阴离子型聚丙烯酰胺对细粒煤的助滤作用

3．2．4　阴离子型聚丙烯酰胺HPAM对细粒煤的助滤作用

1．不同水解度的阴离子型聚丙烯酰胺HPAM对细粒煤的助滤作用

为了研究高分子聚合物水解度对细粒煤助滤作用的影响，采用相对分子质量为500万，水解度分别为10%、30%、50%的HPAM，对细粒煤进行过滤脱水实验，实验结果如图3．17所示。

图3．17表明：水解度为30%的HPAM对细粒煤的脱水效果最佳，用量为8ppm时，滤饼水分降低2．85%；水解度为10%的HPAM对细粒煤的助滤效果较差，用量为12ppm时，滤饼水分仅降低2．08%；水解度为50%的HPAM对细粒煤的助滤作用居中，用量为10ppm时，滤饼水分降低2．23%。可见，水解度为30%的HPAM对细粒煤的助滤作用最好。

图3．17　不同水解度的HPAM对细粒煤的脱水作用

众所周知：煤是一种由有机质与无机质组成的复杂矿物，细粒煤整体而言呈负电性。HPAM是由PAM在水溶液中发生电离带负电转化而成，用水解度来表示其荷电程度。水解度越高，说明高分子中负电性的链节数越多，负电荷密度越大，与细粒煤表面产生的静电排斥作用越强，难以在煤粒表面吸附。不同水解度的HPAM的分子形态影响其分子链上的电荷分布，决定了它对细粒煤的助滤作用。

不同水解度的PAM的分子形态，如图3．18所示^［22］。图3．18（a）表示非离子型聚丙烯酰胺PAM的分子形态，分子链上有少许正酰胺离子—CONH3＋存在，但作用不大，分子链是柔性的，呈随机弯曲状；图3．18（b）表示水解度为10%的阴离子型HPAM的分子形态，分子链上不仅有少量带正电的—CONH₃^＋，且有少量带负电的—COO－，二者通过静电吸引，使高分子链成为不规则线团形态，因此与煤粒作用的基团数量较少，只有当用量较高时，对细粒煤才有助滤作用，但脱水效果不明显；图3．18（c）表示水解度为30%的阴离子型HPAM的分子形态，链上阴离子—COO－占优势，分子链由于羧基间的同号静电斥力作用，大分子链伸展，有效长度增大，但同时分子链上所带的负电荷较少，存在较弱的斥力作用，分子柔性较好。据聚电解质溶液的粘性分析^［75］：棒状形态大分子的粘度因有效体积增加而增高；卷曲状形态大分子的粘度较低，有利于大分子向固液界面扩散，吸附于煤粒表面。因此水解度为30%的HPAM对细粒煤具有较好的絮凝作用及助滤作用。当水解度增大到50%时，阴离子型HPAM的分子状态如图3．18（d）所示，此时阴离子基团占绝对优势，分子链由于羧基间的静电斥力作用，变得更加伸展，分子中负电性强，分子链柔性下降，变成僵直形态，对细粒煤的絮凝作用下降，不利于煤泥的助滤脱水，其助滤作用不及水解度为30%的HPAM。

图3．18　不同水解度的聚丙烯酰胺的分子形态

2．pH对阴离子型聚丙烯酰胺HPAM助滤作用的影响

采用相对分子质量为5×10⁶，水解度为30%的阴离子型HPAM，用量为8ppm，用NaOH和HCl水溶液调节pH，对煤泥进行过滤脱水实验，研究pH对HPAM助滤作用的影响，实验结果如图3．19所示。

图3．19　pH对HPAM助滤作用的影响

图3．19表明：pH＜4时，随着pH升高，滤饼水分呈降低趋势，当pH＞4时，滤饼水分又呈增高趋势；pH介于3～6之间，滤饼水分较低，此现象与HPAM在煤粒表面的作用及煤表面荷电性质密切相关。

煤是由稠环芳烃和无机矿物质组成的极其复杂的物质。煤核周围分布着各种烷基侧链和多种官能团，其间夹杂着各种无机物。一般认为煤中的非金属元素主要构成煤的有机质部分，这些化合物构成煤表面的疏水区域；煤表面的含氧官能团及碳氧复合体的解离，使煤表面荷负电在不同pH条件下，部分氧化表面水解，使煤表面荷负电或荷正电。煤中的金属元素大多以氧化物形式存在，当煤粒处于水溶液中时，部分金属氧化物转入溶液中，形成的金属含水络合物也会显著影响煤粒表面的荷电状态。当煤浸泡于水溶液中，其表面的各种含氧官能团、碳氧复合体和无机物与水相互作用，从而使煤表面具有多极性，既有亲水部分又有疏水部分，既有荷负电表面微区，又有荷正电表面微区。

水溶液pH的变化显著影响煤粒表面电性，如3．1中表3．1所示。随着pH的增加，煤粒表面ζ电位的负电性呈增加趋势，且增加的幅度逐渐增大。在强酸性条件下，HPAM对煤粒表面ζ电位的影响不十分显著，可能是因为pH较低时，溶液中的H＋会与大分子的阴离子基团作用，不利于HPAM在煤粒表面的吸附；水解度为30%的HPAM分子链上虽有少量带正电的—CONH₃^＋基团，但仍以阴离子—COO－占绝对优势，两种分子间会产生静电引力作用；但在碱性条件下，分子链受同号羧基间静电斥力作用，分子链明显伸直，有效长度增长，吸附于煤粒表面后，若—COO－伸向溶液，将导致煤粒表面的负电性增强。另外随着pH增大，有大量的OH－存在，煤粒表面的定位离子已转为OH－，导致煤表面电位负电性增强。基于上述原因，在HPAM作用下，煤粒表面ζ电位的负电性随pH的增加而增大。

细粒煤表面电性的变化影响到HPAM对煤泥的絮凝助滤作用。当pH很低时，HPAM大分子中能与煤表面产生作用的官能团缺少活性，大分子中部分—CONH₂以正酰胺离子（—CONH₃^＋）的形式存在，而羧基以—COO－形式存在，分子间产生静电吸引作用，高分子本身及相互间可能形成氢键缔合，不利于大分子与煤粒间产生桥联作用，则HPAM对细粒煤的絮凝作用差，达不到较好的助滤作用，故滤饼水分偏高。当pH＞10时，煤粒表面的负电性增强，导致煤粒负电区域与HPAM大分子间的静电斥力增大，不利于HPAM在煤粒表面的吸附；此外，在强碱性条件下，OH－有可能成为煤粒表面的定位离子，与煤粒表面的HPAM产生强烈的竞争吸附，也不利于HPAM吸附于煤粒表面，导致HPAM对细粒煤的絮凝助滤作用下降。当4＜pH＜8时，煤粒表面的电中性区域较多，且HPAM大分子的羧酸盐中Na^＋充分解离，使HPAM中含有较多的—COO－，与煤粒表面产生吸附作用的活性点较多；当—CONH2与煤粒表面含氧基团产生氢键吸附，在弱碱性条件下，—COO－之间的同性静电斥力作用增大，使高分子HPAM的有效长度增加，有利于HPAM对细粒煤发挥桥联絮凝作用。故在中性范围内，HPAM对细粒煤的助滤作用较好。