处理煤泥水常用的絮凝剂的作用机理及其应用介绍

　　1.前言

　　煤泥水是由湿法选煤加工的煤矿选煤厂排放出来的工业尾水，其中含有大量的煤泥和泥砂， 大量排入水域，沉积水底，淤塞河道，污染了河水，它已成为重要的煤炭损失源之一，并对环境有较严重的污染1。

　　为了提高选煤厂的经济效益和环境效益，在某些处理过程中往往用化学药剂来强化处理效果。而使用絮凝剂是水处理的主要途径之一2,3。因此，高效、价廉絮凝剂的开发应用至关重要，是选煤厂实现煤泥厂内回收、洗水闭路循环、保护环境的技术关键。同时，随着环境保护要求的日益提高，以及大量极细颗粒的存在， 使得煤泥水处理起来十分困难。尽管随着工艺流程及设备的不断改进这一现象已有所改观， 但是根据煤泥水的性质， 合理选择、使用絮凝剂对煤泥水处理仍十分重要， 特别是在对难净化煤泥水的处理中具有更重要的意义。

　　本文拟对处理煤泥水常用的絮凝剂的作用机理及其应用情况做一简单介绍。

　　2.煤泥水的性质及主要特点4～6

　　煤泥水由煤和水组成， 其性质既与煤的性质有关又与水的性质有关， 并受它们之间相互关系的影响， 主要有： 煤泥水浓度、粘度、灰分、化学性质及煤泥的粒度， 其中煤泥的粒度组成在很大程度上决定了煤泥水沉降过程的难易程度， 且随着粒度变细及细粒含量的增多， 将使颗粒的布朗运动加剧， 煤泥水粘度增大， 颗粒间表面电荷斥力作用明显， 并使煤泥水具有某些胶体性质， 从而导致煤泥水很难自然澄清。一般情况下，地质年代较长的原煤所产生的煤泥水浓度低，处理比较容易，而对于那些年轻煤种，所产生的煤泥水不仅浓度高，而且粘度大、粒度小，处理非常困难。高浓度煤泥水难于处理的主要原因在于它是一个稳定体系，静置几天，甚至几个月也不会自然沉降。

　　煤泥水的主要特点是：浓度高，粒度细，灰分高，颗粒表面多数带负电荷，同性相斥，使得这些微粒在水中保持分散状态，它们在水中不仅受重力的作用，还受布朗运动影响。此外，煤泥水不但具有悬浮液的特点，往往还具有胶体的某些性质。

　　3.常用的絮凝剂及絮凝机理

　　3.1 有机高分子类絮凝剂

　　3.1.1 分类

　　分类方法有多种，如按照化学成分的不同，有机高分子类絮凝剂可分为天然高分子絮凝剂和人工合成高分子絮凝剂；按照其所带电荷不同，可分为非离子型、阴离子型和阳离子型絮凝剂；按产品分类可分为水溶液型、干粉型和乳胶型三类等。

　　3.1.2絮凝机理

　　絮凝作用是非常复杂的物理、化学过程，现在多数人认为絮凝作用机理是凝聚和絮凝两种作用过程7～8。凝聚过程是胶体颗粒脱稳并形成细小的凝聚体的过程； 而絮凝过程是所形成细小的凝聚体在絮凝剂的桥连（架桥） 作用下生成大体积的絮凝物（即絮团） 的过程。煤泥水中的细泥粒度很小， 不能凝聚成较大的颗粒， 保持相对稳定状态， 长时间不沉降。为了加速煤泥沉降， 必须破坏这种稳定状态。凝聚剂与胶粒的作用主要靠静电引力和分子间力， 这些力较弱， 一般不超过2×104 J/mol。但某些有机高分子是离子絮凝剂与颗粒之间的作用不仅具有静电力和分子间力，而且还具有较强的氢键和其他化学键结合力。

　　在煤泥水中加入具有较长线性分子结构的高分子化合物， 这些高分子化合物在水中溶解发生电离作用， 并通过静电键合、氢键合、共价键合等作用与煤泥水的固体颗粒发生吸附作用。由于这些线性化合物分子结构通常很长， 在水中充分的伸展， 而且链上有很多活性基团， 因此通常可以同时粘结多个颗粒， 从而引起颗粒的聚集， 形成絮团9。这个过程就叫做絮凝， 而其中的高分子化合物就叫做絮凝剂。

　　3.1.3应用情况

　　a.聚丙烯酰胺类10～13

　　聚丙烯酰胺（PAM）是研究、开发和使用最多的高分子类絮凝剂。常用的聚丙烯酰胺有三种类型，即阳离子型14～16、阴离子型17～21和非离子型22～24。阳离子型聚丙烯酰胺是以丙烯酰胺为主与阳离子单体聚合而成，或将聚丙烯酰胺“阳离子化”。煤粒表面呈负电性，阳离子聚丙烯酰胺用作絮凝剂，分子链既可以在煤粒间架桥，又可以中和煤粒表面的负电荷，减少煤粒之间的排斥作用，有利于聚集与絮凝，从而提高脱水速度和降低精煤产品的水分。阴离子聚丙烯酰胺可由丙烯酰胺与阴离子单体聚合而成。丙烯酰胺与丙烯酸钠的共聚物是应用最多的阴离子聚合物絮凝剂。丙烯酰胺与丙烯酸钠聚合时交替共聚的倾向较大，易形成理想的交替共聚物，使阴离子单元在分子链上均匀分布。阴离子絮凝剂在煤粒表面为环式或尾式吸附，易于在煤粒间形成桥，对煤粒表面的双电层有压缩作用，且不易受矿浆pH值的影响。非离子型聚丙烯酰胺是丙烯酰胺（AM）的均聚物，由于其有较大范围的电荷密度，因此在给定的矿浆中可以有一种最佳的卷曲构型，使其产生最佳的絮凝效果。

　　因此，聚丙烯酰胺的类型不同， 其作用机理、絮凝效果及适宜的絮凝对象也不同。例如，阳离子聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物（PQAAM）25,26是一种阳离子型高分子絮凝剂。PQAAM 在水中以离子存在，它含有季铵离子，对胶体表面负电荷中和能力强。另外，此种絮凝剂分子量大，酰铵基与煤粒表面形成氢键，增加了吸附架桥作用，有利于絮凝沉降。据报道，PQAAM与PAM联用处理庞庄煤泥水，当PQAAM与PAM联合用量为6 mg/ L 时沉降速度为0. 743 cm/s ,透光率为87 %。

　　b.二甲基二烯丙基氯化铵的均聚及共聚物

　　1951年，Butler和Ingley首先报导27了二烯丙基季铵盐用特丁基过氧化氢引发得到的聚合物为水溶性的，而不是象他们预期的那种不溶的交联的树脂（三烯丙基或四烯丙基季铵盐聚合往往形成该类物质） 。1955年，Butler通过红外光谱和加氢实验，指出二烯丙基胺类聚合物为六元环结构，它们是通过分子内和分子间成环反应，从而增长为一线型环状聚合物28。这是关于聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）最早的报道。

　　二甲基二烯丙基氯化铵的均聚物（PDMDAAC）及其与丙烯酰胺的共聚物P（DMDAAC/ AM）为白色易吸水粉末，溶于水、甲醇和冰醋酸，不溶于其它溶剂；商品一般为水溶液。呈中性， 干燥后略黄。在室温下PDMDAAC 水溶液在pH = 0.5～14范围内稳定，P（DMDAAC/ AM）水溶液在碱性介质中发生部分水解。均聚物和共聚物分子都带正电荷，水溶液和吸湿性固体粉末具有导电性，导电机理为离子迁移导电29。

　　Wang L1Kl 等30在研究生活污泥的脱水时发现， PDMDAAC不仅可作为絮凝剂，还可作为杀菌剂。日本专利31则报导，DMDAAC与SO2的共聚物可用作除藻剂。Harada S1等人报导32,DMDAAC与SO2共聚物可用于染料的均染、保留和织物处理。

　　PDMDAAC属阳离子表面活性剂，在日用化工行业应用也较为广泛，尤其是用作洗发香波的添加剂，可使头发柔软、亮泽，而且易于梳理33。

　　在该种高分子絮凝剂应用于处理煤泥水方面，只有一些理论性研究，未见大规模应用实例的报道。

　　c. MN - 5絮凝剂

　　MN - 5絮凝剂34是以多胺类阳离子絮凝剂为主体的复配药剂。MN - 5药剂不仅凭借其阳离子性中和煤泥表面负电荷，压缩煤泥表面双电层起絮凝作用。同时，多胺大分子链上的亚氨基（ -NH- ）与煤泥表面发生较强的氢键吸附而起架桥作用。如MN - 5与PAM联合使用处理淮北石台选煤厂煤泥水，浓缩机溢流浓度从60g/L降至0.3g/L,达到了洗水一级闭路标准。

　　d. PAMAM树形分子

　　PAMAM树形分子35是一种内部具有树枝状结构的球形分子，表面有很多-NH2基团。伯胺基在酸性条件下带正电，能与煤泥水中带负电胶粒中和，压缩双电层，降低ξ电位，破坏胶体稳定性。-NH2基团有很强的配位络合作用，可与胶粒表面芳香基团络合，生成电中性物质，加速胶体凝聚。此外，树形分子具有大量空腔，在一系列次价键力作用下，与煤泥水胶粒发生吸附作用，提高处理效果。在对铁法小青矿煤泥水处理实验中效果优于传统方法，上清液分离率为53. 6 % ,浊度降至4. 43度。