基于水化膜弱化促进煤泥脱水机理及试验研究

煤泥颗粒表面水化是煤泥脱水困难的重要因素之一,通过弱化煤泥颗粒表面水化膜促进煤泥高效脱水是一种新的技术方法。为掌握基于弱化水化膜促进煤泥脱水机理,采用密度泛函理论方法模拟了不同长链烷基季铵阳离子(表面活性剂)在煤泥水主要矿物颗粒表面的吸附,通过对吸附构型、Mulliken键布局及电荷的分析,研究了水及药剂在高岭石(001)面、α-石英(001)面和蒙脱石(001)面的吸附机理;通过开展煤泥脱水试验和接触角测试,探讨长链烷基季铵盐药剂对煤泥水分和表面润湿性的影响规律。结果表明,水分子在不同种类矿物(001)面的吸附稳定性顺序为石英>高岭石>蒙脱石,石英对煤泥脱水影响大于高岭石和蒙脱石;长链烷基季铵盐药剂在矿物表面的吸附稳定性明显高于水分子,说明药剂与水分子的竞争吸附作用顺序是蒙脱石>石英>高岭石;长链烷基季铵盐与几种矿物(001)表面吸附均是以静电引力为主,弱氢键为辅。随着长链烷基季铵盐药剂用量的增加,煤泥滤饼水分先减少后增加,当药剂用量为500 g/t效果最好,水分降低2.25%以上;随着药剂用量和链长的增加煤泥表面疏水性显著增加。控制药剂用量是实现高效煤泥脱水的技术关键,添加适量的表面活性剂有利于弱化矿物表面的水化膜,过量长链烷基季铵盐阻碍煤泥脱水。     

微细煤与高岭石颗粒间的分子动力学模拟研究

掌握煤泥水中多组分微细颗粒间复杂的相互作用机制是解决煤泥聚团沉降、选择性分选及脱水困难的重要基础。为了探寻煤泥水中微细颗粒界面间微观作用机制,以煤泥水中主要微细颗粒煤和高岭石为研究对象,采用分子动力学(MD,Molecular Dynamics)方法对水溶液中微细煤与高岭石颗粒间相互作用进行了模拟研究,模拟计算了高岭石颗粒界面处煤大分子空间平衡构型、原子浓度分布曲线及水分子自扩散系数、原子间径向分布函数的影响。MD模拟结果表明:煤大分子在高岭石(001)面及■面吸附动力学平衡后,能够排开周围水分子与高岭石表面发生了稳定吸附作用,同时煤大分子中的部分苯环结构近似平行于高岭石表面,即苯环结构与高岭石不同表面间都存在较强的静电引力作用;煤大分子中的含氧官能团能够与高岭石不同表面形成氢键,但氢键在煤大分子与高岭石表面间相互作用中所提供的贡献非常小;存在水分子竞争吸附的情况下,煤大分子更容易与高岭石■面发生稳定吸附。为验证分子动力学模拟结果的正确性,采用扫描电子显微镜(SEM)对不同粒度级的煤与高岭石颗粒间微观作用进行观测分析,结果表明:在水溶液环境中,微细煤与高岭石颗粒间能够发生相互吸引作用,使得两者吸附在一起难以分开。水溶液中微细煤与高岭石颗粒间的微观作用机理主要是煤中含氧官能团与高岭石表面形成的氢键作用及煤中苯环与高岭石表面间的静电引力作用,其中以苯环与高岭石表面间的静电引力作用为主导。     

矿物组成对高泥化煤泥水处理的影响研究

为了实现高泥化煤泥水的高效处理,采用正交试验方法研究高岭石、石英、蒙脱石对高泥化煤泥水沉降、澄清效果的影响规律,并分析各矿物的作用机理。试验结果表明:高岭石对高泥化煤泥水处理的影响最大,蒙脱石次之,石英影响最小;这三种粘土矿物均可在水中泥化成微米级的颗粒,且其表面负电性强,不同颗粒之间存在水化斥力,致使煤泥水处理困难;由于粘土矿物颗粒的表面电位、官能团及水化膨胀性不同,各粘土矿物对高泥化煤泥水的处理效果影响不同。     

2-羟乙基三甲基氯化铵抑制蒙脱石水化膨胀的密度泛函计算

为探究2-羟乙基三甲基氯化铵(LHDJ)抑制蒙脱石水化膨胀的机理,基于密度泛函理论的方法研究了干态和湿态环境中LHDJ在蒙脱石表面的吸附机理。结果表明,干态环境下,LHDJ在蒙脱石001表面和层间都能稳定吸附,但LHDJ在Na-001表面吸附主要是静电作用,在None-001表面和层间的吸附是氢键和静电引力的共同作用,钠离子的存在并不利于LHDJ吸附在蒙脱石001表面。湿态环境下,LHDJ与水分子协同吸附,水分子将LHDJ和蒙脱石表面桥联起来并增强它们之间的静电作用和氢键作用。LHDJ抑制蒙脱石水化膨胀的机理主要是:LHDJ在水溶液中产生大量正电离子,中和蒙脱石表面的负电性,减弱颗粒间的静电斥力;同时,LHDJ可以牢固地吸附在蒙脱石外表面,随吸附量的增加,阻碍水分子在表面的吸附,但并不改变蒙脱石的亲水性;此外,LHDJ易进入层间交换出钠离子,依靠静电作用、氢键作用和水分子的桥联作用与上下两表面吸附牢固,拉紧层间距,水分子不易进入层间增大层间距。     

水合氢离子在伊利石(001)面和(010)面吸附的密度泛函研究

水合氢离子在黏土矿物颗粒表面的吸附造成界面性质的变化,进而影响溶液中的金属离子吸附。为揭示水合氢离子在黏土矿物表面的吸附机理,采用密度泛函理论方法对水合氢离子(H_3O~+)在伊利石(001)面和(010)面上的吸附进行模拟计算。结果表明:吸附在(001)面硅氧环上方的水分子易获得质子,H_3O~+优先吸附于硅氧环空穴上方。(010)面的≡Al—OH易从H_3O~+获得质子,水分子与H_3O~+存在竞争吸附; H_3O~+与(001)面间的静电作用强于(010)面,而氢键作用弱于(010)面,在(010)面的吸附稳定性强于(001)面;水分子的存在削弱H_3O~+与表面的氢键作用,然而对静电作用影响不大。从H_3O~+与伊利石表面微观吸附机理出发,H_3O~+的吸附增加界面水分子的活性,金属阳离子在表面的吸附可能更倾向于与活性水分子先发生配位作用。     

烷基伯胺作用下煤泥水中粘土颗粒聚团特性及机理研究

为探寻烷基伯胺类疏水改性剂作用下煤泥水中粘土颗粒的聚团特性及机理,构建了烷基伯胺阳离子极性头基甲基伯胺阳离子(CH_6N~+),以煤泥水中主要粘土高岭石和蒙脱石为研究对象,采用密度泛函理论计算方法,对甲基伯胺阳离子在不同粘土层面的吸附机理进行了模拟研究,研究结果表明:甲基伯胺阳离子能够在不同粘土颗粒表面发生稳定吸附,在高岭石(001)面、高岭石■面及蒙脱石(001)面较为稳定构型的吸附能分别为-125.385、-140.96、-299.31 kJ/mol;甲基伯胺阳离子在不同粘土层面的吸附机理主要是静电引力和氢键的共同作用,其中起主导作用的是静电引力作用。通过表面润湿性、Zeta电位、聚团观测、吸附量及聚团沉降试验,对十二烷基伯胺(DDA)作用下高岭石和蒙脱石颗粒的聚团特性进行了试验研究,以验证DFT模拟结果,试验结果表明:十二烷基伯胺在粘土颗粒表面吸附可改善粘土颗粒表面疏水性,降低颗粒表面电负性,促进颗粒形成疏水聚团,进而加速粘土颗粒的聚团沉降。     

温度及压力对高岭石吸水特征影响的分子动力学模拟

高岭石是煤系泥岩的主要黏土矿物组成成分之一,它的存在对泥岩的水理作用产生重要影响。高岭石与水相互作用的分子机制是深入认识泥岩遇水膨胀、软化崩解甚至泥化等现象的基础。分子动力学模拟技术是揭示物质结构与性质间关系、了解物理化学体系中物质相互作用机制的有力工具。应用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)及分子动力学(MD)方法对高岭石的吸水特征进行了模拟,研究了温度及压力对水分子在高岭石颗粒表面的吸附量、吸附位、吸附热、吸附能以及高岭石体积膨胀性等的影响规律,阐明了高岭石吸水的分子机制。研究结果表明:高岭石吸附水过程中,水分子和高岭石表面原子以H_w-O_k和O_w-H_k两种形式形成氢键联接;吸附热介于1.898～2.133 kJ/mol,远低于发生化学吸附的临界值42 kJ/mol,高岭石与水分子间的相互作用为典型物理吸附;吸附能为负值,高岭石吸水后体系热力学稳定,吸附能数值、吸附量及体积膨胀率变化规律相似,均随压力增加呈对数关系递增,而随温度升高递减且减幅相对较小;吸附位为吸附过程中水分子在高岭石颗粒表面某一位置出现的频次;水分子在高岭石颗粒表面的吸附依赖于分子间的范德华能和氢键作用能,压力对吸附特征的影响比温度更大,且高温不利于水分子在高岭石颗粒表面的吸附。     

煤泥水中煤与不同矿物相互作用的模拟研究

矿物界面间相互作用机理的研究对解决浮选提质增效与煤泥水难处理问题具有重要的理论指导意义,为探索煤泥水中煤与不同矿物之间的相互作用机理,本文采用分子动力学方法模拟研究水溶液中Wiser煤模型~([1])在石英、高岭石、蒙脱石矿物颗粒表面的相互作用行为,通过对煤分子与不同矿物间相互作用运动过程分析可知,煤泥水中石英、高岭石、蒙脱石矿物的存在,使得具有疏水性的煤分子容易吸附于矿物表面,黏土矿物对煤的吸附强度强于石英矿物。对吸附稳定的煤分子平衡构型进行浓度分布曲线分析可知,煤分子中的苯环与含氧官能团更容易吸附在矿物表面,烷基等官能团则远离矿物表面。     

黏土矿物对煤泥表面性质的影响

针对黏土含量较高的难处理煤泥水,以深度脱灰后的浮选精煤为研究对象,采用扫描电子显微镜、Zeta电位仪研究了3种常见黏土矿物高岭石、蒙脱石和伊利石对煤泥表面性质的影响.电子显微镜扫描结果表明:高岭石和伊利石在煤泥水中分散性差,存在较多大颗粒,有利于煤泥水沉降,而蒙脱石软化崩解后粒度更细,更易均匀分散,不利于煤泥水沉降.Zeta电位测定结果显示:高岭石和伊利石对煤表面的电负性影响较小,而蒙脱石增加了混合煤样的电负性,使煤泥颗粒更易稳定悬浮,不利于煤泥水沉降.从混合煤样的表面形貌和电位测定结果可得出,蒙脱石是影响煤泥水沉降效果的主要黏土矿物.     

从黏土行为视角认识煤泥水沉降性能

黏土颗粒在煤泥水中是不稳定的,其颗粒粒度分布、表面水化膜厚度、电动电位分布等参数都会随浸泡时间增加而变化,从而导致黏土颗粒之间相互作用形式发生变化,黏土颗粒与煤颗粒之间相互作用也随之改变,最终表现为煤泥水沉降性能的变化和差异.文章以煤泥水中有代表性的黏土矿物——高岭石和蒙脱石为研究对象,分析了煤中黏土矿物在水中性质和行...     

蒙脱石水化膨胀抑制对煤泥水过滤的影响

为了研究蒙脱石水化膨胀抑制对煤泥水过滤的影响,采用氯化钾和苄基三甲基氯化铵(TMBAC)作为抑制剂,在抑制和非抑制状态下进行了含蒙脱石煤泥水的过滤试验。结果表明:氯化钾和TMBAC对蒙脱石水化膨胀均有较好的抑制作用,氯化钾质量分数为1.12%和TMBAC质量分数为0.4%时,可以使蒙脱石的防膨率达90%。与非抑制状态相比,抑制状态下含蒙脱石煤泥水过滤的滤饼水分降低、过滤时间缩短和脱水速率增大,且TMBAC抑制状态下含蒙脱石煤泥水过滤效果更好。氯化钾和TMBAC通过水化能较低的K+,C6H5CH2—N+(CH3)3进入蒙脱石层间,限制层间阳离子和水分子的扩散运动,达到蒙脱石水化膨胀的抑制。C6H5CH2—N+(CH3)3还可以吸附在蒙脱石和煤颗粒表面,增加蒙脱石和煤颗粒的疏水性,起到助滤剂的作用。     

煤泥浮选过程中六偏磷酸钠对蒙脱石分散行为影响

通过测定润湿接触角和Zeta电位分析了蒙脱石颗粒对煤泥浮选的作用,考察了六偏磷酸钠对煤和蒙脱石浮选行为的影响。依据扩展DLVO理论的计算,分析了分散剂影响煤和蒙脱石浮选行为的作用机理。结果表明：蒙脱石颗粒严重抑制了煤泥浮选,使精煤可燃体回收率从44.11%降至11.68%;六偏磷酸钠可改善浮选效果,使精煤可燃体回收率提高2个百分点;六偏磷酸钠增大煤和蒙脱石颗粒表面电位绝对值,从而提高颗粒间静电斥能,同时六偏磷酸钠附着在煤颗粒和蒙脱石颗粒表面,增强颗粒间的亲水作用能,并且六偏磷酸钠水解形成的长链分子吸附于颗粒表面后,使颗粒相互靠近时产生较强的空间稳定化作用,增大颗粒之间的空间斥力。     

不同密度级原煤的泥化特性

对淮南矿区不同密度级原煤进行泥化研究，并分别用激光粒度仪和 X-射线衍射仪对不同密度级原煤泥化产物的粒度组成、矿物组成进行分析。结果表明：1.5~1.6 g/cm 3原煤的泥化率较大，为10.23%；>1.7 g/cm 3原煤的泥化率最大，高达13.79%；泥化煤泥中含有大量<0.045 mm粒级的细颗粒，其中>1.7 g/cm 3原煤泥化<0.045 mm粒级煤泥中<0.025 mm的微细颗粒占99%；随原煤密度增加，泥化煤泥中石英含量逐渐增大，中间密度级原煤泥化煤泥中高岭土含量最高；泥化煤泥中主要矿物为石英和高岭土，其严重影响了煤泥水的澄清处理。     

煤表面热力学特性的Washburn动态法测试

微细粒中煤浮选的突出问题是选择性差、精煤产品灰分高,而润湿性是影响微细颗粒分选重要的界面性质,基于此,考察了煤样与主要杂质矿物高岭石的表面热力学特性。用Washburn动态法,以正己烷、1-溴萘、甲酰胺、去离子水为液体分子探针测量其对不同密度级微细粒中煤样品及高岭石的润湿过程,用线性回归法分析润湿速率并计算亲油亲水比,联合Washburn方程和van Oss-Chaudhury-Good理论对不同密度级煤粉样品以及高岭石的表面自由能进行估算,并进行煤泥的分布释放实验。研究表明：随煤样密度级的增加,正己烷对煤样的润湿速率降低,且变化不大,去离子水对煤样的润湿速率增高,两者对高岭石的润湿速率分别为0.010 1,0.020 6 g2/s,远大于对煤样的润湿速率;煤样随密度级的增加亲油亲水比值LHR值减小,1.5~1.6 g/cm3与1.6~1.8 g/cm3中间密度级煤样的润湿速率和LHR值相近,高岭石的LHR值最低,为1.44,呈亲水性;各个密度级样品的非极性成分γLWs呈略微降低趋势且其值基本一致,均低于高岭石的γLWs,样品表面自由能极性成分中氢键作用的碱性力与LHR值呈正相关。该煤样分布释放浮选实验结果与各个密度级样品表面性质测试结果吻合。     

高岭石对金属阳离子的吸附特性研究

煤泥水中高岭石颗粒表面荷负电是其难以沉降的主要原因.通过高岭石对Ca2+、Mg2+、K+、Na+四种离子,分别进行了单离子吸附试验、双离子的竞争吸附试验和四离子的竞争吸附试验,使用离子色谱仪测定在不同的吸附条件下各金属阳离子的浓度,并计算其吸附量.结果表明:高岭石对金属阳离子的吸附量随着吸附时间的增加而增加,约90min后趋于平衡;高岭石对单种金属阳离子的吸附量大小顺序为:Ca2+>Mg2+>K+>Na+,在双离子和四离子竞争吸附中,其吸附竞争能力也满足该规律.本研究将为水质调控的煤泥水絮凝沉降处理技术提供理论基础.     

钾离子抑制蒙脱石水化膨胀的试验研究

蒙脱石是影响煤泥水沉降性能的主要因素,为了研究钾离子对蒙脱石水化膨胀的抑制性能,进行蒙脱石的静沉降试验和压滤试验。蒙脱石在去离子水溶液中体积膨胀为原干粉体积的2.3倍,而蒙脱石在0.1 mol/L的钾离子溶液中的体积膨胀仅为原来的1.8倍,且蒙脱石在钾离子溶液中的过滤速度明显快于在去离子水溶液中的过滤速度。钾离子可较好地抑制蒙脱石的水化膨胀,且钾离子对蒙脱石膨胀的抑制性能优于钙离子。钾离子抑制蒙脱石水化膨胀的机理是：钾离子被蒙脱石吸附后,就嵌入晶层间,由于钾离子水化能较低,不容易水化,使晶层间已有的水分子被排出,且晶层间的钾离子的键合作用极大地抑制住了邻近晶层间的膨胀或者分离过程。