磁处理强化煤泥水絮凝沉降的实验研究

李桂春，　庄国锋，　吕玉庭

(黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)



磁处理强化煤泥水絮凝沉降的实验研究

李桂春，庄国锋，吕玉庭

(黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

为了提高煤泥水的絮凝沉降效果，首先对煤泥水进行磁场预处理，再进行絮凝沉降实验，分析澄清区高度和清液浊度的变化。结果表明：在一定范围内，煤泥水的沉降效果随着磁场强度的增大、磁处理时间的增长而提高；当HPAM用量1.5 mL、磁场强度200 mT、磁处理时间30 min时，澄清区的高度最大，清液的浊度最小。磁场对煤泥水的絮凝沉降起着一定的强化作用，该研究为煤泥水处理工艺的改进提供了参考。

煤泥水； 絮凝沉降； 磁处理； 浊度

0　引　言

煤泥水处理系统在选煤厂生产过程中有着十分重要的作用，是降低洗水浓度、实现洗水闭路循环的关键。煤泥水处理效果不但直接影响选煤厂的经济效益，而且对保护矿区环境和节约水资源也有着重要意义。

煤泥水是由悬浮液、电解质和胶体组成的混合物，属于固体颗粒粒度组成不一的多分散系统[1]。传统的煤泥水处理工艺主要通过添加絮凝剂使煤泥水中的微粒凝聚成团，最终形成较大的颗粒，从而加速煤泥水的沉降，但是这种絮凝处理工艺用药量大、处理效率低、处理成本较高、易造成药剂的二次污染[2，3]，因此，亟待开发新的处理工艺。磁处理在污水处理领域已经得到了较为广泛的应用，相关研究表明，磁处理可以使水系统发生一系列的物理化学变化，导致水的折射率、导电率、介电常数、表面张力、黏度等发生一定的改变，也可以对溶解、结晶、聚合、润湿、凝聚、凝固、沉淀过程及生物系统的代谢过程产生一定的影响[4]。研究发现，磁处理对煤泥水的絮凝沉降效果有一定的积极作用[5-7]。笔者通过煤泥水絮凝沉降实验探究磁处理对煤泥水沉降效果的强化作用。

1　实　验

1.1样品与试剂

煤泥样品：来源于七台河铁东选煤厂，配制煤泥水的质量浓度为50 g/L。

试剂：阴离子型聚丙烯酰胺(HPAM)，其相对分子量为1 200万，配置溶液的质量浓度为1 g/L。

1.2仪器与设备

实验仪器设备：沉降容器，自制的有机玻璃立方柱，其高度为300 mm，容器壁厚度为5 mm，容积为250 mL，侧面标有刻度；浊度计，北京戴美科技有限公司WQ770-B型；数字特斯拉计，韦特磁电科技有限公司WT10A型；电动搅拌器，常州智博瑞仪器制造有限公司JJ-1型；激光粒度分析仪，法国塞莱斯公司L1064型。

实验装置如图1所示。

图1　外加磁场的沉降容器

1.3方法

1.3.1煤泥水配制

称取煤泥样品1 000 g，添加2 L自来水，使用电动搅拌器搅拌2 h，使煤泥水达到均匀稳定的状态，用烘干法测得煤泥水的质量浓度，再通过加水稀释，将煤泥水的浓度调配至50 g/L。

1.3.2煤泥水絮凝沉降实验

按照GB/T 18712—2002《选煤用絮凝剂性能实验方法》进行煤泥水絮凝沉降实验。进行磁处理时，首先将永磁铁均匀对称地放置在沉降容器地两侧，然后将煤泥水添加至沉降容器之中，经过一段时间的磁处理，最后添加HPAM进行絮凝沉降实验。

1.3.3磁场强度调节与指标分析方法

磁场强度的大小主要通过更换永磁铁和调节永磁铁之间的距离来实现。煤泥水絮凝沉降速度变化主要通过澄清区的高度变化来分析，煤泥水絮凝沉降600 s后，检测澄清区的最终高度H和澄清区清液的浊度TU分析絮凝沉降的最终效果。

2　结果与分析

2.1煤泥样品的工业分析与粒度特性

对煤泥样品进行工业分析和粒度检测，结果见表1。

表1　煤泥样品的工业分析

由表1可知，实验选用的煤泥样品灰分较高。高灰煤泥通常含有大量的易泥化黏土类矿物，这些矿物容易在水中吸水膨胀，进而泥化成更细小的微粒，这就导致煤泥的粒度组成、黏度特性以及水质特征发生改变，难以沉降[8]。

通过激光粒度分析仪对煤泥样品进行粒度分析，结果显示，煤泥样品粒度小于1.98 μm的煤粒累计含量为10%，粒度小于28.24 μm的煤粒累计含量为50%，而粒度低于185.34 μm累计含量为90%。由于微细颗粒的含量较高，使得煤泥水中微粒的布朗运动更加剧烈，进而增强了煤泥水的稳定性[9]。

2.2絮凝剂用量对煤泥水沉降效果的影响

在不进行磁处理的情况下，分别取0.5、1.0、1.5、2 .0和2.5 mL 质量浓度为1 g/L的HPAM进行煤泥水的絮凝沉降实验，以确定HPAM的最佳用量。由于煤泥水絮凝沉降100 s之后，絮凝沉降过程基本完成，而且后续的沉降速度会变得非常缓慢，所以，只绘制前100 s的沉降曲线，如图2所示。在煤泥水沉降600 s后检测澄清区高度及上清液的浊度，结果如表2所示。

图2　不同HPAM用量的沉降曲线

HPAM用量/mLH/mmTU/NTU0.5235173.01.0236166.01.5237131.42.0237142.52.5236146.0

通过图2可以发现，在絮凝沉降进行的前20 s，添加1.0 mL HPAM的煤泥水的沉降速度较快，但在20 s之后，随着HPAM用量的增大，煤泥水沉降速度逐渐加快。通过表2中的数据可以发现，添加1.5 mL HPAM的煤泥水，在絮凝沉降600 s后，澄清区高度达到237 mm，上层清液的浊度降低到131.4 NTU，取得了最佳的沉降效果。

由DLVO理论可知，HPAM的添加可以压缩微粒的双电层，减小静电斥力，破坏煤泥水的稳定性，随着煤泥水中的微细颗粒凝聚成团，煤泥水的沉降速度开始加快[10]。絮凝剂用量继续增加，就会使部分带有相同电荷的絮团和絮凝剂重新达到稳定状态，发生再稳现象，导致泥水的沉降效果变差[11]。由表2可以发现，HPAM添用量为1.5 mL时，既可以保证煤泥水有较快沉降速度又能保证澄清区清液的浊度最低，因此，HPAM最佳用量为1.5 mL。

2.3磁场强度对煤泥水沉降效果的影响

在添加絮凝剂之前，分别采用10、50、100、150和200 mT的磁场强度对煤泥水进行10 min的磁处理，然后再添加1.5 mL HPAM，对磁处理之后的煤泥水进行絮凝沉降实验。其前100 s的沉降曲线如图3所示。煤泥水沉降600 s后的澄清区高度及上清液浊度如表3所示。

图3　不同磁场强度的沉降曲线

Table 3Changes of turbidity with different magnetic intensity

B/mTH/mmTU/NTU10179121.650197118.1100220104.715023398.220024189.6

由图3和表3可以发现，在添加絮凝剂20 s之后，五组煤泥水的絮凝沉降速度均显著加快，其中，采用200 mT磁场进行预处理的煤泥水，絮凝沉降 40 s内澄清区的高度就达到了225 mm，且在600 s之后澄清区清液的浊度也降低到89.6 NTU，此时，磁处理的煤泥水取得了最佳的沉降效果。

这主要是由于磁处理能够对煤泥水中的固体微粒起到一定的震荡搅拌作用，煤泥水中的固体微粒按照一定的频率震荡起来，在震荡过程中摆脱水分子的束缚，从而降低了固体颗粒表面的水合程度和电动势[12]。震荡过程还降低了微粒表面的部分电荷，从而降低了微粒之间的斥力，所以经过磁场预处理之后的煤泥水就更易于微粒之间絮凝成团，随着磁场强度的继续增加，这种震荡作用就变得更加强烈，也就促进了煤泥水的絮凝沉降。

2.4磁处理时间对煤泥水沉降效果的影响

将煤泥水在200 mT的磁场之下分别预处理10、20、30、60和90 min，然后再添加1.5 mL HPAM，进行絮凝沉降实验。其前100 s的沉降曲线如图4所示。煤泥水沉降600 s后澄清区高度及上清液的浊度如表4所示。

从图4可以发现，随着磁处理时间t1的增长，煤泥水的沉降速度逐渐加快，磁处理30 min的煤泥水的絮凝沉降速度最快，磁处理时间继续增加反而会降低煤泥水的絮凝沉降速度。在絮凝沉降40 s之后，澄清区高度均超过了200 mm。由表4中可以发现，絮凝沉降600 s之后，五组煤泥水的浊度均达到了90 NTU以下，其中，磁场预处理30 min的煤泥水的浊度最低，达到了77.6 NTU，取得了最佳的絮凝沉降效果。

图4　不同磁处理时间的沉降曲线

Table 4Changes of turbidity with different magnetic treating time

t1/minH/mmTU/NTU1024289.62024383.23024477.66024479.29024380.7

随着磁化时间的增加，煤泥水中微粒的水合程度逐渐降低，这就使得微粒表面形成的水化膜遭到破坏，从而增加了微粒之间絮凝成团的几率。随着絮凝体体积和数量的不断增加煤泥水底层沉积物的密实度逐渐增加，重力作用将絮团之间的水分子进一步挤出，从而使上清液的高度缓慢增加[11]。磁场对煤泥水的处理可以产生磁化能，磁化能会消弱分子间的内聚力，降低水的黏度，从而增加煤泥水的絮凝沉降速度。但是，磁场的处理时间过长，将会产生磁能共振，磁能共振的能量会造成水中悬浮物以及其他粒子的分子键断裂，从而形成更多的胶体物质，使胶体产生Tyndall效应，这就在降低沉降速度的同时又阻碍了澄清区清液浊度的降低[13]。

3　结　论

(1)随着磁场强度的逐渐增大煤泥水的澄清区高度逐渐增大，澄清区清液的浊度也随之降低。

(2)当磁场强度一定时，随着对煤泥水磁处理时间的增长，煤泥水的沉降速度显著加快，在磁处理时间为30 min时煤泥水的絮凝沉降效果最好。当磁处理时间继续增加时，煤泥水的沉降速度减慢，澄清区清液浊度降低缓慢。

(3)当HPAM用量1.5 mL、磁场强度200 mT、磁处理时间30 min时，煤泥水絮凝沉降速度最快，絮凝沉降600 s后澄清区清液的浊度降至77.6 NTU。

(4)实验研究证明，磁处理对煤泥水的絮凝沉降起到了明显的强化作用。

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(编辑荀海鑫)

Study on flocculating sedimentation of slim water treated by magnetic field

LIGuichun,ZHUANGGuofeng,LÜYuting

(School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper highlights an experimental research intended to improve the flocculation settling effect of coal slurry. This improvement study begins with magnetic field pretreatment of coal slurry, followed by flocculation sedimentation tests designed to probe the changes in height of the clarification zone and the turbidity of the supernatant liquor. The study finds that, within a certain range, a better flocculating sedimentation performance results from a greater magnetic intensity and a longer treating time; a 30 minute treatment of the slim water using magnetic field strength 200 mT and HPAM dosage 1.5 mL affords a maximum height of the clarification zone and a minimum supernatant turbidity; and the magnetic treatment contributes to improving the flocculating sedimentation. The study may provide a reference for an improved slime water treatment.

slime water; flocculating sedimentation; magnetic treatment; turbidity

2015-12-16

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541692)

李桂春(1962-)，男，辽宁省北票人，教授，博士，研究方向：煤炭加工和金属分选，E-mail:liguichun2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.009

TD94

2095-7262(2016)01-0036-04

A