滤饼微观结构与分维数

5．3．5　滤饼微观结构与分维数

应用数学形态学图像处理理论获得滤饼孔隙的周长、面积，将测定值代入式（5．51）进行回归计算，即可求出孔隙断面的边界分维数D0。不同物料滤饼孔隙边界的分维数如表5．4、表5．5所示。

表5．4　不同物料滤饼孔隙边界的分维数

注：D₀———分维数；R———相关系数。

表5．4表明：（1）随着物料粒度级别增加，滤饼孔隙边界的分维数D0减小。D0值越小，说明滤饼孔隙壁相对越光滑，孔隙壁的表面积越小。细粒煤过滤结束后，粗粒级物料滤饼孔壁所“滞留”的表面水分大大低于细粒级物料滤饼，滤饼的残留水分降低，即粗粒级物料较细粒级物料过滤性能好，形成的滤饼水分低。因此，细粒含量高的煤泥经真空过滤后，滤饼水分难以脱除，残留水分高，滤饼最终水分偏高。（2）添加絮凝剂后，各粒级物料滤饼孔隙边界的分维数D0均减小，说明添加絮凝剂有利于改善滤饼的微观结构，与未加絮凝剂相比，孔壁表面更加规整，孔壁表面积和粗糙度减小，有利于滤饼脱水。说明PQAAM接枝共聚物对细粒煤具有助滤脱水作用，且随着滤饼物料粒度级别增大，滤饼孔隙边界的分维数减小，说明絮凝剂更有利于粗粒级物料滤饼脱水。

表5．5　经不同絮凝剂处理的滤饼孔隙边界的分维数

注：D₀———分维数；R———相关系数。

表5．5数据表明：

（1）PQAAM接枝共聚物用量不同，滤饼孔隙边界的分维数不同。随着PQAAM接枝共聚物用量增加，滤饼孔隙边界的分维数增大，使孔壁表面变得不规则，孔壁表面积及粗糙程度增大，不利于滤饼脱水，说明絮凝剂能否较好地改善滤饼微观结构，对细粒煤能否更好得发挥助滤脱水作用，与絮凝剂的用量密切相关。由于高分子絮凝剂都是水溶性聚合物，具有一定的亲水性。絮凝剂用量超过某一极限（最佳用量）时，其用量愈大，在煤粒表面吸附量愈高，反而有可能增强煤粒表面的亲水性，导致煤粒表面水化层厚度增加，水化层中的水分子与普通水分子的聚集情形不同，能够定向有序地排列在固体表面，机械力一般难以将其排除。表面亲水性增强是使絮凝滤饼残留水分升高的主要原因之一，絮凝剂用量超过极限值时，会导致滤饼残留水分升高，不利于降低滤饼水分。可见：絮凝剂用于强化细粒煤脱水时，只有用量适中，才能改善滤饼结构，使滤饼孔隙壁相对更加光滑、规则，粗糙度下降，滤饼不易“滞留”水分，强化滤饼脱除水分。

（2）用量相同时，添加不同絮凝剂，滤饼孔隙边界的分维数不同。阳离子度较高的PQAAM接枝共聚物使滤饼孔隙边界的分维数D0较小。PQAAM与HPAM按先后加入顺序等量联合使用时，各粒级滤饼孔隙边界的分维数D0最小。D0值越小，说明孔隙形态越简单，孔隙壁越规则，粗糙度越小，孔隙壁“滞留”水分越小，滤饼残留水分越低，越有利于滤饼水分脱除。第3章细粒煤助滤实验已给予证实。

PQAAM接枝共聚物在煤粒表面产生吸附作用，其分子中的季铵盐阳离子吸附于煤粒表面的荷负电微区，产生电性中和作用，有利于降低细粒煤表面的ζ电位、压缩其双电层、改变其水化层状态，减少煤粒表面水分。其分子中的—CONH2与煤粒表面的H、O等元素形成氢键缔合，以氢键方式吸附于煤粒表面，产生桥联作用，使细粒煤在桥联作用下絮凝成团，改善滤饼结构，即增大孔隙率和孔隙面积，改善滤饼过滤性能，从而提高过滤速度。PQAAM接枝共聚物分子链上—CH₂—CH₃为憎水链，吸附于煤粒表面后，细粒煤间产生较强的疏水缔合力，促使细粒煤团聚，形成疏水性絮团。这种既有疏水性团聚作用，又有桥联作用下所形成的絮团具有疏水性，提高了煤粒的疏水性，使毛细管压强降低、滤饼残余水分降低，有利于滤饼水分排除。

本章小结

基于数学形态学理论、分形理论，深入研究了滤饼微观结构，本章得出如下结论：

（1）应用扫描电子显微镜（SEM）拍摄滤饼微观结构电镜图像。以数学形态学二值图像形态变换理论为基础，应用直方图阀值化法获得了滤饼微观结构的二值图像，建立复杂的滤饼孔隙图像增强、几何特征提取、几何特征度量的定量分析形态变换模型，分析滤饼微观结构扫描电镜图像，提取滤饼微观结构特征参数。

（2）不同粒级的滤饼微观结构存在差异，粗粒级物料比细粒级物料具有较大的孔隙率、孔隙平均面积和最大面积、较高的大尺寸孔隙含量。因此，细粒级含量高的滤饼水分偏高。

（3）添加适量的PQAAM接枝共聚物后，滤饼微观结构得到显著改善，滤饼孔隙率、孔隙面积、大尺寸孔隙的相对含量增加，小尺寸孔隙的相对含量降低。说明PQAAM接枝共聚物对细粒煤的助滤作用就在于改善滤饼微观结构、提高滤饼过滤性能、降低滤饼水分。

（4）分形理论主要研究无特征尺度的自相似性，自相似性是分形的本质，分维数是度量自相似性的特征量。滤饼孔隙分布是分形现象，分形理论为滤饼微观结构的研究提供了一种新的途径。

（5）应用分形理论中Koch岛解释了滤饼孔隙的分形现象，应用小岛法建立了滤饼孔隙边界的分形模型，滤饼孔隙边界分维数D0的大小既能反映滤饼孔隙形态的复杂程度，又能反映孔隙内壁的规则和光滑程度。与传统的滤饼结构定性描述方法相比，应用孔隙边界的分维数来反映滤饼微观结构不仅具有明确的物理意义，而且能全面反映滤饼微观结构。

（6）研究结果表明：滤饼粒度组成越粗，滤饼孔隙边界的分维数D0越小，滤饼孔隙壁越规则、光滑，滤饼水分越低；添加适量的高分子絮凝剂，滤饼孔隙边界的分维数D0减小，有利于降低滤饼水分。高分子絮凝剂对细粒煤的助滤作用机制就在于改善滤饼微观结构，使滤饼孔隙边界的分维数D0减小，孔隙壁表面积与粗糙度降低，强化滤饼脱水。

（7）本书所测定的各种物料滤饼孔隙边界的分维数介于1．114～1．432之间，说明煤泥滤饼中孔隙分布是相似的，分形几何为这种现象的分析提供了定量描述方法，同时也进一步拓宽了分形理论的应用领域。