任绍良

（山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局，山西 太原 030045）

引 言

煤泥水是指煤炭在分选加工过程中所产生的介质用水，是煤矿湿法洗煤加工工艺的工业尾水，其中含有大量的煤泥和泥砂，给矿区附近的环境造成了严重的污染，是煤炭工业的主要污染源之一，越来越受到人们的重视。煤泥水处理是选煤厂不可缺少的工艺环节，不仅是环境保护的要求，而且是回收细粒煤泥、提高资源利用效率的措施之一。解决煤泥水的澄清问题，除了采用合理的工艺流程及设备，还需要选择并使用适当的混凝剂。使煤泥水中的微粒颗粒预先凝聚或絮凝，形成絮团，加速颗粒沉降，提高煤泥水的重力沉降效果。

煤泥水的絮凝处理常用无机电解质和聚合物PAM。如果类型、絮凝条件是正确的，可以达到理想的絮凝沉降效果。由于煤泥水的性质复杂，市场上有很多不同类型的聚丙烯酰胺用于煤泥絮凝处理效果较差，导致高浓度洗涤水的产生，影响煤选煤厂的分离效果和经济效益。

1 常用煤泥水药剂［1-3］

1.1 有机高分子絮凝剂

有机高分子絮凝剂有很强的聚沉能力，它们在颗粒表面强烈地吸附，使许多颗粒通过高聚物的链节“桥联”在一起，联成质量较大的聚集体而发生聚沉。但是，低用量只能网捕粗颗粒，使粗煤泥沉降，细煤泥仍然在系统中循环，形成高浓度的循环煤泥水体系。而高用量又会形成高分散网状絮体，不仅药剂成本高，而且直接导致煤泥水外排。

1.2 无机凝聚剂

无机凝聚剂也可以实现颗粒的聚沉，但在煤泥水溶液环境中，无机混凝剂达不到聚沉状态，不能实现状态的跃迁。

以三价的铝盐和铁盐为例，Al3＋、Fe3＋在煤泥水正常pH值（pH＝6～9）范围内会发生水解，基本上以Al（OH）3、Fe（OH）3沉淀物形式存在。因此，Al3＋、Fe3＋在煤泥水体系中存在量极少，对悬浮颗粒的聚沉效果不明显。因此，聚合氯化铝、聚合氯化铁在煤泥水体系中聚沉效果并不理想［1］。

1.3 生石灰和电石

与有机高分子絮凝剂、无机凝聚剂相比，生石灰和电石都对加速煤泥水沉降有一定效果，它们利用了与水体反应后生成的Ca2＋与黏土形成特性吸附，从而加速煤泥水的聚沉。但是，由于钙镁类化合物特殊的化学性质，会给生产、环境、系统管道和工人健康带来一系列不利的影响，从而制约了其进一步推广使用。以生石灰为例，实际使用中有3个突出问题：

1）使煤泥水呈碱性，设备与设施表面形成严重板结，影响选煤厂正常运行；

2）沉淀物多，杂质含量大，加重了系统负荷，甚至给产品质量带来不利影响；

3）反应过程剧烈，操作风险大，甚至容易造成人员伤害，易污染环境。

2 煤泥水药剂的作用机理及分类［4］

2.1 絮凝剂作用机理及分类

絮凝剂通常为有机高分子化合物。一般高分子化合物都有很长的分子链，而且链上有很多活性基团，这些活性基团能和颗粒表面进行吸附。若1个这样的分子链能同时吸附2个或2个以上微粒.那么就把微粒像架桥一样连接起来，形成絮团。这种作用又称架桥作用。用高分子化合物进行架桥作用时，无沦悬浮液中颗粒表面带电状况如何，只要添加的絮凝剂分子具有可在颗粒表面吸附的官能团或吸附活性，便可实现絮凝。絮凝剂主要通过静电键合、氢键键合和共价键键合3种方式将颗粒吸附在一起，形成大而蓬松的絮团，加快颗粒的沉降［4］。一般而言，絮凝剂的反应时间很短，加入后很快就可以看到絮团成型［2］。

絮凝剂的种类很多，但目前用于我国选煤厂的主要是聚丙烯酰胺类物质。聚丙烯酰胺类物质水溶解性好，能与水以任意比例互溶且不溶于有机溶剂。聚丙烯酰胺类絮凝剂分阳离子型、阴离子型和非离子型3类。

阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）外观为白色粉粒，相对分子质量从6 000 000到25 000 000，水溶液呈黏稠状，有效的pH值范围为7～14，是选煤厂应用最多的一类絮凝剂。

阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）为白色粉末状的外观，从8 000 000到15 000 000的相对分子质量，有效pH值范围在1～14，负电荷和丰富的有机废水的处理，如酒精废水、啤酒废水、味精谷氨酸废水、制糖废水、肉厂废水、饮料厂废水、纺织印染厂废水。阳离子聚丙烯酰胺对这种废水的处理比阴离子聚丙烯酰胺与非离子聚丙烯酰胺和无机盐效果要好几倍或几十倍，因为这种废水一般是负电荷的。

非离子聚丙烯酰胺（NPAM）外观为白色粉末。在水处理中，一般用在系统中的酸性污水。在选煤厂没有应用［3］。

2.2 凝聚剂作用机理及分类

DLVO理论认为，粒子的聚集和分散是静电能的主要作用，是粒子的双电层的分子相互作用。粒子的总效应是两者的代数。静电斥力对粒子的凝聚是不利的。在正常状态下，两者都处于平衡状态，如果粒子之间产生斥力，就会破坏平衡，使凝结发生。

凝聚剂通过加入无机电解质中和颗粒表面的电性，以解除布朗运动，使微粒能够靠近接触而聚集在一起，形成小而紧密的凝聚体。由于微细颗粒比表面积较大且中和的过程中移动缓慢，所以聚团形成需要较长的时间。

凝聚剂分为阴离子型和阳离子型2种。在实际生产中，人们也将阳离子凝聚剂称为阳离子絮凝剂。其实，絮凝剂与凝聚剂的作用机理是不同，因此这种说法也不确切。

由于大部分物质的颗粒带负电，因此工业上常用的多为阳离子型，可以分为以下几类：无机盐类，如，硫酸铝、硫酸铝钾、硫酸铁，氯化铁等；金属的氢氧化物，如，氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化钙和生石灰等。另外，还有聚合无机盐类，如，聚合铝、聚合铁等。聚合铝包括聚合氯化铝和聚合硫酸铝［4］。

3 煤泥水药剂的选择研究

煤中固相物质中除了含有有机质煤之外，还含有大量的黏土矿物、氧化矿物及其他矿物。有机质煤的细颗粒在整个固相颗粒组成中相对较粗，比较容易沉降。但是，黏土矿物易泥化，表面带负电荷，彼此之间不能有效碰撞而结合成较大的絮团。加之，颗粒粒径越小，重力也变小，分子的布朗运动加剧，整个体系呈稳定的悬浊状态，造成煤泥水不容易沉降。这是煤泥水难沉降的主要原因之一。因此，有必要加入适量的絮凝和凝聚药剂，来破坏这种稳定的悬浊状态，以加快煤泥水的沉降。

3.1 絮凝剂的选择研究

目前，选煤厂煤泥水絮凝剂一般选用阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）。本次实验分别采用8 000 000、11 000 000和12 000 000 3种不同相对分子质量的APAM对某选煤厂煤泥水进行絮凝沉降研究，以考察不同相对分子质量的APAM的絮凝效果。不同相对分子质量的APAM用量（配制成质量分数为千分之一的水溶液）与澄清界面初始沉降速度的关系如图1所示。

图1 不同相对分子质量的APAM沉降特性曲线

从图1可以看出，3种情况下煤泥水的初始沉降速度都相对较快，且药剂用量也较少，表明现阶段该选煤厂煤质状况较好，泥化现象较轻，煤泥水有较好的沉降特性。就3种药剂而言，高相对分子质量的APAM沉降效果更好，不仅沉降速度快，药剂用量少，而且形成的沉淀物比较密实，对后续脱水回收作业较为有利。但相对分子质量过高会造成APAM溶解困难，且APAM分子吸附的固体颗粒空间距离太远，反而会影响絮凝效果。通常情况下，APAM的相对分子质量以6 000 000～12 000 000为宜。

3.2 凝聚剂的选择研究

凝聚剂的主要作用机理是通过向煤泥水系统中加入一定量的无机电解质，以压缩颗粒表面的双电层。选用目前常用的几种凝聚剂（三氯化铁，硫酸铝钾，硫酸铝，氧化钙）对某选煤厂煤泥水进行了凝聚沉降研究，以考察各种药剂的凝聚效果。不同凝聚剂用量（配制成质量分数为5%的水溶液）与澄清界面初始沉降速度的关系如图2所示。

图2 4种不同凝聚剂沉降特性曲线

从4种不同凝聚剂的沉降特性曲线中可以看出，对于选煤厂煤泥水，氧化钙和三氯化铁凝聚效果较好，硫酸铝钾和硫酸铝凝聚效果较差。三氯化铁的优点在于用量较少；氧化钙的优点在于沉降速度快且价格低廉；而硫酸铝用量较少，但沉降速度太慢；硫酸铝钾用量较大，且沉降速度缓慢。综合来讲，对于该选煤厂煤泥水，氧化钙的效果最好，硫酸铝钾效果最差。

4 结论

1）絮凝剂和凝聚剂的种类与相对分子质量、加药量、煤泥水溶液的pH值、共存离子、悬浮颗粒粒度、温度等会影响煤泥水絮凝和凝聚。

2）在正常情况下，随着投加量的增加，絮凝和混凝效果增加。

3）凝聚剂与絮凝剂的配合使用是实现选煤厂洗水闭路循环的关键。在工业生产中，对高浓度（固体含量120g/L以上）与泥化现象严重的煤泥水，要更加重视凝聚剂的使用。凝聚剂与絮凝剂的配合使用，不仅降低了药剂成本，而且能进一步提高煤泥水的澄清效果。

4）通过添加絮凝剂和混凝剂处理煤泥水，操作简单，投资少，无需改造选煤厂，现有的设备和工艺可以同时提高煤泥水澄清的效果。不仅给选煤厂带来了良好的经济效益，而且创造了巨大的社会效益。

［1］ 中国矿业大学.一种阳离子絮凝剂：中国，93110753［P］.1994-10-12.

［2］ 小田节子.凝聚剂及凝聚方法：中国，02802211.4［P］.2003-12-31.

［3］ 中国矿业大学.一种矿物型凝聚剂处理循环水的方法：中国，96117146［P］.1998-05-06.

［4］ 谢广元.选矿学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2001：569-570.