外加磁场对煤泥水中高岭土沉降的影响研究_赵永庆.pdf

-63-第45卷第6期 非金属矿 Vol.45 No.62022年11月 Non-Metallic Mines November,2022外加磁场对煤泥水中高岭土沉降的影响研究赵永庆1,2,3 晏祥政1,2,3 杨咏莉1,2,3 李先海1,2,3,4*程 伟1,2,3（1 贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2 喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室，贵州 贵阳 550025；3 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；4 矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京 100160）摘 要 以煤泥水中高岭土为研究对象，研究预磁化水对高岭土矿浆沉降效果的影响。结果表明，磁化去离子水、磁化自来水均可加快高岭土矿物的自然沉降。磁化3 h去离子水沉降30 min的上清液稀释后，浊度较未磁化去离子水上清液浊度降低101.5 NTU，沉降区高度未见明显变化；磁化 3 h 自来水体系沉降 30 min 的上清液浊度较未磁化去离子水上清液浊度降低 145.5 NTU，磁化时间过长对煤系高岭土沉降产生抑制作用。磁化水的 pH 值随磁化时间的增加而增大，碱性有利于高岭土的自然沉降。本研究可为煤泥水固液分离研究提供借鉴。关键词 煤泥水；高岭土；外加磁场；沉降中图分类号：O646;TD94文献标志码：A文章编号：1000-8098(2022)06-0063-04Effect of External Magnetic Field on Kaolin Settlement in Coal Slime WaterZhao Yongqing1,2,3 Yan Xiangzheng1,2,3 Yang Yongli1,2,3 Li Xianhai1,2,3,4*Cheng Wei1,2,3(1 Mining College,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025;2 State Key Laboratory of Mineral Processing,Beijing 100160;3 Nation-al&Local Joint Laboratory of Engineering for Effective Utilization of Regional Mineral Resources from Karst Areas,Guiyang,Guizhou 550025;4 Guizhou Key Lab of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources,Guiyang,Guizhou 550025)Abstract Taking kaolin in slime water as the research object,the effect of pre-magnetized water on the settling effect of kaolin slurry was studied.The results show that magnetized deionized water and magnetized tap water can accelerate the natural settlement of kaolin,the turbidity of the supernatant settled for 30 min in the deionized water magnetized 3 h was reduced by 101.5 NTU compared with that of the diluted supernatant on the non-magnetized deionized water,and the height of the settlement zone was not significantly changed.The turbidity of the supernatant settled for 30 min in the tap water magnetized 3 h was reduced by 145.5 NTU compared with that of the diluted supernatant on the non-magnetized tap water,but too long magnetization time can inhibit the sedimentation of coal series kaolin.The pH value of magnetized water increases with the increase of magnetization time,and alkalinity is conducive to the natural settlement of kaolin;This study can provide a reference for the separation of sludge water solid-liquid separation.Key words coal slime water;kaolin;external magnetic field;settlement收稿日期：2022-09-19基金项目：大学生创新创业训练计划项目（贵大（国）创字 2021（029）；矿物加工科学与技术国家重点实验室开放基金资助（BGRIMM-KJSKL-2020-15）；贵 州 省 研 究 生 科 研 基 金（黔 教 合YJSCXJH 2020 060）。*通信作者，E-mail：。煤泥水是湿法选煤工艺的必要产物1，是由粒径、形状、密度、岩相和表面性质不同的矿物颗粒混合而成的分散悬浮体系。煤泥水沉降处理一直是选煤厂实现洗水闭路循环的重要环节2-3，目的是为了获得低热值煤泥和一定澄清度的上清液，煤泥的矿物组成及粒度是影响沉降效果最本质的因素。煤系黏土矿物主要由高岭石族黏土岩组成4，黏土矿物使矿浆的胶凝性增大甚至以胶体形式稳定存在，影响煤泥水沉降效果及上清液澄清度5。不同煤泥水中黏土矿物含量不同，在煤系黏土矿物中高岭土占比约 23%。高岭土具有质软、极易分散于水中形成粒度极细的颗粒等特点6，且长期保持悬浮状态，导致煤系高岭土型煤泥水难沉降、难处理，沉降处理时药剂投放量大，成本过高7。研究表明，外加磁场处理后的去离子水，黏度和 pH 值降低，可促进矿物颗粒沉降。因此，有必要探索既能增强黏土矿物沉降效果，又可节约成本的途径。磁化水的性质与磁化时间、磁场强度和溶液性质等多种因素相关8，溶液中的分子结构随磁场性质不同产生明显结构变化。呈电中性配体的水分子依靠氢键实现稳定性，同时也伴随着重组9。陈秋松等10 研究发现，磁化水对全尾砂絮凝沉降效果显著，絮凝剂的最佳用量从普通水的 60 g/t 降为 40 g/t，降幅近 1/3；同时，在同等条件下，磁化水最大沉降速度为普通水的 2.1 倍。磁化后水中缔合的水分子团簇分解成单分子和小分子团簇，电性吸引力增大，活性增强，黏度降低11-12，对极细粒矿物沉降具有明显促进效果13。He 等14 研究发现，经过磁化后水与未处理水相比，磁-64-第45卷第6期 非金属矿 2022年11月化水中的晶格水浓度增加，系统中形成了不同形式的水链族。因此，开展外加磁场对煤泥水中高岭土沉降的试验影响具有重要意义。本试验研究了外加磁场对煤泥水中高岭土沉降的影响，以期为选煤厂煤泥水快速沉降提供参考。1 试验部分1.1 原料 从煤矸石中手工挑选较纯的高岭土，研磨取 200 目（74 m）以下的样品作为试验用煤系高岭土。采用 BT-9300S 激光粒度分析仪测得处理后煤系高岭土中粒度小于 10.78 m 占比 79.6%，属细粒高岭土。采用 X 射线衍射（XRD）仪测定煤系高岭土矿物组成，在/2 扫描模式下，使用 Cu、K 辐射源，管电压 40 kV，管电流 40 mA，扫描范围 10 70，扫描速度 5（）/min，高岭土样品的 XRD 图谱，见图 1。图1 高岭土样品的XRD图谱从图 1 可看出，煤系高岭土在 2 为 10 15 和32 37 处出现高岭土的特征峰。采用 X 射线荧光光谱（XRF）仪测试煤系高岭土主要化学组成，结果（w/%）为：SiO2，45.14；Al2O3，23.75；TiO2，5.07；Fe2O3，7.25；K2O，1.75；MgO，1.73；Na2O，0.72。1.2 试验方法 1.2.1 高岭土沉降试验：称取 5.0 g 试样放于 100 mL量筒内，分别使用自来水和蒸馏水作为分散相，倒置五次后静置于试验台上计时观察，每间隔 5 min 进行一次沉降区高度读数和上清液中部抽取样液。为避免因量筒内壁对高岭土黏附量不同产生的误差，试验前先将量筒和烧杯用分散相溶液进行润湿。1.2.2 磁化水制备：取 150 mL 的去离子水（自来水）注入方形烧杯中，将 2 块磁感应强度为 0.15 T 的永磁铁静置在方形烧杯两侧（N-S 极相对放置）。磁化时间分别为0、10 min、30 min、1 h、3 h、24 h。根据磁化前、后的分子结构绘制磁化水制备系统及水分子基团磁化前、后的聚集状态15，见图 2。从图 2 可看出，磁场作用使水分子基团偶极子发生偏转，偶极子两端所带电荷受相反方向的洛伦兹力作用，使水分子的偶极子发生扭曲和断裂，削弱了键能，破坏了氢键16。水分子间的氢键断裂形成更多小水分子团17，游离水数量显著增多。此外，磁场使水分子获得一定的能量，增加了水分子的活性16。图2 水分子磁化前后结构示意图1.2.3 浊度测量：将从上清液中部抽取的 1 mL 样液放入烧杯中稀释 100 倍，搅拌 1 min 后，抽取适量溶液放入试样瓶中，采用上海朗莱仪器仪表中心 2100Q01-CN 型智能散射光浊度仪，通过 90 散射光进行浊度测量，当数值稳定时读取数值（降低矿物颗粒规律下沉试验误差）。标定溶液采用福尔马肼标准溶液。1.2.4 pH 值测量：采用广东省东莞万创电子制品有限公司 pH-100 型 pH 计，测试精度为 0.01，采用 pH值为 9.18 标准缓冲液校正。每次测量时需要重复冲洗复式电极头。2 结果与讨论2.1 外加磁感应强度对去离子水-高岭土体系沉降规律影响 不同磁化时间的去离子水对高岭土沉降效果的影响，见图 3。图3 不同磁化时间去离子水对高岭土沉降效果的影响不同磁化时间去离子水-煤系高岭土体系中，在沉降时间分别为 5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min 时，沉降区高度均分别为 100 mm、99 mm、98 mm、97 mm、96 mm、95 mm，高度变化均为抽取上清液的体积，所以磁化时间对去离子水-煤系高岭土体系沉降高度的影响不明显。从图 3 可看出，磁化 10 min 去离子水矿浆沉降在 25 min 时出现明显的拐点，沉降速度出现明显降低，这主要是因为高岭土自重在底部沉降，使沉降区高岭土矿浆浓度升高，降低了沉降速度。相同沉降时间下，磁化后去离子水矿浆的沉降效果均优于未磁化水矿浆，其中磁化 3 h 的去离子水对高岭土沉降促进效果最显著，沉降 5 min 时上清液浊度未磁化去离子水矿浆降低了 104.5 NTU，沉降0 10 20 30 40 50 60 70 80 902/()高岭土石英-65-2.3 外加磁感应强度对去离子水酸碱度影响 在体系中水并非以单个水分子的形式存在，液态水常温下以单个水分子和水分子的缔合体共存，缔合体是由若干个水分子通过氢键连接起来的整体，呈链状或环装结构23。由于氢键的键能较弱，形成和破坏所需要的活化能较小，且氢键形成的空间较易出现，因此在物质内部分子间和分子内，氢键在不断运动条件下缔合与解离保持动态平衡。氢键的键能介于共价键和范德华引力之间，它的形成不同于共价键需要严格的条件，其结构参数如键长、键角和方向性等均可在较大范围内变化，具有一定的适应性和灵活性。由于物质内部趋向于尽可能多地生成氢键以降低体系的能量，即在具备形成氢键条件的固体、液体甚至气体中都尽可能多地生成氢键。分子间生成氢键的液体，其表面张力和黏度增大24。经过磁化处理后水溶液中的含氧量增加，水溶液中除水分子外还有 H2O2和 O2，其化学反应方程式，见式（1）式（4）25：H2O+H2O H2O+OH-（1）OH-+O2 OH+O2-（2）O2-+H2O O2-(aq)（3）OH+OH H2O2 （4）去离子水经过磁化后水中的含氧量增加，式（3）向左移动生成过多的超氧离子并在水分子的作用下形成水化物增加水中含氧量26，羟基离子增多导致pH 值上升。磁化时间对体系 pH 值的影响，见图 5。图5 磁化时间对体系pH值的影响从图 5 可看出，自来水磁化 24 h 后 pH 值在碱性范围内逐渐上升至 8.86；而去离子水的酸碱度变化经历了由酸性到碱性的渐变，磁化24 h后pH值为8.60。高岭土在碱性条件下主要以分散形式沉淀；酸性环境下，高岭土粒子带正电的边缘吸引溶液中带负电的离子形成边面结构，以絮凝形式沉淀27。未磁化条件下，自来水偏碱性，去离子水偏酸性，结合图 3 和图 4 沉降试验结果，在碱性条件下可促进高岭土的沉降。3 结论1.磁化 3 h 去离子水-高岭土矿浆体系，沉降 外加磁场对煤泥水中高岭土沉降的影响研究赵永庆，晏祥政，杨咏莉，等最终浊度降低了 101.5 NTU。磁化 24 h 时上清液浊度较磁化 3 h 在沉降 30 min 时升高了 34.3 NTU。综合分析，高岭土矿物颗粒磁化后产生的絮体对沉降效果最好，沉降速度最大18。磁化时间为13 h范围时，去离子水磁化时间与沉降效果呈正相关关系，磁化时间过长（24 h）时，磁场的持续干扰对水分子微观结构产生影响，从而抑制了矿浆体系的沉降。2.2 外加磁感应强度对自来水-高岭土体系沉降规律影响 自来水-煤系高岭土矿浆体系未见明显的上清液分层。不同磁化时间自来水对高岭土矿浆沉降效果的影响，见图 4。图4 不同磁化时间自来水对高岭土沉降效果的影响 从图 4 可看出，磁化时间在 03 h 范围时，磁化自来水-煤系高岭土体系沉降效果与磁化时间呈正相关关系。磁化 3 h 自来水矿浆体系沉降 30 min 时较未磁化矿浆体系浊度下降了 145.5 NTU；磁化 24 h自来水矿浆体系沉降 30 min 时较未磁化矿浆体系浊度下降了 133.2 NTU，较磁化 3 h 高 12.3 NTU。这表明磁化时间过长会对高岭土沉降起抑制作用19。自来水的磁化预处理在一定范围内对高岭土的沉降有促进作用，因为高岭土表面具有永久负电荷，永久负电荷点位具有吸附阳离子的能力20，自来水中氯离子磁化后扩散系数降低21，水中 Ca2+、Mg2+均以水合离子形式存在，在洛伦兹力作用下做螺旋式圆周运动，破坏离子物理水化层形成裸露的 Ca2+、Mg2+22，所以磁化后的改性离子混合吸附在高岭土表面，降低表面吸附能促进沉降。从图 4 还可看出，除磁化 30 min自来水体系矿浆浊度在沉降过程中基本保持正比例下降外，其他磁化时间的沉降体系上清液变化曲线的拐点有明显差别，随着沉降时间延长，各矿浆上清液浊度降幅减小，且磁化对矿浆沉降的促进效果明显减弱，表明磁化自来水对沉降的影响具有时效性。磁化 3 h，沉降 30 min 条件下，去离子水-煤系高岭土体系较自来水体系浊度高 110 NTU。这是因为自来水中的其他离子经磁化改性后混合作用于高岭土表面，对沉降的促进效果更明显。-66-第45卷第6期 非金属矿 2022年11月30 min 较未磁化去离子水体系矿浆上清液浊度降低了 101.5 NTU，磁化时间过长对煤系高岭土沉降产生抑制作用；沉降区高度未见明显变化。2.磁化 3 h 自来水-高岭土矿浆体系，沉降 30 min 较未磁化自来水体系矿浆上清液浊度降低了145.5 NTU，磁化时间过长对煤系高岭土沉降产生抑制作用。磁化自来水矿浆体系沉降效果优于磁化去离子水。3.随着磁化时间的延长，去离子水体系 pH 值由酸性变化为碱性逐渐升高至 8.60。而自来水体系的酸碱度随磁化时间增加在碱式范围内逐渐升高至8.86。在自来水的碱性条件下，煤系高岭土沉降效果优于去离子水体系。参考文献：1 吴闪闪，江鹏，黎戡正，等.磁铁矿粉对煤泥水沉降特性的影响机理研究 J.洁净煤技术，2021(9)：162-169.2 柳骁，刘利波，徐宏祥，等.混合作用对煤泥水沉降中颗粒凝聚的影响及作用机理 J.煤炭技术，2022，41(4)：216-219.3 刘宸，丁旭光.复合药剂对煤泥水沉降效果的研究 J.选煤技术，2021(5)：50-53.4 李彩霞，刘高全，白阳，等.煤系高岭土性质及提纯试验研究 J.非金属矿，2018，41(3)：59-60.5 柴进，常艇，张锦龙，等.APAM 分子量对难沉降煤泥水沉降特性和稳定性影响的研究 J.煤炭技术，2022，41(4)：212-215.6 郭月亭，李志红，刘爱荣，等.表面疏水改性促进煤系黏土矿物沉降的机理及试验研究 J.煤炭转化，2022(5)：1-8.7 段明海.GT 值对煤泥水絮凝沉降效果的影响 J.煤炭工程，2021，53(11)：164-168.8 戎鑫，李建军，但宏兵，等.磁化水的特性、机理及应用研究进展 J.材料导报，2022，36(9)：61-67.9 SU S,WU S,HAGIHALA M,et al.Water-oriented magnetic anisotropy transitionJ.Nature Communications,2021,12(1):2738.10 陈秋松，张钦礼，王新民，等.磁化水改善全尾砂絮凝沉降效果的试验研究 J.中南大学学报(自然科学版)，2015，46(11)：4256-4261.11 周群.煤矿井下活性磁化水降尘机制及技术研究 D.徐州：中国矿业大学，2019.12 霍广新，张洪涛，胡全利，等.磁处理提高高水充填材料凝胶体的抗压强度 J.东北大学学报，1996(2)：163-166.13李艾强.磁化处理对微细粒赤铁矿复合絮凝影响的研究D.武汉：武汉科技大学，2018.14 HE J S,YANG H W,CAI R,et al.Hydration of-lactoglobulin in mag-netized water:effect of magnetic treatment on the cluster structure 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