高泥化煤泥水中微细颗粒疏水聚团特性及机理研究

陈忠平

(山西煤炭运销集团东大能源有限公司，山西 晋城 048026)

引 言

洗煤工序是重要的煤炭利用化前置工序，该工序产生的煤泥水是一种悬浮物很多的工业废水，对其处理后的再利用具有重大的现实意义。近年来随着煤质的深入开采以及机械化开采程度的加大，洗煤工序产生的煤泥水处理难度越来越大，高泥煤泥水的产生量也不断增大。高泥煤泥水与普通煤泥水相比，其颗粒组成种类大致相同，但其个组成含量差距较大。细质微粒和黏土微粒含量较普通煤泥水高，微粒间的电极性较强，相互间稳定存在，聚团能力低，大部分微粒独自悬浮存在于煤泥水中，从而更加增大高泥煤泥水的难沉降性。鉴于高泥煤泥水的难自由沉降特点，传统的煤泥水沉降技术在处理该类煤泥水时，效果非常不好，已经不太适合高泥化的煤泥水处理，因此对煤泥水中矿物颗粒界面性特征的研究，以确定更加高效的处理技术，具有重要的意义[1-2]。

1 煤泥水中微细颗粒界面结构特性研

对高泥煤泥水沉降技术的研究的关键在于研究微细矿物颗粒高效聚团的界面结构特性。通过研究，掌握不同溶液条件下，煤泥水中微细煤泥矿物颗粒之间的相互影响以及与亲水性的改变状况，可以更加科学的解释在疏水改性药剂作用下疏水聚团沉降机理。

1.1 矿物组成

首先需要确定高泥煤泥水中矿物质微粒的组成。分别对两种煤泥水做X-射线衍射图，从图1中看出，两种煤泥水微粒种类组成基本相同，主要包括：高岭石、石英、蒙脱石、绿泥石及方解石等矿物，其中主体成分是黏土矿物。黏土矿物的存在是煤泥水难沉降的原因，因为黏土矿物微粒表面具有强电荷，很难自行聚团沉降。

图1 煤泥X-射线衍射

1.2 表面Zeta电位

测试表面Zeta电位时，用去离子水配置高泥煤泥水溶液，并用酸性溶液盐酸和碱性溶液烧碱调节水溶液pH值，然后采用电位分析仪进行Zeta电位测定，结果如表1所示。

表1 不同高泥煤泥水的Zeta电位

由表1可知，煤泥水中微粒的负电性都较精煤和高岭石强，即相互间的排斥性强，可以有效维持煤泥水中微粒的稳定性，增加了自由沉降的阻力。

1.3 表面官能团

为了确定高泥煤泥水的表面官能团种类，利用红外光谱仪分别对选取的煤泥进行红外测定，结果如第41页图2所示。

图2 两种煤泥红外光谱图

由图2看出，煤泥红外图谱有明显的峰值区域，这一特征表明含有高岭石，一个较宽的吸收峰，此为烷烃类C-H官能团的红外图谱特征，其分析结果与前面关于煤泥水矿物组成的分析结果相一致[3]。

2 改性剂对煤泥水微粒微观作用方式

疏水改性药剂可以改变煤泥水中微粒的界面特性，从而改善颗粒聚团能力，达到沉降目的。

2.1 对颗粒表面润湿性的影响

表面接触角可以准确的反映出某种颗粒表面的润湿性，因此本文选择其为改性剂对煤泥水颗粒表面润湿性影响的反映因子。如图3和图4所示。

图3 药剂种类对表面接触角测定结果

图4 药剂用量对表面接触角测定结果

经过对比，随着季铵盐烷基链的增长，要想达到相同的微粒湿润性，其使用量也在随着增加，而煤泥的表面接触角呈增大趋势。这种趋势可以说明，季铵盐类疏水改性剂对煤泥水微粒表面的亲水性具有较好的抑制作用，且效果随着烷基链的增加而增加。

2.2 对颗粒表面Zeta电位的影响

Zeta电位的改变程度是反映煤泥水改性剂效果的重要参数。为了研究改性剂不同用量以及pH值对Zeta电位的影响，通过实验得到如图5和图6所示。

图5 不同药剂用量对表面Zeta电位的影响

图6 不同pH值对表面Zeta电位的影响

分析可知，季铵盐烷基链长越长且药剂用量越大时，改性剂与煤泥颗粒接触的可能性越大，即改性剂的效能发挥的越明显。在pH值不断增加的过程中，改性剂的吸附量也会不断增加，但当超过某一峰值后，溶液中的碱性增加，游离的-OH离子会与部分季铵盐阳离子发生中和反应，降低了季铵盐的浓度，限制了其作用的发挥。

2.3 对表面官能团的影响

如第42页图7所示，高泥煤泥水在加入改性剂后，其红外光谱特性与改性剂的红外光谱特性相似，即煤泥水中的微粒受到了改性剂的同化。在pH值不断增加的过程中，改性剂的吸附量也会不断增加，但当超过某一峰值后，吸附量逐步降低，即改性剂在煤泥水微粒中的吸附量只有在弱碱环境下才能达到最大化[4]。

3 疏水改性剂的疏水聚团作用机理分析

季铵盐改性剂阳离子在煤泥水中微粒表面的吸附符合“吸附电中和”聚团模式，如第42页图8所示。胺/铵盐阳离子带有极性，可以与高泥煤泥水中的微粒结合，并将微粒包裹，一方面中和了微粒表面的电性，另一方面阻隔了微粒相互间的排斥作用，从而改变了煤泥水中微粒间的团聚能力，使之更加容易聚集沉淀。

图7 pH值下吸附改性剂后煤泥红外光谱图

图8 阳离子胺/铵盐的“吸附电中和”模式

4 结语

阳离子胺/铵盐类疏水改性剂对煤泥颗粒的影响主要是通过化学键的吸附，包围微粒表面，中和并改变其极性，从而在宏观上表现出疏水性，完成难沉降微粒的聚团沉降。疏水性改性剂在中和微粒极性的同时，间接弱化了相互间的排斥力，提高了疏水引力；另一方面阻隔了微粒相互间的排斥作用，从而改变了煤泥水中微粒间的团聚能力，使之更加容易聚集沉淀。