不同类型聚丙烯酰胺对煤泥水的絮凝作用

Posted 2023-01-11 絮凝

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聂容春，徐初阳，郭立颖
(安徽理工大学，安徽淮南232001)
选煤厂在煤泥水澄清处理中，大多使用阴离子型聚丙烯酰胺作为絮凝剂。对于不同的煤泥水，使用何种类型的聚丙烯酰胺最佳，其分子量如何影响絮凝效果，不同的研究者有不同的结论。但由于市场上除阴离子外的其他类型聚丙烯酰胺很少有商品规模产品，这方面的研究也不多。该研究采用UV聚合法实验室合成了非离子、阴离子和阳离子等类型的聚丙烯酰胺，探讨了不同类型的聚丙烯酰胺对煤泥水的絮凝效果与作用机理。
1聚丙烯酰胺类型简介
聚丙烯酰胺按其侧链所带的官能团的不同可分为非离子(PAM)、阴离子(PHP)和阳离子(CPAM)等类型，其结构如图l所示。

聚丙烯酰胺的酰胺基(-C0NH)可与许多物质亲和、吸附形成氢键。高分子量的聚丙烯酰胺在被吸附的粒子间形成桥联，使数个甚至数十个粒子连在一起，生成絮团，加速粒子下沉，这使它成为最理想的絮凝剂。阴离子型(PHP)和阳离子型(CPAM)除了有以上作用外，还能同水中的胶体粒子或离子发生吸附、架桥及电性中和作用，形成较大的絮凝物，使悬浮物沉降或浮上，从而达到净化水的目的。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。
2实验部分

2.1仪器与试样
采用581一G型光电比色计、电热恒温真空干燥箱、加热磁力搅拌器、恒温水浴装置等。试验用煤泥水样分别采自望峰岗选煤厂原生煤泥和浮选尾煤，其粒度组成和灰分见表1。该煤样的特点是原生煤泥粒度大，灰分低，而浮选尾煤则粒度细，灰分高。
絮凝剂采用光引发聚合技术合成不同分子量、不同水解度和不同阳离子度的聚丙烯酰胺。对合成的3种性质的聚丙烯酰胺，通过测定其特性粘数来表征其分子量，以水解度代表PHP的阴离子特性，用阳离子度CD表征CPAM的阳离子性质。特性粘数及水解度分别按GB12005.1—89和GB12005.6—89方法测定；CPAM的阳离子度用采用提纯-AgNO3滴定法测定。
2.2絮凝性能检测
加入一定量的聚丙烯酰胺絮凝剂后，测定煤泥水上层清液清晰界面沉降200mm时所需时间和絮凝澄清后上层清液的透光率，来比较絮凝剂的作用效果，沉降时间越短，透光率越大，澄清沉降效果越好。为使问题简化，采用一定时间煤泥水絮凝澄清后的上层清液的透光率，来比较絮凝作用效果。采用单因素试验，操作步骤：取500mL煤泥水试样装入量筒中，加入一定量的药剂，并双向翻转量筒10回合后静置，用秒表测定上清液清晰界面沉降200mm时所需时间，换算成沉降速度；用光电比色计测上清液的透光率(澄清度)。为了比较3种类型絮凝剂的絮凝效果，固定的试验条件为：煤泥水浓度50g/L，聚丙烯酰胺絮凝剂用量为10g/m。
3结果讨论
3.1聚丙烯酰胺分子量对絮凝效果的影响
在合成非离子型聚丙烯酰胺时，控制条件合成了不同分子量的聚丙烯酰胺，其分子量分别为4O0万、600万、800万、1000万、1200万，该系列聚丙烯酰胺试样对煤泥水的絮凝结果如图2a所示。

从图2a结果可见，非离子型聚丙烯酰胺的絮凝效果(透光率)与其分子量有关，随分子量增大，对煤泥水的絮凝效果渐好。这是由于聚丙烯酰胺的酰胺基(-C0NH2)与煤泥粒子亲和、吸附形成氢键，同时高分子链在被吸附的粒子间形成桥联，因而非离子型聚丙烯酰胺的絮凝效果主要取决于聚丙烯酰胺的分子量。但由于聚丙烯酰胺的溶解性随分子量的增大而降低，当分子量大于6O0万后，絮凝效果增加趋缓，大于800万以后增加不明显。一般认为，用于煤泥水处理的聚丙烯酰胺絮凝剂，其分子量为800万左右比较合适。
从对2种煤泥水的絮凝效果看，对粒度大、灰分低的原生煤泥沉降效果较好，而对粒度细灰分高的浮选尾煤絮凝效果稍差，但差别很小，这种差别主要是煤泥的粒度特性造成的。可以认为，非离子型的聚丙烯酰胺对不同性能的煤泥水没有选择性或选择性很小。
3.2聚丙烯酰胺的阴离子度与絮凝效果
选取分子量在800万左右的聚丙烯酰胺为原料，改变介质的pH值，制备了阴离子度在10%～50%的一系列阴离子型聚丙烯酰胺，该系列聚丙烯酰胺的絮凝试验结果如图3所示。

从图2b可以看出，聚丙烯酰胺的阴离子度影响絮凝效果，煤泥水的透光率随阴离子度增大而提高，在阴离子度为30%时达到最大值，然后又随阴离子度的进一步提高而减小。阴离子型聚丙烯酰胺对煤泥的沉降除了高分子絮凝作用外，还发生离子吸附、架桥及电性中和作用，当阴离子度在30%时，这几种作用叠加，达到絮凝效果最好。因而用于煤泥水处理的聚丙烯酰胺阴离子度控制在30%左右为宜。2种不同性能煤泥水的絮凝效果差别很小，与非离子型PAM的效果类似，均是对粒度大、灰分低的原生煤泥的絮凝效果好于粒度细、灰分高的浮选尾煤。
3.3阳离子型聚丙烯酰胺的絮凝效果
阳离子型聚丙烯酰胺的合成有一定难度，而且价格高，一般用于胶体含量高、色度大的废水处理，很少用于煤泥水沉降。采用光引发聚合法合成了分子量在700万左右，阳离子度为5%～25%的一系列阳离子型聚丙烯酰胺对煤泥水的絮凝效果如图2c所示。阳离子型聚丙烯酰胺对2种煤泥水的絮凝效果差别较大，对粒度细灰分高的浮选尾煤絮凝效果好于粒度大灰分低的原生煤泥，这是由于粒度细灰分高的浮选尾煤中富含高岭土等硅酸盐类胶体粒子，该类胶体粒子表面带有较强的负电荷。这时，聚丙烯酰胺的作用除了前面讨论的吸附、架桥和絮凝外，电性中和起了主要作用。因而阳离子型聚丙烯酰胺适合处理粒度细、灰分高的浮选尾煤。阳离子度在10%～20%时絮凝效果最好，阳离子度进一步提高，其高密度电荷的干扰使其架桥和絮凝作用降低，而且高阳离子度的聚丙烯酰胺合成困难。一般情况下，聚丙烯酰胺的阳离子度在5%～10%即可。
3.43种类型聚丙烯酰胺的絮凝效果比较
在以上试验的基础上，选取了3种聚丙烯酰胺中絮凝效果较好的样品，进行了对比试验，3种聚丙烯酰胺对煤泥水的絮凝效果如图3所示。对粒度大、灰分低的原生煤泥，阴离子型聚丙烯酰胺的絮凝效果最好，透光率达90%，其次是阳离子型聚丙烯酰胺，透光率为83%，均能满足煤泥水处理要求。而对粒度细、灰分高的浮选尾煤而言，阳离子型聚丙烯酰胺絮凝效果最好，透光率为93%，阴离子型聚丙烯酰胺稍差，为88%，也完全达到了煤泥水处理的要求。非离子型聚丙烯酰胺对2种煤泥的絮凝效果都较差，分别为78%和72%，一般不提倡单独使用非离子型聚丙烯酰胺作为煤泥水处理剂。
4结语
不同类型的聚丙烯酰胺，其絮凝效果有差别。对煤泥水处理而言，聚丙烯酰胺的分子量为800万左右比较合适，同时要考虑煤泥水的性质，选择不同类型的聚丙烯酰胺，调整其阴离子度或阳离子度。在选煤厂，一般情况下采用阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂即可达到要求，但对灰分高、粒度细的难沉降煤泥水，适宜采用阳离子型的聚丙烯酰胺作为絮凝剂。