PAC作用下煤泥水絮凝沉降的EDLVO分析

李桂春， 閆曉慧， 李明明

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

煤泥水中懸浮顆粒之間由于存在范德華力、靜電斥力和界面極性相互作用力，導(dǎo)致顆粒難以聚集。在實(shí)際生產(chǎn)中表現(xiàn)為煤泥水澄清速度慢、處理周期長、沉降效率低，直接影響選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。為探討煤泥水沉降規(guī)律，需對煤泥水沉降機(jī)理進(jìn)行深入研究。馮岸岸等[4]對三河尖選煤廠煤泥水進(jìn)行絮凝沉降工藝研究，采用聚合氯化鋁PAC作凝聚劑，1 000萬分子量聚丙烯酰胺PAM作絮凝劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得出添加PAC和PAM有助于提高煤泥水沉降效果的結(jié)論。Z.Liu等[5]對PAC作用下煤泥水絮凝過程中的溶液電性和絮團(tuán)進(jìn)行檢測和觀察，分析導(dǎo)致煤泥水難沉降的原因，發(fā)現(xiàn)添加PAC可以減小煤泥水顆粒間的電性，且使絮團(tuán)更加緊密，推斷PAC可以減小煤顆粒間的排斥力，但沒有進(jìn)行具體計(jì)算和驗(yàn)證。目前，多數(shù)研究者采用DLVO理論計(jì)算煤粒間作用力的大小。孫華峰[6]利用DLVO理論對煤泥水絮凝機(jī)理進(jìn)行分析，得出范德華力和靜電斥力都會影響煤泥水絮凝效果。劉杰等[7]對高嶺石水溶液進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)，并采用DLVO理論與EDLVO理論對煤粒間作用力進(jìn)行計(jì)算，得出EDLVO理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，因?yàn)镋DLVO理論中的界面極性相互作用能是影響細(xì)粒煤絮凝和分散的主要因素，所以EDLVO理論可以更好地描述細(xì)粒煤的凝聚和分散行為。劉炯天等[8]借助EDLVO理論對蒙脫石、高嶺石、蒙脫石與煤混合物、高嶺石與煤混合物的各自顆粒間作用力進(jìn)行計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致，故EDLVO理論應(yīng)用于固體細(xì)顆粒間作用力的計(jì)算具有可行性。因此，筆者采用EDLVO理論計(jì)算添加PAC前后雞西某選煤廠煤泥顆粒間相互作用力的大小，并結(jié)合絮凝沉降實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行分析，以期得出最佳沉降條件。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 煤泥樣品

實(shí)驗(yàn)選用雞西某選煤廠浮選尾煤，對多次采集的樣品進(jìn)行脫水處理，混合均勻后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中恒溫70 ℃干燥2 h，取適量煤泥進(jìn)行篩分處理，選取粒度為0.075 mm以下的樣品，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30732—2014《煤的工業(yè)分析方法儀器法》，采用馬弗爐和電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱對煤泥樣品進(jìn)行工業(yè)分析，采用激光粒度分析儀對煤泥樣品的粒度進(jìn)行分析，定義激光粒度儀的參數(shù)為：樣品采集次數(shù)5次，攪拌棒轉(zhuǎn)速200 r/min，背景測試時間20 s，超聲波罐分散60 s，結(jié)果如表1、圖1所示。由表1可知，該煤泥樣品灰分高達(dá)63.49%。由圖1可知，煤泥顆粒平均粒度為11 μm，其中小于24.75 μm的顆粒占90%，表明細(xì)顆粒較多，即實(shí)驗(yàn)所用煤泥為高灰細(xì)粒煤。

表1 煤泥樣品的工業(yè)分析

Table 1 Industrial analysis of slime samples%

MadAdVdafFCdaf2.1863.4944.5355.47

圖1 煤泥樣品粒度分析

1.2 材料與儀器

試劑：質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的聚合氯化鋁PAC溶液。

儀器：標(biāo)有刻度的量筒(500 mL)，XL-1馬弗爐，DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，L1064激光粒度分析儀，WQ770-B濁度計(jì)，JS94H微電泳儀，JC2000C接觸角測試儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在室溫25 ℃條件下進(jìn)行，所用煤泥水pH為7.4，考慮到選煤廠煤泥水實(shí)際質(zhì)量濃度，實(shí)驗(yàn)煤泥水質(zhì)量濃度為40 g/L。對煤泥進(jìn)行工業(yè)分析和粒度分析，確定煤泥水的性質(zhì)。將PAC按藥劑與水的質(zhì)量比為2%進(jìn)行溶解，在量筒中加入500 mL煤泥水，在煤泥水中分別添加不同量的聚合氯化鋁溶液，并將量筒雙向翻轉(zhuǎn)5次，使藥劑充分作用后靜置，記錄煤泥水澄清界面下降高度與對應(yīng)的時間。在沉降5 min后用濁度計(jì)測定上清液濁度，并用膠頭滴管取上清液，用微電泳儀測定煤泥水的Zeta電位，同時, 采用壓片法[9]在接觸角測量儀上測定煤泥水與水、甲醛和乙二醇3種液體的接觸角(39.56°、58.40°、47.12°)。再根據(jù)EDLVO理論計(jì)算PAC添加前后煤泥水懸浮液顆粒間的作用能，以此為依據(jù)解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.4 EDLVO計(jì)算方法

EDLVO理論認(rèn)為，顆粒間作用勢能包括范德華作用能、靜電能及界面極性相互作用能，這三者之和即為總作用能ET。通常假設(shè)20 μm 以下的礦物顆粒為球形顆粒，因此該煤泥顆?？山瓶醋靼霃綖镽的球形顆粒計(jì)算[10]。煤泥顆粒間各種作用能計(jì)算公式如下。

煤泥顆粒間范德華作用能表達(dá)式[11]為

(1)

A11——顆粒自身在真空中的Hamarker常數(shù)；

A33——水的Hamaker常數(shù)，4.84×10-20J；

H——顆粒間界面力相互作用距離，nm。

煤泥顆粒間的靜電作用能表達(dá)式為

EE=2πεaRφ2ln(1+e-κH)，

(2)

式中：φ——煤泥顆粒的表面電位,用顆粒ζ電位代替；

εa——煤泥的介電常數(shù)，εa=ε×εR，F(xiàn)/m；

ε——煤泥在真空中的介電常數(shù)，8.854×10-12F/m；

εR——水的相對介電常數(shù)，78.36；

e——電子電荷，1.602×10-19C；

κ-1——Debye長度[12]，雙電層厚度，m。

煤泥顆粒間的界面極性相互作用能表達(dá)式[13]為

(3)

式中：h0——衰減長度，m；

E0H——界面極性相互作用能量常數(shù)[13]，mJ/m2。

煤泥顆粒間總相互作用能表達(dá)式[14]為

ET=EF+EE+EH。

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 自由沉降實(shí)驗(yàn)

取質(zhì)量濃度為40 g/L的煤泥水，于500 mL的量筒中靜置，以上清液高度為基準(zhǔn)，每隔1 h記錄沉降數(shù)據(jù)，繪制沉降高度h與時間t的關(guān)系曲線,如圖2所示。由圖2可知，自由沉降6 h后，煤泥水沉降基本完成，在沉降過程中可看到清渾界面逐漸下降, 但上清液含較多黏土類物質(zhì), 量筒底部有一薄層粗顆粒煤泥，沉降效果不理想，需添加藥劑改善沉降效果。

圖2 煤泥水自由沉降曲線

2.2 PAC作用下絮凝沉降實(shí)驗(yàn)

為了考察PAC對煤泥水絮凝沉降效果的影響，在500 mL煤泥水中分別添加5、10、15、20和25 mL(25 kg/t)PAC溶液，煤泥水沉降速度與上清液濁度變化如圖3所示。

圖3 不同PAC用量作用下的沉降速度與上清液濁度

由圖3可知，添加PAC之后煤泥水沉降效果明顯改善。隨著PAC用量的增加，沉降速度v隨之加快，上清液濁度φ迅速降低。在PAC用量a為10 mL(10 kg/t)時，沉降速度為0.061 cm/s，濁度為60.23 NTU，繼續(xù)增加PAC用量，煤泥水上清液濁度下降緩慢，沉降速度趨于平穩(wěn)，原因可能是PAC溶液添加量為10 mL時，顆粒間作用力可以使煤泥顆粒聚集，從而提高煤泥水沉降效果。

2.3 EDLVO理論分析

為了解釋圖3中PAC用量大于10 mL時，沉降速度和上清液濁度的變化趨勢，采用EDLVO理論對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

根據(jù)式(1)～(4)，可得煤泥水懸浮體系中煤泥顆粒間范德華作用能、靜電作用能、界面極性相互作用能及總作用能隨顆粒間距離變化的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 煤泥間作用能與顆粒間距離的關(guān)系

由圖4可知，不同顆粒間距條件下，EF均小于0，此時范德華作用能表現(xiàn)為吸引能，隨著顆粒間距的增大，EF逐漸減弱趨向于0；EE值均大于0，表明顆粒間靜電作用能為排斥能[15]，且隨著顆粒間距的增大，EE逐漸減??；EH均小于0，為疏水吸引能，在不同顆粒間距條件下，隨著粒間距的增大，EH呈緩慢增大趨勢；在整個粒間距上，顆粒間總的作用能ET大于0，煤泥顆粒間表現(xiàn)為排斥能，且隨著粒間距的增大逐漸增大。說明未添加凝聚劑時，煤泥水懸浮液不能自發(fā)凝聚，所以自由沉降實(shí)驗(yàn)效果不明顯。

用微電泳儀測定不同PAC用量下煤泥水的ζ電位V，結(jié)果如表2所示。

表2 不同PAC用量下煤泥水的ζ電位

Table 2 Zeta potential of slime water underdifferent PAC dosage

序號a/mLV/mV10-38.5025-28.58310-10.23415 -6.56 520 -4.36625 -3.08

由表2可知，PAC添加量的改變會引起ζ電位的改變，由式(2)可知，ζ電位改變會使顆粒靜電作用能發(fā)生變化，從而引起總相互作用能改變。不同PAC用量條件下，總作用能變化曲線如圖5所示。

圖5 不同ζ電位下的總勢能

由圖5可知，隨著PAC用量的增加，ET由正值逐漸減小為負(fù)值，即煤泥顆粒間總相互作用能由排斥能逐漸轉(zhuǎn)化為吸引能。PAC用量為5 mL時，當(dāng)顆粒間距小于2 nm時，ET<0，顆粒間為吸引能；當(dāng)顆粒間距大于2 nm時，ET>0，顆粒間為排斥能，所以PAC用量為5 mL時，煤泥顆粒部分聚集；PAC用量為10 mL時，ET<0，且ET曲線接近于0，煤泥顆粒之間存在吸引能，此時煤泥顆粒之間可以聚集沉降，所以PAC臨界添加量為10 mL[16]。繼續(xù)增加PAC用量，煤泥水ζ電位下降趨勢平緩，即煤泥顆粒間吸引能增長較慢。考慮到實(shí)際情況，為了避免加藥過量造成浪費(fèi)，PAC最佳用量為10 mL，圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相符合。

3 結(jié) 論

(1)添加PAC可明顯提高煤泥水沉降效果，PAC最佳用量為10 mL(10 kg/t)，此時煤泥水的沉降速度為0.061 cm/s，濁度為60.23 NTU。

(2)通過EDLVO理論計(jì)算得出煤泥顆粒之間總作用能大于0，煤泥顆粒之間存在排斥能，增大了煤泥顆粒的聚集難度。

(3)添加PAC可減小煤泥水的ζ電位，從而減小煤泥顆粒間靜電斥力，促使顆粒相互凝聚，當(dāng)PAC溶液添加量為10 mL(10 kg/t)時，總作用能趨近于0，此時效果最佳。