高浓度煤泥水的沉降

邢 家 宁，　邢 春 永，　孟 繁 生

( 1.铁岭东兴水处理剂有限公司， 辽宁 铁岭　112001；2.辽宁地质工程职业学院 环境与生态系， 辽宁 丹东　118008 )



高浓度煤泥水的沉降

邢 家 宁1，邢 春 永1，孟 繁 生2

( 1.铁岭东兴水处理剂有限公司， 辽宁 铁岭112001；2.辽宁地质工程职业学院 环境与生态系， 辽宁 丹东118008 )

摘要:采用CaCl2、阳离子淀粉为絮凝剂，以聚丙烯酰胺为助凝剂，选取某选煤厂煤泥水样值悬浮固体(SS)69.1 g/L、pH 7.8、黏度0.042 Pa·s、溶解性固体0.92 g/L、浊度54 000 NTU的高浓度煤泥水进行沉降实验研究。通过3种物质的水溶液在煤泥水中与煤泥微粒的共同作用，使微粒絮凝沉降，煤泥水得到澄清。结果证明，在每立方米煤泥水中加入CaCl2 80 g、阳离子淀粉15 g及聚丙烯酰胺助凝剂12 g，选取正确的工艺方法便可得到浊度小于30 NTU的净化煤泥水。

关键词:煤泥水；混凝剂；浊度

0引言

煤泥水系统是选煤厂实现洗水闭路循环，确保清水洗煤的关键环节。高泥质原煤洗选所产生的煤泥水悬浮物浓度高、颗粒细小，表面带有较强的负电荷，是一种稳定的胶体形态，难以处理。目前，在生产实践中，添加絮凝剂或凝聚剂是最主要、最有效的技术措施，其中试剂种类及用量多少与煤泥水的性质有密切关系。本文对高浓度煤泥水进行处理，采用了氯化钙、阳离子淀粉和聚丙烯酰胺(PAM)混配，得到了较好的处理效果。

1试验

1.1煤泥水

选取某选煤厂高浓度煤泥水样进行试验，煤泥水主要性质：悬浮固体(SS)69.1 g/L，pH 7.8，黏度0.042 Pa·s，溶解性固体0.92 g/L，浊度54 000 NTU。

煤泥水的颗粒粒度分布如表1所示。由煤泥水性质和表1可知，厂煤泥水样品中SS、浊度等数值都很高，是典型的高浓度煤泥水，同时粒度小于0.045 mm的细粒煤泥占52%，需要借助化学药剂才能实现良好的沉降效果。

表1　煤泥水中颗粒的粒度分布

1.2试验方法

1.2.1试验原理

煤泥水除了含有煤的微粒之外，还含有大量的黏土矿物及少量的方解石、滑石、白云石等氧化物，氯化物，碳酸盐和硫酸盐矿物，难以自身沉降，需使用化学药剂进行混凝并沉降。

混凝的作用机理是凝聚和絮凝[1]。凝聚是克服微粒间的静电排斥力，由范德华力引起微粒相互聚结变大的过程，而絮凝是使微粒进一步聚结变大。通过选择合适的絮凝剂，使煤泥水中的各种颗粒脱稳，然后聚集在一起。当颗粒聚集使体积达到一定程度时，便从水中沉降并实现固液两相的分离。

1.2.2混凝剂的选择

在煤泥水的沉降实验研究中可使用的药剂很多[2]，常用的无机混凝剂有明矾、硫酸铝、氯化钙、聚合硫酸铁、聚合氯化铝等，通常无机混凝剂分子量较小，水中溶解快。有机高分子化合物混凝剂分为合成和天然高分子混凝剂，常用的有聚丙烯酰胺、变性淀粉、聚环氧乙烷等，与无机混凝剂比较，其分子质量大，溶解速度慢，价格比较高。根据经济性、实用性原则并按照离子平衡原则，采用氯化钙、阳离子淀粉、聚丙烯酰胺3种试剂进行混凝实验。

阳离子淀粉，山东桓台县锦湖变性淀粉厂；无水氯化钙，工业级；聚丙烯酰胺，化学纯。

1.2.3絮凝剂水溶液的配制方法

氯化钙溶液：10%氯化钙水溶液。

阳离子淀粉溶液：取1份阳离子淀粉，加入19份去离子水，搅拌均匀，加热至90～95 ℃至完全糊化为止，冷却后即得到5%的阳离子淀粉糊。

PAM溶液：100 mL去离子水，在不断搅拌条件下流加0.1 g PAM干粉，待颗粒完全溶解为止，得到0.1%的聚丙烯酰胺溶液。

1.2.4絮凝试验与浊度的检测

将搅拌均匀的煤泥水取样500 mL，置于1 000 mL 烧杯中，加入事先计算好的絮凝剂溶液，搅拌2 min，然后沉降10 min，取上清液，按文献[3]水中浊度的测定，使用722分光光度计测定煤泥水上清液的浊度，得到数据(NTU)。

2结果与讨论

2.1氯化钙与阳离子淀粉

煤泥水是悬浮液、电解质和胶体组成的混合物质，悬浮物主要是细小的煤粒和黏土类微粒。这些微粒在水中悬浮使水体的透光度减弱，是高浊度的根源。

一般认为，水质硬度(即Ca2+或Mg2+的浓度)是影响煤泥水沉降特性的一个关键因素[1]。水质硬度越低，煤泥水越难澄清。原因是煤泥水中含有大量的SiO2和Al2O3，这两种物质在水溶液中形成带负电荷的胶体，在水中形成一层水化膜，能阻止颗粒与颗粒的接触，从而形成稳定的胶体形态[4]，难以自身沉降。煤泥水中难澄清的物质是高浓度的细颗粒，主要是黏土颗粒。按照双电层模型[5]，Ca2+或Mg2+能够吸附在晶格的表面，使得黏土颗粒聚集，煤泥水可以得到一定程度的澄清。

从另一个角度来看，高浓度煤泥水的电导率比较低[6]，说明煤泥水溶液中总的离子强度不是很高。难沉降细粒煤泥水是一个比较稳定的胶体体系，煤泥颗粒表面带有负电荷，阻止了煤泥颗粒间的相互碰撞而聚集，从而使得煤泥水不易沉降。

向煤泥水中投加带有阳离子Ca2+的CaCl2和阳离子淀粉后，由于提供了带正电的物质，压缩了带负电荷的胶体的双电层，减小了相同固体颗粒之间的相互排斥作用，破坏了胶体的稳定性，使煤泥颗粒发生了凝聚。

如果是粗颗粒含量多的煤泥水，只要单独加入一种试剂就可以保证煤泥水达到闭路循环的要求。但是从表2看出，单独使用CaCl2或单独使用阳离子淀粉时，煤泥水的浊度都有一个大幅度的下降，但絮凝效果仍不够理想，当把两种絮凝剂混合使用时，其混合液对煤泥水的处理有一定的优势。选择每立方米煤泥水加入CaCl280 g和阳离子淀粉15 g可以得到浊度较低的煤泥水，效果良好。

表2　不同试剂添加量对煤泥水的絮凝效果

2.2聚丙烯酰胺的影响

在高浓度煤泥水的处理中，当单独使用聚丙烯酰胺时，絮凝沉降速度快，但上清液的浊度仍然很高。原因是聚丙烯酰胺分子链虽然较长，而仅通过吸附煤泥微粒达到絮凝的效果毕竟有限。本文研究是在使用固定比例的CaCl2和阳离子淀粉的前提下，选择聚丙烯酰胺作为助凝剂，以达到更好的混凝效果[7]。

使用高分子絮凝剂作为助凝剂的机理，目前较为公认的是吸附架桥机理。在助凝剂加入煤泥水之前，氯化钙和阳离子淀粉已经与煤泥微粒进行作用，使得微粒凝结成细小的絮体。当助凝剂聚丙烯酰胺投加于煤泥水中之后，助凝剂分子和细小的絮体相接触，其分子链上的活性基团与细粒絮体产生吸附作用，通过这些长链分子把很多个絮体颗粒连在一起，产生架桥作用，并进一步结合成大的絮团。较大的絮团在重力作用下从水中沉淀出来，达到了澄清的目的。

不同添加量的聚丙烯酰胺对煤泥水的沉降影响如图1所示。

图1　PAM加入量对煤泥水的影响

从图1可以看出，加入适当的PAM后，煤泥水的浊度是逐渐降低后趋于平稳，有明显的效果。

PAM的加入量与煤泥水的性质有关，过多的加入不能进一步降低浊度，反而会使浊度回升，原因是过量的PAM对煤泥颗粒起到了一定的分散作用，不利于煤泥颗粒的沉降。

单从数据来看，PAM的加入使浊度降低的幅度并不大，然而混凝现象看，加入PAM之后，煤泥水中的絮团明显增大，沉降速度加快，说明PAM是很好的混凝助剂。

2.3试剂添加顺序

因为细粒煤泥表面带有负电，颗粒之间存在静电斥力，故应先加带有正电荷的凝聚剂以中和其表面负电荷，使颗粒与颗粒之间可以相互靠近，形成细粒絮体；之后再加入助凝剂。使其分子结构中的活性基团与颗粒发生作用，形成絮团。按照这种顺序，可使生成的固体沉淀物相对比较密实，对后续压滤处理有利。如果试剂添加顺序相反，PAM先与细粒煤泥作用，将不能得到好的絮凝效果。

合理的操作方法是，将絮凝剂氯化钙溶液和阳离子淀粉溶液混合后，加入煤泥水中，搅拌2 min，待其混合溶解后再加入聚丙烯酰胺水溶液，继续搅拌2 min，然后沉降10 min，便得到净化的可以循环使用的清洁煤泥水。

3结论

通过研究发现使用氯化钙、阳离子淀粉的混合溶液与聚丙烯酰胺水溶液混配使用，对处理高浓度煤泥水有比较好的混凝和沉降效果，高浓度煤泥水中三者的合适加入量分别为80、15和12 g/m3。

在处理高浓度煤泥水的操作过程中，混凝操作的步骤是先加入氯化钙和阳离子淀粉，后加入聚丙烯酰胺。

参考文献:

[1] 马永梅.煤泥水处理方法的研究[J].煤炭科学技术,2007,35(5):80-83.

[2] 张明青,曾艳,刘炯天.选煤厂煤泥水澄清处理技术研究进展[J].能源环境保护,2010,24(1):16-19.

[3] 崔执应.水分析化学[M].北京:北京大学出版社,2006.

[4] 纪鸿,刘文丽,管大元,等.煤泥水处理技术研究现状探析[J].煤质技术,2013(5):63-66.

[5] 刘炯天,张明青,张淑娟,等.煤泥水的沉降特性与水质硬度[EB/OL].[2014-03-10].http://xueshu.baidu.com/s?wd=paperuri%3A%28ab4012ac-487d56f6a127744b4212e88d%29&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshusource_2kduw22v&sc_vurl=http%3A%2F%2Fd.wanfangdata.com.cn%2FConference%2F7355931&ie=utf-8.

[6] 胡晓东.难沉降煤泥水性质研究[J].能源技术与管理,2009(2):89-90.

[7] 方立春.絮凝剂在难净化煤泥水中的应用[J].煤矿现代化,2006,71(2):49.

Settlement of high concentration coal slurry

XINGJianing1,XINGChunyong1,MENGFansheng2

( 1.Tieling Dongxing Water Treatment Agent Company Limited, Tieling 112001, China；2.Department of Environment and Ecology, Liaoning Geology Engineering Vocational College, Dandong 118008, China )

Abstract:High concentration of coal water slurry was studied using CaCl2 and cationic starch as flocculant and polyacrylamide as coagulant. The condition in sedimentation experiment of slurry coal was as follows: slurry value of suspended solids (SS) 69.1 g/L, pH 7.8, viscosity 0.042 Pa·s, dissolved solids 0.92 g/L, turbidity 54 000 NTU. The interaction of coal water slurry with slime particle in three kinds of material was made for particle flocculation sedimentation and the coal water slurry was clarified. Results showed that the turbidity of coal water slurry could be lowed less than 30 (NTU) when 80 g CaCl2 15 g cationic starch and 12 g polyacrylamide flocculant were added in one cubic meter of coal water slurry.

Key words:coal water slurry; coagulant; turbidity

中图分类号:TD926

文献标志码:A

作者简介:邢家宁(1990-)，男;通信作者：孟繁生(1961-),男，教授.

收稿日期:2014-10-17.

文章编号:1674-1404(2016)02-0101-03