高泥化煤泥水中微細顆粒疏水聚團特性及機理研究.pdf

1、煤泥水是一種選煤廠濕法洗煤產(chǎn)生的工業(yè)廢水，它的沉降澄清是選煤工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。然而，由于采煤機械化程度加大及原煤煤質(zhì)變差，導致大量高泥化煤泥水的產(chǎn)生，高泥化煤泥水具有粒度細、粘土礦物含量高及顆粒表面電負性強等特點，嚴重加大了煤泥水處理的難度。本文以淮南礦區(qū)高泥化煤泥水及煤泥水中主要微細顆粒煤和高嶺石為研究對象，采用試驗和量子化學/分子動力學模擬相結(jié)合的方法，對疏水改性劑作用下高泥化煤泥水中微細顆粒疏水聚團特性及機理進行了深入研究

2、，為高泥化煤泥水沉降澄清的新技術(shù)開發(fā)及新藥劑設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。
　　煤泥水中微細顆粒疏水聚團特性研究表明，陽離子胺/銨鹽類疏水改性劑能夠通過靜電引力作用自發(fā)吸附在荷負電的微細煤泥礦物顆粒表面，改善顆粒表面疏水性，降低顆粒表面電負性，促進顆粒在疏水引力作用下形成疏水聚團，進而促進微細煤泥礦物顆粒的疏水聚團沉降。疏水改性劑作用下單一煤聚團沉降效果弱于單一高嶺石的聚團沉降效果。藥劑種類及藥劑用量、動能輸入、礦漿濃度和礦漿pH是影響微細煤

3、泥礦物顆粒疏水聚團沉降效果的主要影響因素。藥劑種類和藥劑用量主要通過控制微細顆粒形成疏水聚團的尺寸大小，影響其疏水聚團沉降效果;合適的動能輸入和礦漿濃度有利于微細煤泥礦物顆粒的疏水聚團沉降;微細煤泥礦物顆粒疏水聚團沉降的最佳礦漿pH為弱堿性。D和L煤泥水的最佳疏水聚團沉降條件為:1831用量3000 g/t、攪拌強度750 r/min及攪拌時間10min，該條件下兩煤泥水的沉降速度和透光率分別可達0.83 cm/min、78.6％及1.

4、31cm/min、62.4％。同時，混凝劑與疏水改性劑復(fù)配使用，不僅能減少各藥劑的用量，還能顯著提高高泥化煤泥水的疏水聚團沉降效果?；炷齽┡c1831的最佳復(fù)配用量為:絮凝劑APAM40 g/t、凝聚劑CaCl210000g/t時及18311500 g/t，此條件下煤泥水的初始沉降速度達0.97 cm/min，透光率達84.1％。
　　煤表面吸附的DFT模擬研究表明，水分子主要通過與煤表面不同含氧官能團形成氫鍵吸附到煤表面，且在不同

5、煤含氧結(jié)構(gòu)表面吸附的穩(wěn)定性大小為-COOH＞-C=O＞ Ph-OH＞-O-;不同甲基胺/銨陽離子主要通過與煤表面不同含氧官能團形成N-H...O或C-H...O氫鍵吸附到煤表面，且在不同煤含氧結(jié)構(gòu)表面吸附的穩(wěn)定性大小為-C=O＞-COOH＞-O-＞ Ph-OH;水及不同甲基胺/銨陽離子在煤含氧結(jié)構(gòu)表面吸附的穩(wěn)定性大小為:H2O＞ CH6N+＞ C2H8N+＞C3H10N+＞ C4H12N+，即水溶液環(huán)境中甲基胺/銨陽離子在煤含氧結(jié)構(gòu)表面

6、的吸附狀態(tài)不穩(wěn)定。
　　高嶺石表面吸附的DFT研究表明，水分子主要通過氫鍵吸附在高嶺石(001)面和(00(1))面，單個水分子在高嶺石(001)面不同位置的吸附能為-72.12～-19.23kJ/moL小于其在高嶺石(00(1))面不同位置的吸附能-19.23～-5.77 kJ/moL，即水分子更容易吸附在高嶺石(001)面;不同甲基胺/銨陽離子主要通過靜電作用和氫鍵吸附在高嶺石(001)面和(00(1))面，且更容易吸附在高嶺

7、石(00(1))面;不同甲基胺/銨陽離子在高嶺石(001)面最佳吸附位為H3位，吸附能（按伯胺陽離子、仲胺陽離子、叔胺陽離子及季銨陽離子順序，下同）分別為-125.385、-126.154、-128.654及-109.711 kJ/mol，在高嶺石(00(1))面最佳吸附位都為H1位，吸附能分別為-140.961、-136.154、-138.558及-115.961 kJ/mol;不同十二烷基胺/銨陽離子在高嶺石(001)面不同穴位吸附

8、穩(wěn)定性為H3＞H2＞H1，在高嶺石(00(1))面不同穴位吸附穩(wěn)定性為H1＞H2＞H3;不同碳鏈長度的季銨陽離子在高嶺石(001)面及(00(1))面吸附穩(wěn)定性隨著季銨鹽碳鏈長度的增加而減小。不同煤含氧結(jié)構(gòu)單元主要通過形成氫鍵及苯環(huán)與表面間的作用吸附在高嶺石(001)面和(00(1))面，且吸附平衡后煤含氧結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)近似平行于高嶺石(001)面和(00(1))面;不同煤含氧結(jié)構(gòu)單元在高嶺石在高嶺石(001)面及(00(1))面吸附穩(wěn)定

9、性大小分別為-COOH＞ Ph-OH＞-C=O＞-O-和-COOH＞-C=O＞-O-＞ Ph-OH，且煤含氧結(jié)構(gòu)更容易吸附在高嶺石(001)面。
　　煙煤表面吸附的MD模擬研究表明，隨著水層水分子數(shù)從200增加至1600，煙煤表面對水分子的界面效應(yīng)逐漸減小，水分子逐漸遠離表面，且水分子間排列的有序度不斷減小。十二烷基伯胺陽離子和十八烷基三甲基氯化銨陽離子在煙煤/水界面處吸附平衡后，其碳鏈都發(fā)生嚴重扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且大部分陽離子極性頭基朝

10、向溶液，對煙煤表面疏水改性效果不理想。
　　高嶺石表面吸附的MD模擬研究表明，隨著水覆蓋率從2/3 ML不斷增大到8/3 ML，高嶺石表面對水分子的束縛力逐漸減小，界面處的氫鍵作用逐漸減弱，且水分子逐漸形成多個水分子層;相同水覆蓋率時，高嶺石(00(1))面對水分子的界面效應(yīng)弱于高嶺石(001)面對水分子的界面效應(yīng)。十二烷基伯胺陽離子和十八烷基三甲基氯化銨陽離子在高嶺石/水界面處吸附平衡后，陽離子主要以極性頭基吸附在高嶺石表面，非

11、極性碳鏈朝向溶液，并發(fā)生一定程度扭轉(zhuǎn)，不同陽離子碳鏈通過疏水締合作用吸引到一起使表面疏水化。煙煤大分子在高嶺石(001)面及(00(1))面動力學平衡后，煙煤分子中部分苯環(huán)結(jié)構(gòu)近似平行與高嶺石表面，這一結(jié)果進一步說明，煤與高嶺石顆粒間的相互作用，除了煤分子中含氧官能團與高嶺石表面的氫鍵作用外，煤分子中活性較強的苯環(huán)與高嶺石表面也存在較強的作用，即微細煤與高嶺石間的相互作用機制主要是氫鍵作用和煤結(jié)構(gòu)中苯環(huán)與高嶺石表面間作用的綜合作用。

12、r>　　陽離子胺/銨鹽類疏水改性劑對煤泥顆粒的疏水聚團作用機理主要是“吸附電中和”和疏水引力綜合作用的結(jié)果。陽離子胺/銨鹽類疏水改性劑作用下高泥化煤泥水中微細粒礦物疏水聚團沉降的作用機理，主要是疏水改性劑陽離子通過靜電引力和氫鍵作用吸附在微細煤泥礦物顆粒表面，對顆粒表面進行疏水改性:一方面弱化煤泥顆粒間水化斥力，提高煤泥顆粒間疏水引力;另一方面，降低煤泥礦物顆粒表面電負性，壓縮顆粒表面雙電層，降低顆粒間靜電斥力，進而實現(xiàn)煤泥顆粒的疏水聚