高泥化煤泥水中微細(xì)顆粒疏水聚團(tuán)特性及機(jī)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(jī)械化程度加大及原煤煤質(zhì)變差，導(dǎo)致大量高泥化煤泥水的產(chǎn)生，高泥化煤泥水具有粒度細(xì)、粘土礦物含量高及顆粒表面電負(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，嚴(yán)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(xì)顆粒煤和高嶺石為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)和量子化學(xué)/分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方法，對(duì)疏水改性劑作用下高泥化煤泥水中微細(xì)顆粒疏水聚團(tuán)特性及機(jī)理進(jìn)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(jì)提供理論基礎(chǔ)。
　　煤泥水中微細(xì)顆粒疏水聚團(tuán)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(fù)電的微細(xì)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(fù)性，促進(jìn)顆粒在疏水引力作用下形成疏水聚團(tuán)，進(jìn)而促進(jìn)微細(xì)煤泥礦物顆粒的疏水聚團(tuán)沉降。疏水改性劑作用下單一煤聚團(tuán)沉降效果弱于單一高嶺石的聚團(tuán)沉降效果。藥劑種類及藥劑用量、動(dòng)能輸入、礦漿濃度和礦漿pH是影響微細(xì)煤

3、泥礦物顆粒疏水聚團(tuán)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(xì)顆粒形成疏水聚團(tuán)的尺寸大小，影響其疏水聚團(tuán)沉降效果;合適的動(dòng)能輸入和礦漿濃度有利于微細(xì)煤泥礦物顆粒的疏水聚團(tuán)沉降;微細(xì)煤泥礦物顆粒疏水聚團(tuán)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(tuán)沉降條件為:1831用量3000 g/t、攪拌強(qiáng)度750 r/min及攪拌時(shí)間10min，該條件下兩煤泥水的沉降速度和透光率分別可達(dá)0.83 cm/min、78.6％及1.

4、31cm/min、62.4％。同時(shí)，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(tuán)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(shí)及18311500 g/t，此條件下煤泥水的初始沉降速度達(dá)0.97 cm/min，透光率達(dá)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(tuán)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(tuán)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)水分子的界面效應(yīng)逐漸減小，水分子逐漸遠(yuǎn)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(yán)重扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且大部分陽離子極性頭基朝

10、向溶液，對(duì)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(duì)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(gè)水分子層;相同水覆蓋率時(shí)，高嶺石(00(1))面對(duì)水分子的界面效應(yīng)弱于高嶺石(001)面對(duì)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(dòng)力學(xué)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(jìn)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(tuán)與高嶺石表面的氫鍵作用外，煤分子中活性較強(qiáng)的苯環(huán)與高嶺石表面也存在較強(qiáng)的作用，即微細(xì)煤與高嶺石間的相互作用機(jī)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(duì)煤泥顆粒的疏水聚團(tuán)作用機(jī)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(xì)粒礦物疏水聚團(tuán)沉降的作用機(jī)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(xì)煤泥礦物顆粒表面，對(duì)顆粒表面進(jìn)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(fù)性，壓縮顆粒表面雙電層，降低顆粒間靜電斥力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤泥顆粒的疏水聚