3．1．4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1．不同特性粘度的PQAAM接枝共聚物對(duì)細(xì)粒煤的絮凝作用

采用陽(yáng)離子度相近、特性粘度不同的PQAAM接枝共聚物，對(duì)煤泥水進(jìn)行絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，其絮凝沉降結(jié)果如圖3．1、圖3．2所示。

圖3.1　不同特性粘度的PQAAM對(duì)絮團(tuán)沉降速率的影響

圖3.2　不同特性粘度的PQAAM對(duì)上清液透光率的影響

圖3.1、圖3.2表明：隨著PQAAM用量的增加，絮團(tuán)沉降速率與上清液透光率呈增大趨勢(shì)；當(dāng)其用量達(dá)到一定值后，PQAAM用量繼續(xù)增加，絮團(tuán)沉降速率與上清液透光率又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樾跄齽┯昧刻r(shí)，電荷中和與吸附架橋作用難以發(fā)揮；用量太大時(shí)，雖有利于電性中和與吸附架橋作用，但絮凝劑同時(shí)兼有分散作用，用量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)形成的絮團(tuán)分散，絮凝沉降效果反而下降。而且隨著PQAAM特性粘度的增大，即相對(duì)分子質(zhì)量增大，絮團(tuán)沉降速率、上清液透光率達(dá)到峰值時(shí)，所需絮凝劑的最佳用量減??；當(dāng)PQAAM用量相同時(shí)，［η］較大的PQAAM所形成的煤泥絮團(tuán)沉降速率較大，上清液透光率較高。因?yàn)镻QAAM含有季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)，與煤粒表面的荷負(fù)電區(qū)域產(chǎn)生靜電吸附作用，中和細(xì)粒煤表面的電負(fù)性，壓縮其擴(kuò)散層，降低其ζ電位，削弱顆粒間的靜電排斥作用；另一方面，PQAAM又含有酰胺基團(tuán)，能與煤粒表面的H、O等元素產(chǎn)生氫鍵吸附，對(duì)細(xì)粒煤產(chǎn)生橋聯(lián)作用，有助于細(xì)粒煤絮凝成團(tuán)。PQAAM接枝共聚物在處理煤泥水時(shí)兼具電性中和及吸附架橋作用，當(dāng)其特性粘度較大，即相對(duì)分子質(zhì)量較大時(shí)，對(duì)細(xì)粒煤的吸附架橋作用增強(qiáng)，使絮團(tuán)直徑增大，故煤泥的絮凝沉降效果較好；當(dāng)PQAAM的特性粘度較小，即相對(duì)分子質(zhì)量較小時(shí)，形成的絮團(tuán)直徑相對(duì)較小，故煤泥的絮凝沉降效果相對(duì)較差。

2．不同陽(yáng)離子度的PQAAM接枝共聚物對(duì)細(xì)粒煤的絮凝作用

采用特性粘度相近、陽(yáng)離子度不同的PQAAM接枝共聚物，對(duì)煤泥水進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)，其絮凝沉降效果如圖3．3、圖3．4所示。

圖3．3、圖3．4表明：隨著PQAAM接枝共聚物用量的增加，絮團(tuán)沉降速率、上清液透光率呈增加趨勢(shì)；當(dāng)PQAAM接枝共聚物用量增加到一定值后，再繼續(xù)增加時(shí)，絮團(tuán)沉降速率、上清液透光率呈下降趨勢(shì)。隨著PQAAM接枝共聚物陽(yáng)離子度的增大，絮團(tuán)沉降速率、上清液透光率達(dá)到峰值時(shí)，所需的最佳藥劑用量減?。磺蚁嗤昧繒r(shí)，陽(yáng)離子度較高的PQAAM所形成的絮團(tuán)沉降速率較大、上清液透光率較高。這是因?yàn)镻QAAM大分子中的季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)能夠降低細(xì)粒煤表面ζ電位的電負(fù)性，不同陽(yáng)離子度的PQAAM對(duì)細(xì)粒煤表面ζ電位的影響如圖3.5所示。

圖3.3　不同陽(yáng)離子度的PQAAM對(duì)絮團(tuán)沉降速率的影響

圖3.4　不同陽(yáng)離子度的PQAAM對(duì)上清液透光率的影響

圖3.5　不同陽(yáng)離子度的PQAAM對(duì)煤表面ζ電位的影響

隨著PQAAM用量的增大，細(xì)粒煤表面ζ電位的電負(fù)性降低，削弱了煤粒間的靜電排斥作用，促使細(xì)粒煤絮凝成團(tuán)、絮團(tuán)沉降速率增大、上清液透光率提高。但當(dāng)PQAAM接枝共聚物用量超過(guò)一定值后，甚至使細(xì)粒煤表面ζ電位的符號(hào)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，細(xì)粒煤表面帶正電荷后，煤粒表面極性增加，煤粒間的靜電排斥作用增大，阻礙細(xì)粒煤絮凝成團(tuán)，導(dǎo)致絮團(tuán)沉降速率降低、上清液透光率下降。據(jù)DLVO理論^［70］，陽(yáng)離子度較高的PQAAM接枝共聚物對(duì)細(xì)粒煤的電性中和作用較強(qiáng)，當(dāng)其用量較小時(shí)，就能中和細(xì)粒煤表面的電負(fù)性，降低顆粒間的排斥能，使顆粒克服勢(shì)壘而脫穩(wěn)，凝聚成較大的絮團(tuán)，從而加速煤泥沉降；陽(yáng)離子度較小的PQAAM對(duì)細(xì)粒煤的電荷中和作用較弱，只有其用量較大時(shí)方可中和細(xì)粒煤表面的電負(fù)性，減少顆粒間的排斥能，使顆粒越過(guò)勢(shì)壘而脫穩(wěn)，形成絮團(tuán)，促進(jìn)煤泥絮凝沉降。

3．pH對(duì)PQAAM接枝共聚物、HPAM、PAM絮凝作用的影響

當(dāng)藥劑用量為8ppm，pH對(duì)PQAAM、HPAM、PAM絮凝作用的影響如圖3.6、圖3.7所示。

圖3.6　pH對(duì)絮團(tuán)沉降速率的影響

圖3.7　pH對(duì)上清液透光率的影響

圖3.6、圖3.7表明：pH＜6時(shí)，隨著pH增大，細(xì)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作用下所形成的絮團(tuán)沉降速率最大，PQAAM作用下所形成的絮團(tuán)沉降速率次之。當(dāng)6＜pH＜9時(shí)，細(xì)粒煤在PAM作用下所形成的絮團(tuán)沉降速率最高，PQAAM作用下所形成的絮團(tuán)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時(shí)，細(xì)粒煤在PQAAM作用下較HPAM、PAM相比，所形成的絮團(tuán)沉降速率最大、上清液透光率最高。

可見(jiàn)，PQAAM在較寬的pH范圍內(nèi)對(duì)細(xì)粒煤均有較好的絮凝沉降作用，主要原因是pH影響煤粒表面ζ電位，尤其是在高分子聚合物作用下，影響更為明顯。絮凝劑用量為8ppm時(shí)，pH對(duì)煤泥表面ζ電位的影響如表3．1所示。

表3.1　煤粒表面ζ電位與pH的關(guān)系

表3.1表明：隨著pH增大，煤粒表面ζ電位電負(fù)性增強(qiáng)，在高聚物HPAM、PAM作用下，增加得更明顯。PQAAM含有季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)，能夠中和煤粒表面的電負(fù)性，使其ζ電位電負(fù)性降低。在強(qiáng)酸性范圍內(nèi)，煤粒表面ζ電位較低，煤粒間排斥作用較弱，通過(guò)PQAAM的酰胺基與煤粒表面H、O等元素之間的氫鍵締合作用，使細(xì)粒煤絮凝成團(tuán)，PQAAM大分子中的季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)與煤粒表面荷負(fù)電微區(qū)的吸引作用，更有利于煤泥水絮凝澄清，具有較高的上清液透光率。HPAM相對(duì)分子質(zhì)量較高，聚合度較大，對(duì)細(xì)粒煤架橋絮凝作用較強(qiáng)，形成的絮團(tuán)直徑較大，故絮團(tuán)沉降速率較大。當(dāng)5＜pH＜7時(shí)，PQAAM、PAM、HPAM大分子具有更多的活性位，當(dāng)酰胺基與煤粒表面H、O等元素產(chǎn)生氫鍵吸附時(shí)，另一端更為伸展，有利于架橋，細(xì)粒煤絮凝效果較好。堿性條件下，煤漿中存在大量OH－，一方面成為煤粒表面的定位離子，使煤表面ζ電位電負(fù)性顯著升高、顆粒間靜電排斥作用大大增強(qiáng)，不利于煤泥水絮凝沉降。另一方面OH－與高分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)吸附，不利于高聚物吸附于煤粒表面；而且OH－與PQAAM陽(yáng)離子基團(tuán)作用，阻礙PQAAM吸附于煤粒表面。在強(qiáng)堿性條件下，HPAM分子過(guò)分伸展，缺乏一定的柔性。上述諸因素均導(dǎo)致細(xì)粒煤絮凝效果下降。

4．PQAAM接枝共聚物、HPAM、PAM及其聯(lián)合使用對(duì)細(xì)粒煤的絮凝作用

PQAAM接枝共聚物、陰離子型聚丙烯酰胺HPAM、非離子型聚丙烯酰胺PAM及PQAAM分別與HPAM、PAM按先后加入順序等量聯(lián)合使用，煤泥水絮凝沉降結(jié)果如圖3.8、圖3.9所示。

圖3.8　PQAAM、HPAM、PAM及其聯(lián)合使用對(duì)沉降速率的影響

圖3.9　PQAAM、HPAM、PAM及其聯(lián)合使用對(duì)上清液透光率的影響

圖3.8、圖3.9表明：

（1）使用單一絮凝劑，當(dāng)用量相等時(shí)，煤泥水在HPAM作用下所形成的絮團(tuán)沉降速率和上清液透光率均最大；PQAAM接枝共聚物對(duì)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相對(duì)分子質(zhì)量較大，粘度較高，聚合度較大，主要通過(guò)大分子中—CONH2與煤表面的H、O等元素形成氫鍵締合，可把—CONH2當(dāng)作鏈軌，大分子中的另一活性基團(tuán)—CONH2，若遇到煤表面相近的荷正電微區(qū)時(shí)，產(chǎn)生靜電吸引作用，使HPAM卷曲，形成鏈環(huán)式吸附；若遇到煤表面相近的荷負(fù)電微區(qū)，則產(chǎn)生靜電排斥作用，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個(gè)顆粒的荷正電微區(qū)，則產(chǎn)生靜電吸引，使顆粒連結(jié)產(chǎn)生絮凝作用，形成絮團(tuán)。HPAM水解度為30%，含有適量—COO－，分子鏈?zhǔn)荇然g同號(hào)靜電斥力作用，明顯伸直，有效長(zhǎng)度增大，吸附于煤粒表面的荷正電微區(qū)，細(xì)粒煤形成的絮團(tuán)較大，故絮團(tuán)沉降速率較大；PQAAM對(duì)細(xì)粒煤具有電性中和與橋聯(lián)雙重作用，有助于微細(xì)粒煤的絮凝，故煤泥水在其作用下澄清效果較好，上清液透光率較高，但因其特性粘度較小，相對(duì)分子質(zhì)量較低，形成的絮團(tuán)直徑較小，絮團(tuán)沉降速率較?。环请x子型聚丙烯酰胺PAM僅僅通過(guò)大分子中的—CONH2與煤粒表面的H、O等元素形成氫鍵吸附，通過(guò)橋聯(lián)作用使細(xì)粒煤絮凝成團(tuán)，改善煤泥的絮凝沉降效果，故PAM對(duì)細(xì)粒煤的絮凝沉降作用不及PQAAM與HPAM。

（2）PQAAM接枝共聚物分別與HPAM、PAM聯(lián)合使用較PQAAM單獨(dú)使用比較，細(xì)粒煤的絮凝沉降效果得到明顯改善。

當(dāng)PQAAM與HPAM或PAM按照先后加入順序等量聯(lián)合使用，用量為6ppm時(shí)，絮團(tuán)沉降速率分別增加了0．346cm／s、0．198cm／s，上清液透光率分別增加了23．3%、16．2%，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)絮團(tuán)壓縮層高度明顯降低。這是因?yàn)橄燃尤隤QAAM，其季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)的靜電物理吸附作用中和了細(xì)粒煤表面的負(fù)電荷，使煤粒表面電位降低，再加入HPAM或PAM，通過(guò)—CONH2與煤粒表面的H、O等元素形成氫鍵吸附，產(chǎn)生橋聯(lián)作用，其長(zhǎng)鏈大分子可以同時(shí)吸附兩個(gè)以上微粒或一個(gè)微粒同時(shí)被兩個(gè)高分子鏈所吸附，象紐帶一樣將各個(gè)粒子聯(lián)結(jié)起來(lái)，成為“大粒子”，使粒子絮團(tuán)沉降速率明顯增加、上清液透光率顯著提高。HPAM的相對(duì)分子質(zhì)量較PAM大，分子鏈較長(zhǎng)，對(duì)細(xì)粒煤的吸附橋聯(lián)作用強(qiáng)，故PQAAM與HPAM聯(lián)合使用時(shí)，煤泥的絮凝沉降效果更好，沉降液面無(wú)小絮團(tuán)漂浮物。

5．PQAAM接枝共聚物與無(wú)機(jī)凝聚劑對(duì)細(xì)粒煤的絮凝作用

PQAAM接枝共聚物、聚合氯化鋁PACl、聚合硫酸鋁PAS分別與HPAM、PAM按照先后加入順序聯(lián)合使用，體積用量比為1∶1，對(duì)煤泥水進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3．2、表3．3所示。

表3．2　PQAAM、PAS、PACl與HPAM聯(lián)合使用對(duì)細(xì)粒煤的絮凝作用

表3．2表明：PQAAM與HPAM聯(lián)合使用，用量6ppm時(shí)，煤泥水的絮凝沉降效果最佳，絮團(tuán)沉降速率為0．743cm／s，上清液透光率為87．5%，沉降液面無(wú)小絮團(tuán)漂浮物存在；PAS、PACl與HPAM聯(lián)合使用，用量44ppm時(shí)，絮團(tuán)沉降速率分別為0．60cm／s、0．652cm／s，上清液透光率分別為77．6%、80．9%。

表3．3　PQAAM、PAS、PACl與PAM聯(lián)合使用對(duì)細(xì)粒煤的絮凝作用

表3.3表明：當(dāng)用量8ppm時(shí)，PQAAM與PAM聯(lián)合使用，絮團(tuán)沉降速率為0．685cm／s，上清液透光率為83．6%，沉降液面基本上無(wú)小絮團(tuán)漂浮物，煤泥水的絮凝沉降效果最佳；而PAS、PACl與PAM聯(lián)合使用，用量44ppm時(shí)，絮團(tuán)沉降速率分別為0．537cm／s、0．587cm／s，上清液透光率分別為75．9%、78．9%。

表3．2、表3．3表明：分別與HPAM、PAM聯(lián)合使用時(shí)，PQAAM接枝共聚物對(duì)煤泥水的絮凝沉降效果明顯優(yōu)于無(wú)機(jī)凝聚劑PAS、PACl，而且藥劑用量大大減小，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。因?yàn)槊耗嗨畱腋∫褐屑?xì)粒煤帶負(fù)電荷，而PQAAM具有季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)，通過(guò)電性中和作用壓縮顆粒的雙電層，破壞煤泥水的穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)—CONH2與煤粒表面之間的架橋吸附作用，使細(xì)粒煤絮凝成團(tuán)，加速絮團(tuán)沉降，提高上清液透光率；而無(wú)機(jī)凝聚劑PAS、PACl僅通過(guò)靜電中和作用引起微粒碰撞、凝聚，即混凝作用，又因PAS與煤粒較易形成荷電膠束，Al^3＋、SO₄²－半徑相差較大，不易中和電性；相反，Al　^3＋、Cl^－半徑相近，不易形成電荷膠束^［71］，因而PACl、PAS與HPAM、PAM聯(lián)合使用時(shí)，PACl凝聚效果較PAS強(qiáng)。它們與HPAM或PAM聯(lián)合使用時(shí)，首先發(fā)揮各自的電性中和或橋聯(lián)作用，再通過(guò)HPAM或PAM的架橋作用，將較小的細(xì)泥橋聯(lián)為較大的絮團(tuán)。正是因?yàn)镻QAAM具有電性中和與橋聯(lián)雙重作用，故在較低用量下，所形成的絮團(tuán)沉降速率較大、上清液透光率較高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析說(shuō)明：PQAAM接枝共聚物有利于細(xì)粒煤的絮凝沉降，是一種優(yōu)良的陽(yáng)離子型絮凝劑。