絮凝粒径大小影响因素

3．1．4　实验结果及分析

1．不同特性粘度的PQAAM接枝共聚物对细粒煤的絮凝作用

采用阳离子度相近、特性粘度不同的PQAAM接枝共聚物，对煤泥水进行絮凝沉降实验，其絮凝沉降结果如图3．1、图3．2所示。

图3.1　不同特性粘度的PQAAM对絮团沉降速率的影响

图3.2　不同特性粘度的PQAAM对上清液透光率的影响

图3.1、图3.2表明：随着PQAAM用量的增加，絮团沉降速率与上清液透光率呈增大趋势；当其用量达到一定值后，PQAAM用量继续增加，絮团沉降速率与上清液透光率又呈现下降趋势。这主要是因为絮凝剂用量太小时，电荷中和与吸附架桥作用难以发挥；用量太大时，虽有利于电性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，絮凝沉降效果反而下降。而且随着PQAAM特性粘度的增大，即相对分子质量增大，絮团沉降速率、上清液透光率达到峰值时，所需絮凝剂的最佳用量减小；当PQAAM用量相同时，［η］较大的PQAAM所形成的煤泥絮团沉降速率较大，上清液透光率较高。因为PQAAM含有季铵盐阳离子基团，与煤粒表面的荷负电区域产生静电吸附作用，中和细粒煤表面的电负性，压缩其扩散层，降低其ζ电位，削弱颗粒间的静电排斥作用；另一方面，PQAAM又含有酰胺基团，能与煤粒表面的H、O等元素产生氢键吸附，对细粒煤产生桥联作用，有助于细粒煤絮凝成团。PQAAM接枝共聚物在处理煤泥水时兼具电性中和及吸附架桥作用，当其特性粘度较大，即相对分子质量较大时，对细粒煤的吸附架桥作用增强，使絮团直径增大，故煤泥的絮凝沉降效果较好；当PQAAM的特性粘度较小，即相对分子质量较小时，形成的絮团直径相对较小，故煤泥的絮凝沉降效果相对较差。

2．不同阳离子度的PQAAM接枝共聚物对细粒煤的絮凝作用

采用特性粘度相近、阳离子度不同的PQAAM接枝共聚物，对煤泥水进行絮凝沉降试验，其絮凝沉降效果如图3．3、图3．4所示。

图3．3、图3．4表明：随着PQAAM接枝共聚物用量的增加，絮团沉降速率、上清液透光率呈增加趋势；当PQAAM接枝共聚物用量增加到一定值后，再继续增加时，絮团沉降速率、上清液透光率呈下降趋势。随着PQAAM接枝共聚物阳离子度的增大，絮团沉降速率、上清液透光率达到峰值时，所需的最佳药剂用量减小；且相同用量时，阳离子度较高的PQAAM所形成的絮团沉降速率较大、上清液透光率较高。这是因为PQAAM大分子中的季铵盐阳离子基团能够降低细粒煤表面ζ电位的电负性，不同阳离子度的PQAAM对细粒煤表面ζ电位的影响如图3.5所示。

图3.3　不同阳离子度的PQAAM对絮团沉降速率的影响

图3.4　不同阳离子度的PQAAM对上清液透光率的影响

图3.5　不同阳离子度的PQAAM对煤表面ζ电位的影响

随着PQAAM用量的增大，细粒煤表面ζ电位的电负性降低，削弱了煤粒间的静电排斥作用，促使细粒煤絮凝成团、絮团沉降速率增大、上清液透光率提高。但当PQAAM接枝共聚物用量超过一定值后，甚至使细粒煤表面ζ电位的符号发生翻转，细粒煤表面带正电荷后，煤粒表面极性增加，煤粒间的静电排斥作用增大，阻碍细粒煤絮凝成团，导致絮团沉降速率降低、上清液透光率下降。据DLVO理论^［70］，阳离子度较高的PQAAM接枝共聚物对细粒煤的电性中和作用较强，当其用量较小时，就能中和细粒煤表面的电负性，降低颗粒间的排斥能，使颗粒克服势垒而脱稳，凝聚成较大的絮团，从而加速煤泥沉降；阳离子度较小的PQAAM对细粒煤的电荷中和作用较弱，只有其用量较大时方可中和细粒煤表面的电负性，减少颗粒间的排斥能，使颗粒越过势垒而脱稳，形成絮团，促进煤泥絮凝沉降。

3．pH对PQAAM接枝共聚物、HPAM、PAM絮凝作用的影响

当药剂用量为8ppm，pH对PQAAM、HPAM、PAM絮凝作用的影响如图3.6、图3.7所示。

图3.6　pH对絮团沉降速率的影响

图3.7　pH对上清液透光率的影响

图3.6、图3.7表明：pH＜6时，随着pH增大，细粒煤在PQAAM作用下上清液透光率最高，HPAM作用下上清液透光率次之；HPAM作用下所形成的絮团沉降速率最大，PQAAM作用下所形成的絮团沉降速率次之。当6＜pH＜9时，细粒煤在PAM作用下所形成的絮团沉降速率最高，PQAAM作用下所形成的絮团沉降速率次之；在PQAAM作用下上清液透光率最高，PAM作用下上清液透光率次之。pH＞9时，细粒煤在PQAAM作用下较HPAM、PAM相比，所形成的絮团沉降速率最大、上清液透光率最高。

可见，PQAAM在较宽的pH范围内对细粒煤均有较好的絮凝沉降作用，主要原因是pH影响煤粒表面ζ电位，尤其是在高分子聚合物作用下，影响更为明显。絮凝剂用量为8ppm时，pH对煤泥表面ζ电位的影响如表3．1所示。

表3.1　煤粒表面ζ电位与pH的关系

表3.1表明：随着pH增大，煤粒表面ζ电位电负性增强，在高聚物HPAM、PAM作用下，增加得更明显。PQAAM含有季铵盐阳离子基团，能够中和煤粒表面的电负性，使其ζ电位电负性降低。在强酸性范围内，煤粒表面ζ电位较低，煤粒间排斥作用较弱，通过PQAAM的酰胺基与煤粒表面H、O等元素之间的氢键缔合作用，使细粒煤絮凝成团，PQAAM大分子中的季铵盐阳离子基团与煤粒表面荷负电微区的吸引作用，更有利于煤泥水絮凝澄清，具有较高的上清液透光率。HPAM相对分子质量较高，聚合度较大，对细粒煤架桥絮凝作用较强，形成的絮团直径较大，故絮团沉降速率较大。当5＜pH＜7时，PQAAM、PAM、HPAM大分子具有更多的活性位，当酰胺基与煤粒表面H、O等元素产生氢键吸附时，另一端更为伸展，有利于架桥，细粒煤絮凝效果较好。碱性条件下，煤浆中存在大量OH－，一方面成为煤粒表面的定位离子，使煤表面ζ电位电负性显著升高、颗粒间静电排斥作用大大增强，不利于煤泥水絮凝沉降。另一方面OH－与高分子产生强烈的竞争吸附，不利于高聚物吸附于煤粒表面；而且OH－与PQAAM阳离子基团作用，阻碍PQAAM吸附于煤粒表面。在强碱性条件下，HPAM分子过分伸展，缺乏一定的柔性。上述诸因素均导致细粒煤絮凝效果下降。

4．PQAAM接枝共聚物、HPAM、PAM及其联合使用对细粒煤的絮凝作用

PQAAM接枝共聚物、阴离子型聚丙烯酰胺HPAM、非离子型聚丙烯酰胺PAM及PQAAM分别与HPAM、PAM按先后加入顺序等量联合使用，煤泥水絮凝沉降结果如图3.8、图3.9所示。

图3.8　PQAAM、HPAM、PAM及其联合使用对沉降速率的影响

图3.9　PQAAM、HPAM、PAM及其联合使用对上清液透光率的影响

图3.8、图3.9表明：

（1）使用单一絮凝剂，当用量相等时，煤泥水在HPAM作用下所形成的絮团沉降速率和上清液透光率均最大；PQAAM接枝共聚物对煤泥水的絮凝沉降作用次之；煤泥水在PAM作用下的絮凝沉降效果不及HPAM和PQAAM接枝共聚物。

主要原因是：HPAM相对分子质量较大，粘度较高，聚合度较大，主要通过大分子中—CONH2与煤表面的H、O等元素形成氢键缔合，可把—CONH2当作链轨，大分子中的另一活性基团—CONH2，若遇到煤表面相近的荷正电微区时，产生静电吸引作用，使HPAM卷曲，形成链环式吸附；若遇到煤表面相近的荷负电微区，则产生静电排斥作用，使HPAM大分子伸展，另一端伸向溶液，形成尾式吸附；如果伸向溶液的另一端遇到另一个颗粒的荷正电微区，则产生静电吸引，使颗粒连结产生絮凝作用，形成絮团。HPAM水解度为30%，含有适量—COO－，分子链受羧基间同号静电斥力作用，明显伸直，有效长度增大，吸附于煤粒表面的荷正电微区，细粒煤形成的絮团较大，故絮团沉降速率较大；PQAAM对细粒煤具有电性中和与桥联双重作用，有助于微细粒煤的絮凝，故煤泥水在其作用下澄清效果较好，上清液透光率较高，但因其特性粘度较小，相对分子质量较低，形成的絮团直径较小，絮团沉降速率较小；非离子型聚丙烯酰胺PAM仅仅通过大分子中的—CONH2与煤粒表面的H、O等元素形成氢键吸附，通过桥联作用使细粒煤絮凝成团，改善煤泥的絮凝沉降效果，故PAM对细粒煤的絮凝沉降作用不及PQAAM与HPAM。

（2）PQAAM接枝共聚物分别与HPAM、PAM联合使用较PQAAM单独使用比较，细粒煤的絮凝沉降效果得到明显改善。

当PQAAM与HPAM或PAM按照先后加入顺序等量联合使用，用量为6ppm时，絮团沉降速率分别增加了0．346cm／s、0．198cm／s，上清液透光率分别增加了23．3%、16．2%，实验中发现絮团压缩层高度明显降低。这是因为先加入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，使煤粒表面电位降低，再加入HPAM或PAM，通过—CONH2与煤粒表面的H、O等元素形成氢键吸附，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”，使粒子絮团沉降速率明显增加、上清液透光率显著提高。HPAM的相对分子质量较PAM大，分子链较长，对细粒煤的吸附桥联作用强，故PQAAM与HPAM联合使用时，煤泥的絮凝沉降效果更好，沉降液面无小絮团漂浮物。

5．PQAAM接枝共聚物与无机凝聚剂对细粒煤的絮凝作用

PQAAM接枝共聚物、聚合氯化铝PACl、聚合硫酸铝PAS分别与HPAM、PAM按照先后加入顺序联合使用，体积用量比为1∶1，对煤泥水进行絮凝沉降试验，实验结果如表3．2、表3．3所示。

表3．2　PQAAM、PAS、PACl与HPAM联合使用对细粒煤的絮凝作用

表3．2表明：PQAAM与HPAM联合使用，用量6ppm时，煤泥水的絮凝沉降效果最佳，絮团沉降速率为0．743cm／s，上清液透光率为87．5%，沉降液面无小絮团漂浮物存在；PAS、PACl与HPAM联合使用，用量44ppm时，絮团沉降速率分别为0．60cm／s、0．652cm／s，上清液透光率分别为77．6%、80．9%。

表3．3　PQAAM、PAS、PACl与PAM联合使用对细粒煤的絮凝作用

表3.3表明：当用量8ppm时，PQAAM与PAM联合使用，絮团沉降速率为0．685cm／s，上清液透光率为83．6%，沉降液面基本上无小絮团漂浮物，煤泥水的絮凝沉降效果最佳；而PAS、PACl与PAM联合使用，用量44ppm时，絮团沉降速率分别为0．537cm／s、0．587cm／s，上清液透光率分别为75．9%、78．9%。

表3．2、表3．3表明：分别与HPAM、PAM联合使用时，PQAAM接枝共聚物对煤泥水的絮凝沉降效果明显优于无机凝聚剂PAS、PACl，而且药剂用量大大减小，节约经费。因为煤泥水悬浮液中细粒煤带负电荷，而PQAAM具有季铵盐阳离子基团，通过电性中和作用压缩颗粒的双电层，破坏煤泥水的稳定性，同时通过—CONH2与煤粒表面之间的架桥吸附作用，使细粒煤絮凝成团，加速絮团沉降，提高上清液透光率；而无机凝聚剂PAS、PACl仅通过静电中和作用引起微粒碰撞、凝聚，即混凝作用，又因PAS与煤粒较易形成荷电胶束，Al^3＋、SO₄²－半径相差较大，不易中和电性；相反，Al　^3＋、Cl^－半径相近，不易形成电荷胶束^［71］，因而PACl、PAS与HPAM、PAM联合使用时，PACl凝聚效果较PAS强。它们与HPAM或PAM联合使用时，首先发挥各自的电性中和或桥联作用，再通过HPAM或PAM的架桥作用，将较小的细泥桥联为较大的絮团。正是因为PQAAM具有电性中和与桥联双重作用，故在较低用量下，所形成的絮团沉降速率较大、上清液透光率较高。

实验结果及分析说明：PQAAM接枝共聚物有利于细粒煤的絮凝沉降，是一种优良的阳离子型絮凝剂。