在煤泥水处理中絮凝剂的应用及发展方向

文中介绍了选煤作业中煤泥水的主要特点，并论述了煤泥水处理中使用絮凝剂是改善煤泥沉降效果的重要途径。分析了当前煤泥水处理中絮凝剂的应用类型及特点，并对絮凝剂的研究与发展方向进行了展望。
1.引言
对于采用湿法分选的选煤厂的作业中，就会不可避免的产生大量的煤泥水，而在煤泥水组成极为复杂，但是极细颗粒煤泥水的处理显得尤为重要。所谓极细颗粒煤泥水是指浮选尾煤水和负标高捞坑的溢流，它们共同的特点是粒度组成很细，这些微细颗粒由于表面电荷的作用，即使能沉降下来，当采用目前使用的压滤机回收煤泥时，也容易造成滤液浓度高、滤饼产率低、水分高、卸饼困难等问题，这样给煤泥水的固液分离带来困难。为了提高选煤厂的经济效益和环境效益，在处理过程中往往用化学药剂来强化细颗粒煤泥水的沉降速度，而使用絮凝剂是水处理的主要途径之一。
2.煤泥水的性质及主要特点
煤泥水由煤和水组成，其性质主要有：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。
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.絮凝剂的作用机理
絮凝作用是非常复杂的物理、化学过程，絮凝作用机理是凝聚和絮凝两种作用过程。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作用下生成大体积的絮凝物的过程。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。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。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。
4.煤泥水处理中絮凝剂的应用类型及特点
絮凝剂为有一定线形长度的高分子聚合物，目前，絮凝剂的种类很多，按其来源可分为天然的和人工合成的两大类。
4.1天然高分子絮凝剂
4.1.1淀粉加工产品及其衍生物——淀粉主要来源于粮食作物，是一种高分子化合物，并且是一种混合物。不是一个单纯的分子，由可溶性的直链淀粉及不溶性的支链淀粉组成。多数淀粉虽不溶于水，但经热处理或碱处理可变为糊状的水溶性物质，具有很好的絮凝性能。
4.1.2纤维素的衍生物——自然界纤维素分布最广，是构成植物细胞壁的基础物质，其通式和淀粉相同，但淀粉的结构单元是α-葡萄糖。而纤维素的结构单元是β-葡萄糖。纤维素本身不溶于水。但经化学处理后。其衍生物溶于水。且是很有效的絮凝剂。其分子量从十几万到几十万。国外此类产品有CMC(羧甲基纤维素)、HEC等。
4.1.3腐植酸钠——腐植酸类化合物富含于褐煤、泥煤和风化烟煤中，是一种天然高分子聚合电解质。其含量最高可达70%——80%，平均分子量为2.5～2.7万具有胶体化合物的性质，腐植酸本身不溶于水，其钾盐和钠盐易溶于水。用风化的露头煤经苛性钠处理后，就可得腐植酸钠，这是一种很好的絮凝剂。
4.2人工合成高分子絮凝剂
人工合成高分子絮凝剂种类很多，按其官能团分类主要有：阴离子型、阳离子型和非离子型三大类。在人工合成的高分子絮凝剂中，应用最广的是聚丙烯酰胺及其衍生物。
聚丙烯酰胺简称PAM，是一种线型高分子聚合物，无毒、无腐蚀性、易溶于水，其水溶液与煤泥水混合后，聚丙烯酰胺分子链上的活性基团与煤泥水中的细颗粒表面发生吸附，在颗粒之间起连接作用，使细颗粒形成较大絮团，加快了煤泥沉淀速度。聚丙烯酰胺水溶液的添加是煤泥水处理中的关键环节，采取合适的添加方式，将有助于提高絮凝效果。
为了增强聚丙烯酞胺的作用效果及适应不同的用途，常常采用改性反应。聚丙烯酞胺用碱处理后的水解改性反应，可得到部分水解产品，即阴离子型聚丙烯酞胺胺甲基反应，即为生产阳离子型聚丙烯酞胺的改性反应，反应产物为季胺盐类阳离子型聚丙烯酞胺系列高分子絮凝剂。阳离子型絮凝剂因稳定性较差，分子量较低，一般很少单独使用，但它对泥、砂等带负电荷的细粒有特殊的絮凝效果。另外，还有缩聚型高分子絮凝剂，如聚酞胺聚氧化乙烯等。该类产品可用部分廉价的天然高分子物代替聚丙烯酞胺单体进行接枝共聚，以降低成本。就我国选煤厂的实际情况而言，煤泥水处理中单独使用一种高分子絮凝剂的效果往往不佳。造成这种情况的原因比较复杂，通常认为是由于选煤厂用水的硬度偏低和煤泥水中含有大量细泥等所致。细泥表面所带电荷往往较高，彼此斥力较大，影响甚至阻碍了絮凝作用。因此，将无机电解质凝聚剂和高分子絮凝剂联合使用，往往能取得更好的絮凝效果。
5.新型微生物絮凝剂的研究与发展展望
絮凝技术已经成为当今煤泥水处理中十分重要的技术，随着人们环保意识的提高，有机高分子絮凝剂将沿着高效、廉价、无毒的方向发展，由于丰富的原料来源，天然高分子改性絮凝剂将有较好的发展前景，现已受到高度重视；而微生物絮凝剂的高效特性也使其成为一个发展热门。另外，从分子量和分子结构上看，有机高分子絮凝剂将沿着超高分子量絮凝剂、交联絮凝剂和胶丸状絮凝剂的方向发展。