煤泥水中高岭石颗粒表面水化作用机理研究

【摘要】高泥化煤泥水中含有大量的微细粘土矿物颗粒是其难以沉降澄清处理的一个重要原因。由于这些粘土矿物颗粒表面具有大量的亲水基团,在水溶液中其表面会产生一层水化膜从而增加了颗粒间的水化斥力,传统的以DLVO理论为基础的凝聚技术无法有效地实现这些微细颗粒间的聚团沉降,因此研究粘土矿物颗粒表面的水化作用机理,探索破解颗粒表面水化膜的方法是实现高泥化煤泥水高效沉降澄清处理的一项重要内容。高岭石是煤泥水中的主要矿物成分之一,本文采用试验分析、理论计算和计算机模拟的研究方法,模拟煤泥水的溶液特性,以pH值、煤泥水中常见离子、离子浓度等溶液性质作为影响因素,研究了煤系高岭石颗粒表面理化特性及与煤泥水的相互作用、颗粒表面的荷电机理及溶液性质对水化作用的影响规律,测定了颗粒表面水化参数,分析了高岭石颗粒在不同性质溶液中与水分子相互耦合的作用机理,并通过分子动力学模型软件建立了高岭石颗粒表面水化作用模型,为破解煤泥水中高岭石表面水化膜,实现高泥化煤泥水的高效沉降澄清处理提供理论支持。高岭石颗粒表面理化特性及与煤泥水的相互作用研究表明,高岭石颗粒表面含有大量的硅醇基(>SiOH)和铝醇基(>A1OH)等含羟基组,这些羟基组在低的pH溶液中会产生质子化作用,从而使溶液pH升高,同时增加了颗粒表面羟基数量,而在高pH溶液中会产生去质子化作用,从而使溶液pH降低,硅氧基(>SiO)和铝氧基(>A10)基团数量增多；对于偏碱性的煤泥水,高岭石主要有降低煤泥水pH值的作用,同时高岭石颗粒结构中及其表面吸附其它元素会溶解到煤泥水中,从而增加煤泥水中金属阳离子浓度；煤泥水中的阳离子对高岭石颗粒表面的质子化有抑制作用,对去质子化有促进作用。高岭石颗粒表面的荷电机理研究表明,煤系高岭石颗粒的IEP在3.00左右,PZNPC为5.65,煤泥水中高岭石颗粒各面均荷负电荷,整个颗粒的ξ电位在-60mV左右；煤泥水中K+、Na+离子主要通过压缩溶液中颗粒表面双电层及抑制质子化作用或促进去质子化作用来影响颗粒表面电动特性的；Mg2+、Ca2+离子则主要是通过压缩双电层和在颗粒表面产生特性吸附的方法来降低颗粒表面ξ电位,当离子浓度达到0.1mol/L时,颗粒表面ξ电位接近零值,并在较宽的pH值范围内保持稳定；无机盐类的Al化合物则通过A13+的水解降低溶液pH,减少颗粒表面的去质子化作用来降低煤泥水中微细颗粒表面ξ电位,同时利用粘土类矿物颗粒IEP点较低,Al(OH)3(s)颗粒IEP较高的特点,将Al(OH)3(s)沉淀物覆盖到粘土矿物颗粒表面,从而提高高岭石颗粒IEP值,使IEP值接近煤泥水pH值来降低颗粒表面ξ电位；高岭石颗粒粒度越小,颗粒表面酸碱响应系数α值越大,颗粒表面羟基越多,在溶液中的质子化去质子化能力越强。水化作用机理研究表明,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；Na+、K+等离子主要是通过改变颗粒表面扩散双电层内游离水的含量以及影响颗粒表面与水分子的直接水化作用能力来使双电层中剪切面产生移动,从而改变颗粒表面水化膜的厚度；Ca2+、Mg2+等高价离子在高岭石颗粒表面的特性吸附,影响了颗粒表面与水分子的直接水化作用能力,而使双电层中剪切面向颗粒表面移动从而减小了表面水化膜的厚度；Al3+离子溶液中高岭石颗粒表面会覆盖一层厚厚的Al(OH)3(s)沉淀物,从而极大地增加了高岭石颗粒的粒度。分子动力学模拟研究表明,水分子主要通过类似于“洞水”分子的A型和类似于“连接水”分子的B型两种形式吸附在高岭石颗粒表面,从而形成一层紧密、稳固的水化膜,其中A型是水分子在颗粒表面的主要吸附形式。
【作者】刘令云；
【导师】张明旭；宋少先；
【作者基本信息】安徽理工大学，环境工程，2013，博士
【关键词】煤泥水；高岭石；荷电特性；水化作用；分子动力学模拟；

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