加藥量時(shí)的懸浮液進(jìn)行zeta電位的測定。結(jié)果為:不加藥的情況下,顆粒表面的zeta電位值為-21.63 mV,而在40,60,80和100 g/L固體物濃度下最低濁度對應(yīng)的zeta電位分別為-0.19,0.1,0.2和0.1 mV,而各濃度在200 g/kg加藥條件下的zeta電位值如圖2所示。圖中可見,在過量加藥的情況下,顆粒表面的電性均轉(zhuǎn)變?yōu)檎?而懸浮液中藥劑的體積濃度增加,zeta電位值有向零點(diǎn)靠近的趨勢。由于以固體物為基準(zhǔn)的加藥量不變,藥劑體積濃度的增加是因?yàn)閼腋∥餄舛鹊脑龃?可以推測,zeta電位的降低是因?yàn)樵龆嗟念w粒物表面吸附了大量的陽離子,使懸浮體系中游離的陽離子濃度降低,離子吸附平衡發(fā)生移動。這說明,固體物濃度對表面電性轉(zhuǎn)正電后的電位有影響。

圖2 按200 g/kg加藥時(shí)對應(yīng)的體積加藥量與zeta電位的關(guān)系

圖3為不同固體物濃度下濁度最低時(shí)對應(yīng)的以懸浮液體積為基準(zhǔn)的加藥量,從zeta電位的測定結(jié)果來看,這幾個(gè)加藥條件下對應(yīng)的zeta電位均接近于0 mV,可以視為等電點(diǎn)。

圖3 不同固體物濃度下等電點(diǎn)時(shí)的藥劑體積濃度加藥量

圖3中顯示,達(dá)到這些等電點(diǎn)時(shí),所需的以體積為基準(zhǔn)的加藥量與固體物的濃度近似成正比關(guān)系。

3 結(jié)論

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析討論,可以得到以下結(jié)論:

高嶺土懸浮物體系到達(dá)等電點(diǎn)所需的體積基準(zhǔn)加藥量與懸浮體系中的固體物濃度成正比關(guān)系;在藥劑添加量未達(dá)到等電點(diǎn)時(shí),體系的濁度與體積基準(zhǔn)加藥量成反比。

到達(dá)等電點(diǎn)以后,過量加藥會導(dǎo)致顆粒表面電位由負(fù)轉(zhuǎn)正,過量加藥后,相同的固體物基準(zhǔn)加藥量下,zeta電位值隨體系固體物濃度減小,但濁度隨濃度近似以線性關(guān)系增大。以懸浮液的體積量為基準(zhǔn)進(jìn)行凝聚劑的添加更為合理。