張錦龍，崔家畫

(1.國能包頭能源有限責(zé)任公司煤炭洗選中心 李家壕選煤廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

煤泥水是煤炭洗選加工過程中產(chǎn)生的工業(yè)污水，直接外排不僅會對環(huán)境造成污染，同時也會導(dǎo)致水資源和煤炭資源的浪費，因此選煤廠洗水要進行閉路循環(huán)[1]。煤泥水處理是選煤廠問題最多、最難解決的工藝環(huán)節(jié)，其工作效果的好壞直接影響其他作業(yè)的效果[2]。隨著采煤機械化的發(fā)展，開采出的原煤質(zhì)量下降，矸石含量增大，矸石中不乏粘土類礦物，如高嶺石、蒙脫石和伊利石等[3，4]。這類礦物在煤炭洗選過程中易泥化為極細(xì)的顆粒，并且這些顆粒在水中呈現(xiàn)出分散性好、高負(fù)電性等性質(zhì)[5]，不易自發(fā)凝聚進行沉降。

目前，選煤廠多添加絮凝劑和凝聚劑加速煤泥水沉降濃縮。絮凝劑多使用聚丙烯酰胺，凝聚劑使用聚合氯化鋁[6]。但是聚丙烯酰胺根據(jù)其離子特性可分為陽離子型(CPAM)、陰離子型(APAM)和非離子型(NPAM)，不同類型的聚丙烯酰胺對煤泥水的作用效果不同[7]。文章以李家壕選煤廠難沉降煤泥水作為研究對象，分析李家壕煤泥水難沉降的原因，并使用不同類型的聚丙烯酰胺作為絮凝劑和不同鹽類作為凝聚劑進行沉降試驗研究。

1 難沉降原因分析

1.1 粘土礦物高嶺石的影響

圖1所示為李家壕選煤廠煤泥顆粒的XRD測試圖譜。

煤泥中的礦物組成主要是高嶺石和石英(圖1)。高嶺石為層狀硅酸鹽礦物，其結(jié)構(gòu)單元層由一硅氧四面體和一鋁氧八面體組成，遇水極易泥化分散為細(xì)顆粒。高嶺石和石英顆粒在水中表面負(fù)電性強，煤泥水中顆粒表面帶相同性質(zhì)的電荷，顆粒間的靜電斥力使得顆粒難以聚團沉降，導(dǎo)致煤泥水沉降困難[8-12]。

1.2 煤泥顆粒粒度的影響

表1所示為李家壕煤泥樣品的粒度組成。從表1看出，小于0.045 mm粒級的產(chǎn)率為77.10%，小于0.074 mm粒級的產(chǎn)率為86.34%，并且隨著粒度變細(xì)，煤泥灰分顯著增加，結(jié)合煤泥的礦物組成可知高嶺石發(fā)生了泥化。

圖1 煤泥XRD測試圖譜

圖2所示為李家壕煤泥中小于0.074 mm粒級顆粒的激光粒度組成，其中小于0.010 mm粒級的顆粒含量約為40%，細(xì)顆粒含量極高。顆粒在自由沉降條件下滿足Stokes定律，顆粒粒度越細(xì)，沉降速度越慢[13-15]。

李家壕煤泥水細(xì)顆粒含量高，這部分細(xì)顆粒不易自發(fā)沉降，同時，因煤泥中顆粒表面帶電，也不易自發(fā)凝聚形成絮團沉降。

表1 煤泥粒度組成

圖2 -0.074 mm煤泥激光粒度組成

2 試 驗

2.1 試驗材料

(1)試驗樣品：試驗用煤泥水樣品來自李家壕選煤廠濃縮機入料煤泥水，煤泥灰分為26.36%，煤泥水濃度為13.07 g/L。

(2)試驗藥劑：① 絮凝劑，分別使用分子量為1 000萬、1 200萬和1 600萬的陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)，分子量為1 000萬、1 400萬和1 800萬的非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)，離子度為10%～20%、30%～60%和70%～80%的陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)作為絮凝劑，配置藥劑濃度0.1%。② 凝聚劑，分別使用氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋁、氯化鐵和聚合氯化鋁作為凝聚劑，配置藥劑濃度為1%。

2.2 試驗方法

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

Zeta電位測試：采用Zetasizer Nano ZS90電位儀對不同離子度條件下的懸浮液進行Zeta電位測量。每個樣品循環(huán)測3次，結(jié)果取平均值。

2.3 試驗儀器

英國馬爾文公司生產(chǎn)的Zetasizer Nano ZS90納米粒度和Zeta電位儀和上海雷磁WZS-186濁度計等，250 mL沉降柱和秒表等。

3 結(jié)果與討論

3.1 絮凝劑種類和用量對煤泥水沉降的影響

不同分子量的APAM和NPAM以及不同離子度CPAM為煤泥水沉降絮凝劑，添加量分別為0.6 g/m3、1.2 g/m3、2.4 g/m3、3.6 g/m3、4.8 g/m3和7.2 g/m3進行煤泥水沉降試驗，添加藥劑后沉降柱上下翻轉(zhuǎn)10次，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3中(a)、(b)看出，添加陰離子型聚丙烯酰胺的煤泥水沉降速度為零，煤泥水沉降后濁度變化較小，煤泥水基本未發(fā)生沉降；添加CPAM和NPAM，隨著用量的增加，煤泥水沉降速度逐漸變快，沉降后濁度呈下降趨勢；使用CPAM作為絮凝劑，在添加量較小時沉降速度慢、澄清區(qū)濁度較高，沉降效果不佳；相同用量下，添加NPAM的沉降速度大于添加CPAM的沉降速度大于添加APAM的沉降速度，添加的NPAM分子量越高，沉降速度越快，濁度也越低。

試驗結(jié)果表明：聚丙烯酰胺種類和用量對煤泥水沉降效果有顯著的影響。如圖3(c)反映了不同類型聚丙烯酰胺在不同用量下的煤泥水沉降后Zeta電位變化。煤泥顆粒表面帶負(fù)電且電位值較高，而APAM的分子鏈上的活性基團帶負(fù)電，與帶負(fù)電的煤泥顆粒有排斥力，煤泥顆粒不易與APAM發(fā)生吸附形成絮團進行沉降。CPAM能有效降低煤泥顆粒的Zeta電位值，CPAM分子鏈含有帶正電的活性基團，容易與表面帶負(fù)電的煤泥顆粒表面發(fā)生吸附，在架橋作用下形成絮團進而沉降。CPAM的離子度越高，分子鏈中帶正電基團的數(shù)量越多，易對煤泥顆粒形成包裹，同時鏈長變短，形成的絮團較小，影響煤泥水的沉降。NPAM 能夠降低煤泥顆粒表面的Zeta電位值，可以與帶負(fù)電的煤泥顆粒發(fā)生吸附，在架橋作用下形成大絮團進行沉降，煤泥水沉降速度快，澄清區(qū)濁度較低。

圖3 絮凝劑種類和用量對煤泥水沉降的影響

3.2 凝聚劑種類和用量對煤泥水沉降的影響

分別添加氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鐵、氯化鋁和聚合氯化鋁作為凝聚劑，添加量分別為6 g/m3、12 g/m3、24 g/m3、36 g/m3、48 g/m3、72 g/m3，添加凝聚劑后將沉降柱上下翻轉(zhuǎn)10次，然后添加用量為2.4 g/m3的1 800萬分子量的NPAM作為絮凝劑并上下翻轉(zhuǎn)10次，試驗結(jié)果如圖4所示。

如圖4(a)和圖4(b)所示，添加凝聚劑后，較不添加凝聚劑時煤泥水沉降速度變快，沉降后濁度隨著用量增加呈現(xiàn)下降趨勢。添加的凝聚劑為氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、氯化鐵和氯化鋁時，煤泥水沉降后的濁度較高，添加聚合氯化鋁時煤泥水沉降后濁度較低。

圖4中(a)和(b)看出，添加凝聚劑后，較不添加凝聚劑時煤泥水沉降速度變快，沉降后濁度隨著用量增加呈現(xiàn)下降趨勢。添加的凝聚劑為氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、氯化鐵和氯化鋁時，煤泥水沉降后的濁度較高，添加聚合氯化鋁時煤泥水沉降后濁度較低。

圖4 凝聚劑種類和用量對煤泥水沉降的影響

試驗結(jié)果表明：凝聚劑種類和用量是影響煤泥水沉降效果的重要因素。作為凝聚劑的金屬陽離子鹽的陽離子價態(tài)越高，對煤泥水沉降后濁度的影響越大。如圖4(c)所示，Na+、K+、Mg2+、Al3+、Fe3+等離子的價態(tài)越高，降低Zeta電位的效果越明顯。凝聚劑能壓縮顆粒表面的雙電層，減小顆粒間的斥力，可以使顆粒發(fā)生凝聚形成凝聚體，在絮凝劑的作用下，加速煤泥顆粒的沉降。與氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鐵和氯化鋁相比，聚合氯化鋁作為凝聚劑時煤泥水沉降效果較好，沉降速度快，澄清區(qū)濁度低，并能更加顯著地降低煤泥顆粒的Zeta電位。

3.3 藥劑混合對煤泥水沉降的影響

藥劑與煤泥水的混合影響著煤泥水的沉降效果，先添加用量為12 g/m3的聚合氯化鋁作為凝聚劑，將沉降柱上下分別翻轉(zhuǎn)0次、5次、10次、15次、20次、25次，然后添加用量為2.4 g/m3分子量為1 800萬的NPAM作為絮凝劑，再次將沉降柱上下分別翻轉(zhuǎn)0次、5次、10次、15次、20次、25次，以翻轉(zhuǎn)次數(shù)確定煤泥水和藥劑的不同混合時間，翻轉(zhuǎn)時氣泡從沉降柱底部完全浮到頂部時為1次翻轉(zhuǎn)。試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)次數(shù)對煤泥水沉降的影響

從圖5看出，隨著翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，煤泥水沉降后的濁度先快速減小后趨于平緩，煤泥水的沉降速度先快速增大后逐漸減小。煤泥水要想獲得好的沉降效果，必須要將煤泥水和藥劑進行一定程度的混勻?；旌蠒r間太短，煤泥水和藥劑未混合均勻，煤泥水沉降速度慢，沉降后澄清區(qū)濁度高?；旌蠒r間過長，煤泥水和藥劑進行了充分的混合，但在翻轉(zhuǎn)混合的過程中，絮團發(fā)生破碎并不再重組，絮團變小，沉降速度變慢，對煤泥水沉降不利。

4 結(jié) 語

(1)李家壕選煤廠煤泥水難沉降的主要原因是：細(xì)粒級的煤泥顆粒含量高，并且煤泥存在易泥化的高嶺石顆粒，這些顆粒粒度細(xì)、分散性好、表面負(fù)電性強，不易自發(fā)凝聚形成絮團進行沉降。

(2)高分子量的NPAM和聚合氯化鋁適合作

為李家壕選煤廠難沉降煤泥水的藥劑，組合使用煤泥水沉降速度快，沉降后澄清區(qū)濁度低。

(3)沉降過程中，煤泥水和藥劑必須進行一定程度的混合，藥劑混合不勻會導(dǎo)致沉降效果變差。