鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤泥水絮凝沉降實(shí)驗(yàn)研究

徐 巖， 王校風(fēng)

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022;2.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 鶴崗分公司，黑龍江 鶴崗 154100)

煤泥水濃縮澄清是選煤廠實(shí)現(xiàn)固液分離的關(guān)鍵工藝之一。通過(guò)煤泥水的固液分離，降低洗水濃度，實(shí)現(xiàn)清水選煤、洗水循環(huán)，是保證原煤分選效果和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。了解煤泥水特性，選擇合適的絮凝劑，對(duì)煤泥水的凈化處理具有重要意義。國(guó)內(nèi)選煤廠煤泥水的濃縮澄清作業(yè)基本采用凝聚劑或絮凝劑，較難處理的煤泥水則采用凝聚劑與絮凝劑配合使用的技術(shù)。目前，選煤廠大多選用聚丙烯酰胺(PAM)作為絮凝劑，PAM按其側(cè)鏈所帶官能團(tuán)的不同可分為非離子型PAM、陽(yáng)離子型PAM和陰離子型PAM[1－3]。而以PAM為絮凝劑，研究1/3焦煤煤泥水絮凝沉降的文獻(xiàn)尚不多見(jiàn)[4]。筆者選取黑龍江省鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤樣，采用陰離子型、陽(yáng)離子型及非離子型PAM進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，分析1/3焦煤煤泥水在絮凝沉降過(guò)程中的影響因素和沉降效果，探索適用于該礦區(qū)1/3焦煤煤泥水絮凝沉降的條件，為選煤廠煤泥水處理提供了有益參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品

實(shí)驗(yàn)選取黑龍江省鶴崗礦區(qū)1/3焦煤干煤泥，煤泥的粒度組成區(qū)間為1.04 ～27.28 μm，平均粒度為10.49 μm，灰分為43.06%。取適量煤泥，用水調(diào)配成質(zhì)量濃度為25 g/L的煤泥水，備用。

1.2 試劑與儀器

試劑:凝聚劑為聚合氯化鋁，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%;絮凝劑選擇分子量分別為300、500和1 000萬(wàn)的陰離子型PAM，離子度分別為10～20、25～35和40～50的陽(yáng)離子型PAM，以及非離子型PAM，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%。

儀器:ALL－110.4型精密電子天平、722型分光光度計(jì)、磁力攪拌器、4.0 mL注射器。

1.3 方法

取六份100 mL質(zhì)量濃度為25 g/L的1/3焦煤煤泥水，分別倒入六個(gè)燒杯中，調(diào)節(jié)pH，并分別加入一定量的聚合氯化鋁(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%);攪拌一定時(shí)間后，將陰離子型PAM(分子量分別為300、500和1 000萬(wàn))和陽(yáng)離子型PAM(離子度分別為10～20、25～35和40～50)分別加入六個(gè)燒杯中，再用攪拌器在100 r/min條件下攪拌一定時(shí)間，然后迅速將煤泥水分別移入100 mL量筒中，沉降1 min后，立刻用分光光度計(jì)測(cè)定上清液的透光率[5]，同時(shí)測(cè)量上清液的高度。

沉降效果用沉降速度和上清液的透光率表示，其中，沉降速度為單位時(shí)間內(nèi)上清液高度。沉降速度越快，透光率越大，絮凝沉降效果越好[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類(lèi)型PAM對(duì)絮凝沉降效果的影響

2.1.1 陰離子型PAM

在聚合氯化鋁加入量為2 mL、攪拌時(shí)間為20 s的條件下，研究分子量為300、500和1 000萬(wàn)的陰離子型PAM對(duì)1/3焦煤煤泥水絮凝沉降效果的影響。PAM加藥量與沉降速度(v)的關(guān)系如圖1、2所示。

In the case where the film is condensed on the one hand and smooth on the other hand, the multiple reflections of the light are between the lower surface in contact with the substrate and the free surface of the thin film.

圖1 陰離子型PAM加藥量與沉降速度的關(guān)系Fig.1 Relationship between dosage of anionic PAM and settling velocity

圖2 陰離子型PAM加藥量與透光率的關(guān)系Fig.2 Relationship between dosage of anionic PAM and transmittance

從圖1可以看出，采用分子量為300萬(wàn)的陰離子型PAM進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)時(shí)，1/3焦煤煤泥水的沉降速度隨著加藥量增加而減慢，加藥量為2 mL時(shí)沉降較快，沉降速度為14.88 cm/min。采用分子量為500萬(wàn)的陰離子型PAM時(shí)，煤泥水沉降速度隨著加藥量增加，先減慢再加快，然后又減慢;在加藥量為3 mL時(shí)，沉降速度達(dá)到一個(gè)波谷;加藥量為4 mL時(shí)，沉降速度達(dá)到一個(gè)峰值。采用分子量為1 000萬(wàn)的陰離子型PAM時(shí)，煤泥水沉降速度隨著加藥量的增加而增加，加藥量為3 mL時(shí)沉降速度達(dá)到最大值，繼續(xù)加藥，沉降速度逐漸降低。由上述分析可知，分子量為500萬(wàn)的陰離子型PAM，其加藥量對(duì)煤泥水的沉降速度影響最大。

分析圖2得出，加藥量在2～3 mL之間，隨著分子量的增加，上清液的透光率先提高又降低，分子量為500萬(wàn)的陰離子型PAM的澄清效果最好;加藥量在3～6 mL之間，上清液的透光率隨著分子量的增加明顯降低，分子量為500萬(wàn)的陰離子型PAM的澄清效果最好。由上述分析可知，分子量增大至500萬(wàn)時(shí)，絮凝沉降效果最佳，分子量繼續(xù)增加，其效果反而不好。主要原因是，PAM主要通過(guò)架橋作用降低煤泥水懸浮物濃度，當(dāng)PAM分子質(zhì)量較大時(shí)，分子鏈太長(zhǎng)未能有效打開(kāi)，故無(wú)法起到架橋作用，因此絮凝效果并不佳;加藥量較小的情況下，PAM以架橋作用為主，隨著加藥量的增大，陰離子型PAM因帶有負(fù)電而相互排斥，反而降低了對(duì)懸浮物的去除效果[7]。

在實(shí)驗(yàn)藥劑量取值范圍內(nèi)，不同陰離子型絮凝劑對(duì)煤泥水進(jìn)行絮凝作用后，上清液透光率的最小值均高于現(xiàn)場(chǎng)所取溢流水樣本的，所以，實(shí)驗(yàn)主要影響因素為沉降速度。在既不提高生產(chǎn)成本又能快速沉降的前提下，絮凝劑宜選用分子量為300萬(wàn)的陰離子型PAM。

2.1.2 陽(yáng)離子型PAM

采用離子度為10～20、25～35、40～50的陽(yáng)離子型PAM對(duì)鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤泥水進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 陽(yáng)離子型PAM加藥量與沉降速度的關(guān)系Fig.3 Relationship between dosage of cationic PAM and settling velocity

如圖3所示，隨著加藥量的增加，采用三種PAM實(shí)驗(yàn)時(shí)的沉降速度均先達(dá)到最佳值，然后逐漸降低，離子度為25～35的陽(yáng)離子型PAM，表現(xiàn)最為明顯。加藥量在2～5 mL之間，離子度為10～20的PAM的煤泥水沉降效果優(yōu)于其他兩種絮凝劑;當(dāng)加藥量為4 mL時(shí)，煤泥水沉降最快，沉降速度為14.55 cm/min。

從絮凝機(jī)理角度分析，陽(yáng)離子型PAM具有吸附、電性中和和架橋作用，在一定范圍內(nèi)，隨著加藥量的增加，若其吸附和電性中和作用增強(qiáng)，打破膠體平衡的速度就提高，絮凝體沉降速度也越快[8]。

圖4 陽(yáng)離子型PAM加藥量與透光率的關(guān)系Fig.4 Relationship between dosage of cationic PAM and transmittance

由于離子度25～35和40～50的陽(yáng)離子型PAM對(duì)煤泥水的澄清效果不理想，達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)所需循環(huán)水的透光率指標(biāo)80%的要求，因此，實(shí)驗(yàn)選取離子度為10～20的陽(yáng)離子型PAM作為絮凝劑。

2.2 不同類(lèi)型PAM的絮凝沉降效果對(duì)比

采用非離子型PAM與分子量為300萬(wàn)的陰離子型PAM、離子度為10～20的陽(yáng)離子型PAM進(jìn)行絮凝沉降對(duì)比實(shí)驗(yàn)，加藥量與絮凝沉降速度關(guān)系曲線如圖5、6所示。

從圖5可以看出，在加藥量較小的情況下，采用分子量為300萬(wàn)的陰離子型PAM，煤泥水的沉降速度最佳。實(shí)驗(yàn)研究的加藥量范圍內(nèi)，隨著加藥量增加，陰離子型PAM的沉降速度明顯降低，加藥量為2 mL時(shí)，煤泥水沉降較快，沉降速度為14.79 cm/min;陽(yáng)離子型PAM的沉降速度升高，加藥量為4 mL時(shí)，沉降最快，沉降速度達(dá)到14.52 cm/min，繼續(xù)加藥反而影響沉降效果;非離子型PAM的沉降速度先增加而后降低，加藥量為4 mL時(shí)，沉降最快，沉降速度達(dá)到14.80 cm/min。

圖5 加藥量與沉降速度的關(guān)系Fig.5 Relationship between dosage and settling velocity

圖6 加藥量與透光率的關(guān)系Fig.6 Relationship between dosage and transmittance

從圖6可以看出，陰離子型PAM和陽(yáng)離子型PAM對(duì)煤泥水的澄清效果受加藥量影響較大，上清液的透光率分別在85.5%～98.8%和82.3%～94.5%之間。在實(shí)驗(yàn)研究的加藥量范圍內(nèi)，非離子型PAM澄清效果受加藥量的影響最小，上清液的透光率完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，非離子型PAM為鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤泥水的最佳絮凝劑。

2.3 最佳絮凝條件的確定

實(shí)驗(yàn)主要考察聚合氯化鋁凝聚劑的加藥量(A)、攪拌時(shí)間(B)、非離子型PAM絮凝劑的加藥量(C)和pH(D)四因素對(duì)1/3焦煤煤泥水絮凝效果的影響，根據(jù)四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行煤泥水絮凝沉降正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，通過(guò)攪拌，凝聚劑中和了顆粒表面電荷，使雙電層壓縮，降低了電動(dòng)電位，減少了斥力，加快了凝聚的發(fā)生，60 s時(shí)沉降速度最佳。上清液透光率受攪拌時(shí)間變化的影響較明顯，隨著攪拌時(shí)間的增加，透光率開(kāi)始明顯提高，45 s時(shí)達(dá)到了峰值，繼續(xù)增加攪拌時(shí)間，密實(shí)的凝聚體又被破壞，煤泥顆粒分散，透光率逐漸降低。

pH對(duì)1/3焦煤煤泥水的沉降速度有很大的影響。pH為8時(shí)沉降速度和透光率均達(dá)到理想值;pH超過(guò)8時(shí)，煤泥水中雜質(zhì)所帶負(fù)電荷增大了電極電位和顆粒間的斥力，不利于顆粒凝聚。pH接近中性時(shí)，又不利于聚合氯化鋁水解成氫氧化鋁高聚物，從而影響煤泥水的絮凝[9]。

表1 沉降速度與透光率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Settling velocity and transmittance results of orthogonal test

聚合氯化鋁的加入使得非離子PAM的加入量明顯減少，這是無(wú)機(jī)高分子凝聚劑和有機(jī)高分子絮凝劑二者協(xié)同作用的結(jié)果，即將無(wú)機(jī)高分子凝聚劑的電性中和作用和有機(jī)高分子架橋作用有機(jī)結(jié)合起來(lái)了。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1)可以總結(jié)如下:

(1)影響鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤泥沉降速度、透光率的主要因素是pH，其次是非離子PAM的加藥量和聚合氯化鋁的加藥量，影響最小的因素是加入聚合氯化鋁后的攪拌時(shí)間。

(2)沉降速度的最佳實(shí)驗(yàn)條件為A2B3C1D2，即1/3焦煤煤泥水 pH為8，聚合氯化鋁溶液用量2 mL、攪拌時(shí)間45 s，非離子型PAM用量 3 mL、攪拌時(shí)間60 s。

(3)透光率的最佳實(shí)驗(yàn)條件是A2B2C1D2，即1/3焦煤煤泥水pH為8，聚合氯化鋁溶液用量2 mL、攪拌時(shí)間45 s，非離子PAM用量3 mL、攪拌時(shí)間45 s。

綜上所述，沉降速度正交實(shí)驗(yàn)和透光率正交實(shí)驗(yàn)的主要影響因素并不矛盾，兩種指標(biāo)的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果均可代表鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤泥水的最佳絮凝條件。在確保煤泥水快速沉降又不影響上清液作為循環(huán)水使用的情況下，確定聚合氯化鋁的攪拌時(shí)間，為45 s。

3 結(jié)論

選取陰離子型、陽(yáng)離子型以及非離子型聚丙烯酰胺(PAM)作為絮凝劑，對(duì)鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤泥水進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論:

(1)影響鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤泥水沉降速度的主要因素是pH，其次是非離子PAM的用量和聚合氯化鋁的用量，影響最小的因素是加入聚合氯化鋁后的攪拌時(shí)間。

(2)以非離子型PAM為絮凝劑、聚合氯化鋁為凝聚劑，將兩者復(fù)配用于處理鶴崗礦區(qū)1/3焦煤煤泥水，絮凝效果較好。

(3)該礦1/3焦煤煤泥水采用復(fù)配絮凝劑進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)的最佳條件是，pH為8、聚合氯化鋁溶液用量2 mL、攪拌時(shí)間45 s、非離子PAM 用量3 mL。

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