聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物治理煤泥水的应用研究

摘要　本文研究了聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM在煤泥水治理中的絮凝沉降作用，说明该絮凝剂是一种质量优良的新型高效的阳离子絮凝剂，对煤泥水治理和环境保护有着广泛的应用前景。
关键词　聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物　　絮凝剂　　阳离子

引 言　　随着市场经济的发展和国家环境保护要求的日益提高，发展洁净煤技术势在必行。选煤是使煤炭成为高效、洁净、可靠的能源的主要途径之一。同时实现煤泥厂内回收，杜绝煤泥外排，是选煤厂实现洗水闭路循环、保护环境的有效措施。开发应用高效、价廉的絮凝剂对选煤厂提高经济效益和环境效益具有极其重要的意义。
　　目前聚丙烯酰胺高分子絮凝剂被广泛地用于煤泥水处理，但对易泥化页岩含量较高，含有大量难于聚沉的细泥的难处理煤泥水，由于微粒表面带有负电荷，阴离子或非离子聚丙烯酰胺不能捕捉表面电位很高的细泥，这部分细泥在煤泥水循环使用过程中，逐渐累积，导致煤泥水浓度逐渐增高，水质恶化，从而影响精煤质量。也有一些选煤厂采用铁盐、铝盐等无机凝聚剂处理煤泥水，但药剂用量大，其沉淀煤泥过滤性能差，对煤泥后期过滤及压滤造成相当大的困难。因此阳离子絮凝剂的研究日益受到人们的重视。

1　聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物

　　聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM是一种具有阳离子基团的高分子絮凝剂。首先，二乙胺与环氧氯丙烷在一定条件下，进行线性聚合，得到一水可散的线形结构的季铵盐聚合物；再是，与丙烯酰胺进行接枝共聚反应，得到聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物。
　　该聚合物为透明胶体状，性能稳定，能与水以任意比例混溶，本身带正电，在煤粒表面有较强的吸附作用产生较强的亲和力，能改善煤的疏水性。PQAAM在水中以离子状态存在，从结构上分析， 有两个基团与煤表面发生键合作用:一个是酰胺基与煤粒表面的H、O元素形成氢键吸附，有一定的架桥作用； 另一个是阳离子季铵盐基团与煤粒表面的负电区域发生静电物理吸附，中和表面电性，使带有负电荷的细粒煤泥会因电荷中和作用使其扩散层受到明显的压缩，降低其电位，达到细泥相互碰撞凝聚，从而实现对煤泥水的絮凝作用。

2　试验内容

2.1　煤泥水的组成及性质

　　实验用煤泥水为徐州庞庄矿选煤厂浓缩机入料，其固含量约为56 g／L,煤泥灰分为58.73％，煤泥粒度组成如表1所示，煤灰成分分析结果如表2所示。

表1　煤泥粒度组成

表2　煤灰成分分析结果

2.2　试验用絮凝剂

　　(1）阴离子聚丙烯酰胺HPAM:水解度30％，分子量700万,浓度0.1％，江都化工厂；
　　(2)非离子聚丙烯酰胺PAM:分子量500万,浓度0.1％,江都化工厂；
　　(3)聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM:浓度0.1％,自制;
　　(4)聚合氯化铝PACl:浓度1％；
　　(5)聚合硫酸铝PAS:浓度1％。

2.3　沉降实验

　　在100 mL贝塞量筒中加入煤泥水样，再加入一定量的絮凝剂， 然后将量筒来回倒置10次，使其静置，用秒表记录絮团下降至50 mL刻度处所需时间，计算平均沉降速度；加入絮凝剂2 min后， 测量絮团压缩层高度。

2.4　搅拌实验

　　用DBJ－621型定时变速搅拌器在6个1 000 mL的烧杯中同时进行试验，加入絮凝剂后，先以100 r／min搅拌3 min， 使絮凝剂均匀分散于煤泥水中，然后降低转速至40 r／min,搅拌7 min,静置10 min， 取距液面40 mm处的上清液，用721型分光光度计测其透光率。

3　试验结果及分析

3.1　不同特性粘度[η]聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM絮凝效果比较

　　采用三种特性粘度不同的PQAAM1、PQAAM2、PQAAM3絮凝剂，对煤泥水进行絮凝沉降试验，其絮凝沉降效果如图1、图2所示。

图1　不同[η]的PQAAM对沉降速度的影响

图2　不同[η]的PQAAM对透光率的影响

　　由图1、图2知:特性粘度[η]增大即分子量增大， 可使达到沉降速率峰值、透光率峰值时，所需的最佳絮凝剂用量减小，而且[η]增大，沉降速率加快，透光率增加。说明聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物在处理煤泥水时兼具电荷中和及吸附架桥作用，分子量增大可增强吸附架桥作用，使絮团增大，有利于煤泥水絮凝沉降。

3.2　不同阳离子度的聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM絮凝效果比较

　　采用三种阳离子度不同的PQAAM4、PQAAM5、PQAAM6絮凝剂，对煤泥水进行絮凝沉降试验，其絮凝沉降效果如图3、图4所示。

图3　不同阳离子度的PQAAM对沉降速度的影响

图4　不同阳离子度的PQAAM对透光率的影响

　　由图3、图4可知，随着阳离子度的增大，达到沉降速率峰值、透光率峰值时所需的最佳絮凝剂用量减小，且在相同用量下，阳离子度较高者，其沉降速度与透光率也较高。阳离子度高时，电荷中和作用较强，削弱了细粒煤泥表面的负电荷，从而降低颗粒间的排斥能VR，使颗粒脱稳，凝聚成较大的絮团，达到加速煤泥沉降的目的。

3.3　聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM及其与阴离子聚丙烯酰胺HPAM、非离子聚丙烯酰胺PAM联合使用絮凝效果

　　聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM、 及其与等量阴离子聚丙烯酰胺HPAM、非离子聚丙烯酰胺PAM联合使用， 煤泥水絮凝沉降结果如图5、图6所示。

图5　PQAAM及其HPAM、PAM联合使用对沉降速度的影响

图6　PQAAM及其与HPAM、PAM联合使用对透光率的影响

　　从图5、图6可知，PQAAM与HPAM、PAM联合使用较PQAAM单独使用絮凝沉降效果得到明显改善。当絮凝剂用量为6 ppm时，其沉降速度分别增加了0.353 cm／s、0.167 cm／s,透光率分别增加了23.5％、19.4％，絮团压缩层高度降低，且PQAAM与HPAM联合用量为6 ppm时，絮凝效果均达到了最佳状态。这是因为絮凝剂用量太小，起不到电荷中和与吸附架桥作用；用量太大，虽有利于电荷中和与吸附架桥作用，但絮凝剂同时兼有分散作用，用量过大会导致已经形成的絮团分散，絮凝沉降效果反而变差。先加入PQAAM， 其季铵盐阳离子基团的静电物理吸附作用，中和了细粒煤表面的负电荷，使其表面电位降低，再加入HPAM或PAM，通过酰胺基与煤粒表面的H、O形成氢键吸附， 产生桥联作用，其长链大分子可以同时吸附两个以上微粒或一个微粒同时被两个高分子链所吸附，象纽带一样将各个粒子联结起来，成为“大粒子”，使粒子沉降速度大大增加，上清液透光率增大。HPAM的分子量较PAM大，链也长，含有更多的桥联基， 吸附桥联作用强，故PQAAM与HPAM联合使用絮凝效果更好， 沉降液面无小絮团漂浮物存在。
3.4　聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM与无机凝聚剂的絮凝效果比较
　　聚季铵盐丙烯酰胺接枝共聚物PQAAM、聚合氯化铝PACl、聚合硫酸铝PAS分别与阴离子聚丙烯酰胺HPAM、非离子聚丙烯酰胺PAM联合使用，用量体积比为1∶1，对煤泥水进行絮凝沉降试验，结果如表3、表4所示。

表3 PQAAM、PAS、PACl与HPAM联合使用对细粒煤絮凝的影响

表4 PQAAM、PAS、PACl与HPAM联合使用对细粒煤絮凝的影响