煤泥水微细颗粒表面水化作用机理及高效聚团研究

由于煤泥微细颗粒表面的水化作用，煤泥颗粒间除存在静电斥力、范德华力外，还存在水化斥力，且水化斥力是微细颗粒（主要是粘土类矿物）稳定分散的主要原因之一，传统的凝聚技术对水化微细颗粒的团聚效果很差，急需探索煤泥微细颗粒水化作用机理，在此基础上进行煤泥微细颗粒高效凝聚研究。为此，课题拟采取理论分析、计算，模拟与试验相结合的研究方法，通过研究煤泥微细颗粒表面结构特性、表面成分的溶解性、润湿性，水化学性质对水化作用的影响规律，测定水化膜厚度及强度，探寻煤泥颗粒表面与水溶液耦合作用机制；采用COMPASS力场进行水化作用的分子动力学模拟揭示水分子与煤泥微细颗粒表面的作用机理；建立煤泥微细颗粒表面水化作用模型，计算煤泥中主要矿物颗粒表面与水分子及水合离子间的结合能；从破解微细颗粒表面水化膜的思路出发，对煤泥微细颗粒进行表面疏水改性和聚团研究，为煤泥微细颗粒高效疏水聚团沉降技术优化及工程应用提供理论支持。

中文摘要：.由于煤泥微细颗粒表面的水化作用，煤泥颗粒间除存在静电斥力、范德华力外，还存在水化斥力，且水化斥力是微细颗粒稳定分散的主要原因之一，需探索煤泥微细颗粒水化作用机理，在此基础上进行煤泥微细颗粒高效凝聚研究。为此，课题采取理论分析、计算，模拟与试验相结合的研究方法，通过研究煤泥微细颗粒表面结构特性、表面成分的溶解性、润湿性，水化学性质对水化作用的影响规律，测定水化膜厚度及强度，探寻煤泥颗粒表面与水溶液耦合作用机制；进行水化作用的分子动力学模拟揭示水分子与煤泥微细颗粒表面的作用机理；建立煤泥微细颗粒表面水化作用模型，计算煤泥中主要矿物颗粒表面与水分子及水合离子间的结合能；从破解微细颗粒表面水化膜的思路出发，对煤泥微细颗粒进行表面疏水改性和聚团研究，为煤泥微细颗粒高效疏水聚团沉降技术优化及工程应用提供理论支持。.主要结论，1、高泥化煤泥水中主要是极细的石英、高岭石、蒙脱石等黏土类矿物颗粒，颗粒比表面积大、表面强亲水、荷负电，形成溶胶体系，在煤泥水中会处于高稳定的分散状态，给煤泥水的沉降、脱水及分选带来困难；2、高岭石颗粒HD面基团的质子化去质子化作用是高岭石等颗粒在不同pH溶液中电动特性的主要成因之一；3、高岭石颗粒表面的水化能力要远强于溶液中离子的水化能力。高岭石颗粒表面水化膜厚度随溶液中Na+、K+离子浓度的增加呈先增大后减小的趋势。高岭石颗粒表面水化膜厚度与Ca2+、Mg2+ 等离子浓度负相关；4、随电解质浓度的增加蒙脱石水化度先变大后减小；pH越高水化度呈增大趋势；电解质阳离子化学价越高，水化度越小；Ca2+和K+属于水化抑制离子，而Mg2+和Na+属于水化促进离子；5、水分子主要通过分子中的OW与高岭石颗粒表面HOH形成氢键（A型）以及分子中的一个HW与颗粒表面上的OOH形成氢键（B型）两种形式吸附在高岭石颗粒表面，在其周围形成一层紧密、稳固的水化膜； 6、季铵盐类表面活性剂能够增强煤泥颗粒表面的疏水性，且季铵盐烷基链长度越长、药剂用量越大，煤泥颗粒越容易形成聚团,降低煤泥颗粒表面电负性的能力越强，对颗粒表面疏水改性效果越好。季铵盐类表面活性剂主要是通过对煤泥颗粒表面的疏水改性，弱化颗粒间的水化斥力，增强颗粒间的疏水吸引力，同时降低了煤泥颗粒表面的电负性，压缩了颗粒表面双电层，减小了颗粒间的静电斥力，从而促进颗粒聚团沉降。