粉煤灰基无机絮凝剂絮凝效果影响因素分析

徐德永，徐 岩，康 华

(黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

粉煤灰基无机絮凝剂絮凝效果影响因素分析

徐德永，徐 岩，康 华

(黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

为探索粉煤灰基无机絮凝剂不同影响因素对煤泥水絮凝效果的影响程度，以自制絮凝剂为研究对象，通过絮凝沉降试验分析煤泥水温度、搅拌速度、搅拌时间、pH值、絮凝剂用量对其絮凝效果的影响。试验表明：搅拌速度和搅拌时间对煤泥水絮凝效果的影响最显著，其他因素影响较小；试验条件下，搅拌速度为50 r/min、搅拌时间为2 min、煤泥水温度为30 ℃、pH值为9、絮凝剂用量为1 000 mg/L时，煤泥水絮凝效果最好，浊度为150 NTU。

粉煤灰；无机絮凝剂；煤泥水；絮凝；浊度

粉煤灰是燃煤电厂粉煤燃烧后排放的固体废弃物，粒径在0.001～5 mm之间，质轻粒细，极易随风飞扬。我国每年的粉煤灰产量巨大，2013年的产量达到5.32亿t，预计2018年的产量大约为6.29亿t。目前，我国的粉煤灰主要用于筑路、烧砖、选取漂珠、改良土壤等，利用率仅为41.70%[1-2]，大部分被堆积废弃，不仅占用大量耕地，而且极易污染环境[3]。

由于粉煤灰独特的物理化学性质和低廉的价格，近年来其在水处理方面展现出新的应用前景，粉煤灰的资源化利用成为环境科学的重要研究课题[3-6]。为充分利用现有资源，节约有限的能源，以自制粉煤灰基无机絮凝剂为研究对象，通过絮凝沉降试验分析温度、搅拌速度、搅拌时间、pH值、絮凝剂用量对煤泥水絮凝效果的影响[7-10]，为其在煤泥水处理中的工业化应用提供基础数据。

1 试验

1.1 试验仪器与试剂

试验仪器包括ZH-2B恒温水浴锅、MD100-2电子天平(精度为0.000 1 g)、DZF-6020真空干燥箱、KSW-5-12A马弗炉、721N分光光度计、JB-3型恒温磁力搅拌器、PHS-3B型酸度计。试验试剂包括硫酸联氨、六次甲基四胺、盐酸、氢氧化钠、粉煤灰基无机絮凝剂(主要成分为聚硅酸铝铁)。

1.2 煤泥水性质

试验煤泥水来自七台河选煤厂,煤灰成分主要为SiO2和Al2O3。由于煤泥水中细微粒含量较高,其中的颗粒表面带有一定量的负电荷，使该煤泥水体系成为一种带负电的胶体分散体系，很难发生自然沉降。

1.3 试验方案

1.3.1 煤泥水的絮凝试验

取10 mL蒸馏水，加入一定量的粉煤灰基无机絮凝剂，快速搅拌1 min，再缓慢搅拌4 min，然后静置1 h；取上层2～3 cm处的清液，测其吸光度，计算出溶液的浊度。

1.3.2 溶液浊度的测定

(1)浊度贮备液的制备。采用孔径为0.2 μm的滤膜对蒸馏水进行过滤，并将其收集于经滤液冲洗两次的烧瓶中备用；分别称取1.00、10.00 g的硫酸联氨和六次甲基四胺，并分别配制成溶液，定容至100 mL；分别吸取5.00 mL硫酸联氨溶液和六次甲基四胺溶液，置于100 mL的容量瓶中，混合均匀；在25±3 ℃的环境中反应24 h，再用水稀释至标线，混匀后的溶液即为贮备液，浊度为400 NTU。

分别取浊度标准溶液0、0.50、1.25、2.50、5.00、10.00、12.50 mL，置于50 mL的比色管中，加水至标线，摇匀后即得浊度为0、4、10、20、40、80、l00的标准系列；在680 nm的波长下，采用3 cm的比色皿测定溶液的吸光度，并绘制标准曲线(图1)。

图1 浊度-吸光度标准曲线

(2)浊度的测定。测定浊度前应初步判断煤泥水浊度的大小，如果浊度小于100 NTU，直接取样并将其置于3 cm的比色皿中，在680 nm的波长下测定其吸光度，然后根据标准曲线查出煤泥水的浊度；如果浊度大于100 NTU，应先取一定量的煤泥水，并将其置于50 mL的比色管中稀释，再测定稀释煤泥水的吸光度，然后根据标准曲线查出稀释煤泥水的浊度；采用稀释煤泥水的浊度乘以稀释倍数，即得煤泥水的浊度。计算公式为：

式中：α为煤泥水的浊度，NTU；A为稀释煤泥水的浊度，NTU；V为稀释煤泥水的体积，mL；VO为煤泥水的体积，mL。

2 试验结果及分析

絮凝分离过程是一个复杂的物理、化学过程，影响絮凝效果的因素很多，絮凝效果不仅与絮凝剂的种类、性质、结构、用量有关，还与水溶液温度、搅拌速度、搅拌时间、pH值、絮凝剂用量等有关。在搅拌时间为2 min的条件下，研究不同因素对煤泥水絮凝效果的影响，以浊度作为煤泥水絮凝效果的评价指标。

2.1 煤泥水温度对絮凝效果的影响

煤泥水温度对絮凝反应、絮体成长、沉降分离等有重要影响，温度对煤泥水絮凝效果的影响如表1、图2所示。

表1 不同温度时的煤泥水絮凝效果

图2 温度对煤泥水絮凝效果的影响Fig.2 Effect of different temperature on coal slurry flocculantion

由表1、图2可知：煤泥水絮凝的适宜温度为30 ℃，此时浊度为248.30 NTU。当煤泥水温度在20 ℃左右时，絮凝效果明显较差；当煤泥水温度超过30 ℃时，絮凝效果逐渐变差。煤泥水温度低时，絮凝剂水解速度慢，粘度大，胶粒运动阻力大，碰撞机会较小，不利于其相互粘结，影响絮体的形成和成长；随着煤泥水温度的升高，絮凝效果得到改善，但水温超过30 ℃后，絮凝剂水解速度过快，形成的絮体大而轻，不易沉降。

2.2 pH值对絮凝效果的影响

pH值对胶体颗粒表面所带电荷的性质和大小有一定影响，因而会影响煤泥水絮凝效果。一般情况下，铝盐、铁盐等无机絮凝剂适合在碱性或中性环境中使用。不同环境中的煤泥水絮凝效果如表2、图3所示。

表2 不同pH值时的煤泥水絮凝效果

图3 pH值对煤泥水絮凝效果的影响Fig.3 Effect of different pH value on coal slurry flocculantion

由表2、图3可知：当pH值较小时，煤泥水絮凝效果很差；随着pH值的增大，煤泥水絮凝效果逐渐改善；当pH值为9时，煤泥水絮凝效果最好。由此看来，经该絮凝剂处理后的废水可直接排放，且废水pH值在7～9之间。

2.3 搅拌速度对絮凝效果的影响

为了使煤颗粒与絮凝剂充分接触，并增加煤颗粒之间的碰撞几率，在加药的同时要适当搅拌。搅拌速度选择合理，有利于提高煤泥水的絮凝效果。搅拌速度对煤泥水絮凝效果的影响如表3、图4所示。

表3 不同搅拌速度时的煤泥水絮凝效果

图4 搅拌速度对煤泥水絮凝效果的影响

由表3、图4可知：当搅拌速度为50 r/min时，煤泥水絮凝效果最好。一般而言，在絮凝剂溶解阶段，为使其快速溶解，并在水中均匀分散，搅拌速度应较快；在絮体成长阶段，搅拌速度应相应减慢。

2.4 絮凝剂用量对絮凝效果的影响

在煤泥水(pH值为8.65)中加入不同量的粉煤灰基无机絮凝剂，研究絮凝剂用量对煤泥水絮凝效果的影响，结果如表4、图5所示。

表4 不同絮凝剂用量时的煤泥水絮凝效果

图5 絮凝剂用量对煤泥水絮凝效果的影响

由表4、图5可知：随着絮凝剂用量的增加，煤泥水浊度逐渐降低，之后趋于稳定。煤泥水浊度降低是因为絮凝剂所带电荷中和了悬浮颗粒所带的电荷，使悬浮颗粒失稳、下沉；煤泥水浊度趋于稳定是因为水中悬浮颗粒所带电荷与絮凝剂所带电荷相互排斥，网捕起主导作用。

2.5 正交试验

为考查煤泥水温度、搅拌速度、搅拌时间、pH值、絮凝剂用量对煤泥水絮凝效果的综合影响，在搅拌时间为2 min的条件下对其进行正交试验，以煤泥水浊度为指标对试验结果进行评价。正交试验因素及水平表如表5所示，试验结果如表6所示。

表5 因素及水平表

表6 正交试验结果

由表6可知：搅拌速度为高显著影响因子，温度为显著影响因子，pH值为较显著影响因子，絮凝剂用量为不显著影响因子，试验因素最佳组合为C1A2B3D3；在最佳试验条件下，在搅拌速度为50 r/min、搅拌时间为2 min、温度为30 ℃、pH值为9、絮凝剂用量为1 000 mg/L时，煤泥水絮凝效果最好，浊度为150 NTU。

3 结论

通过煤泥水絮凝试验可得到如下结论：

(1)煤泥水温度较低时，絮凝剂水解速度慢，粘度大，胶粒运动阻力大，不利于絮体的形成和成长；煤泥水温度超过30 ℃时，絮凝剂水解速度过快，形成的絮体大而轻，不易沉降；由此看来，粉煤灰基无机絮凝剂絮凝时的适宜温度为30 ℃。

(2)该絮凝剂适合在碱性环境中使用，当pH值为9时煤泥水絮凝效果最好，且经其处理后的废水可直接排放，废水pH值在7～9之间。

(3)在絮凝剂溶解阶段，搅拌速度应较快，以保证其快速溶解并在水中均匀分散；在絮体成长阶段，搅拌速度应相应减慢。试验条件下，搅拌速度为50 r/min时，煤泥水絮凝效果最好。

(4)絮凝剂用量较大时，煤泥水浊度较低；继续增大絮凝剂用量，煤泥水浊度趋于稳定，此时网捕起主导作用。但絮凝剂用量不宜过大，应从药剂成本和絮凝效果两方面综合考虑。

(5)试验条件下，在搅拌速度为50 r/min、搅拌时间为2 min、温度为30 ℃、pH值为9、絮凝剂用量为1 000 mg/L时，煤泥水絮凝效果最好，浊度为150 NTU。

[1] 江学荣,林介东,莫乾凯，等.粉煤灰综合利用现状及发展方向[J].电力环境保护,2012,18(3):55-57.

[2] 张慧弟.粉煤灰基絮凝剂的制备及含酚废水的处理[D].唐山：河北理工大学，2008.

[3] 边炳鑫,解 强,赵由才.煤系固体废物资源化技术[M].北京：化学工业出版社,2013:152-156.

[4] 徐德永.粉煤灰基无机絮凝剂的研究[D].哈尔滨：黑龙江科技大学，2011.

[5] 徐 岩，徐德永，王校风. 粉煤灰基聚硅酸铝铁絮凝剂的制备[J].黑龙江科技学院学报，2010(6).

[6] 苏继成. 粉煤灰无机絮凝剂的制备与应用研究[D].天津：天津科技大学，2004.

[7] 董岁明.粉煤灰制备聚硅酸铝铁絮凝剂及对高浊水的处理研究[D].西安：长安大学，2009.

[8] 仝 坤，张以河，刘付臣，等. 粉煤灰制备聚硅酸絮凝剂的研究进展[J].工业水处理，2011(4).

[9] 戴江洪，曾青云. 粉煤灰絮凝剂的制备及其在废水处理中的应用[J].湿法冶金，2006(3).

[10] 王贤纲.粉煤灰基絮凝剂处理洗煤废水的效果及作用机制[J].湿法冶金，2011(3).

Analysis of influence factors of fly ash basis inorganic flocculant on flocculation effect

XU De-yong, XU Yan, KANG Hua

(Collage of Mineral Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin, Heilongjiang 150027, China)

To understand effect of fly ash basis inorganic flocculant on coal slurry flocculation in different influence factors, self-made flocculant is studied to analyze the effect of coal slurry temperature, stirring speed and time, pH value, dosage of floccutant on coal slurry flocculation by settlement test. The results show that stirring speed and time have the most significant effect on coal slurry flocculation, other factors have less influence; under experimental conditions, coal slurry flocculation effect can achieve the best with turbidity of 150 NTU when stirring speed is 50 r/min, stirring time is 2 min, coal slurry temperature is 30 ℃, pH value is 9 and dosage of flocculant is 1 000 mg/L.

fly ash; inorganic flocculant; coal slurry; flocculation; turbidity

1001-3571(2015)01-0005-04

TD946

A

2015-02-02

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.002

作者简历：徐德永(1976—)，男，黑龙江省海伦市人，副研究员，硕士，从事矿物加工工程专业的教学和研究。

E-mail：175870018@qq.com Tel: 18686757879