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。     

深层页岩蒙脱石表面水化抑制机理的分子动力学模拟

井壁失稳是油气勘探开发过程中最为复杂的技术难题之一,黏土矿物水化膨胀是造成井壁失稳的关键因素,其中表面水化因水化势较大而难以去除。本文通过分子动力学模拟探测了无机盐对蒙脱石表面水化的抑制效果,以及浓度、温度和压强对水化抑制效果的影响,揭示了无机盐CaCl₂抑制蒙脱石表面水化的微观机理。研究表明：抑制阳离子通过束缚蒙脱石表面水分子和降低水分子输运传导能力,从而调控水分子侵入蒙脱石表面来实现抑制作用。无机盐抑制表面水化能力依次为CaCl₂>NaCl>MgCl₂>KCl,钙离子易吸附表面水分子形成稳定的外球络合结构。随着CaCl₂浓度增加,钙离子配位数、水化数和水化半径均降低,抑制能力减弱;温度升高和压强降低时,体系中水分子传导输运能力增强、钙离子水化数减小且力学强度降低。     

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。     

煤泥水中固体颗粒表面电性研究

颗粒表面ξ电位对煤泥水的沉降特性有重要的影响,而煤泥水的酸碱度即pH值直接影响其所含颗粒的表面电性和凝聚剂(絮凝剂)在煤泥水中的存在形态,本次试验通过NaOH和HCl调节煤泥水的pH值,采用微电泳仪测定煤泥水中固体颗粒的表面电位,试验测得当pH值等于2.7时,ξ电位等于0,即等电点为2.7。     

蒙脱石水化性能影响因素的探讨

通过不同产地或矿层的膨润土样,经提纯和反复钠化处理,由化学分析得到具有不同四面体和八面体阳离子类质同象置换的5个蒙脱石样品,测验了1克试样在蒸馏水中自由膨润体积——膨润值和粒度分布,分析类质同象置换与样品膨润值和粒度分布的相关性,探讨了膨润值和分散差异的原因。粘土矿物的基本结构单元为硅氧四面体和铝氧八面体,不同结构类型(如1:1型、2:1型等)的矿物具有不同的物化性能。不同产地膨润土中的蒙脱石,具有相同的2:1型结构,它们的性能差异,由蒙脱石含量、层间可交换阳离子性质、数量等方面找原因在国内外均有很多论著。本文通过不同产地或矿层的膨润土样,经提纯和反复钠化处理后,由化学分析得到具有不同四面体和八面体阳离子类质同象置换的5个蒙脱石样品,测试了样品的粒度分布和1克试样在蒸馏水中自由膨润值。试验结果表明,样品的膨润值和粒度分子与蒙脱石晶格类质同象置换有密切的关系,与晶格常数b.有明显的相关性。探讨了膨润值和分散差异的原因。     

水质硬度对煤泥水中煤和高岭石颗粒分散行为的影响

利用扩展的DLVO理论计算了2种硬度条件下煤和高岭石组成的煤泥水中颗粒之间的相互作用,建立了包括范德华作用能、静电作用能与界面极化作用能与颗粒间距的势能曲线,并进行了沉降试验.结果表明:当水质硬度为1.0 mmol/L时,煤颗粒之间、高岭石颗粒之间以及煤与高岭石颗粒之间都不凝聚而处于悬浮态;当水质硬度为10.0 mmol/L时,煤颗粒之间最易凝聚,其次是煤颗粒和高岭石颗粒凝聚,剩余的高岭石颗粒始终不凝聚而分散悬浮于水中.     

蒙脱石层电荷与胶体水化性能关系研究

利用自然沉降法提取了山东某两不同产地膨润土中的蒙脱石矿物,利用结构式推算法计算了两提纯蒙脱石的层电荷,并对其胶体水化性能进行了测试。研究结果表明,Mont-1的层电荷为0.38,为中-偏低层电荷的蒙脱石;Mont-2的层电荷为0.59,为高层电荷的蒙脱石。研究发现,蒙脱石的层电荷越低,其水化性能越好;反之,水化性能较差。该研究结论对膨润土深加工中膨润土原料的选择具有指导意义。     

金属阳离子对高岭石颗粒沉降影响机理研究

高岭石是高泥化煤泥水中的主要矿物,具有粒度细、易泥化、表面荷电等特点,在煤泥水中长时间保持稳定分散状态,不利于煤泥水快速沉降。研究了常见金属阳离子Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Al³⁺对高岭石颗粒沉降特性的影响,并采用Zeta电位、傅里叶变换红外光谱、微量热、接触角及激光粒度仪等分析手段揭示金属阳离子在高岭石沉降过程中的作用机理。结果表明,在自然pH条件下,加入Al³⁺后综合沉降指标最优,沉降效果最好,其次是Ca²⁺和Mg²⁺,加入K⁺和Na⁺沉降效果相对较差;加入金属阳离子可降低高岭石表面Zeta电位绝对值,压缩双电层,促进高岭石颗粒凝聚及沉降;金属阳离子可与高岭石表面亲水性羟基官能团发生反应,抑制高岭石的水化作用,导致表面疏水性增强,有利于高岭石颗粒疏水聚团及沉降。     

水质硬度对煤泥水中煤和高岭石颗粒分散行为的影响

利用扩展的DLVO理论计算了2种硬度条件下煤和高岭石组成的煤泥水中颗粒之间的相互作用,建立了包括范德华作用能、静电作用能与界面极化作用能与颗粒间距的势能曲线,并进行了沉降试验.结果表明：当水质硬度为1.0 mmol/L时,煤颗粒之间、高岭石颗粒之间以及煤与高岭石颗粒之间都不凝聚而处于悬浮态;当水质硬度为10.0 mmol/L时,煤颗粒之间最易凝聚,其次是煤颗粒和高岭石颗粒凝聚,剩余的高岭石颗粒始终不凝聚而分散悬浮于水中.     

阳离子捕收剂对高岭石的捕收性能及动力学模拟

通过单矿物浮选试验、Zeta动电位测定、红外光谱测试和MS 6.0分子动力学模拟,分析了十二胺盐酸盐(DAH)和十二胺聚氧乙烯醚(AC1201)对煤系高岭石的浮选行为和作用机理。结果表明,药剂浓度为750g/t时,AC1201可较好地浮选高岭石。借助MS软件模拟,构建DAH和AC1201单分子在高岭石(001)面的最优吸附构型,计算结果表明:AC1201分子距高岭石(001)面的最小距离小于DAH分子距高岭石表面的最小距离,而且AC1201分子与矿物表面的接触面积大于DAH,吸附能更低。理论计算和浮选实验结果相互一致,可为探索高岭石浮选药剂提供理论基础。     

磁化煤对水煤浆性能的影响

在 10 0 0～ 3 0 0 0Gs下 ,选用北宿煤对水煤浆粘度影响进行了正高试验。在 0～ 40 0 0Gs磁场强度范围内 ,考查强磁场磁化淮南、华亭和北宿煤对制浆粘度和流动性的影响 ,指出强磁场强度对水煤浆的流动性影响较大。实验证明 ,不同的煤种要选择不同的磁化条件     

煤泥水中Ca2+在黏土矿物表面的作用

为了深刻认识煤泥水中Ca²⁺同黏土矿物颗粒之间的相互作用,笔者用Ca²⁺溶液在不同pH值条件下分别同高岭土和蒙脱土作用,测定黏土作用前后的X－射线衍射、红外光谱和X－射线光电子能谱.实验证实了在pH=5.0溶液中Ca²⁺在黏土表面以静电形式吸附;在pH=11.0溶液中Ca²⁺以Ca(OH)2沉淀和静电形式吸附;此外,在pH=8.0以上的溶液中还可能存在一羟基络合吸附形式.提出了Ca²⁺沉淀吸附和一羟基络合吸附的吸附过程模式;黏土颗粒表面的Ca(OH)₂沉淀使颗粒间形成的非选择性“静电桥”是影响沉降和浮选效果的原因之一.     

配煤对煤灰熔点和水煤浆性能影响的研究

配煤可以显著降低高灰熔融性煤的灰熔点 ,降低或免去添加助熔剂 ,配煤灰熔点变化并不是两种煤的灰熔点加和值 ,配煤的灰成分具有加和性。添加适当的助熔剂是高灰熔融性煤的配煤制浆的较佳选择。利用淮南煤配煤制浆可以有效提高难成浆煤种的制浆浓度 ,一般可以提高 3%～ 5 %。     

水煤浆过滤装置的系列化设计与运行

在分析水煤浆过滤特点的基础上 ,提出了过滤器的计算原则 ,并设计了各种容量低流阻水煤浆在线增压式过滤器和低压滤浆器 ,对已投入工业性应用的过滤器进行了煤浆特性、粘度、过滤量等对过滤阻力损失的影响的试验研究 ,结果表明 ,这种过滤装置有流动阻力低、过滤流量大的优点 ,过滤阻力损失小于 0 0 1MPa ,系统操作方便 ,运行稳定可靠。     

木质素制神华煤水煤浆添加剂

以碱木素为主要原料,基于DCS的合成工艺条件,根据神华煤变质程度低,芳环骨架结构中富含羟基、醚氧基、羰基等含氧官能团的特点,在DCS合成过程中引入能提高神华煤分散性能的活性基团A,用正交试验法确定了神华煤水煤浆添加剂（DCSA）的最优合成条件。通过神华煤成浆实验,比较了DCSA与典型商用添加剂NDF,NSF和DCS的成浆效果,结果表明：在相同的成浆条件下,DCSA的分散与稳定性能均优于NDF,NSF和DCS;在满足水煤浆质量要求的前提下,DCSA能使神华煤制浆浓度由60.9%提高到63.0%,且浆体静置3个月不产生硬沉淀,具有极好的稳定性。     

水煤浆荷电射流不稳定性的实验研究

采用针管-环状电极配置的射流荷电雾化系统对水煤浆荷电射流的不稳定性进行了实验研究,通过测试荷电射流的分叉点位置、分叉射流的张角以及射流雾化滴径大小,探讨和分析了雾化操作参数和黏度特性对水煤浆荷电射流不稳定性的影响,以及荷电射流处于不同的不稳定性模式下,雾滴直径的分布规律.研究表明：通过荷电显著提高水煤浆射流的雾化质量;荷电射流表现出的不稳定模式与低黏度流体有所不同,黏度对水煤浆荷电射流的不稳定性影响显著;雾滴直径分布在锥射流和多股震荡射流模式下分别呈现单峰及双峰两种典型的分布特征.