CPAM 離子度對(duì)高泥化煤泥水沉降特性的影響研究

樊有林 ，常 艇 ，張錦龍 ，徐宏祥 ，崔家畫 ，田 漢 ，尹亞男

（1.國(guó)能包頭能源有限責(zé)任公司 煤炭洗選中心, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083；3.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司, 廣西 柳州 545000）

0 引 言

煤泥水處理是煤炭分選加工過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，煤泥水的沉降效果直接影響著分選系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。特別是高泥化煤泥水，其往往含有易泥化的高嶺石、蒙脫石或伊利石等黏土類礦物[2-4]。高嶺石遇水后極易發(fā)生泥化變?yōu)槲⒓?xì)粒分散在煤泥水中，這些顆粒呈現(xiàn)出比表面積大、分散性好、親水性強(qiáng)，表面負(fù)電性強(qiáng)等性質(zhì)[5-6]，導(dǎo)致煤泥水沉降速度慢、循環(huán)水固體含量高等問(wèn)題。濃縮池濃縮效率低下，煤泥水沉降脫水困難[7]，影響分選系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)循環(huán)水固體含量高則會(huì)影響煤炭分選的質(zhì)量，也會(huì)導(dǎo)致脫介等工藝效果變差，選煤廠的介耗增大進(jìn)而增加選煤廠的運(yùn)行成本[8]。

為加速煤泥水沉降、降低循環(huán)水的濁度，煤泥水處理需要添加凝聚劑和絮凝劑[9-10]。煤泥水處理中常用凝聚劑為聚合氯化鋁[11]，絮凝劑為聚丙烯酰胺（PAM）。聚丙烯酰胺按離子特性分為陰離子型（APAM）、非離子型（NPAM）和陽(yáng)離子型（CPAM）[12-13]。APAM 被廣泛的應(yīng)用于選煤廠煤泥水處理中，但其處理煤泥水前往往需要添加一定量的聚合氯化鋁作為凝聚劑，以保證煤泥水的沉降效果[14-15]。史志鵬[16]研究了NPAM 對(duì)絮凝體的沉降特性，構(gòu)建了絮凝體沉降模型，對(duì)研究煤泥水沉降具有重要意義。CPAM 因其優(yōu)良的性能，有著廣泛的應(yīng)用。HE 等[17]使用將聚丙烯酰胺用于海底泥漿脫水，證實(shí)了CPAM是有效的脫水藥劑。鄭繼洪等[18]探究了CPAM 對(duì)煤泥水的絮凝性能，得出CPAM 對(duì)處理粒度細(xì)和灰分高的難處理煤泥水效果更為顯著,優(yōu)于工業(yè)APAM的結(jié)論。呂一波等[19]使用合成的陽(yáng)離子型絮凝劑CSS-g-AM 對(duì)煤泥水沉降特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。CPAM 分子鏈有帶正電荷的活性基團(tuán)，對(duì)帶負(fù)電性的礦物顆粒和其他雜質(zhì)的吸附作用很強(qiáng)烈[20]。以上研究普遍為不同類型藥劑對(duì)煤泥水或污水的影響研究以及CPAM 分子量對(duì)煤泥水沉降的影響研究，但未進(jìn)行不同離子度CPAM 對(duì)煤泥水的沉降影響研究。

高泥化煤泥水沉降特性的研究一直是煤泥水研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。CHEN 等[21]采用聚胺鹽為表面活性劑研究了藥劑用量、動(dòng)能輸入、pH 值等因素對(duì)高泥化煤泥水疏水聚團(tuán)沉降的影響規(guī)律。劉利[22]研究了絮體的分形特性及混凝機(jī)理，焦小淼[23]基于絮體特性對(duì)煤泥水混凝過(guò)程及調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了研究，張文剛等[24]基于絮凝動(dòng)力學(xué)對(duì)煤泥水絮凝過(guò)程及其研究方法進(jìn)行了研究。穩(wěn)定性分析常被用來(lái)分析濃縮膠體和分散體樣品的特性。孫美潔等[25]使用 Turbiscan Lab 穩(wěn)定性分析儀對(duì)水煤漿的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，黃根等[26]使用Turbiscan Lab 研究了化工濃鹽水對(duì)煤泥水沉降特性及穩(wěn)定性的影響，徐宏祥等[27]研究了濃鹽水對(duì)煤泥水穩(wěn)定性和沉降作用進(jìn)行了分析研究。穩(wěn)定性分析是研究煤泥水特性的有效手段。

李家壕煤礦選煤廠煤泥水中含有大量的微細(xì)的表面帶負(fù)電的高嶺石顆粒，濃縮作業(yè)中煤泥水沉降速度慢，濃縮溢流濁度高。筆者基于李家壕高泥化煤泥水的礦物和粒度組成特性，研究了不同離子度CPAM 對(duì)煤泥水沉降的沉降速度、濁度、壓縮區(qū)厚度、顆粒Zeta 電位以及穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)的影響，并分析了離子度對(duì)煤泥水沉降的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與藥劑

試驗(yàn)樣品：試驗(yàn)用煤泥水樣來(lái)源于包頭能源李家壕煤礦選煤廠濃縮機(jī)入料煤泥水，經(jīng)化驗(yàn)煤泥灰分為26.36%，煤泥水的原始質(zhì)量濃度為13.07 g/L，濁度為526 NTU，Zeta 電位為-45.37 mV。

試驗(yàn)藥劑：試驗(yàn)中使用的絮凝劑為酷爾化學(xué)科技（北京）有限公司生產(chǎn)的離子度為5%、10%～20%、30%～60%、70%～80%的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺，配置藥劑濃度為0.1%。

1.2 試驗(yàn)儀器

主要試驗(yàn)儀器：德國(guó)布魯克公司D8 ADVANCE X 射線衍射儀、法國(guó)FORMULACTION 公司生產(chǎn)的Turbiscan Lab 穩(wěn)定性分析儀、英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Zetasizer Nano ZS90 納米粒度和Zeta 電位儀和上海雷磁WZS-186 濁度計(jì)等。

1.3 試驗(yàn)方法

粒度組成：對(duì)煤泥水中顆粒的粒度組成按照GB/T 477-2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。

礦物組成：取干燥的煤泥樣品研磨至粒徑0.074 mm 以下，使用德國(guó)布魯克公司D8 ADVANCE X 射線衍射儀進(jìn)行分析，測(cè)試條件為：銅靶，2θ角范圍：10°～90°，掃描速度：2(°)/min，掃描步長(zhǎng)：0.02°。

煤泥水沉降試驗(yàn)：參照標(biāo)準(zhǔn)GB /T 26919-2011《選煤廠煤泥水自然沉降試驗(yàn)方法》和MT 190-1988《選煤廠煤泥水沉降試驗(yàn)方法》進(jìn)行煤泥水沉降試驗(yàn)。

穩(wěn)定性：將煤泥水移入高度為55 mm，容積為20 mL 的透明玻璃圓形樣品瓶中，煤泥水中添加用量質(zhì)量濃度為36 g/m3的不同離子度CPAM 混勻，通過(guò)Turbiscan Lab 穩(wěn)定性分析儀來(lái)分析不同離子度CPAM 對(duì)煤泥水動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的影響。設(shè)紅外光源檢測(cè)儀從樣品底部環(huán)掃至頂部，掃描間隔40 μm。從不同樣品的光譜變化，可得到樣品在不同區(qū)域的背散射光通量值（BS）、透射光通量值（T）、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性指數(shù)（TSI）、頂部分層厚度等指標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律，同時(shí)為了更好地分析沉降過(guò)程中不同高度區(qū)域的變化規(guī)律，將樣品瓶分成3 個(gè)區(qū)域：頂部34～41 mm，中部8～34 mm 和底部0～8 mm。樣品的掃描過(guò)程次數(shù)根據(jù)沉降試驗(yàn)中沉降時(shí)間確定。不添加藥劑的煤泥水樣掃描方式設(shè)置為每15 min/次，共20 次，時(shí)長(zhǎng)總計(jì)5 h。添加離子度5%和10%～20%的CPAM 的煤泥水樣掃描方式設(shè)置為1 min/次，共30 次，時(shí)長(zhǎng)總計(jì)30 min。添加離子度30%～60%和70%～80%的CPAM 的煤泥水掃描方式設(shè)置為30 s/次，共掃描14 次，時(shí)長(zhǎng)總計(jì)7 min。

Zeta 電位：采用Zetasizer Nano ZS90 電位儀對(duì)不同離子度條件下的懸浮液進(jìn)行Zeta 電位測(cè)量。每個(gè)樣品循環(huán)測(cè)3 次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤泥性質(zhì)研究

2.1.1 煤泥礦物組成

煤泥樣品XRD 測(cè)試圖譜如圖1 所示。根據(jù)XRD 測(cè)試的結(jié)果分析可知，煤泥中包含的礦物主要有2 種：高嶺石和石英，其中高嶺石含量為97.2%，石英含量為2.8%。

圖1 煤泥XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of coal slime

易泥化的黏土礦物高嶺石是煤泥的主要礦物成分，加大了煤泥水處理的難度。同時(shí)，煤泥水中高嶺石顆粒表面荷負(fù)電[28]，微細(xì)石英顆粒表面同樣荷負(fù)電[29]，顆粒間的靜電斥力導(dǎo)致顆粒難以自發(fā)聚團(tuán)沉降[30]。

2.1.2 煤泥粒度組成

對(duì)煤泥樣品的粒度組成分析如圖2 所示，d25、d50、d75為粒度特性曲線篩上累計(jì)產(chǎn)率為25%、50%、75%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒度值。李家壕濃縮機(jī)入料煤泥水顆粒的粒度組成中，粒級(jí)-0.045 mm 的產(chǎn)率為77.10%，粒級(jí)-0.074 mm 的產(chǎn)率為86.34%，顆粒粒度過(guò)細(xì)不利于煤泥水沉降[31]。李家壕煤泥水含有易泥化的高嶺石并且細(xì)粒含量高，是典型的易泥化難沉降煤泥水。

圖2 煤泥樣品累積粒度特性曲線Fig.2 Cumulative grain size characteristic curve of slime samples

2.2 離子度對(duì)澄清區(qū)濁度的影響

考察不同離子度CPAM 和用量對(duì)澄清區(qū)濁度的影響規(guī)律，分別選取離子度為5%、10%～20%、30%～60%和70%～80%的CPAM，用量分別為12、24、36、48、60 g/m3煤泥水，進(jìn)行沉降試驗(yàn)。如圖3所示，隨著藥劑用量的增加，離子度5%、10%～20%兩種CPAM 對(duì)煤泥水沉降澄清區(qū)濁度影響較小。離子度30%～60%和離子度70%～80%的CPAM 隨著用量的增加，澄清區(qū)濁度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，最終變化趨于平緩。當(dāng)藥劑用量大于24 g/m3時(shí)，使用離子度70%～80%的CPAM 澄清區(qū)濁度低于使用離子度30%～60%的CPAM 澄清區(qū)濁度。

圖3 離子度對(duì)澄清區(qū)濁度的影響Fig.3 Influence of ionic degree on turbidity in clarification zone

CPAM 通常以丙烯酰胺（AM）為分子骨架，以丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DAC）為陽(yáng)離子單體合成[32]，其結(jié)構(gòu)式如下：

離子度和分子量是CPAM 性質(zhì)的重要指標(biāo)，離子度是指合成CPAM 的陽(yáng)離子單體（DAC）的物質(zhì)的量占丙烯酰胺單體（AM）和陽(yáng)離子單體（DAC）總物質(zhì)的量的比例。離子度反映了CPAM 分子長(zhǎng)鏈上陽(yáng)離子基團(tuán)所占的比例。對(duì)于一條CPAM 長(zhǎng)鏈，其離子度可以表示為

式中：ω為陽(yáng)離子度，%；n為CPAM 分子鏈上DAC的數(shù)量；m為CPAM 分子鏈上AM 的數(shù)量。

試驗(yàn)結(jié)果分析表明：使用離子度5%和離子度10%～20%的CPAM 對(duì)煤泥水沉降的澄清區(qū)濁度高，原因是分子長(zhǎng)鏈上的正電性基團(tuán)數(shù)量少，無(wú)法對(duì)數(shù)量龐大表面荷負(fù)電的煤泥顆粒進(jìn)行吸附。使用離子度30%～60%和70%～80%的CPAM 時(shí)，隨著用量的增加，CPAM 對(duì)荷負(fù)電的煤泥顆粒的吸附率變高，澄清區(qū)濁度逐漸降低。在用量為12 g/m3時(shí)，使用離子度70%～80%比離子度30%～60%的CPAM澄清區(qū)濁度較高，原因是離子度為70%～80%的CPAM 離子度高，分子鏈的鏈長(zhǎng)變短，分子鏈上正電基團(tuán)密集，鏈上的多個(gè)正電基團(tuán)與同一荷負(fù)電煤泥顆粒吸附形成包裹，部分煤泥顆粒未被吸附形成絮團(tuán)，電荷利用效率低，影響CPAM 同煤泥顆粒間的架橋作用[33]。當(dāng)使用離子度70%～80%的CPAM，用量大于24 g/m3時(shí)，澄清區(qū)濁度低于相同用量下使用離子度30%～60%的CPAM 的濁度，隨藥劑用量增加荷正電基團(tuán)數(shù)量增加，對(duì)荷負(fù)電的煤泥顆粒吸附作用加強(qiáng)，濁度降低。

2.3 離子度對(duì)沉降速度的影響

圖4 所示為離子度對(duì)煤泥水沉降速度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：離子度30%～60%和離子度70%～80%的CPAM 對(duì)煤泥水沉降速度影響大，使用離子度5%和離子度10%～20%的CPAM 在相同沉降時(shí)間下煤泥水基本未沉降。與使用離子度70%～80%的CPAM 相比，使用離子度30%～60%的CPAM 時(shí)的沉降速度大，并且隨著用量的增加沉降速度先增加后減小最終逐漸平緩。

圖4 離子度對(duì)沉降速度的影響Fig.4 Influence of ionic degree on settling velocity

沉降速度主要與絮團(tuán)的大小和密實(shí)程度有關(guān)。離子度對(duì)煤泥水沉降過(guò)程中絮團(tuán)的形成有很大影響。如圖5 所示，不同離子度CPAM 分子鏈上正電基團(tuán)的數(shù)量和分子鏈的長(zhǎng)度不同，離子度越大鏈長(zhǎng)越短，其正電基團(tuán)的利用效率降低。當(dāng)離子度較低時(shí)，CPAM 分子鏈與煤泥顆粒之間的靜電吸附和架橋作用弱，無(wú)法形成大絮團(tuán)進(jìn)行沉降。當(dāng)離子度為30%～60%時(shí)，CPAM 與煤泥顆粒之間的靜電吸附和架橋作用明顯加強(qiáng)，分子鏈上吸附大量的荷負(fù)電的煤泥顆粒形成大而密實(shí)的絮團(tuán)，煤泥水沉降速度快；當(dāng)離子度為70%～80%時(shí)，分子鏈上的多個(gè)正電基團(tuán)與煤泥顆粒表面吸附，分子鏈對(duì)煤泥顆粒形成包裹，形成的絮團(tuán)小，沉降速度慢，在用量較小時(shí)，澄清區(qū)濁度高（圖5）。

圖5 不同離子度CPAM 與煤泥顆粒的作用Fig.5 Effects of CPAM with different ionic degrees on coal slime particles

2.4 離子度對(duì)壓縮區(qū)厚度的影響

每次沉降試驗(yàn)開(kāi)始1 h 后，測(cè)量壓縮區(qū)厚度。圖6 所示為不同離子度CPAM 隨用量增加對(duì)沉降壓縮區(qū)厚度的影響。使用離子度5%和離子度10%～20%的CPAM 時(shí)，煤泥水未發(fā)生明顯沉降，設(shè)壓縮區(qū)厚度為沉降起始高度210 mm。隨著用量的增加，離子度30%～60%和離子度70%～80%的CPAM 使煤泥水沉降壓縮區(qū)厚度逐漸變厚，在相同用量下，使用離子度30%～60%的CPAM 的壓縮區(qū)薄。

圖6 離子度對(duì)壓縮區(qū)厚度的影響Fig.6 Influence of ionic degree on thickness of compression zone

煤泥水沉降壓縮區(qū)的厚度與絮團(tuán)的性質(zhì)有緊密的關(guān)系，絮團(tuán)大而密實(shí)，壓縮區(qū)薄，絮團(tuán)小而疏松，壓縮區(qū)厚。當(dāng)離子度過(guò)大或CPAM 用量增加時(shí)，壓縮區(qū)厚度明顯變厚，一方面是不同離子度的CPAM 對(duì)煤泥水形成的絮團(tuán)大小和疏松程度不同造成的，另一方面則是離子度增大或CPAM 用量增加時(shí)，分子鏈上的正電荷未飽和，絮團(tuán)與絮團(tuán)之間仍存在靜電斥力，壓縮區(qū)無(wú)法壓實(shí)。

2.5 離子度對(duì)煤泥顆粒Zeta 電位的影響

為使Zeta 電位測(cè)量更加具有科學(xué)性，測(cè)試了溶液的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率較大為3 020～3 060 μs/cm，且隨藥劑種類和用量無(wú)明顯規(guī)律。圖7 所示為不同離子度CPAM 隨著用量變化對(duì)煤泥顆粒表面Zeta 電位的影響。從圖7 可以看出，隨著CPAM 用量的增加，煤泥顆粒表面的Zeta 電位均為負(fù)值，且其絕對(duì)值均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在CPAM 用量相同時(shí)隨著CPAM離子度的增加，進(jìn)入煤泥水中的帶正電基團(tuán)數(shù)量增加，對(duì)煤泥顆粒表面Zeta 電位的影響：離子度70%～80%＞離子度30%～60%＞離子度10%～20%＞離子度5%。

圖7 離子度對(duì)煤泥顆粒表面Zeta 電位的影響Fig.7 Influence of ionic degree on Zeta potential on the surface of coal slime particles

離子度對(duì)煤泥顆粒表面的Zeta 電位有顯著的影響。隨著離子度和用量的增加，煤泥顆粒表面的Zeta 電位逐漸降低。CPAM 加入后通過(guò)“電性中和”及“吸附架橋作用”與煤泥顆粒表面相互作用，降低顆粒表面Zeta 電位。CPAM 的離子度和用量越大，藥劑在煤泥顆粒表面吸附量增多，降低煤泥顆粒表面負(fù)電性效果越好，煤泥水沉降澄清區(qū)濁度越低。

2.6 離子度對(duì)煤泥水沉降動(dòng)力學(xué)的影響

圖8 反映了用量為36 g/m3時(shí)使用不同離子度CPAM 的煤泥水沉降速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。隨著沉降時(shí)間的增加，使用離子度5%和離子度10%～20%的CPAM，煤泥水沉降速度基本未發(fā)生變化，離子度30%～60%的CPAM 使煤泥水的沉降速度先快速增大后快速減小后減小趨勢(shì)變緩。在沉降的前40 s，使用離子度為30%～60%的CPAM 煤泥水沉降速度大于其他3 種離子度CPAM 的沉降速度。

圖8 不同離子度下煤泥水沉降速度隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of settling velocity of coal slime water with time under different ionic degrees

如圖9 所示，反映了用量為36 g/m3時(shí)使用不同離子度CPAM 不同時(shí)間段的煤泥水沉降加速度變化。離子度5%和離子度10%～20%的CPAM 對(duì)煤泥水沉降影響較小，加速度變化不明顯。離子度為30%～60%的CPAM 的沉降加速度變化較大，加速度先正后負(fù)。離子度70%～80%的CPAM 的沉降加速度變化較小，加速度同樣為先正后負(fù)后趨于零。

圖9 不同離子度下煤泥水沉降加速度的變化Fig.9 Variation of settling acceleration of coal slime water under different ionic degrees

沉降動(dòng)力學(xué)研究分析表明[34-36]：不同離子度的CPAM 對(duì)煤泥水沉降過(guò)程中的沉降動(dòng)力學(xué)影響不同。離子度較小時(shí)，CPAM 長(zhǎng)鏈上的正電基團(tuán)數(shù)量少，吸附作用弱，架橋作用不明顯，無(wú)法形成大絮團(tuán)進(jìn)行沉降。如圖10 所示，當(dāng)離子度為30%～60%時(shí)，沉降初期，煤泥水沉降主要為由架橋作用形成的絮團(tuán)沉降且絮團(tuán)逐漸變大，重力與浮力等阻力的合力向下，絮團(tuán)加速向下沉降；隨著沉降的進(jìn)行，藥劑對(duì)煤泥水的沉降作用主要為網(wǎng)捕卷掃，CPAM 分子鏈上未吸附煤泥顆粒的位點(diǎn)對(duì)煤泥水中未形成絮團(tuán)的煤泥顆粒網(wǎng)捕，藥劑與煤泥形成的絮團(tuán)大且結(jié)構(gòu)疏松，重力與浮力等阻力的合力向上，加速度變?yōu)樨?fù)值；最終隨著網(wǎng)捕卷掃絮團(tuán)的質(zhì)量和體積的變化，合力趨于0，煤泥水沉降接近勻速。因網(wǎng)捕卷掃絮團(tuán)與架橋吸附絮團(tuán)的沉降速度差異，導(dǎo)致網(wǎng)捕卷掃作用沉降柱頂部更加明顯。當(dāng)使用離子度70%～80%的CPAM時(shí)，存在分子鏈對(duì)煤泥顆粒包裹的現(xiàn)象，正電基團(tuán)利用效率低，形成的絮團(tuán)小，煤泥水沉降速度較慢，沉降加速度的變化規(guī)律與使用離子度30%～60%時(shí)一致。

圖10 CPAM 作用下煤泥水沉降過(guò)程示意Fig.10 Diagram of coal slime water settlement process under CPAM

2.7 離子度對(duì)煤泥水動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的影響

Turbiscan lab 穩(wěn)定性分析儀根據(jù)多重散射光原理進(jìn)行測(cè)試[37]，透射光強(qiáng)度T 和背散射光強(qiáng)度BS 與顆粒濃度、顆粒粒徑等相關(guān)。通過(guò)測(cè)試透射光強(qiáng)度與背散射光強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化，可分析煤泥水中顆粒隨時(shí)間的遷移規(guī)律，穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)( TSI) 可以定量表征分散體系的穩(wěn)定性，TSI 越大體系越不穩(wěn)定[38]。

如圖11 所示，反映了離子度對(duì)不同區(qū)域不同時(shí)間下的煤泥水TSI 值的影響。圖11d 反映了整體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化。相同時(shí)間下，煤泥水整體穩(wěn)定性關(guān)系為：離子度30%～60%的TSI 值＞離子度70%～80%的TSI 值＞離子度10%～20%的TSI值＞離子度5%的TSI 值。

圖11 離子度對(duì)煤泥水動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性指數(shù)TSI 的影響Fig.11 Influence of ionic degree on TSI of coal slime hydrodynamic stability index

圖11a、圖11b 和圖11c 分別反映了樣品瓶頂部、中部和底部的的煤泥水穩(wěn)定性變化，可以看出煤泥水穩(wěn)定性的變化主要發(fā)生在樣品瓶的頂部和中部，底部的TSI 值很小，底部的煤泥水穩(wěn)定。對(duì)比圖11a和圖11b，在樣品瓶頂部：離子度70%～80%的TSI值＞離子度30%～60%的TSI 值，樣品瓶中部：離子度30%～60%的TSI 值＞離子度70%～80%的TSI 值。

圖12 和圖13 為離子度對(duì)不同靜置時(shí)間下的ΔBS（背散射光強(qiáng)變化值）和ΔT（透射光強(qiáng)變化值）的影響，離子度5%和離子度10%～20%的CPAM 的ΔBS 和 ΔT與未添加藥劑時(shí)接近。陽(yáng)離子度較小時(shí)，對(duì)高泥化煤泥水的穩(wěn)定性影響較小。

圖12 離子度對(duì)煤泥水背散射光強(qiáng)變化值ΔBS 的影響Fig.12 Influence of ionic degree on backscattered light flux ΔBS of coal slime water

圖13 離子度對(duì)煤泥水透射光強(qiáng)變化值ΔT 的影響Fig.13 Influence of ionic degree on transmitted light flux ΔT of coal slime water

圖14 所示為不同離子度CPAM 對(duì)7 min 內(nèi)煤泥水不同區(qū)域的粒子遷移速率變化，樣品瓶頂部：離子度為70%～80%粒子遷移速率＞離子度30%～60%的粒子遷移速率，而在樣品瓶中部：離子度為30%～60%的粒子遷移速率＞離子度70%～80%的粒子遷移速率。

圖14 7 min 內(nèi)不同區(qū)域的粒子遷移速率變化Fig.14 Changes of particle migration rates in different regions within 7 min

離子度對(duì)煤泥水動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性研究表明：CPAM 的離子度對(duì)煤泥水的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和沉降特性的影響基本一致，當(dāng)離子度較低時(shí)，對(duì)煤泥水的穩(wěn)定性影響小。當(dāng)離子度為30%～60%和70%～80%時(shí)，煤泥水整體的TSI 指數(shù)大，煤泥水性質(zhì)變得不穩(wěn)定易沉降，且離子度30%～60%的CPAM 對(duì)煤泥水的TSI 值大，更加適合作為煤泥水沉降的藥劑。使用離子度為30%～60%和70%～80%的CPAM 時(shí)，在頂部和中部存在區(qū)域性差異，原因是在樣品瓶的不同區(qū)域粒子遷移速率不同。離子度30%～60%的CPAM 易使中部的煤泥水失穩(wěn)沉降，離子度70%～80%的CPAM 易使頂部的煤泥水失穩(wěn)沉降。

3 結(jié) 論

1）李家壕煤泥水中細(xì)顆粒含量高并且含有易泥化、表面負(fù)電性強(qiáng)的高嶺石顆粒，是典型的難沉降煤泥水。離子度為30%～60%的CPAM 對(duì)李家壕煤泥水沉降效果和穩(wěn)定性的影響最為顯著，在用量為36 g/m3時(shí)沉降效果最好，煤泥水的沉降速度快、濁度低、壓縮區(qū)厚度薄。

2）CPAM 分子鏈的側(cè)鏈上含有帶正電的活性基團(tuán)，可以與帶負(fù)電的煤泥顆粒表面發(fā)生靜電吸附。藥劑用量充足情況下，離子度越高，對(duì)荷負(fù)電煤泥顆粒的靜電吸附作用越強(qiáng)，顆粒表面Zeta 電位值越小，澄清區(qū)濁度越低。

3）CPAM 的離子度影響煤泥水沉降過(guò)程中絮團(tuán)的形成。離子度較低時(shí)，CPAM 對(duì)煤泥顆粒的吸附作用弱，煤泥水性質(zhì)穩(wěn)定，沉降行為不明顯。當(dāng)離子度為30%～60%時(shí)，CPAM 與煤泥顆粒靜電吸附和架橋作用加強(qiáng)，形成的絮團(tuán)大而密實(shí)，煤泥水的穩(wěn)定性變差，煤泥水沉降速度快，壓縮層薄。離子度為70%～80%時(shí)，靜電吸附作用進(jìn)一步加強(qiáng)，但正電基團(tuán)利用效率降低，形成的絮團(tuán)小，沉降速度慢，壓縮區(qū)厚。

4）CPAM 對(duì)煤泥水沉降的作用機(jī)理表現(xiàn)為煤泥顆粒表面電中和、架橋作用以及網(wǎng)捕卷掃。離子度較低時(shí)，顆粒表面電中和、架橋作用和網(wǎng)捕卷掃能力弱。離子度為30%～60%的CPAM 對(duì)顆粒表面電中和能力較強(qiáng)，架橋和網(wǎng)捕卷掃能力強(qiáng)。離子度為70%～80%的CPAM 對(duì)煤泥顆粒表面電中和能力強(qiáng)，架橋和網(wǎng)捕卷掃能力較弱。