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溶解温度对聚丙烯酰胺溶解速度的影响-以电厂/选煤厂废水为例

溶解温度对聚丙烯酰胺溶解速度的影响-以电厂/选煤厂废水为例

选煤生产中会产生含有极细粒的煤泥水,由于其中含有<0. 001 mm 的胶体颗粒,故其沉降速度很慢,单凭机械方法难以解决煤泥水的澄清和煤泥回收问题,导致煤泥水处理工艺复杂,大量煤泥水流失,不但恶化洗选效果,增加生产成本,而且浪费资源,污染周边环境污染许多国家为解决这类问题,广泛研究和使用絮凝剂来加速煤泥的沉淀,并取得了良好效果使用絮凝剂后选煤厂的循环水浓度可控制在1 g /L 以下,浮选尾矿经深锥浓缩机处理,产品水分可控制在40% ~50% 之间,故添加絮凝剂是实现煤泥厂内回收和洗水闭路循环的一种主要技术措施

絮凝剂的作用是将一些分散、悬浮在水中且不易沉淀或不能沉降的微细颗粒聚成较大的絮团,以此加速絮团的沉降过程,进而实现其与水分离的目的。絮凝剂可分为无机电解质、天然高分子化合物、人工合成高分子化合物三种,目前广泛用于煤泥水处理的絮凝剂为人工合成高分子化合物———聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺聚合而成的有机高分子聚合物,粉粒状聚丙烯酰胺的分子量在6 百万到8 百万之间,具有无色、无味、无臭、能溶于水的特点,其溶解后溶液粘度较大,腐蚀性较小。聚丙烯酰胺含有高活性的亲水基团———酰胺基,其能吸附在悬浮固体颗粒表面,并将所吸附颗粒通过架桥连接,使分散的细小颗粒聚集成大的絮团。

1、存在的问题

絮凝剂制备实际上就是帮助絮凝剂的溶解,目前选煤厂的絮凝剂溶解分成两道程序,先将聚丙烯酰胺添加到一个带搅拌装置的桶内,再给入带蒸汽加热的桶内,对其进行二次溶解。现场观察发现:在第一道程序聚丙烯酰胺已经存在结块现象,尤其是在寒冷条件下,结块更为严重。结块的聚丙烯酰胺溶解比较困难,使用效果也不好,且容易粘附在滤布或设备外表,甚至堵塞设备、管道,进而影响正常生产。在研究电厂废水用于晋阳选煤厂生产系统是否可行时,需要研究电厂废水对聚丙烯酰胺絮凝效果和煤泥水沉降效果的影响,主要研究溶解温度对聚丙烯酰胺溶解速度和溶液粘度的影响。

2、溶解温度对聚丙烯酰胺溶解速度的影响

取1 000 mL 自来水,加入5 g 聚丙烯酰胺,置于恒温水浴中并充分搅拌,搅拌速度保持在60 r /min左右。聚丙烯酰胺的溶解温度与溶解时间关系曲线如图1 所示。

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由图1 可知: 在30℃以下,聚丙烯酰胺完全解需要3 h 以上; 在35 ℃附近,聚丙烯酰胺溶解速度发生急剧变化,在40 ℃以上,随着溶解温度的增加,所需的溶解时间越来越少。溶解温度越高,聚丙烯酰胺溶解越快,但根据聚丙烯酰胺的分子结构和絮凝机理,如果溶解温度过高,易使高聚物的分子链断裂,进而破坏其架桥作用,导致使用效果降低。

采用聚丙烯酰胺作为絮凝剂,依据MT190 - 88《选煤厂煤泥水沉降试验方法》进行煤泥水沉降试验,结果见表1。

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由上表1 可知: 在35 ~ 60 ℃范围内,煤泥水沉降速度和澄清效果相同; 在65 ℃以上,煤泥水沉降速度变慢,澄清效果变差。

3、溶解温度对溶液黏度的影响

将玻璃棒放入聚丙烯酰胺溶液中,搅拌一段时间后轻轻拉起,观察玻璃棒末端形成的粘丝长度。对于浓度在0. 05% ~ 0. 10% 的聚丙烯酰胺溶液,性能好的能形成10 ~ 15 cm 或更长的细丝; 而较差的丝很短,甚至不能成丝。

用小瓶盛装聚丙烯酰胺溶液,将瓶倾斜使溶液缓慢流入,然后暂停倾泻,观察液流末端的粘丝状态,以确定聚丙烯酰胺是否已经完全溶解。良好的聚丙烯酰胺溶液能形成很长的细丝; 未完全均一化的溶液,倾泻流出时可明显看到液流忽粗忽细,或有珠状的流出物。这种未完全分散均匀的聚丙烯酰胺溶液的使用效果不好,容易粘附在滤布或设备的外表上。

35 ~ 60℃范围内的聚丙烯酰胺溶液良好,大于65 ℃的聚丙烯酰胺溶液较差,75 ℃的聚丙烯酰胺溶液不能成丝。综上所述,聚丙烯酰胺溶解较适宜的溶解温度为35 ~ 60℃,考虑到需要快速溶解,溶解温度最好为50 ~ 60 ℃。

4、搅拌条件和均匀分散投料

对大多数物质来说,搅拌越快溶解越快,但聚丙烯酰胺的溶解应避免过强的剪切力,因为过强的搅拌会使分子链断裂,从而降低使用效果。宜采用低速浆叶搅拌机,搅拌时叶轮转速小于400 r /min,搅拌时间为1 ~1. 50 h。聚丙烯酰胺溶解的影响因素还有均匀分散投料。一般先将溶液加热至50 ~ 60 ℃,开动搅拌机后,将称重过的絮凝剂沿搅拌产生的旋涡边缘平静、迅速倒入,在溶液的粘性变大前与水完全混合。

5、聚丙烯酰胺的絮凝机理

聚丙烯酰胺是丙烯酰胺均聚或与其他单体共聚而成的,含量在50% 以上的线型水溶性高分子化学物的总称。由于分子结构的特殊性,聚丙烯酰胺具有特殊的物理化学性质,结构单元中含有酰胺基,易形成氢键,具有良好的水溶性。聚丙烯酰胺的分子链很长,它的酰胺基( —CONH2) 可与许多物质亲和、吸附形成氢键,这就使它能在吸附的粒子之间架桥,使数个甚至数十个粒子连接在一起,进而生成絮团,并使粒子加速下沉。

这同一般絮凝机理类似,即一个分子能同时吸附几个粒子,使它们聚集在一起,然后迅速沉降,沉降的速率取决于絮凝剂的浓度和悬浮固体的浓度。聚丙烯酰胺的絮凝机理可归纳为: 由于具有极性基因———酰胺基,易借氢健的作用在泥沙颗粒表面吸附; 由于其有很长的分子链,大数量级的长链在水中有巨大的吸附表面,故絮凝作用好,能利用长链在颗粒之间架桥,形成大颗粒的絮凝体; 由于分子链固定在不同颗粒的表面上,各个固相颗粒之间形成聚合桥。

6、总结

为了提高聚丙烯酰胺的溶解速度,保证溶液粘度满足要求,试验结果表明: 聚丙烯酰胺较适宜的溶解温度为35 ~ 60 ℃,最佳溶解温度为50~ 60 ℃; 采用低速浆叶搅拌机时,叶轮转速宜小于400 r /min,搅拌时间为1 ~1. 50 h。


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