絮凝剂型助滤剂的应用开发及助滤机理研究现状

1.2.1　絮凝剂型助滤剂的应用开发及助滤机理研究现状

1．高分子絮凝剂型助滤剂的应用开发

早期高分子絮凝剂型助滤剂的研究主要集中于实验室中。20世纪50年代末美国矿山局格尔等人研究了当时可利用的各种天然的与人工合成的高分子助滤剂。1964年，托马斯等人研究了煤浆过滤中高聚物的作用，并提出了高聚物在颗粒表面的吸附模型，从理论上解释了高分子聚合物的助滤作用^［22］。

近年来，高分子助滤剂的研究多为工业性试验。英国Bradford联合公司选矿部进行了高分子聚合物助滤剂的基础研究，并合成了一系列絮凝剂型助滤剂，如合成的Percol、Magnafloc等可大幅度降低滤饼水分，同时使矿浆的可过滤性提高一个数量级以上^［23］。前苏联学者利用高相对分子质量的聚氧乙烯作为絮凝剂型助滤剂，分别进行了铁、煤、非金属矿的过滤试验，证明聚氧乙烯具有絮凝和降低表面张力的双重功能^［24］。美国学者研究了聚氧乙烯的絮凝作用，认为PEO是靠分子链的—CH₂—CH₂—链段有效地吸附于颗粒的疏水部分^［25］。日本的渡道伸一等发现用丙烯酰胺／苯乙烯共聚物（含5%丙烯酰胺，平均相对分子质量1×10⁴），以2%的剂量加入细粒煤浆中，可以大大提高过滤速度，与硫酸铝相比，过滤时间由93min降至3min^［26］。前苏联学者V．E．Shulyak等分别研究了聚丙烯酰胺及其与醚类共聚物对细粒煤（灰分7．9%）的助滤作用，结果表明：聚丙烯酰胺对细粒煤的絮凝和过滤效果最好^［27］。1989年美国A．F．Sorki等人过滤精煤时，应用VPK－402絮凝剂，低压下滤饼水分从35．9%降低到30．5%^［28］。

国内研究工作者在高分子絮凝剂作助滤剂方面也取得了一定成果。煤炭科学院唐山分院成功地研制出用于精煤过滤的1^＃助滤剂，该助滤剂是两种化合物的共聚物，相对分子质量为8×10⁵～10⁶，水解度为30%～40%，浓度为6%，其特点是絮凝作用强，形成的絮团小且均匀，抗剪切能力强，形成的滤饼渗透性好，有利于滤饼脱除水分，该药剂在望峰岗选煤厂进行的工业试验表明，可使浮选精煤滤饼水分降低2%～3%^［29］。北京矿冶研究总院研究出AF系列助滤剂，其中AF₂平均相对分子质量为10万～900万，用于包钢铁精矿过滤时，可以明显提高过滤速度，降低滤饼水分2%^［30］。罗茜等提出用疏水性絮凝剂强化浓缩过滤过程的工艺，处理东鞍山浮选铁精矿时，加入非离子型聚丙烯酰胺（PAM），铁精矿滤饼水分下降1%～2%，处理量提高5倍以上；若加入阴离子型聚丙烯酰胺（HPAM），效果更好^［31］。中国矿业大学北京研究生部张晨光博士对天然物田菁胶进行改性，将—OH转化为—CH2COONa，在碱性介质中缩合而成的MS型助滤剂，可将老虎台选煤厂及西露天选煤厂浮选精煤水分降低7%以上，且降低生产成本^［32］。MFT—助滤剂可使七台河桃山选煤厂滤饼水分平均下降1．6%，节约干燥所需费用达3．9万元／年^［33］。有关文献报道将淀粉与乙烯基单体或丙烯酰胺共聚，接枝共聚物具有多个羟基和酰胺基团，呈支化结构，适当地分散了絮凝基团，在一定条件下，其絮凝效果优于常见的无机凝聚剂、有机絮凝剂，对印染废水有良好的絮凝效果^［34］。夏畅斌等利用阴离子型羧甲基钠盐田菁胶（SESG）对株州洗煤厂细粒煤和超细粒煤进行脱水试验研究，结果表明：在细粒煤浆中加入助滤剂SESG，滤饼水分明显降低，滤饼厚度显著增加^［35］。

2．高分子絮凝剂助滤机理的研究现状

絮凝剂的助滤机理尚无系统的理论研究，目前普遍认为主要是依靠高分子聚合物的桥联作用，使细粒物料絮凝成团，防止微细粒堵塞过滤介质和沿厚度方向的分层沉积，强化细粒物料脱水。瓦克和罗斯通认为絮凝作用将滤饼中曲折无规则的孔隙简化为一束束毛细管，而且管径与物料粒度大小有一定关系。添加絮凝剂后，颗粒粒度变粗，滤饼中毛细管管径也相应增大，导致毛细管阻滞力减小，过滤速度提高，滤饼脱水性能改善。由于缺乏微观测试手段，关于絮凝之后滤饼结构如何得到改善以及对絮凝剂的助滤行为、机理的认识仍较肤浅，甚至存在相反的观点。美国库恩特等认为：絮凝剂对过滤过程的主要作用是使分散的微细粒团聚成为较大的絮团，从而提高过滤速度，但絮团内部包裹有水分，絮团越大，包裹的水分越多，由于絮团夹杂大量水分，滤饼水分会升高，而不是降低。但又有研究发现，选择合适的絮凝剂和适当的用量，一定条件下可同时实现降低滤饼水分和提高过滤速度的目的^［36］。不少学者的试验结果表明，高相对分子质量的絮凝剂适合于浓缩澄清，中等相对分子质量的絮凝剂适合于作助滤剂。有关絮团内是否包裹水分及包裹的水分又有何规律等相关问题至今尚不清楚。絮凝剂的助滤作用机理给人们的感觉似乎直观简单，人们撰文时普遍基于高分子架桥絮凝的知识，根据试验结果，仅仅进行简单的定性理论分析。

国内众多选煤厂正需要效价比优越的助滤剂，但目前采用表面活性剂和絮凝剂作助滤剂的选煤厂不多。原因在于现有的助滤剂品种有限，很难适合不同工艺煤质条件的脱水要求；助滤剂的效价比也有待于进一步提高；对助滤剂的作用机理还不甚了解，对高分子絮凝剂助滤机理的认识还停留在高分子架桥絮凝改善滤饼结构的简单解释上，对滤饼中残留水分的赋存状态模糊不清；对表面活性剂在脱水中的作用方式了解甚少，虽然表面活性剂有助于过滤脱水，而且在经济和技术方面都很重要，但对决定其作用方式的基本表面化学现象并未完全清楚。因此，妨碍了对新型助滤剂的研制与开发^［37］。

采用有机高分子絮凝剂强化细粒物料过滤脱水的首要前提是使细粒物料絮凝，而细粒物料絮凝是个极其复杂的物理化学过程^［38］，受到细粒物料表面性质、所添加的高分子聚合物的性质、聚合物在颗粒表面的吸附特性、已吸附了高分子的两个颗粒相互接近时的作用能等多种因素的影响，且各影响因素相互制约、相互联系。选择适当的絮凝剂、控制好絮凝脱水过程的影响因素，是取得良好脱水效果的关键，因此研究絮凝剂作用机制十分重要。