煤泥絮团破碎及定向重构絮凝机理的研究

It is the main reason for deterioration of coal slurry treatment that the settling flocs was broken by turbulent shear and then partly re-grown with some coagulation or flocculation. Therefore, for the critical issue of floc characteristics of breakage and directional reformation, It is intended to adopted experimental test, theoretical analysis and numerical simulation to research the settlement process, and size, density, porosity, strength and reconstruction of flocs are measured under different function of regents and fluid shear, while properties of coal slime and floc sample are analyzed by FTIR, XRD, XPS, CT, BET, then the model of collision – adsorption – broken – re-floculation between particles and particles with regents are built by molecular dynamics and the LBM, which is on the interaction effect of static electricity, ionic bonds and van der Waalsand. Finally, the growth and development, as well as the settlement mechanism based on the floccules breakage and directional reformation are explored, which can provide theoretical support for engineering application in efficient settlement of coal slurry.

煤泥水沉降中已形成的絮团在流动过程中受到紊流剪切作用被破坏，是导致煤泥水沉降恶化的主要原因。因此，针对絮凝沉降过程中絮团的破碎和定向重构这一关键问题，本研究拟采用试验研究、理论分析和计算模拟相结合的研究方法，对不同药剂制度、不同流体剪切作用下絮团的尺寸、密度、孔隙度、絮团强度和恢复力进行研究，采用FTIR、XRD、XPS、CT、BET等方法对煤泥样品及絮团结构特性、表面形貌进行分析表征，通过分子动力学和格子Boltzmann方法建立静电力、离子键力和范德华力作用下的固体颗粒之间、颗粒与流体、颗粒与药剂之间的碰撞-吸附-破碎-再絮凝模型，揭示煤泥水沉降过程中絮团的生长发育规律和基于絮团破碎-定向重构的絮凝沉降机理，从而为探寻细粒煤泥沉降方法及其工程应用提供理论技术支撑。

煤泥水沉降中已形成的絮团在流动过程中受到紊流剪切作用被破坏，是导致煤泥水沉降恶化的主要原因。本项目以煤泥水中微细颗粒絮凝后的絮团粒度、有效密度、分形维数等结构特性为研究对象，通过QCMD技术对不同溶液环境中固体颗粒与絮凝剂/凝聚剂的吸附脱附行为和吸附层构型进行了原位监测和系统分析，借助量子化学/分子动力学模拟及现代仪器分析技术探索了煤泥水中固体颗粒与化学药剂的吸附动力学行为和吸附机理，构建了基于紊动剪切的絮团破碎-定向重构的煤泥水处理方法。结果表明：煤中黏土矿物是影响絮团结构密实度的主要矿物成分，尤其是蒙脱石形成的絮团小而蓬松，无明显边界，且所需絮凝剂用量较大。对于无机盐溶液，NaCl、KCl、CaCl2、AlCl3随离子价态增加，吸附量明显增加，且为单段吸附，吸附过程完全可逆或部分可逆；FeCl3受空气中氧气作用形成Fe(OH)3,表现为多段吸附，每段吸附层的密实程度不同，吸附过程不可逆；聚丙烯酰胺吸附过程中受固体表面有效吸附位的减少，吸附速率降低，吸附层逐渐松散，由于聚丙烯酰胺分子可以通过范德华作用发生分子间缔合，从而使最先吸附至表面的分子进一步从溶液中吸附其余聚丙烯酰胺分子，因而吸附量持续增加，但吸附过程不可逆。APAM不能与表面荷负电物质直接吸附，但可以通过无机盐的“金属阳离子桥接作用”使金属阳离子与APAM交替吸附，进而形成有效絮团，促进煤泥水沉降；不同类型聚丙烯酰胺与蒙脱石表面作用由强到弱排序为：阳离子官能团（N(CH3)3+）>酰氨官能团（CONH2）>阴离子官能团（COO-），聚丙烯酰胺主要通过酰氨基上的氢原子与蒙脱石表面的氧原子形成氢键作用产生絮凝，但是随着电荷量的增加，CPAM作用的吸附层变得松散，而APAM吸附作用则逐渐减弱。基于上述理论，结合超声作用对不同类型煤泥水进行定向重构，有效改善了絮团结构特性，促进了煤泥水沉降，为煤泥水沉降工业实施提供理论技术支持。