摘要：煤泥水處理是選煤廠生產(chǎn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，而通過添加高分子絮凝劑處理煤泥水是目前應(yīng)用較廣泛的方法。本文通過對(duì)聚丙烯酰胺溶解性能影響因素進(jìn)行研究，根據(jù)其作用機(jī)理以實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤廠煤泥水處理的理論指導(dǎo)。

隨著選煤廠洗水閉路循環(huán)和環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，煤泥水處理成為選煤廠生產(chǎn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，而通過添加高分子絮凝劑處理煤泥水是目前應(yīng)用較廣泛的方法。高分子絮凝劑中應(yīng)用較多的是粉劑型聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺是一種無定形的水溶性高分子聚合物，它在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛，并且人們?cè)诠簿刍衔?、催化化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)λ男再|(zhì)和應(yīng)用進(jìn)行了探索和研究。由于聚丙烯酰胺在水懸浮液中有較好的絮凝作用，因此廣泛應(yīng)用于水處理、造紙和采礦等領(lǐng)域，部分水解的聚丙烯酰胺還應(yīng)用于油田三次采油的聚合物驅(qū)油中，是目前應(yīng)用較廣泛的高分子絮凝劑之一。

一、 聚丙烯酰胺的物理化學(xué)性質(zhì)

聚丙烯酰胺因使用及合成方法的不同分為膠狀、固體、粉末等形態(tài)。聚丙烯酰胺不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，能以任意比例溶于水，無毒性，熱穩(wěn)定性強(qiáng)于其他聚電解質(zhì)。由于PAM分子鏈上含酰胺基及其它離子基團(tuán)，故具有顯著的親水性。聚丙烯酰胺溶液的物理性質(zhì)包括絮凝性、穩(wěn)定性和流動(dòng)性。其中PAM具有絮凝作用是因?yàn)槠漭^長的分子鏈結(jié)構(gòu)，含有的酰胺基可與其他物質(zhì)吸附、親和形成氫鍵，使PAM與被吸附離子架橋，形成絮團(tuán)，加快顆粒的沉降速度。在聚丙烯酰胺溶液中加入陽離子電解質(zhì)溶液時(shí)，粘度會(huì)迅速增加。聚丙烯酰胺由于分子鏈上的酰胺基較為活潑，它能發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)，例如：交聯(lián)反應(yīng)、水解反應(yīng)、羥甲基化反應(yīng)、霍夫曼降解反應(yīng)、胺甲基化反應(yīng)等。如果需要具有特定功能的衍生物可以通過這些反應(yīng)得到，但是由于鄰近基團(tuán)效應(yīng)，反應(yīng)不能進(jìn)行完全。

二、聚丙烯酰胺溶解特性及絮凝作用機(jī)理

2.2.1 溶解特性

聚丙烯酰胺與聚乙烯主鏈結(jié)構(gòu)相似，側(cè)鏈含有很多-CONH2，因此排列不規(guī)則。由于-CONH2的生成氫鍵能力和極性，使PAM分子鏈柔順性低，玻璃化溫度高。通常PAM的溶解溫度低于玻璃化溫度，即玻璃態(tài)溶解。聚丙烯酰胺放入水中，水分子先進(jìn)入聚合物的縫隙和酰胺基水合，隨著水分子的逐漸擴(kuò)散，聚合物被塑化形成凝膠層。聚合物與水接觸的表面，大量水分子的作用削弱了聚丙烯酰胺分子鏈之間的作用力，分子鏈被水分子分開后，就進(jìn)入溶液。由于聚丙烯酰胺有較長的分子鏈結(jié)構(gòu)，水分子會(huì)水合部分鏈段使其處于自由狀態(tài)，其余部分鏈段未被完全水合。處于自由狀態(tài)的鏈段漂浮在聚合物的表面形成液體層；透過液體層就進(jìn)入由于吸附水分子而被塑化的聚丙烯酰胺凝膠層。凝膠層下面的聚丙烯酰胺仍吸附著一定量的水分子。水的滲入使大分子鏈活動(dòng)能力增加，聚丙烯酰胺玻璃化溫度降低，聚丙烯酰胺吸附水后使玻璃化溫度降低到和溶解溫度相等的位置，聚丙烯酰胺吸附水的量剛好就是凝膠層的下限。玻璃態(tài)聚丙烯酰胺內(nèi)存在許多細(xì)小的縫隙和孔穴，滲透前沿的水分子不用開孔穴就能進(jìn)入聚丙烯酰胺，此擴(kuò)散層為滲透層；聚丙烯酰胺因擴(kuò)散而被吸附的水分子逐漸減少，使其玻璃化溫度逐漸升高，一直達(dá)到聚丙烯酰胺的固有玻璃化溫度，此層稱作固體溶脹層。聚丙烯酰胺中-CONH2的成氫鍵能力未達(dá)到飽和時(shí)，和水接觸仍有形成氫鍵傾向，表現(xiàn)為強(qiáng)的快速溶脹和吸水性。當(dāng)吸水達(dá)到剩余成氫鍵能力趨于飽和后，-CONH2之間的締合被水分子的締合取代，溶脹的凝膠層轉(zhuǎn)成液體層，最終完全溶解。-CONH2之間的締合在水中是比較穩(wěn)定的，而溶解需破壞所有分子鏈之間-CONH2的締合，因而是很慢的。-CONH2的強(qiáng)成氫鍵能力有利于溶脹，對(duì)溶解則是障礙。所以聚丙烯酰胺的溶解行為表現(xiàn)為溶脹較快，溶解緩慢的過程。極性聚合物聚丙烯酰胺的溶解過程是非穩(wěn)態(tài)過程，溶解過程可用以下方程式表述：

2S +W =DS /δ

這一關(guān)系式對(duì)聚合物溶解過程的描述具有更普遍的適應(yīng)性。式（2-1）中W為溶脹速度，S為溶解速度，δ為溶脹表面層厚度，DS為平均擴(kuò)散系數(shù)。

2.2.2 絮凝作用機(jī)理

1、壓縮雙電層

帶同號(hào)電荷的膠粒之間存在著ζ電位引起的靜電斥力和范德華引力。當(dāng)膠粒之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，庫侖力占優(yōu)勢(shì)，合力為斥力，顆粒間互相排斥，膠體將保持穩(wěn)定。當(dāng)膠粒之間距離很近時(shí)，范德華力占優(yōu)勢(shì)，合力為引力，兩個(gè)顆?？梢曰ハ辔z體脫落。在水處理中通常是向水中投加電解質(zhì)使膠體凝聚。壓縮雙電層作用是當(dāng)投入電解質(zhì)后，水中與膠粒上反離子具有相同電荷的離子濃度增加了。這些離子可以與膠粒吸附的反粒子發(fā)生交換或擠入吸附層，使膠粒帶電荷數(shù)減少，降低ζ電位，并使擴(kuò)散層厚度縮小。

2、吸附電中和作用

膠粒表面對(duì)異號(hào)膠粒、異號(hào)離子或帶異號(hào)電荷的鏈狀高分子有強(qiáng)烈的吸附作用，由于這種吸附作用中和了它的全部或部分電荷，減少了靜電斥力，從而容易與其它顆粒接近而互相吸附，這種作用稱為吸附電中和作用。

3、吸附架橋作用

吸附架橋作用是投加的化學(xué)藥劑具有能吸附膠粒的鏈狀高分子聚合物，或者兩個(gè)同號(hào)膠粒吸附在同一個(gè)異號(hào)膠粒上，膠粒間就能團(tuán)聚、連結(jié)成絮凝體而被除去。

4、網(wǎng)捕作用

網(wǎng)捕作用是向水中投加含金屬離子的化學(xué)藥劑后，由于金屬離子的聚合和水解會(huì)與水中的膠粒晶核形成膠體沉淀物；或者在這種沉淀物從水中析出的過程中，會(huì)網(wǎng)捕和吸附膠粒共同沉降下來。聚丙烯酰胺的絮凝機(jī)理與小分子有所不同，不僅與電荷作用有關(guān)，而且與其長鏈特性有關(guān)系。長鏈的高分子一部分被吸附在膠體顆粒表面，另一部分被吸附在另一顆粒表面，這好像架橋一樣把這些膠體顆粒連接起來，從而發(fā)生絮凝沉降。

綜上，煤泥水處理在選煤行業(yè)中一直是一個(gè)重要課題，而聚丙烯酰胺則因?yàn)槠涮厥獾男阅茉诿耗嗨幚硇袠I(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并具有舉足輕重的地位，只有對(duì)聚丙烯酰胺溶解性能影響因素進(jìn)行充分研究才能更好的發(fā)揮其在煤泥水處理過程中的作用，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)煤泥水處理的優(yōu)化研究。

2.3.1 聚丙烯酰胺顆粒粒徑的影響

由于溶解是固-液體系相互擴(kuò)散的過程，表面積和擴(kuò)散量成正比；顆粒大小和溶質(zhì)表面積 A 關(guān)系式如下：

A= 6W/（ρd ）

式（2-2）中ρ為密度，W為重量，d為顆粒直徑，A為溶質(zhì)總表面積。溶解速度S是指單位面積上的溶解速度，而單位時(shí)間溶解量G是總表面上的溶解速度。前人研究推導(dǎo)得出，顆粒直徑d和溶解速度S經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為S與d的1.5次方成反比。單位時(shí)間溶解量G與顆粒直徑d的 2.5次方成反比。

2.3.2 聚丙烯酰胺分子量的影響

聚丙烯酰胺的分子鏈和分子量越大，所含的-CONH2形成的氫鍵交聯(lián)點(diǎn)越多，因此聚合物分子量越大溶解越困難。高分子量的聚丙烯酰胺溶解速度較慢是由于聚丙烯酰胺分子只有完全自由狀態(tài)下才能溶解，增加了溶解難度。因?yàn)榫郾０返姆肿渔溤介L，其分子量越大，能吸附的顆粒也就越多，因此目前生產(chǎn)的都是大分子量的聚丙烯酰胺，把分子量降低來提高溶解速度是不符合實(shí)際需要的。因此，如何既制備出高分子量又能快速溶解的聚丙烯酰胺是目前主要研究的熱點(diǎn)。

2.3.3 攪拌器轉(zhuǎn)速的影響

攪拌器轉(zhuǎn)速越大溶解速度越快，但由于聚丙烯酰胺屬于有機(jī)高分子化合物，分子鏈很長，攪拌器轉(zhuǎn)速過快會(huì)造成其分子鏈的斷裂，使高分子降解，影響其使用效果。因此根據(jù)聚丙烯酰胺的特性選擇合適的攪拌器轉(zhuǎn)速是非常關(guān)鍵的。不同特性的聚丙烯酰胺所對(duì)應(yīng)較佳的攪拌速度也不同，應(yīng)通過大量實(shí)驗(yàn)測(cè)得。溶解時(shí)應(yīng)盡量避免對(duì)聚合物溶液強(qiáng)烈攪拌，導(dǎo)致其分子鏈被剪切降解。

2.3.4 溶解溫度的影響

溶解時(shí)配制溶液所用水的溫度與聚丙烯酰胺溶解性能也有著密切的關(guān)系，溶解聚丙烯酰胺的水溶液溫度越高，其溶解速度越快，溶解溫度與溶解時(shí)間成正比例關(guān)系。但溶解溫度過高，也會(huì)影響溶解后絮凝劑的使用效果，因?yàn)闇囟忍?，使絮凝劑分子量明顯降低，分子量降低會(huì)直接影響其吸附架橋的煤泥顆粒的量。較佳的溶解溫度也應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)予以確定，在不破壞聚丙烯酰胺分子結(jié)構(gòu)的情況下，提高其溶解速度。通過大量文獻(xiàn)研究，聚丙烯酰胺的溶解溫度一般在 40～60℃ 之間。

2.3.5 溶解裝置結(jié)構(gòu)和材料的影響

聚丙烯酰胺粉末加入溶解裝置內(nèi)進(jìn)行溶解，裝置設(shè)計(jì)是否合理直接影響到聚丙烯酰胺的溶解效果。溶解裝置的外部形狀和結(jié)構(gòu)尺寸都需要科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，才能使絮凝劑溶解的更快、更充分。前面提到現(xiàn)場中將溶解裝置設(shè)計(jì)成方形，但使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，方形溶解裝置的底部存在死角，常堆積著未被溶解的團(tuán)塊，這樣不僅浪費(fèi)藥劑，也影響了進(jìn)一步投加后煤泥水的處理效果。而且通過大量研究發(fā)現(xiàn)，溶解裝置內(nèi)部附件也會(huì)對(duì)聚丙烯酰胺溶解性能產(chǎn)生影響，通常應(yīng)該在四周加擋板提高攪拌器的效率。還有攪拌器離裝置底部的距離和攪拌器槳葉的選擇，這些因素都會(huì)影響裝置內(nèi)部的流場，進(jìn)而影響溶解效果。后面我們將會(huì)具體介紹其影響規(guī)律，并通過大量實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬來研究其較佳設(shè)計(jì)參數(shù)。由于鐵離子可以使聚丙烯酰胺催化降解使絮凝性能降低。因此，在制造溶解裝置時(shí)應(yīng)選擇適合的材料，如：塑料、不銹鋼、玻璃鋼等。

2.3.6 配制溶液水質(zhì)的影響

聚丙烯酰胺溶解時(shí)需要大量的水，而由于聚丙烯酰胺的分子特性，溶解時(shí)同樣吸附水中的顆粒雜質(zhì)，在其外部形成一層保護(hù)層阻礙絮凝劑內(nèi)部充分溶解。因此，絮凝劑溶解所用的水應(yīng)該是不含顆粒的清水，否則會(huì)影響聚丙烯酰胺的溶解性能。研究發(fā)現(xiàn)：水中的雜質(zhì)的確可以影響絮凝劑的溶解速度，水質(zhì)不好，絮凝劑溶液投加后沉降效果降低。所以絮凝劑溶液配制時(shí)需要使用不含大量離子的低硬度水，切勿使用循環(huán)水等含有雜質(zhì)的水。

2.3.7 分散預(yù)溶裝置的影響

由于聚丙烯酰胺溶解較難，通常聚丙烯酰胺進(jìn)入溶解裝置之前需要先分散預(yù)溶，目的是先將聚丙烯酰胺顆粒和水充分接觸，使其顆粒在水中均勻分散，分散越好，溶解速度越快，避免大量直接投加造成顆粒堆積影響溶解性能。分散預(yù)溶方法會(huì)大大提高絮凝劑的溶解時(shí)間，因此目前被選煤廠普遍采用。其分散溶解形式主要有文丘里式、旋流式、氣體分散潤濕式等。由于分散預(yù)溶裝置結(jié)構(gòu)比較簡單并且研究已比較成熟，因此本文不作此裝置的研究。