細(xì)粒煤電化學(xué)脫水 研究論文

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1、 目錄 1 第二章 脫水作用原理及其基本概念 16 2.1電滲透脫水 16 2.2電化學(xué)預(yù)處理法（電解還原法） 17 2.3 機(jī)械脫水 19 2.3.1過(guò)濾及脫水基本原理 19 2.3.2恒壓過(guò)濾 19 2.3.3脫水方式 19 2.3.4過(guò)濾脫水的影響因素 20 2.4絮凝理論 20 2.5 表面活性劑的助濾機(jī)理 21 2.5.1 表面活性劑的分類 22 2.5.2 表面活性劑作用機(jī)理 24 第三章 實(shí)驗(yàn)部分 26 3.1實(shí)驗(yàn)原料 26 3.2 實(shí)驗(yàn)原理 28 3.2 實(shí)驗(yàn)裝置 30 3.3 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖 30 3.4 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑 31

2、 3.4.1試劑 31 3.4.2儀器 31 3.5 實(shí)驗(yàn)步驟 32 第四章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 34 4.1 電解電壓對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 34 4.2 煤漿濃度對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 37 4.3 電解時(shí)間對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 41 4.4 電解質(zhì)對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 45 4.4.1 不同價(jià)態(tài)陽(yáng)離子對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 45 4.4.2 不同價(jià)態(tài)陰離子對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 55 4.5 表面活性劑對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 62 4.4.1 陰離子型表面活性劑對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 62 4.4.2 陽(yáng)離子型表面活性劑對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 67 4.4.3兩性表

3、面活性劑對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 73 4.5 正交試驗(yàn) 77 4.5.1因素與水平的選擇 78 4.5.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果 78 4.5.3 試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析 79 4.5.4 方差分析 81 第五章 分析、表征及機(jī)理探討 82 5.1 FTIR分析 82 5.2 熱重分析 83 5.3 XRD分析 84 5.4.電化學(xué)脫水的機(jī)理探討 86 第六章 結(jié)論及展望 86 7.1 結(jié)論 86 7.2展望 86 參考文獻(xiàn) 88 致謝 90 附錄 91 攻讀碩士研究生期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 92 78 第二章 脫水作用原理及其基本概念 2.

4、1電滲透脫水 1. 電滲技術(shù)發(fā)展過(guò)程 對(duì)于電滲透脫水的研究已經(jīng)有了相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。早在1803年,俄國(guó)科學(xué)家Peucc就發(fā)現(xiàn)了電滲透現(xiàn)象,即分散介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下,相對(duì)于固定的固體表面作定向電極運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象[11]。1931年Schwerin利用電滲透現(xiàn)象進(jìn)行了泥炭脫水的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),但是由于電滲透的應(yīng)用在理論和技術(shù)上還有一些難點(diǎn),因此長(zhǎng)期以來(lái)未能得到廣泛的應(yīng)用。然而近年來(lái),由于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和城市工業(yè)廢水中的污泥處理問(wèn)題的突出,電滲透技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展.目前發(fā)展的電場(chǎng)污泥脫水主要有兩種電場(chǎng)即豎直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)[12]。1978年,Yukawa建立了恒壓條件下電滲透脫水模型,為電滲透脫水的實(shí)際應(yīng)

5、用奠定了基礎(chǔ)[13]。1989年,日本鈴木等人首次將電滲透脫水應(yīng)用于食品領(lǐng)域[14]。李里特等人把電滲透脫水用于食品植物蛋白的固液分離中,取得了較好的效果,得出以下特點(diǎn):(1)電滲透脫水的驅(qū)動(dòng)力不同于機(jī)械過(guò)濾的壓榨力,過(guò)濾介質(zhì)不會(huì)受到嚴(yán)重的破壞和堵塞;(2)通過(guò)調(diào)整電滲透的電壓和電流,很容易控制脫水的速度和效率;(3)膠體中的水分采用電滲透技術(shù)脫水，具有較高的脫水效率;(4)電滲透脫水容易與機(jī)械脫水相結(jié)合,進(jìn)一步提高脫水效率;(5)電滲透的應(yīng)用受到物料的電特性影響.對(duì)食品蛋白的電滲透脫水的條件與模型及機(jī)理進(jìn)行了分析.電滲透原理由動(dòng)電現(xiàn)象而來(lái).基于Helmholtz模型,Debye-Huckel

6、提出了脫水漿料層中電滲透液體流速公式: () 2 式中U為脫水漿料層中液體電滲透流速,ε為液體的介電常數(shù),k為粒子形狀系數(shù),μ為液體粘度,E為脫水層電場(chǎng)強(qiáng)度。 目前，電滲透脫水最大的問(wèn)題在于從理論上就不能徹底地脫去所有水分，脫水達(dá)到一定階段后,水分降低,固體物料不再導(dǎo)電,電流不能通過(guò)。因此電滲透脫水技術(shù)的應(yīng)用受到物料的電特性限制。Yoshida對(duì)膨潤(rùn)土層進(jìn)行了壓力脫水、電滲透脫水以及電滲透結(jié)合壓力脫水的對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)電滲透與機(jī)械脫水的脫水速率及脫水量都大于單獨(dú)的脫水方法。李里特等人采用電極短路、交變電場(chǎng)、電滲透脫水與機(jī)械脫水相結(jié)合、多段電極或在電極與物料處加去極化物質(zhì)的方法，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)

7、果都可提高電滲透速率提高電滲透流量,降低物料的最終含水量。1999年,Orsal等將電滲透脫水和機(jī)械壓榨結(jié)合起來(lái)運(yùn)用于生物原料的脫水,并且已經(jīng)有了實(shí)際應(yīng)用 [15]。 2. 電滲透脫水的機(jī)理 一般膠體粒子靠吸附或電離使其帶有一定的電荷，帶電膠體粒子靠靜電吸引帶相反電荷的離子，形成雙電層。雙電層內(nèi)反離子一方面受到膠體表面電荷的靜電吸引，使之靠近固體表面，另一方面由于離子本身熱運(yùn)動(dòng)，力圖離開固體表面，形成靠近固體表面處濃度最大，離固體表面愈遠(yuǎn)濃度愈低。帶電膠粒與鄰近表面的反離子構(gòu)成一層厚度為兩三個(gè)分子直徑的緊密層。緊密層之外分布的反離子層為擴(kuò)散層。緊密層與擴(kuò)散層之間為滑移界面?；?、界面與溶

8、液內(nèi)部的電位差為ζ電位。 在固體移動(dòng)受到限制的系統(tǒng)中施加電場(chǎng)，擴(kuò)散層中的離子沿滑移界面向電極移動(dòng)，同時(shí)促進(jìn)了水分子的移動(dòng)，對(duì)于負(fù)ζ電位的膠粒，全部液體受到向負(fù)極運(yùn)動(dòng)的力，電滲透脫水開始進(jìn)行。由Debye-Hrekel公式知電滲透速率[16] () 2 其中:E—電場(chǎng)強(qiáng)度，ζ—電位，ε—液體介電常數(shù)，p—液體粘度，K—粒子形狀系數(shù)[11]。 2.2電化學(xué)預(yù)處理法（電解還原法） 電解還原法是在電解槽內(nèi)進(jìn)行的, 在陽(yáng)極進(jìn)行氧化反應(yīng), 在陰極進(jìn)行還原反應(yīng)。 在電解槽外的導(dǎo)線和電極里的電流是由電子的移動(dòng)而產(chǎn)生的, 稱為電子電流。 在電回路中, 槽內(nèi)溶液部分的電流是由于受槽外電子電流

9、的影響, 溶液中部分電解質(zhì)變?yōu)殡x子, 此離子的移動(dòng)產(chǎn)生的電流稱為離子電流。 這樣槽外槽內(nèi)的電子電流和離子電流形成一個(gè)完整的電回路, 基質(zhì)不斷在陽(yáng)極失去電子而被氧化, 產(chǎn)生氧化反應(yīng)產(chǎn)物；在陰極不斷得到電子被還原, 產(chǎn)生還原反應(yīng)產(chǎn)物。上述氧化還原反應(yīng)都按照電解的法拉第法則進(jìn)行，電解反應(yīng)是基質(zhì)分子與電極間的電子移動(dòng)的氧化、還原反應(yīng), 但實(shí)際是電化學(xué)過(guò)程(電子移動(dòng)反應(yīng)) 、化學(xué)過(guò)程、物理過(guò)程的組合。 　　煤表面的電解還原反應(yīng)機(jī)理可能有下列3 種情況。 (1) 電子轉(zhuǎn)移機(jī)理　煤顆粒在陰極表面上直接得到電子而進(jìn)行, 其反應(yīng)歷程為煤吸附電子發(fā)生轉(zhuǎn)移。 (2) 煤從液相主體擴(kuò)散到電極表面, 進(jìn)行電子轉(zhuǎn)

10、移、化學(xué)反應(yīng), 反應(yīng)產(chǎn)物再通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入液相主體. 反應(yīng)過(guò)程可能如下: 　?、倜焰I還原：RCH2OCH2R′＋4H+＋e → RCH3+R′CH3＋H2O, 　　②羥基還原：ROH＋2H+＋e → RH＋H2O, 　?、埕驶€原ArR′CO＋2H+＋2e → ArR′CHOH＋H2O, 　?、荇然€原RCOOH＋H+＋e → RH＋CO2↑, RCOOH＋H+＋e → RCHO＋H2O RCHO＋H+＋e → RCH2OH RCH2OH ＋ H+ ＋e → RCH3＋H2O 　　(2) 活潑H作用機(jī)理　首先, 電極上發(fā)生H2O 電解反應(yīng), 在陰極生成活潑的游H, 它具有較高的

11、能量。 H+＋e → H 　然后, 活潑H與煤表面的-OH , -O- , =CO , -COOH 作用, ArOH＋H→ [Ar]＋H2O , [Ar]＋H→ ArH , [Ar]＋[Ar] → Ar－Ar 　同理, H與=CO , -COOH 作用, 反應(yīng)過(guò)程與上述類似。 (3) 支持電解質(zhì)的作用　當(dāng)用NaCl 作支持電解質(zhì)時(shí), 反應(yīng)機(jī)理推測(cè)為 nNa+＋ne → nNa, nNa＋[coal] → nNa+＋[coal]-, [coal]-＋ H+ → [coal]H [17] 2.3 機(jī)械脫水 2.3.1過(guò)濾及脫水基本原理 過(guò)濾是給多孔過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)

12、施加壓力差而將懸濁液過(guò)濾分成濾渣和濾液兩部分的固液分離單元操作。過(guò)濾過(guò)程中待處理的懸濁液稱為濾漿（slurry）,所用的多孔介質(zhì)稱為過(guò)濾介質(zhì)（filtration medium）,通過(guò)介質(zhì)孔道的液體稱為濾液(filtrate)，被多孔介質(zhì)截留的物質(zhì)稱為濾餅（filtration cake）。 當(dāng)懸濁液中的固體顆粒的體積濃度低于0.1%時(shí)，固體顆粒大小比過(guò)濾介質(zhì)表面的孔徑小的多時(shí)，固體顆粒沒(méi)有在過(guò)濾介質(zhì)表面被截留而進(jìn)入過(guò)濾介質(zhì)的多孔通道內(nèi)部，由于碰撞、吸附及靜電吸引等相互作用，主要靠濾材層表面的物理或化學(xué)作用捕集分離，這種過(guò)濾方式稱為澄清過(guò)濾或內(nèi)部過(guò)濾。當(dāng)固體顆粒的體積濃度大于0.1%

13、時(shí)，顆粒到達(dá)過(guò)濾介質(zhì)表面由于顆粒大小和相互間“架橋”作用，固體顆粒被濾材表面截留堆積形成濾渣層，起著濾材過(guò)濾作用，稱為濾餅過(guò)濾或表面過(guò)濾。后一種過(guò)濾方式適用于煤泥水的處理。 產(chǎn)生壓力差（過(guò)濾過(guò)程中的推動(dòng)力）的方法有三種：（1）依靠煤漿自身厚度的靜壓力；（2）在過(guò)濾介質(zhì)的一側(cè)造成負(fù)壓（如真空過(guò)濾脫水）；（3）在過(guò)濾介質(zhì)的一側(cè)造成正壓（如加壓過(guò)濾脫水）。 根據(jù)脫水過(guò)程中推動(dòng)力的變化，可分為恒壓過(guò)濾和恒速過(guò)濾兩種，恒壓過(guò)濾在過(guò)濾過(guò)程中壓力保持不變；恒速過(guò)濾在過(guò)濾 過(guò)程中過(guò)濾速度保持不變。本試驗(yàn)中，采用恒壓過(guò)濾。 2.3.2恒壓過(guò)濾 恒壓過(guò)濾開始時(shí)，濾液只需克服過(guò)濾介質(zhì)

14、的阻力，當(dāng)濾餅逐漸形成后，濾液還需克服濾餅自身的阻力。濾餅是由顆粒堆積而成的，亦可視為一種多孔性過(guò)濾介質(zhì)，孔道屬于毛細(xì)管，故真正的過(guò)濾層包括濾餅和過(guò)濾介質(zhì)。由于過(guò)濾介質(zhì)中的毛細(xì)孔道的直徑常稍大于部分懸濁液煤漿顆粒直徑，在過(guò)濾開始時(shí)，會(huì)有部分細(xì)小顆粒穿過(guò)過(guò)濾介質(zhì)而使濾液呈渾濁狀態(tài)，此后由于固體顆粒在孔道中迅速發(fā)生“架橋作用”，使得尺寸小于孔道直徑的細(xì)小顆粒也能被截留，濾餅開始形成，濾液亦變得澄清，從而過(guò)濾開始有效的進(jìn)行。在過(guò)濾過(guò)程中，起主要分離作用的是濾餅層，而非過(guò)濾介質(zhì)。 2.3.3脫水方式 常見的機(jī)械脫水方式有以下幾種：（1）真空過(guò)濾：真空過(guò)濾是80年代廣泛使用的機(jī)械脫水方式，它

15、是將比較粗大的固體顆粒通過(guò)真空泵吸附在濾布上，利用濾布兩側(cè)的壓力差進(jìn)行過(guò)濾，以脫除表面水為主。它的特點(diǎn)是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，操作平穩(wěn)，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，處理大，適應(yīng)于各種脫水作業(yè)；但其缺點(diǎn)是脫水前必須進(jìn)行預(yù)處理，附屬設(shè)備較多，工序較為復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高。（2）加壓脫水:加壓脫水和真空脫水的基本原理一樣，只是推動(dòng)力不同而已，加壓脫水是正壓過(guò)濾，真空過(guò)濾是負(fù)壓過(guò)濾，加壓過(guò)濾是的壓力可達(dá)4-8Kg/cm2，故推動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空過(guò)濾。由于加壓脫水時(shí)的推動(dòng)力大，故而濾餅含水率較低。 2.3.4過(guò)濾脫水的影響因素 (1)固體顆粒的種類及性質(zhì) 固體顆粒的性質(zhì)直接影響固體顆粒的脫水效果，固

16、體顆粒粒徑的大小及其分布決定過(guò)濾脫水的難易程度。 （2）過(guò)濾的壓力 一般來(lái)說(shuō)，真空度越高，濾餅厚度越大，含水率越低，但由于濾餅增厚，過(guò)濾阻力增加，不利于過(guò)濾脫水；此外真空度的提高，使動(dòng)力消耗增加，從而增加處理成本。 （3）藥劑的種類及用量 試驗(yàn)過(guò)程中用到許多表面活性劑及電解質(zhì)，故選擇合適的電解質(zhì)及表面活性劑種類及用量對(duì)控制成本有顯著影響。 （4）過(guò)濾介質(zhì) 過(guò)濾介質(zhì)的性能影響著過(guò)濾壓力、過(guò)濾差率、濾液-懸浮物濃度及濾餅的剝離性能，過(guò)濾機(jī)械不同，采用的過(guò)濾介質(zhì)不同。 2.4絮凝理論 絮凝是指膠體脫穩(wěn)后（或由于高分子物質(zhì)的吸附架橋作用

17、）聚集成大顆粒絮團(tuán)的過(guò)程。其主要機(jī)理如下：壓縮雙電層作用產(chǎn)生凝聚、吸附電中和作用、吸附架橋作用產(chǎn)生絮凝、網(wǎng)捕作用產(chǎn)生絮凝。 （1）壓縮雙電層作用 膠團(tuán)雙電層的構(gòu)造決定了在膠粒表面出反離子的濃度最大，隨著膠粒表面向外的距離越大，則反離子濃度越低，最終與溶液中的離子濃度相等。當(dāng)向溶液中添加電解質(zhì)，使溶液中的離子濃度增加，則擴(kuò)散層的厚度變小。當(dāng)兩個(gè)膠粒相互接近時(shí)，由于擴(kuò)散層厚度減小，Zeta電位降低，一次他們相互排斥力就減小了。也就是說(shuō)溶液中離子濃度高的膠粒間斥力比離子濃度低的要小，膠粒間的吸附力不受水相組成的影響，但由于擴(kuò)散層變薄，它們相撞時(shí)的距離就減小了，這樣相互間的引力增加，

18、膠粒得以迅速凝聚。 （2）吸附電中和作用原理 吸附電中和作用是指膠粒表面對(duì)異號(hào)離子、異號(hào)膠粒或鏈狀分子帶異號(hào)電荷的部位有強(qiáng)烈的吸附作用，由于這種吸附作用中和了它的部分電荷，減少了靜電斥力，因而容易與其它顆粒接近而相互吸引。 （3）吸附架橋作用機(jī)理 吸附架橋作用主要是物質(zhì)與膠粒的吸附與橋聯(lián)，還可理解為兩個(gè)大的同號(hào)膠粒中間由于有一個(gè)異號(hào)膠粒測(cè)存在而連接在一起，高分子絮凝劑具有線性結(jié)構(gòu)，它們具有能與膠粒表面上某些部位起作用的化學(xué)基團(tuán)。當(dāng)高分子聚合物其分子的其余伸展到溶液中可與另一個(gè)表面有空位的膠粒吸附，這樣高分子化合物就起到架橋作用。 （4）沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理

19、 當(dāng)金屬鹽或金屬氧化物和氫氧化物做凝聚劑時(shí)，當(dāng)用量大的足以迅速沉淀金屬氫氧化物或金屬碳酸鹽時(shí)，水中的膠粒可被這些沉淀物在形成時(shí)所捕獲，當(dāng)沉淀物是帶正電荷時(shí)，沉淀速度可因溶液中存在陰離子而加快。此外，水中膠粒本身可作為這些金屬氫氧化物沉淀形成的核心，所以凝聚劑最佳用量與被除去物質(zhì)的濃度成反比，即膠粒越多，金屬凝聚劑用量越少。 2.5 表面活性劑的助濾機(jī)理 能顯著降低溶劑(一般為水)的表面張力的物質(zhì)稱為表面活性劑。表面活性劑有兩個(gè)基本性質(zhì)，一是在各種界面上的定向吸附；另一個(gè)是在溶液內(nèi)部能形成膠束(Micelle)。這兩個(gè)基本性質(zhì)正是表面活性劑廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域作為起泡劑、消泡劑、乳化劑、

20、潤(rùn)濕劑、洗滌劑和增溶劑的根據(jù)，顯然這也是表面活性劑作為助濾劑的基礎(chǔ)。 表面活性劑是一種異極性化合物，其分子由性質(zhì)截然不同的兩部分組成。一部分是與油有親合性的親油基團(tuán)(也稱疏水基或非極性基)；另一部分是與水有親合性的親水基團(tuán)(也稱疏油基或極性基)。一般來(lái)說(shuō)，表面活性劑親水基團(tuán)的結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)表面活性劑性質(zhì)的影響遠(yuǎn)大于親油基團(tuán)，所以表面活性劑的分類也主要以親水基團(tuán)的結(jié)構(gòu)為依據(jù)。 2.5.1 表面活性劑的分類 表面活性劑按照溶解性分類，有水溶性和油溶性兩大類。油溶性種類及應(yīng)用較少，水溶性表面活性劑按照其是否離解又分為離子型和非離子型兩大類，離子型表面活性劑根據(jù)其活性部分的離子類型又分為：陰離子

21、、陽(yáng)離子和兩性離子三大類。表面活性劑在料漿中常以下列形式存在：(1)聚集在氣液表面(2)以分子或離子的形式溶解在液相中(3)以膠束存在溶液中(4)吸附于固體表面，在濃度較高時(shí)，出現(xiàn)膠束吸附或多層吸附[11-12]。 [11] 宋啟煌，精細(xì)化工工藝學(xué)[M] 化學(xué)工業(yè)出版社 1995年6月 [12] Adamson A W. Physical Chemistry of Surfaces [M] John-Wiley, 1976 2.5.1.1陰離子表面活性劑 表面活性劑的親水基團(tuán)中，陰離子的種類最多，常見陰離子表面活性中 有羧酸鹽(RCOO-)、磺酸鹽(RSO3-)、硫酸

22、酯鹽(RS04-)、磷酸酯鹽(RP04-)等。陰離子型表面活性劑的表面活性易受介質(zhì)條件影響。一般有機(jī)酸根在強(qiáng)酸溶液中與氫離子結(jié)合成酸。含酯的鹽也易水解成含酯的酸，只有磺酸鹽的C—S鍵較難破壞。陰離子表面活性劑也能與Ca2+、Mg2+、Al3+等多價(jià)金屬離子形成難溶性鹽，而失其表面活性，故羧酸鹽（皂類）不宜在含多價(jià)金屬離子的硬水中使用。陰離子表面活性劑分子型表面活性劑是常用的表面活性劑，這類藥劑來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。 2.5.1.2陽(yáng)離子表面活性劑 陽(yáng)離子型表面活性劑主要是各種有機(jī)胺鹽，例如伯胺鹽（RNH3+）、仲胺鹽(R2NH2+)、叔胺鹽(R3NH+)、季胺鹽(R4N＋)和

23、吡啶鹽(RNC5H5+)等。大多數(shù)陽(yáng)離子型表面活性劑對(duì)多價(jià)金屬離子及酸穩(wěn)定，但在堿性環(huán)境中不穩(wěn)定。季銨鹽型陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)介質(zhì)pH值有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且易于與其他表面活性劑配伍，故應(yīng)用范圍較其他廣泛。陽(yáng)離子表面活性劑在水溶液或某些有機(jī)溶劑中可形成教書，降低溶液的表面張力，具有乳化、潤(rùn)濕、去污等性能。由于一般礦物及固體表面多帶負(fù)電性，陽(yáng)離子表面活性劑和基質(zhì)間具有強(qiáng)烈的靜電引力，吸附在基質(zhì)和水的界面上形成定向吸附膜，親油基朝向水相，使基質(zhì)疏水，但其價(jià)格較昂貴，不利于工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。此外，陽(yáng)離子表面活性劑也有很強(qiáng)的殺菌作用。 2.5.1.3兩性表面活性劑 兩性表面活性劑是一類主要

24、含有羧酸基和胺基官能團(tuán)的有機(jī)化合物，其隨著溶液的酸堿度(pH)不同，它可分別電離生成陽(yáng)離子或陰離子活極性基團(tuán)，在堿性溶液中呈現(xiàn)陰離子活性，在酸性溶液總呈現(xiàn)陽(yáng)離子活性，在中性溶液中呈現(xiàn)兩性活性。兩性表面活性劑易在酸或堿性溶準(zhǔn)中溶解，但在等電點(diǎn)時(shí)卻較難溶解。當(dāng)溶液的pH值低于等電點(diǎn)時(shí)，多呈陽(yáng)離子性；pH值高于等電點(diǎn)時(shí)，多呈陰離子性，但決不能認(rèn)為其所具有的性質(zhì)完全是陰離子的或完全是陽(yáng)離子的。常見的兩性離子表面活性劑有如氨基酸型(RNHCH2COOH)、甜菜堿型(RN(CH3)2CH2 COOH)、咪唑啉型（）等。兩性表面活性劑除由主要的陰離子與陽(yáng)離子組成物外，還有陽(yáng)離子與非離子及陰離子與非離子組成物

25、。 2.5.1.4非離子型表面活性劑 非離子型表面活性劑的極性基主要為—OH、—COOH、—COOR、—SH、—CSSH、—NH、—CN和—CONH2等，由于這些極性基團(tuán)在水溶液中不電離，所以非離子型表面活性劑又稱為分子型表面活性劑，其作用基團(tuán)是分子整體。一般它不受溶液的酸、堿性及共存物的影響，有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，常與其他表面活性劑混合使用，以加強(qiáng)協(xié)同作用。分子型表面活性劑在水中的溶解度隨溫度的升高而減小。如聚氧乙烯醚低溫時(shí)溶于水，加熱到一定溫度后，溶液變濁析出(溶液分層)，此溫度稱之為濁點(diǎn)。其疏水基相同時(shí)，所含聚氧乙烯數(shù)(C2H4O數(shù))越多，濁點(diǎn)越高；所含聚氧乙烯數(shù)相同時(shí)

26、，疏水基越長(zhǎng)(碳原子數(shù)越多)，其濁點(diǎn)越低；故從其濁點(diǎn)可推測(cè)其親水性，以聚氧乙烯鏈為例可以說(shuō)明這一特征，它在無(wú)水時(shí)呈鋸齒狀，溶于水中后呈曲折狀。其親水的醚鍵(—O—)處于外側(cè)，疏水的烴鍵(—CH2—)處于內(nèi)側(cè)，以使醚鍵中的O原子與水中的H原子形成氫鍵，然而這種氫鍵不穩(wěn)定，當(dāng)溫度升高時(shí)，氫鍵斷裂從而減弱親水性，其溶解度降低溶液變濁而分層。 2.5.2 表面活性劑作用機(jī)理 表面活性劑在助濾過(guò)程中的作用，至今還眾說(shuō)紛紜，目前普遍認(rèn)為表面活性劑是通過(guò)降低濾液的表面張力和增加固液界面的接觸角來(lái)強(qiáng)化物料脫水的（即增加物料疏水性） a.降低濾液的表面張力 通常，濾餅中的參與水分主要以四種形式存在:

27、(1)表面水—為表面附著水和顆粒間結(jié)合水。表面附著水是以薄層或薄膜的形式覆蓋在顆粒表面的水分；顆粒間結(jié)合水則是指兩個(gè)或多個(gè)顆粒接觸時(shí)，在顆粒之間縫隙和毛細(xì)管內(nèi)的水分。(2)毛細(xì)水—為包含于顆粒表面的細(xì)小縫隙和毛細(xì)管內(nèi)的水分。(3)內(nèi)部吸附水—吸附在顆粒內(nèi)部微孔和微毛細(xì)管內(nèi)的水分。這種水分又稱內(nèi)在水分，由于毛細(xì)孔吸附力的作用采用熱力干燥也難于蒸發(fā)。(4)化合水—與過(guò)濾無(wú)中物質(zhì)以化合的方式結(jié)合的水。一般的機(jī)械脫水方法只能脫除表面水及一部分毛細(xì)水，內(nèi)部吸附水和化合水不能脫除[15]。在濾餅的毛細(xì)管中有附加壓力存在，它影響濾液在顆粒間隙中流動(dòng)，它與氣液表面張力有關(guān)，根據(jù)Laplace方程： 式中

28、Pc---毛細(xì)管附加壓力；---氣液界面張力；r---毛細(xì)管半徑；---毛細(xì)管壁與液體間的滯后接觸角。 所以當(dāng)降低濾液的表面張力時(shí)，阻礙濾液在顆粒間隙流動(dòng)的附加壓力也之降低，從而達(dá)到強(qiáng)化過(guò)濾的目的。 有學(xué)者認(rèn)為溶液的表面張力與濾餅水分之間并沒(méi)有特別直接的關(guān)系。能降低溶液表面張力只是表面活性劑的一種基本性質(zhì)，但并非具有低表面張力的溶液更容易從過(guò)濾中排出。例如：使用油酸鈉就比使用十二烷基磺酸鹽更容易減低溶液表面張力，而從脫水效果上看，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如后者。因此，他們認(rèn)為表面活性劑的作用表現(xiàn)在對(duì)礦物表面性質(zhì)以及對(duì)水和礦物顆粒表面間作用的影響上，也就是說(shuō)使礦物顆粒表面疏水化。 b.礦物顆粒疏水化

29、表面活性劑具有雙親性結(jié)構(gòu)，親水基常表現(xiàn)出親固性能，當(dāng)它吸附并覆蓋在礦物顆粒表面時(shí)，非極性基朝外，這樣就會(huì)使礦物顆粒疏水，從而實(shí)現(xiàn)助濾。因此表面活性劑自身的性質(zhì)就決定了其作為助濾劑的作用效果。顆粒表面疏水，既有助于降低濾餅層中空隙的毛細(xì)壓力，又可壓縮并破壞固體表面的水化膜，這樣一方面可減少固體表面的附著水，另一方面又起著減小濾餅層中毛細(xì)管壁的阻滯力和擴(kuò)大毛細(xì)管徑的作用，有利于疏通濾液流動(dòng)的通道，這種作用對(duì)于細(xì)粒級(jí)物料更為重要[16]。眾所周知，表面活性劑的親水親油平衡值（HLB）決定著其親疏水特性，HLB值越小，疏水性越強(qiáng)。所以從某一方面來(lái)說(shuō)，表面活性劑的HLB值就決定其助濾性能。通常陰離子表面

30、活性劑HLB值較高，陽(yáng)離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑及一些兩性離子型的HLB值均較小。但HLB值越小，該藥劑在水中就越難溶解和分散，因此就不容易將其制成一定濃度的均勻的液體。為了解決這一問(wèn)題，可將其皂化或添加乳化劑、增溶劑、潤(rùn)濕劑等。試驗(yàn)表明，在選煤產(chǎn)品中添加1%的煤油，精煤水分可以從26.6%降至14.1%，同時(shí)使之過(guò)濾速度加快，并有降灰作用，原因是增強(qiáng)了煤粒表面的疏水性[17]。此外表面活性劑具有降低濾餅比阻及降低礦物顆粒表面電荷的作用。 助濾劑的添加一定要注意量的問(wèn)題。過(guò)量反而會(huì)導(dǎo)致濾餅水分升高。這一現(xiàn)象與表面活性劑自身形成膠團(tuán)有關(guān)。當(dāng)助濾劑的添加量高于其臨界膠束濃度CMC值較大

31、時(shí)，助濾劑自身會(huì)形成膠團(tuán)，將原來(lái)已吸附有表面活性劑的礦物顆粒吸裹在膠團(tuán)中，使礦物顆粒又變?yōu)橛H水性，濾餅水分又將升高。 [15] Xuan Yin, Pingfang Han, Xiaoping Lu, Yanru Wang. A review on the dewaterability of bio-sludge and ultrasound pretreatment [J] Ultrasonics Sonochemistry 11(2004)337-348 [16] 胡筱敏,羅茜，王常任.表面活性劑型助濾劑的結(jié)構(gòu)及助濾性能[J]金屬礦山，1994年第11期：35-37 [17] 李玉明

32、“選煤產(chǎn)品脫水過(guò)程的探討”，1983，No3.p8 第三章 實(shí)驗(yàn)部分 3.1實(shí)驗(yàn)原料 實(shí)驗(yàn)中所用煤樣來(lái)源于西曲選煤廠原煤，在西曲選煤廠采集原煤（參考國(guó)標(biāo)GB482-1995），將煤種，品種，采集時(shí)間，地點(diǎn)，等詳細(xì)記錄后，密封保存，運(yùn)回試驗(yàn)室后，參考國(guó)標(biāo)GB474-1996，用破碎機(jī)將其破碎，用振篩機(jī)、0.5mm的篩子進(jìn)行篩分，每次入料150克，篩分10分鐘后取篩下物。隨后對(duì)三種-0.5mm粒級(jí)的煤進(jìn)行混勻（移錐法），縮分（堆錐四分法），制樣。對(duì)制得煤樣分別用振篩機(jī)0.25m

33、m和0.125mm的篩子進(jìn)行篩分, 制取0. 25-0.5mm和0.125-0.5mm粒級(jí)的煤樣。用擊振器和0.045mm的篩子對(duì)干篩的篩下物進(jìn)行濕篩，制得-0.045mm、0.045-0.125mm、0.25-0.5mm、-0.5mm四種不同粒級(jí)的煤樣。 本實(shí)驗(yàn)所用西曲礦-0.5mm原煤，用WS自動(dòng)工業(yè)分析儀（WS-G401型 ）分析其工業(yè)分析結(jié)果見表3-1所示： 表3-1西曲原煤的工業(yè)分析 Table 3-1 Industry analysis of XiQu coal 粒級(jí) (mm) -0.045 0.045-0.125 0.125-0.25 0.25-0.5 水分

34、 (%) 0.875 0.855 0.815 0.795 揮發(fā)份 (%) 17.120 17.175 17.260 17.300 灰分 (%) 18.650 19.520 18.850 17.410 固定碳 (%) 63.355 62.450 63.075 64.495 發(fā)熱量(kJ/kg) 26.450 26.710 27.375 27.140 本實(shí)驗(yàn)采用西曲礦-0.5mm原煤，用德國(guó)VARIO EL元素儀對(duì)原煤煤樣進(jìn)行分析，結(jié)果如表3-2所示： 表3-2西曲煤樣元素分析 Table 3-2 Element analy

35、sis of XiQu coal 元素 N% C% H% 第一組 1.03 71.25 3.19 第二組 1.06 71.13 3.26 平均值 1.05 71.19 3.23 本實(shí)驗(yàn)采用西曲礦-0.5mm原煤，用MICROTRAC.INC S3500激光粒度儀對(duì)原煤粒度組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3-1所示： 圖3-1西曲原煤的累計(jì)粒度分布曲線 Fig.3-1 Cumulative particle distribution curve of XiQu raw coal 3.2 實(shí)驗(yàn)原理 電化學(xué)脫水過(guò)程實(shí)際

36、上是一種宏觀的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。一是液相（這里指煤泥水）傳質(zhì)過(guò)程。二是電極過(guò)程，亦即陰極過(guò)程與陽(yáng)極過(guò)程。 液相傳質(zhì)過(guò)程在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中是一個(gè)相當(dāng)重要的步驟，它不僅存在于兩電極之間的整個(gè)液相中，也存在于電極表面附近的液層中，它包括了對(duì)流、擴(kuò)散和電遷移三種傳質(zhì)過(guò)程。此外，電極過(guò)程乃是電化學(xué)反過(guò)程中的關(guān)鍵。它涉及了電極及溶液間的電量傳遞，也涉及了化學(xué)能及電能的轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)證明，很多粒子到電極表面并不能直接參加電化學(xué)反應(yīng)，必須通過(guò)某些表面轉(zhuǎn)化步驟。如水中氫離子在陰極上還原為氫分子的過(guò)程，就是經(jīng)過(guò)了表面的轉(zhuǎn)化步驟的，這一點(diǎn)從電化學(xué)脫水設(shè)備中的陰極反應(yīng)與陽(yáng)極反應(yīng)中可以看出，水分子在外加電壓下，會(huì)產(chǎn)生部分電

37、離： H2O→H++OH- 于是在電化學(xué)脫水過(guò)程中，H+與OH-直接參與并促進(jìn)了脫水的進(jìn)行。 陰極反應(yīng)： 2H++2e→H2↑ 在此反應(yīng)中H+實(shí)際上攜帶有多個(gè)水分子同時(shí)移動(dòng)，且多以H3O+形式存在，其具體步驟如下： ① H3O+由溶液深處移向陰極； ② 脫掉水殼H3O+→H2O+ H+； ③ 氫離子放電的電化學(xué)步驟 H++e→H吸附 ④ 氫原子脫附并復(fù)合成氫分子的表面轉(zhuǎn)換過(guò)程 H吸+H吸→H2 ⑤ 氫分子溶于水或作為氣泡析出[20]。 陽(yáng)極反應(yīng)： ① 帶負(fù)電的煤泥移向陽(yáng)極； ② OH-遷往陽(yáng)極 2OH--2e→H2O+[

38、O]或4OH--4e→2H2O+O2↑ 由于這一反應(yīng)是氧化放熱反應(yīng)，試驗(yàn)過(guò)程中陽(yáng)極溫度升高，有氣泡及熱氣散出。由上述分析可知，水分子在電化學(xué)脫水中起到了關(guān)鍵的作用[10]。水是極弱的電解質(zhì)，電離度僅為1.810-9，但是其絕對(duì)數(shù)值卻是相當(dāng)大的，每升水中約有610-18個(gè)H+。由于H+是氫原子失去僅有的一個(gè)電子形成的，它沒(méi)有電子層結(jié)構(gòu)，只是一個(gè)氫原子核，它比任何其他離子或原子半徑小得多，約為10-3厘米，離子半徑越小，水合程度越大，通常以H3O+形式存在。同時(shí)，由于H+與OH-離子的離子濃度較其它離子為大，各為36.210-4及20.510-4厘米2/V?秒[17]，因此其遷移速度也大。H+具

39、有體積小，水合作用強(qiáng)，遷移速度大，反應(yīng)速度迅速等特點(diǎn)，因此從根本上促進(jìn)了脫水過(guò)程的進(jìn)行[21]。 [21]單忠健，郭余慶,電化學(xué)脫水工藝的研究[J]中國(guó)礦業(yè)學(xué),1983,(1):1-14 [10]陳建啟,微細(xì)粒煤過(guò)濾脫水機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究[D]徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),1999. [17]于天仁等編著.土壤的電化學(xué)性質(zhì)及其研究法[M]科學(xué)出版社,1976. 3.2 實(shí)驗(yàn)裝置 1-磁力攪拌器 2-銅電極(陽(yáng)極) 3-燒杯（250mL） 4-銅電極(陰極) 5-直流穩(wěn)壓電源（110V，3A） 6-鐵架臺(tái) 7，8-導(dǎo)線 圖3-2 電化學(xué)預(yù)處理煤泥水裝置示意圖 Fig.3-2 S

40、chematic representation of electrochemistry test apparatus for slurry pretreatment 3.3 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖 稱取一定量的煤樣 按要求濃度添加一定量的水 煤漿 添加電解質(zhì) 添加表面活性劑 電化學(xué)作用 過(guò)濾 干燥 圖3-3 電化學(xué)預(yù)處理煤漿工藝流程圖 Fig.3-3 Process flow diagram of coal slurry pretreated by chemistry method 3.4 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑 3.4.1試劑 表 2-2實(shí)

41、驗(yàn)主要原料與試劑一覽表 Table.2-2 Lists of raw materials and reagents in the experiment 試劑名稱 規(guī)格 產(chǎn)地 氯化鈉 AR 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 無(wú)水氯化鈣 AR 天津市天達(dá)凈化材料精細(xì)化工廠 無(wú)水氯化鋁 AR 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 無(wú)水硫酸鈉 AR 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 磷酸鈉 AR 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司 十二烷基二甲基芐基氯化銨 山西瑞世化工有限公司 萘磺酸甲醛縮合物 山西瑞世化工有限公司 十二烷基甜菜堿 山西瑞世化工有限公司

42、3.4.2儀器 表2-1實(shí)驗(yàn)儀器及型號(hào) Table.2-1 Lists of experiment apparatus and model 儀器名稱 型號(hào) 產(chǎn)地 磁力加熱攪拌器 78-1A 杭州儀表電機(jī)廠 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 DH1722A-2 北京大華無(wú)線電儀器廠 可見分光光度計(jì) JH721 上海菁華科技儀器有限公司 精密數(shù)顯電導(dǎo)率儀 DDS-11A 上?？祵庪姽饧夹g(shù)有限公司 單相電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī) CO27124 奉化溪口三和電機(jī)廠 導(dǎo)津分析天平 AUY120 島津國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司 架盤藥物天平 HG-TP11B.10 北京宣武區(qū)天平廠

43、 電熱 恒溫鼓風(fēng)干燥箱 DHG-9053A 上海一恒科技有限公司 激光粒度儀 S3500 MICROTRAC.INC 微型電泳儀 JS94H 上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司 3.5 實(shí)驗(yàn)步驟 1.對(duì)西曲原煤進(jìn)行制樣處理，得到粒度小于-0.5mm以下的煤樣； 2.稱取一定量的煤樣和蒸餾水置于燒杯中，配置成一定濃度的煤漿； 3.通過(guò)添加電解質(zhì)、表面活性劑等化學(xué)藥劑改變煤漿的物理化學(xué)性質(zhì)； 4.在一定的電壓下，對(duì)煤漿進(jìn)行電化學(xué)預(yù)處理一定時(shí)間； 5. 打開真空泵調(diào)節(jié)活塞使其真空度達(dá)到(4+0.1)104Pa,將煤漿攪拌均勻,一次性注入布氏漏斗中,并從液體計(jì)量管讀取

44、并記錄濾液等體積(Vi)間隔的時(shí)間(ti),直至濾餅表面可見水分消失時(shí),約為2min后停止計(jì)時(shí)。 注意:不可先關(guān)泵,后拔出布氏漏斗 6. 稱取一定量的煤樣，在空氣流中、于105～110℃下干燥到質(zhì)量恒定（進(jìn)行檢查性干燥，每次30min, 直到連續(xù)兩次干燥煤樣質(zhì)量的減少不超過(guò)0.01g或質(zhì)量有所增加為止），然后根據(jù)煤樣的質(zhì)量損失計(jì)算出水分的含量。 第四章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 4.1 電解電壓對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 由于電解電壓的增加，勢(shì)必將導(dǎo)致耗電量增加，從而能耗也隨之增加，能耗過(guò)大對(duì)本課題意義不大。本試驗(yàn)當(dāng)中采用0～70V電壓進(jìn)行電解預(yù)處理

45、，煤水質(zhì)量濃度比為150g/L，電解時(shí)間為30min；考察了不同電解電壓對(duì)細(xì)粒煤進(jìn)行預(yù)處理后，煤漿的基本性質(zhì)（電導(dǎo)率，pH，Zeta電位，過(guò)濾性質(zhì)）的改變及其對(duì)細(xì)粒煤脫水性能的影響。 圖4-1 電解前后煤漿pH隨電解電壓變化關(guān)系圖 Fig.4-1 coal slurry pH as a function of electrolysis voltage 由圖4-1可知，pH1曲線代表電解前煤漿的pH值變化情況，pH2曲線代表電解后煤漿的pH值變化情況。從pH1曲線可以看出，電解前煤漿的pH值變化不大，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量誤差較??；從pH2曲線可以看出，電解后煤漿的pH值隨著電壓的增加而

46、增加，說(shuō)明電解后煤漿溶液呈堿性，這是由于電解過(guò)程中陰極區(qū)有大量H2釋放，消耗了H+，導(dǎo)致溶液呈現(xiàn)堿性。 圖4-2 電解前后煤漿電導(dǎo)率隨電解電壓變化關(guān)系圖 Fig.4-2 coal slurry conductance as a function of electrolysis voltage 由圖4-2可知，K1曲線代表電解前煤漿的電導(dǎo)率值變化情況，K2曲線代表電解后煤漿的電導(dǎo)率值變化情況。從K1曲線可以看出，電解前煤漿的電導(dǎo)率值變化不大，說(shuō)明了在相同煤漿濃度下，電導(dǎo)率值相當(dāng)，此外也說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量誤差較?。粡腒2曲線可以看出，電解后煤漿的電導(dǎo)率值隨著電壓的增加而呈規(guī)律性遞減，

47、說(shuō)明電解后煤漿溶液中的離子數(shù)目有規(guī)律性遞減，這是由于電解過(guò)程中陰極區(qū)有大量H2釋放，消耗了H+，導(dǎo)致溶液中離子數(shù)目減少。 圖4-3 Zeta 電位隨電解電壓變化關(guān)系圖 Fig.4-3 Zeta potential as a function of electrolysis voltage 由圖4-3可知，Zeta1曲線代表電解前煤漿的Zeta電位變化情況，Zeta 2曲線代表電解后煤漿的Zeta電位變化情況。從Zeta1曲線可以看出，電解前煤漿的Zeta電位變化呈現(xiàn)不是很強(qiáng)的規(guī)律性，一方面可能是由于實(shí)驗(yàn)中對(duì)Zeta電位的測(cè)量誤差引起的，另一方面可能是由于所取的煤樣表面氧化程度不同，

48、從而導(dǎo)致表面微電量的差異。從K2曲線可以看出，電解后煤漿的Zeta電位隨著電壓的增加而增加，只是在55～75V范圍內(nèi)，煤漿的Zeta電位有所降低； Zeta電位越低，說(shuō)明顆粒表面的帶電量就越小，實(shí)際脫水過(guò)程中不是Zeta電位越低越好，Zeta電位僅是影響細(xì)粒煤脫水效果的其中一個(gè)因素，還要綜合其他因素來(lái)考慮Zeta電位在脫水中的作用。 圖4-4過(guò)濾速度與電解電壓的變化關(guān)系圖 Fig.4-4 The correlation of average filtration velocity and electrolysis voltage 由圖4-4可知，圖中曲線代表電解前后煤漿過(guò)濾速度的變化

49、情況，當(dāng)電解電壓是OV時(shí)，過(guò)濾速度為2.6610-2mLcm-2s-1,隨著電解電壓的增加，過(guò)濾速度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)電解電壓為30V時(shí)過(guò)濾速度達(dá)到最大值，為4.3310-2mLcm-2s-1，說(shuō)明電解有利于提高煤漿的過(guò)濾速度。 圖4-5不同電解電壓下的過(guò)濾圖 Fig.4-5 The correlation of filtration volume and filtration time at different electrolysis voltage 由圖4-5可知，上圖反映的是不同電解電壓下，過(guò)濾時(shí)間同過(guò)濾體積的變化關(guān)系。經(jīng)電解后的煤漿其過(guò)濾速度明顯好于未經(jīng)電解的煤

50、漿，當(dāng)達(dá)到相同體積的濾液時(shí)，電解后的比未經(jīng)電解的所用時(shí)間要短，且最終表面水消失的時(shí)間也相對(duì)較短。在30V電壓下其過(guò)濾速度要好于其它電壓下的過(guò)濾速度，其表面水消失的時(shí)間最短，為32.1s。 圖4-6 電解電流及濾餅含水量隨電解電壓變化關(guān)系圖 Fig.4-6 Electrolysis current and moisture percent content as a function of electrolysis voltage 由圖4-6可知，current曲線代表電解過(guò)程電流同電解電壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)電流隨電壓的變化基本呈線性變化，符合歐姆定律，說(shuō)明電解過(guò)程中電流符合線性變化規(guī)律，可

51、將電解槽看成電阻來(lái)處理。Moisture percent content 曲線代表濾餅中的含水量變化，經(jīng)電解處理后的煤漿過(guò)濾所得的濾餅含水量在5～50V范圍內(nèi)比未經(jīng)過(guò)電解處理的煤漿過(guò)濾所得的濾餅含水量要低（17.39%），其中在30V時(shí)，脫水效果較好且濾餅含水量為16.79%。 4.2 煤漿濃度對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 電壓為30V，電解時(shí)間為30min，通過(guò)改變煤漿入料濃度來(lái)考察入料濃度對(duì)煤脫水性能的影響，本試驗(yàn)選取煤漿入料濃度（煤水質(zhì)量比）為50g/L，150g/L，250 g/L，350g/L，450g/L，試驗(yàn)結(jié)果如下。 圖4-7 電解前后煤漿pH隨煤漿濃度變化關(guān)系圖

52、Fig.4-7 coal slurry pH as a function of slurry concentration 由圖4-7可知，pH1曲線代表隨入料濃度增加，電解前煤漿的pH值變化情況，pH2曲線代表隨入料濃度增加，電解后煤漿的pH值變化情況。從pH1曲線可以看出，隨著入料濃度的增加，pH值變化不大，但略有降低，說(shuō)明煤中可能含有酸性物質(zhì)或者是酸性官能團(tuán)，導(dǎo)致pH值降低；從pH2曲線可以看出，當(dāng)入料濃度不同時(shí)，在相同的電解電壓和電解時(shí)間下，pH值近似沒(méi)有發(fā)生變化，這說(shuō)明pH 值與入料濃度關(guān)系不大，主要取決于電解電壓及電解時(shí)間，且電解后煤漿溶液呈堿性，這是由于電解過(guò)程中陰極區(qū)有大量H2

53、釋放，消耗了H+，導(dǎo)致溶液呈現(xiàn)堿性。 圖4-8 煤漿電導(dǎo)率隨煤漿濃度變化關(guān)系圖 Fig.4-8 coal slurry conductance as a function of slurry concentration 由圖4-8可知，K1曲線代表隨入料濃度增加，電解前煤漿的電導(dǎo)率值變化情況，K2曲線代表隨入料濃度增加，電解后煤漿的電導(dǎo)率值變化情況。從K1曲線可以看出，隨著入料濃度增加，電解前煤漿的電導(dǎo)率值降低，這是因?yàn)殡S著入料濃度的增加，煤漿的電阻也增大，電阻與電導(dǎo)率互為倒數(shù)關(guān)系，所以電導(dǎo)率下降；煤漿濃度升高，由于顆粒表面帶有電荷，會(huì)吸附一些電荷離子，降低溶液中導(dǎo)電離子數(shù)目，從

54、而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。從K2曲線可以看出，經(jīng)電解處理的煤漿的電導(dǎo)率下降，這是由于電解過(guò)程中陰極區(qū)有大量H2釋放，消耗了H+，導(dǎo)致溶液中離子數(shù)目減少。隨著入料濃度的增加，電導(dǎo)率值降低的不多，可能是由于煤漿對(duì)導(dǎo)電離子的吸附較強(qiáng)引起的。 圖4-9 Zeta 電位隨煤漿濃度變化關(guān)系圖 Fig.4-9 Zeta potential as a function of slurry concentration 由圖4-9可知，Zeta1曲線代表隨入料濃度增加，電解前煤漿的Zeta電位變化情況，Zeta 2曲線代表隨入料濃度增加，電解后煤漿的Zeta電位變化情況。從Zeta1曲線可以看出，隨入料濃度增

55、加，電解前煤漿的Zeta電位變化呈現(xiàn)不是很強(qiáng)的規(guī)律性，一方面可能是由于實(shí)驗(yàn)中對(duì)Zeta電位的測(cè)量誤差引起的，另一方面可能是由于所取的煤樣表面氧化程度不同，從而導(dǎo)致表面微電量的差異。從K2曲線可以看出，隨入料濃度增加，電解后煤漿的Zeta電位先降低后升高再降低，總體來(lái)說(shuō)，電解使煤漿的Zeta電位降低，說(shuō)明顆粒表面的帶電量就越小。這可能是由于煤顆粒表面通過(guò)電解氧化，或者是電解過(guò)程產(chǎn)生的陽(yáng)離子吸附在顆粒表面導(dǎo)致電中和引起的。實(shí)際脫水過(guò)程中不是Zeta電位越低越好，Zeta電位僅是影響細(xì)粒煤脫水效果的其中一個(gè)因素，還要綜合其他因素來(lái)考慮Zeta電位在脫水中的作用。 圖4-10 過(guò)濾速度及

56、濾餅含水量隨煤漿濃度變化關(guān)系圖 Fig.4-10 Filtration velocity and moisture percent content as a function of slurry concentration 由圖4-10可知，F(xiàn)iltration velocity曲線代表隨入料濃度增加，電解后煤漿過(guò)濾速度的變化情況。隨著入料濃度增加，過(guò)濾速度呈現(xiàn)次第減小的變化趨勢(shì)，也就是說(shuō)入料濃度越小，過(guò)濾速度越快，其中當(dāng)煤水質(zhì)量比0.05時(shí)，過(guò)濾速度為4.6010-2mLcm-2s-1。Cake moisture曲線代表隨入料濃度增加，濾餅中的含水量變化情況。發(fā)現(xiàn)隨著入料濃度的增加，濾餅

57、的含水量的呈次第增加趨勢(shì)。實(shí)際生產(chǎn)中，如果入料濃度偏小，雖然過(guò)濾速度增加，但是處理量減小，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降；如果入料濃度增加，雖然處理量增加，但是會(huì)造成過(guò)濾速度降低，也不利于產(chǎn)量增加；所以合適的入料濃度對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)很重要，最佳的入料濃度（煤水質(zhì)量比）為0.25，含水量為17.27%，過(guò)濾速度為3.1410-2mLcm-2s-1。 圖4-11 不同煤漿濃度下的過(guò)濾圖 Fig.4-11 The correlation of filtration volume and filtration time at different slurry concentration 由圖4-11可知，

58、上圖反映的是不同入料濃度下，過(guò)濾時(shí)間同過(guò)濾體積的變化關(guān)系。隨著煤泥水濃度的增加，其過(guò)濾速度減慢。這是由于煤濃度增加后，過(guò)濾時(shí)形成的濾餅越厚，導(dǎo)致過(guò)濾速度減慢。 4.3 電解時(shí)間對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 電壓為30V，入料濃度（煤水質(zhì)量比為0.25）為250g/L時(shí)，通過(guò)改變電解時(shí)間來(lái)考察電解時(shí)間對(duì)煤脫水性能的影響，本試驗(yàn)選取電解時(shí)間為15min，30 min，45 min，60 min，75 min，90 min，試驗(yàn)結(jié)果如下。 圖4-12 煤漿pH隨電解時(shí)間變化關(guān)系圖 Fig.4-12 coal slurry pH as a function of electrolysis

59、time 由圖4-12可知，pH1曲線代表隨電解時(shí)間增加，電解前煤漿的pH值變化情況，pH2曲線代表隨電解時(shí)間增加，電解后煤漿的pH值變化情況。從pH1曲線可以看出， pH值變化不大；從pH2曲線可以看出，當(dāng)電解時(shí)間的增加，電解后煤漿的pH值升高，溶液呈堿性；當(dāng)電解時(shí)間超過(guò)60min后，煤漿的pH值急劇增加。這是由于電解過(guò)程中陰極區(qū)有H2釋放，消耗了溶液中大量的H+引起的。 圖4-12 煤漿電導(dǎo)率隨電解時(shí)間變化關(guān)系圖 Fig.4-12 coal slurry conductance as a function of electrolysis time 由圖4-12可知，K1曲線代

60、表隨電解時(shí)間增加，電解前煤漿的電導(dǎo)率值變化情況，K2曲線代表隨電解時(shí)間增加，電解后煤漿的電導(dǎo)率值變化情況。從K1曲線可以看出，隨著電解時(shí)間增加，電解前煤漿的電導(dǎo)率值變化不明顯，從K2曲線可以看出，隨著電解時(shí)間增加，電解后煤漿的電導(dǎo)率值呈規(guī)律性下降，這是因?yàn)楫?dāng)電解電壓一定時(shí)，隨著電解時(shí)間增加，電解所消耗的離子數(shù)量也增加，從而使溶液的電導(dǎo)率下降，這種下降趨勢(shì)隨著電解時(shí)間越長(zhǎng)，則越明顯。 圖4-13 Zeta 電位隨電解時(shí)間變化關(guān)系圖 Fig.4-13 Zeta potential as a function of electrolysis time 由圖4-9可知，Zeta1曲

61、線代表隨著電解時(shí)間增加，電解前煤漿的Zeta電位變化情況，Zeta 2曲線代表隨著電解時(shí)間增加，電解后煤漿的Zeta電位變化情況。從Zeta1曲線可以看出，隨著電解時(shí)間增加，電解前煤漿的Zeta電位變化規(guī)律性不明顯，但是總體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。一方面可能是由于實(shí)驗(yàn)中對(duì)Zeta電位的測(cè)量誤差引起的，另一方面可能是由于所取的煤樣表面氧化程度不同，從而導(dǎo)致表面微電量的差異。對(duì)比K1曲線，從K2曲線可以看出，隨著電解時(shí)間的增加，電解后煤漿的Zeta電位降低，且電解時(shí)間越長(zhǎng)，降低就越多。 圖4-14過(guò)濾速度及濾餅含水量隨電解時(shí)間變化關(guān)系圖 Fig.4-14 Filtration velocity an

62、d moisture percent content as a function of electrolysis time 由圖4-14可知，F(xiàn)iltration velocity曲線代表隨電解時(shí)間的增加，電解后煤漿過(guò)濾速度的變化情況。Cake moisture曲線代表隨電解時(shí)間增加，濾餅中的含水量變化情況。隨著電解時(shí)間的增加，在0～55min范圍內(nèi)，過(guò)濾速度先增加后減小，其中在30min時(shí)，過(guò)濾速度為3.7310-2mLcm-2s-1，含水量為16.62%；在55～100min 范圍內(nèi)，過(guò)濾速度先增加后減小，其中75min時(shí)，過(guò)濾速度為3.8110-2mLcm-2s-1，含水量為16.53

63、%。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)iltration velocity曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值，呈“M”型，而對(duì)應(yīng)位置處，Cake moisture曲線出現(xiàn)兩個(gè)谷值，呈“W”型，即過(guò)濾速度越大，其含水量則越低。雖然圖中過(guò)濾速度出現(xiàn)了兩個(gè)極大值，對(duì)應(yīng)的濾餅含水量也出現(xiàn)了兩個(gè)極低值，但是都相差不大，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的生產(chǎn)效率，則是電解時(shí)間越短越好，這樣不僅可降低能耗，而且降低電解材料的消耗，節(jié)省了生產(chǎn)成本，還提高了設(shè)備的處理量。故而，最佳的電解時(shí)間為30min，含水量為16.62%，過(guò)濾速度為3.7310-2mLcm-2s-1。 圖4-15 不同電解時(shí)間下的過(guò)濾圖 Fig.4-15 The correlati

64、on of filtration volume and filtration time at different electrolysis time 由圖4-15可知，上圖反映的是不同電解時(shí)間下，過(guò)濾時(shí)間同過(guò)濾體積的變化關(guān)系。經(jīng)電解后的煤漿其過(guò)濾速度明顯好于未經(jīng)電解的煤漿，當(dāng)達(dá)到相同體積的濾液時(shí)，電解后的比未經(jīng)電解的所用時(shí)間要短，且最終表面水消失的時(shí)間也相對(duì)較短。此外，隨著電解時(shí)間的改變其過(guò)濾速度也有不同，其中在75min，30min時(shí)過(guò)濾速度比在其他電解時(shí)間下的要快，且表面水消失的時(shí)間幾乎相同，分別為33s和33.7s。 4.4 電解質(zhì)對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 4.4.1 不同價(jià)態(tài)陽(yáng)

65、離子對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 基于上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考察不同價(jià)態(tài)的陽(yáng)離子對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響。通過(guò)煤漿中加入不同電解質(zhì)，在本試驗(yàn)中選取氯化鈉，氯化鈣，氯化鋁三種電解質(zhì)為代表，分別考察Na+，Ca2+，Al3+對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響。 1. Na+對(duì)細(xì)粒煤脫水效果的影響 圖4-16 煤漿pH隨NaCl添加量變化關(guān)系圖 Fig.4-16 coal slurry pH as a function of NaCl dosage 由圖4-16可知，pH1曲線代表隨著NaCl添加量的增加，電解前煤漿的pH值變化情況，pH2曲線代表隨著NaCl添加量的增加，電解后煤漿的pH值變化情

66、況。從pH1曲線可以看出，隨著NaCl添加量的增加，電解前煤漿的pH值變化不大，一方面說(shuō)明添加NaCl及其添加量多少對(duì)溶液的pH影響不大，因?yàn)镹aCl是中性電解質(zhì)，另一方面說(shuō)明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量誤差較?。粡膒H2曲線可以看出，隨著NaCl添加量的增加，電解后煤漿的pH值升高，說(shuō)明由于添加NaCl，加速電解過(guò)程進(jìn)行，導(dǎo)致更多H+釋放，使得溶液顯堿性。 圖4-17 煤漿電導(dǎo)率隨NaCl添加量變化關(guān)系圖 Fig.4-17 coal slurry conductance as a function of NaCl dosage 由圖4-17可知，K1曲線代表隨著NaCl添加量的增加，電解前煤漿的電導(dǎo)率值變化情況，K2曲線代表隨著NaCl添加量的增加，電解后煤漿的電導(dǎo)率值變化情況。從K1曲線可以看出，隨著NaCl添加量的增加，電解前煤漿的電導(dǎo)率值呈線性增加；從K2曲線可以看出，隨著NaCl添加量的增加，電解后煤漿的電導(dǎo)率也呈線性增加，但是經(jīng)電解后的煤漿的電導(dǎo)率比電解前的電導(dǎo)率有所降低，二者的差值就是電解過(guò)程