武晉川,樊民強(qiáng),劉愛榮,楊宏麗,畢海怡

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引 言

目前大多數(shù)選煤廠煤泥水處理環(huán)節(jié)均存在濃縮機(jī)入料難沉降、底流壓濾周期長、濾餅水分偏高等問題[1-4]。究其原因,主要由于濃縮機(jī)入料中含大量微細(xì)粒高黏礦物,為加速這部分高灰細(xì)泥顆粒沉降,需在濃縮機(jī)中添加大量高分子絮凝劑(聚丙烯酰胺,PAM)[5-7]。PAM憑借自身的長鏈特點將微細(xì)顆粒連接起來,形成絮團(tuán),從而提高煤泥水的沉降速率和濃縮效率,因而其在煤泥水處理中發(fā)揮重要作用[8-9]。但高分子聚丙烯酰胺的大量使用會導(dǎo)致絮團(tuán)結(jié)構(gòu)上未飽和的支鏈相互排斥、擁擠而向空間伸展,導(dǎo)致絮凝體孔隙率增大,在膠體顆粒周圍形成水化外殼,惡化礦漿脫水效果[5];同時導(dǎo)致本已黏稠的濃縮機(jī)底流的黏度大幅增加,壓濾脫水環(huán)節(jié)周期延長。

筆者采用含有大量微細(xì)粒高灰細(xì)泥的煤泥,配制成礦漿,向其中添加大量高分子量聚丙烯酰胺,模擬壓濾機(jī)入料的黏稠礦漿,然后添加具有部分降解PAM作用的FeSO4、K2S2O8溶液,研究其對礦漿壓濾效果的影響,并分析其對高黏細(xì)粒煤泥水助濾的化學(xué)調(diào)控作用。

1 試 驗

1.1 試驗煤樣

1.1.1 粒度組成分析

煤樣取自陜西青龍寺選煤廠濃縮機(jī)入料,煤泥水中未添加任何藥劑,經(jīng)過濾、晾干后備用。根據(jù)GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》對煤泥進(jìn)行了濕法小篩分試驗,試驗結(jié)果見表1。

表1 青龍寺煤樣篩分試驗結(jié)果

由表1可知,青龍寺煤樣<0.045 mm粒級為主導(dǎo)粒級,產(chǎn)率為67.21%,且灰分高達(dá)49.65%。加壓過濾時,<0.045 mm粒級細(xì)顆粒極易游離于大顆粒之間的空隙,到達(dá)濾布時易堵塞濾孔,造成脫水阻力增大。

1.1.2 礦物組成分析

圖1給出了試驗所用煤樣的X射線衍射圖譜,可以看出該煤樣的礦物質(zhì)主要包含高嶺石和石英,其中高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)94.73%,高嶺石屬于黏土礦物,在水中極易泥化分散,導(dǎo)致煤泥水脫水困難,是影響青龍寺煤樣難過濾的主要因素。

圖1 青龍寺煤樣XRD圖譜

1.1.3 官能團(tuán)分析

為探究煤顆粒表面官能團(tuán),對煤樣進(jìn)行紅外分析,如圖2所示。在3 693、3 648、3 619、3 335 cm-1處觀察到的吸收峰為游離羥基(—OH)和酚羥基或醇羥基的伸縮振動。說明該煤樣的氧元素主要以羥基分布于煤的表面,由于羥基易與水分子形成氫鍵,故煤的親水性較強(qiáng),脫水難度大。

圖2 煤泥的紅外光譜圖

1.2 試驗藥劑及儀器、裝置與方法

1.2.1 試驗藥劑及儀器

主要使用的化學(xué)藥劑與主要儀器分別見表2和表3,藥劑分子結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 藥劑分子結(jié)構(gòu)

表2 試驗所用的主要試劑

表3 試驗所用的主要儀器

1.2.2 試驗裝置與方法

實驗室加壓過濾實時監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示,試驗人員打開入料閥門從入料口將配制好的礦漿注入加壓罐(底部鋪有規(guī)格為500目(0.03 mm)的濾布)

圖4 實驗室加壓過濾實時監(jiān)測系統(tǒng)示意

內(nèi),之后關(guān)閉入料口,打開截止閥,空氣壓縮機(jī)開始向加壓罐內(nèi)提供0.25 MPa的恒定壓力,由于濾液出口與大氣相通,故多孔濾板上下存在壓差,為加壓過濾試驗提供壓力;試驗過程中裝有組態(tài)軟件系統(tǒng)(MCGS)的微型電腦通過壓力傳感器全程實時記錄加壓罐內(nèi)的壓力變化來反映加壓罐內(nèi)礦漿的壓濾情況,從而精確獲得過濾時間,極大減少試驗過程中試驗人員的主觀性。

通過向煤樣中加水、攪拌配制成400 g/L煤泥水后加入相應(yīng)藥劑,利用磁力攪拌器在500 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌5 min,然后將煤泥水轉(zhuǎn)移到自制加壓過濾脫水壓力實時監(jiān)測裝置中(圖4),煤泥水在0.25 MPa恒壓的推動下,固體顆粒被截留在濾布上形成濾餅,濾液透過濾餅滲出,從而實現(xiàn)煤泥水的固液分離。

1.2.3 加壓過濾試驗評價指標(biāo)

采用過濾速度和濾餅含水率對脫水效果進(jìn)行評價,其中過濾速度[1]計算式:

(1)

式中,υ為過濾速度,mL/(s·cm2);V為濾液體積,mL;t為濾餅穿孔時間,s;A為濾餅橫截面積,cm2。

濾餅含水率使用VM-E50鹵素快速水分測定儀測定,使用前對儀器進(jìn)行0.5 h預(yù)熱和重量校準(zhǔn),經(jīng)九點取樣法從濾餅上取樣后放入水分測定儀中,設(shè)置儀器加熱溫度為105 ℃,待托盤內(nèi)30 s質(zhì)量無變化時視為測定結(jié)束,直接記錄含水率。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)藥劑對高黏礦漿加壓過濾效果的影響

2.1.1 PAM

在礦漿中加入不同用量的0.1%濃度的PAM加壓過濾試驗結(jié)果如圖5所示,可知在PAM用量小于120 g/t時,隨藥劑用量的增加過濾速度增大,濾餅含水率降低,但當(dāng)PAM用量高于120 g/t時,過濾速度逐漸降低,濾餅含水率大幅增加。證明壓濾入料礦漿中過量的聚丙烯酰胺會阻礙壓濾過程。藥劑用量達(dá)到200 g/t時,速度為4.95×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率33.51%,比不添加PAM時增加了1.48個百分點。

2.1.2 化學(xué)調(diào)控藥劑和PAM的添加順序

向礦漿中先后添加PAM和化學(xué)調(diào)控藥劑的加壓過濾試驗結(jié)果見表4,可知反加(先加1 000 g/t 化學(xué)調(diào)控藥劑,作用2.5 min后添加200 g/t PAM,2.5 min后進(jìn)行過濾試驗)藥劑較正加(先加200 g/t PAM,作用2.5 min后添加1 000 g/t化學(xué)調(diào)控藥劑,2.5 min后進(jìn)行過濾試驗)藥劑均能小幅提高過濾速度,但測得的濾餅含水率高于正加藥劑。當(dāng)K2S2O8溶液正加時,過濾速度降低了0.007×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低0.45%;當(dāng)FeSO4正加時,過濾速度降低了0.442×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低1.13%。

2.1.3 化學(xué)調(diào)控藥劑

單獨(dú)使用無機(jī)鹽藥劑FeSO4和K2S2O8,及在礦漿中加入過量PAM(200 g/t,模擬實際壓濾入料,下文簡稱處理樣)后再在分別加入上述無機(jī)鹽溶液的藥劑條件下進(jìn)行4組加壓過濾試驗,結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 無機(jī)鹽對煤泥水過濾速度及濾餅含水率的影響

由圖6可知,FeSO4和K2S2O8單獨(dú)添加時,過濾速度均隨藥劑用量增加而逐漸增大,濾餅含水率也逐漸降低,起助濾作用;尤其是對處理樣的過濾速度大幅提高,FeSO4用量達(dá)1 000 g/t時,過濾速度6.12×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率與單獨(dú)添加PAM相比降低2.31%,當(dāng)K2S2O8用量達(dá)2 000 g/t時,過濾速度達(dá)高達(dá)6.17×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低3.68%。但FeSO4和K2S2O8分別作用于原樣和處理樣時,不同藥劑用量下,處理樣的濾餅含水率較原樣均小幅提升,說明PAM過量對煤泥水分影響很大;圖7為實驗室加壓過濾實時監(jiān)測系統(tǒng)中加壓罐內(nèi)礦漿所受壓力變化的實時監(jiān)測曲線,當(dāng)濾餅成型后,在壓力作用下濾餅會出現(xiàn)一些細(xì)小裂痕,使得加壓罐內(nèi)部分氣壓從裂痕泄出,微型電腦上壓力曲線驟降,代表過濾完成;由圖7可知,無論加入哪種無機(jī)藥劑,濾餅成型后的穿孔時間都比不添加藥劑時縮短,且處理樣+FeSO4<處理樣+K2S2O8<處理樣<原樣。

圖7 系統(tǒng)壓力隨時間變化的曲線

綜上所述,在壓濾入料礦漿中添加化學(xué)藥劑PAM、FeSO4和K2S2O8均有助濾作用。無機(jī)鹽FeSO4和K2S2O8加入含高分子PAM礦漿中后,加壓過濾效果明顯改善,壓濾周期顯著縮短。因此,認(rèn)為無機(jī)鹽FeSO4或K2S2O8與PAM之間存在協(xié)同作用。

2.2 化學(xué)藥劑對礦漿助濾的協(xié)同作用機(jī)理分析

2.2.1 化學(xué)藥劑對PAM溶液的降黏作用

配制PAM水溶液時,邊攪拌邊將PAM粉末緩慢加入水中,在磁力攪拌器400 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌2 h,待PAM溶解完全后等分,分別加入不同用量的FeSO4、K2S2O8及與藥劑相應(yīng)用量的去離子水做對照,在恒溫水浴鍋中作用5 min(29 ℃),利用NDJ-8S數(shù)顯黏度計進(jìn)行黏度測定,每組樣品測量3次,取其平均值。其中未添加藥劑的聚丙烯酰胺溶液的黏度計示數(shù)為7.6 mPa·s;用黏度降低百分?jǐn)?shù)來表示FeSO4、K2S2O8的降黏效果[26],計算式為

(2)

式中,P為黏度降低百分?jǐn)?shù),%;η為藥劑作用PAM溶液后黏度計示數(shù),mPa·s;η1為PAM初始黏度;η0為去離子水作用后黏度計示數(shù)。

不同藥劑用量下聚丙烯酰胺溶液黏度變化如圖8所示,可知聚丙烯酰胺溶液中添加K2S2O8和FeSO4均可降低溶液黏度,隨藥劑用量增加,溶液黏度大幅降低,用量達(dá)90 g/t時,溶液黏度基本無變化,且FeSO4的降黏效果明顯優(yōu)于K2S2O8,溶液黏度減低62.89%。國內(nèi)外學(xué)者[28-32]認(rèn)為降解體現(xiàn)在溶液流變特性的變化和特性黏度的降低上,表明降解涉及斷鏈而導(dǎo)致聚合物分子量降低,由此判斷K2S2O8和FeSO4對PAM產(chǎn)生了降解作用。

圖8 不同藥劑用量下聚丙烯酰胺溶液黏度變化

總結(jié)文獻(xiàn)并歸納K2S2O8/ FeSO4與PAM可能發(fā)生的反應(yīng)[10,28-32],具體反應(yīng)見表5,并用圖9進(jìn)行降解機(jī)理圖示。

圖9 K2S2O8和FeSO4氧化降解機(jī)理

表5 K2S2O8和Fe2+降解PAM反應(yīng)方案建議

綜合試驗研究與降解機(jī)理分析表明,K2S2O8和FeSO4均對PAM產(chǎn)生降解作用,使部分(PAM)n+m→xAM +(PAM)m+(PAM)n進(jìn)而起降黏效果。

2.2.2 化學(xué)藥劑對礦漿及濾液的黏度影響

向配制好的原樣中加入200 g/t PAM配置成處理樣,然后向處理樣中分別添加1 000 g/t FeSO4和2 000 g/t K2S2O8,在500 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌5 min,利用NDJ-8S數(shù)顯黏度計對其分別測定黏度,然后收集加壓過濾后的濾液,測定黏度。每組樣品測量3次,取平均值。試驗操作在恒溫水浴鍋中(29 ℃)進(jìn)行,試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 無機(jī)鹽對礦漿和濾液黏度的影響

由圖10可知,向礦漿中添加PAM會導(dǎo)致礦漿和濾液黏度顯著增加,礦漿黏度由原來的1 764 mPa·s增至2 597 mPa·s,濾液黏度由原來的1.24 mPa·s增至1.31 mPa·s,當(dāng)向含PAM的礦漿中分別添加FeSO4和K2S2O8溶液時,黏度分別降至2 115和2 380 mPa·s。隨FeSO4和K2S2O8加入,濾液黏度也由1.31 mPa·s分別降至1.26和1.28 mPa·s。因此可認(rèn)為K2S2O8和FeSO4對礦漿中部分PAM產(chǎn)生降解作用,引起PAM長鏈斷裂和分子量降低,黏度降低。其中,FeSO4對含有PAM的礦漿/濾液降黏效果優(yōu)于K2S2O8,這與化學(xué)藥劑對PAM溶液的降黏結(jié)果一致。

2.2.3 化學(xué)藥劑與煤樣作用的絮團(tuán)影像分析

采用高清顆粒影像分析儀分別觀測原樣和添加藥劑后的絮團(tuán)形態(tài),結(jié)果如圖11所示。觀察到:圖11(a)原樣顆粒微小且分散;圖11(b)當(dāng)原樣中加入FeSO4后,產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象,存在微小的凝聚體;圖11(c)原樣中加入K2S2O8后,微細(xì)顆粒更加分散,并未產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象;圖11(d)處理樣即原樣加入大分子PAM后,形成了較大直徑且密實的絮團(tuán)、聚集;圖11(e)向處理樣中添加FeSO4后,絮團(tuán)直徑相對減小,而絮團(tuán)與絮團(tuán)之間相互連接,形成較松散的大絮體;圖11(f)向處理樣中加入K2S2O8后,絮團(tuán)尺寸減小且分散在礦漿中。

圖11 藥劑作用前后煤樣絮團(tuán)的影像

2.2.4 化學(xué)藥劑對煤顆粒表面電性的影響

對原樣以及處理樣分別添加1 000 g/t 的K2S2O8和FeSO4藥劑,處理后的煤樣使用微電泳儀進(jìn)行Zeta電位測定,結(jié)果見表6。

表6 礦物顆粒表面在藥劑作用前后的Zeta電位

由表6可知,自然pH條件下,原樣的Zeta電位為-41.52 mV,顆粒表面負(fù)電性較強(qiáng),親水性強(qiáng)。PAM的添加無法降低煤顆粒表面的負(fù)電性,無機(jī)電解質(zhì)FeSO4與K2S2O8添加,煤顆粒表面的Zeta電位絕對值分別降低30.82和6.36 mV,說明Fe2+電中和的作用遠(yuǎn)強(qiáng)于K+;向含大量高分子PAM的煤泥水中添加FeSO4與K2S2O8后,因FeSO4在降解PAM過程中Fe2+被氧化為Fe3+,因此對煤顆粒表面負(fù)電荷的電中和作用仍然存在,Zeta電位絕對值較只添加PAM時降低了34.53 mV,而K2S2O8的添加,電中和作用相對較小,Zeta電位僅降低了6.12 mV。

2.2.5 化學(xué)藥劑對礦漿助濾的協(xié)同作用分析

試驗所采用的微細(xì)顆粒煤樣表面負(fù)電性強(qiáng),分散在礦漿中不易沉降和過濾,不添加任何藥劑,過濾周期長達(dá)31 min。向礦漿中單獨(dú)添加無機(jī)鹽FeSO4時,溶液中的Fe2+起電中和作用,顆粒在礦漿中產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象,因此添加FeSO4溶液后,過濾速度明顯提高,濾餅含水率有所降低,添加K2S2O8溶液后,因K+的電中和作用不明顯,助濾效果較FeSO4溶液差。

當(dāng)向礦漿中添加大量高分子PAM模擬壓濾機(jī)入料時,礦漿黏度顯著增加,礦漿中的顆粒形成了直徑較大且密實的絮團(tuán),過濾過程中絮團(tuán)不易破裂,其中包裹的水分也無法穿透絮團(tuán)排出,因此導(dǎo)致濾餅含水率增大,與試驗結(jié)果一致。

當(dāng)向含大量高分子PAM的黏稠礦漿中添加無機(jī)鹽FeSO4和K2S2O8溶液時,由于FeSO4和K2S2O8能夠?qū)AM產(chǎn)生降解作用,使PAM主鏈斷裂,得到大量小分子鏈的PAM,表現(xiàn)為煤泥水黏度降低,絮團(tuán)直徑變小。溶液中的Fe3+對負(fù)電性較強(qiáng)的絮團(tuán)起凝聚作用,形成如圖11(e)所示的松散的大絮體,這種大絮體既增大了顆粒的表觀粒度,又不會包裹水分,形成的濾餅透氣性好,因此過濾效果明顯改善,壓濾周期縮短22 min;而K+電中和作用小,凝聚效果差,形成如圖11(f)所示的小絮團(tuán)分散在礦漿中,助濾效果略低于FeSO4溶液,這與試驗結(jié)果吻合。

3 結(jié) 論

1)試驗煤樣的粒度細(xì),灰分高,含大量高嶺石,含氧官能團(tuán)多,電負(fù)性強(qiáng),礦漿中加入大量高分子量的PAM后黏度進(jìn)一步增大,礦漿系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng),濾餅透氣性差,導(dǎo)致壓濾周期長,濾餅含水率高。

2)改變礦漿中藥劑(PAM和化學(xué)調(diào)控藥劑)的添加順序,發(fā)現(xiàn)反加藥劑較正加藥劑可小幅降低煤泥水過濾時間,但測得的濾餅含水率也較正加藥劑變高。

3)向含有大量高分子量的PAM的礦漿中添加無機(jī)鹽FeSO4和K2S2O8溶液,過濾效果明顯改善。FeSO4用量達(dá)1 000 g/t時過濾速度可達(dá)6.12×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低2.31%,而K2S2O8用量達(dá)2 000 g/t時,過濾速度達(dá)到6.17×10-4mL/(s·cm2),濾餅含水率降低了3.68%。

4)FeSO4可降解礦漿中的部分大分子PAM,生成大量短鏈PAM,降低礦漿黏度;又由于存在高價金屬陽離子,對細(xì)顆粒有凝聚作用,既增大了顆粒的表觀粒度,又不會包裹水分,形成的濾餅透氣性好,因此明顯改善過濾效果,過濾周期縮短70.97%,因此認(rèn)為礦漿中添加大分子PAM和無機(jī)鹽FeSO4在加壓過濾過程中存在協(xié)同作用。