發(fā)布時間：2020-07-11 02:57

【摘要】：高泥化煤泥水中含有大量粘土礦物,給煤泥水處理帶來很大的困難,而煤矸石易泥化是導(dǎo)致高泥化煤泥水產(chǎn)生的主要原因。目前國內(nèi)外煤泥水處理技術(shù)都是在煤泥大量產(chǎn)生后再進行處理回收,此時煤矸石已經(jīng)泥化成極細(xì)的顆粒,傳統(tǒng)的混凝沉降技術(shù)對高泥化煤泥水的處理效果不理想。因此,研究預(yù)先抑制煤矸石泥化的工藝,可以從源頭上減少大量高灰細(xì)泥的產(chǎn)生,降低煤泥水系統(tǒng)中的細(xì)泥含量,對改善由于煤矸石泥化嚴(yán)重而造成的高泥化煤泥水難處理現(xiàn)狀有重要的意義。易泥化的煤矸石中含有大量粘土礦物,其中蒙脫石含量對煤矸石的泥化性質(zhì)影響最大。蒙脫石是一種水敏性很強的層狀硅酸鹽礦物,水分子極易進入層間致使體積急劇增大,因此抑制煤矸石泥化的關(guān)鍵是抑制粘土礦物尤其是蒙脫石的水化膨脹。本文采用量子化學(xué)模擬的模擬方法,從分子/原子層面揭示了干態(tài)和水溶液環(huán)境中矸石泥化抑制劑在蒙脫石表面的吸附行為,并通過抑制蒙脫石水化膨脹的試驗對量子化學(xué)的計算結(jié)果進行了驗證,最后利用量子化學(xué)方法闡述了無機與有機矸石泥化抑制劑復(fù)配的機理,為抑制矸石泥化及設(shè)計適用于煤泥水處理的抑制劑提供了理論基礎(chǔ)�；诹孔踊瘜W(xué)方法研究了季銨鹽陽離子在蒙脫石Na-001面、None-001面和內(nèi)表面的吸附行為,結(jié)果表明,在干態(tài)環(huán)境中,四種抑制劑除CHPTA~+外,都易吸附在蒙脫石的None-001表面,Na~+的存在并不利于抑制劑在001表面的吸附。在蒙脫石Na-001表面,季銨鹽陽離子主要通過靜電作用力吸附在表面,藥劑中電負(fù)性原子或原子團與表面Na~+發(fā)生強靜電作用;在None-001表面,季銨鹽陽離子主要是通過靜電作用力和氫鍵作用吸附;季銨鹽陽離子在蒙脫石層間吸附與荷電量、氫鍵作用和層間距有關(guān),其中層間距的大小至關(guān)重要。為探索溶液環(huán)境中季銨鹽陽離子在蒙脫石表面的吸附行為,基于密度泛函理論的方法研究了水分子和季銨鹽陽離子在蒙脫石表面的競爭吸附模型。分析表明,在水溶液環(huán)境中,季銨鹽陽離子同樣可以牢固地吸附在蒙脫石表面,且吸附能都遠(yuǎn)大于水分子在對應(yīng)表面的吸附能,蒙脫石Na-001表面的Na~+易脫離表面,從而形成更多None-001表面。季銨鹽陽離子在None-001表面和層間吸附穩(wěn)定后都荷正電,水分子將季銨鹽陽離子與蒙脫石表面橋聯(lián)起來并增強它們之間的靜電作用和氫鍵作用,季銨鹽陽離子和水分子在蒙脫石表面都發(fā)生協(xié)同吸附效應(yīng),水分子的存在加強了季銨鹽陽離子在蒙脫石表面的吸附。水溶液中各季銨鹽陽離子吸附強弱的順序為:A~+B~+CHPTA~+NW-1~+,季銨鹽分子結(jié)構(gòu)中包含烯丙基將最利于其在蒙脫石表面穩(wěn)定吸附。為驗證分子模擬的合理性,對比各小陽離子季銨鹽抑制劑的防膨率以及對蒙脫石顆粒層間距和Zeta電位的影響,可以發(fā)現(xiàn),四種小陽離子季銨鹽對蒙脫石顆粒水化膨脹的抑制效果為:ABCHPTA≥NW-1,這與DFT計算結(jié)果相一致,從而證明了通過量子化學(xué)方法篩選有機小陽離子季銨鹽抑制劑的合理性。無機抑制劑價格低廉、無絮凝能力且對顆粒表面親疏水性影響較小,對比常用無機抑制劑的防膨率以及對蒙脫石顆粒層間距、Zeta電位和水化特性的影響,可以發(fā)現(xiàn),對蒙脫石水化膨脹抑制效果最好的為KCl,CaCl_2、MgCl_2與NH_4Cl次之,NaCl最差。無機鹽對蒙脫石的抑制主要體現(xiàn)在:壓縮顆粒表面雙電層,減小顆粒表面水化膜厚度,使顆粒及晶層間排斥力減小;降低顆粒內(nèi)外陽離子的濃度差,降低滲透壓力,從而減弱膨脹壓力;陽離子交換作用會改變層間陽離子組成,從而改變其聯(lián)結(jié)力。有機、無機抑制劑復(fù)配試驗表明,有機陽離子抑制劑和KCl復(fù)配后防膨率明顯提升,在有機抑制劑濃度較低時,隨KCl的用量增加防膨率提升較大,極大地減少了有機藥劑的用量。隨著有機陽離子用量增加,復(fù)配的作用減弱,防膨率提升較小,主要體現(xiàn)為有機陽離子的作用。A和KCl復(fù)配后對蒙脫石膨脹的抑制作用要強于PDMDAAC,A與較少的KCl復(fù)配就能達到很好的效果。抑制劑抑制煤矸石泥化的試驗表明,粘土抑制劑可以抑制煤矸石泥化,降低細(xì)泥的產(chǎn)生。有機抑制劑抑制煤矸石泥化的效果較好,濃度較低時煤矸石的泥化產(chǎn)率就迅速下降,其中PDMDAAC和A的抑制效果最好,加量在0.1%時,煤矸石泥化率分別下降55.96%、47.78%。KCl雖然也能抑制煤矸石泥化,但抑制效果不如有機抑制劑,只有當(dāng)藥劑濃度較高時才能有好的抑制效果,KCl溶液濃度為0.2mol/L時,矸石泥化率下降45.48%。有機和無機粘土抑制劑復(fù)配可以提高藥劑抑制煤矸石泥化的效果,但只有KCl濃度較高時,才能明顯提高有機抑制劑的作用效果,且對抑制效果較差的B提升最明顯。K~+在蒙脫石層間、001表面與有機小陽離子B~+、A~+共吸附的量子化學(xué)研究表明,K~+易交換出蒙脫石001表面的Na~+,增強了B~+、A~+與001表面的靜電作用強度,從而使季銨鹽吸附更牢固,且K~+濃度越高,越有利于抑制劑的吸附;在蒙脫石層間,K~+與B~+、A~+并不是協(xié)同吸附,但相對于單獨添加B~+、A~+,體系的能量分別減小413.85 kJ/mol、701.58 kJ/mol,系統(tǒng)更穩(wěn)定。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD94
【圖文】：

煤泥回收流程

圖 2.1 Na-蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)色、紅色、黃色、粉色和綠色分別代表 Na、H、O、Sit cell of Na-MMT The purple,white, red, yellow, pink and

蒙脫石的層狀結(jié)構(gòu)

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本文編號：2749856