煤泥水体系中抑制蒙脱石膨胀分散的量子化学研究

发布时间：2020-07-11 02:57

【摘要】：高泥化煤泥水中含有大量粘土矿物,给煤泥水处理带来很大的困难,而煤矸石易泥化是导致高泥化煤泥水产生的主要原因。目前国内外煤泥水处理技术都是在煤泥大量产生后再进行处理回收,此时煤矸石已经泥化成极细的颗粒,传统的混凝沉降技术对高泥化煤泥水的处理效果不理想。因此,研究预先抑制煤矸石泥化的工艺,可以从源头上减少大量高灰细泥的产生,降低煤泥水系统中的细泥含量,对改善由于煤矸石泥化严重而造成的高泥化煤泥水难处理现状有重要的意义。易泥化的煤矸石中含有大量粘土矿物,其中蒙脱石含量对煤矸石的泥化性质影响最大。蒙脱石是一种水敏性很强的层状硅酸盐矿物,水分子极易进入层间致使体积急剧增大,因此抑制煤矸石泥化的关键是抑制粘土矿物尤其是蒙脱石的水化膨胀。本文采用量子化学模拟的模拟方法,从分子/原子层面揭示了干态和水溶液环境中矸石泥化抑制剂在蒙脱石表面的吸附行为,并通过抑制蒙脱石水化膨胀的试验对量子化学的计算结果进行了验证,最后利用量子化学方法阐述了无机与有机矸石泥化抑制剂复配的机理,为抑制矸石泥化及设计适用于煤泥水处理的抑制剂提供了理论基础。基于量子化学方法研究了季铵盐阳离子在蒙脱石Na-001面、None-001面和内表面的吸附行为,结果表明,在干态环境中,四种抑制剂除CHPTA~+外,都易吸附在蒙脱石的None-001表面,Na~+的存在并不利于抑制剂在001表面的吸附。在蒙脱石Na-001表面,季铵盐阳离子主要通过静电作用力吸附在表面,药剂中电负性原子或原子团与表面Na~+发生强静电作用;在None-001表面,季铵盐阳离子主要是通过静电作用力和氢键作用吸附;季铵盐阳离子在蒙脱石层间吸附与荷电量、氢键作用和层间距有关,其中层间距的大小至关重要。为探索溶液环境中季铵盐阳离子在蒙脱石表面的吸附行为,基于密度泛函理论的方法研究了水分子和季铵盐阳离子在蒙脱石表面的竞争吸附模型。分析表明,在水溶液环境中,季铵盐阳离子同样可以牢固地吸附在蒙脱石表面,且吸附能都远大于水分子在对应表面的吸附能,蒙脱石Na-001表面的Na~+易脱离表面,从而形成更多None-001表面。季铵盐阳离子在None-001表面和层间吸附稳定后都荷正电,水分子将季铵盐阳离子与蒙脱石表面桥联起来并增强它们之间的静电作用和氢键作用,季铵盐阳离子和水分子在蒙脱石表面都发生协同吸附效应,水分子的存在加强了季铵盐阳离子在蒙脱石表面的吸附。水溶液中各季铵盐阳离子吸附强弱的顺序为:A~+B~+CHPTA~+NW-1~+,季铵盐分子结构中包含烯丙基将最利于其在蒙脱石表面稳定吸附。为验证分子模拟的合理性,对比各小阳离子季铵盐抑制剂的防膨率以及对蒙脱石颗粒层间距和Zeta电位的影响,可以发现,四种小阳离子季铵盐对蒙脱石颗粒水化膨胀的抑制效果为:ABCHPTA≥NW-1,这与DFT计算结果相一致,从而证明了通过量子化学方法筛选有机小阳离子季铵盐抑制剂的合理性。无机抑制剂价格低廉、无絮凝能力且对颗粒表面亲疏水性影响较小,对比常用无机抑制剂的防膨率以及对蒙脱石颗粒层间距、Zeta电位和水化特性的影响,可以发现,对蒙脱石水化膨胀抑制效果最好的为KCl,CaCl_2、MgCl_2与NH_4Cl次之,NaCl最差。无机盐对蒙脱石的抑制主要体现在:压缩颗粒表面双电层,减小颗粒表面水化膜厚度,使颗粒及晶层间排斥力减小;降低颗粒内外阳离子的浓度差,降低渗透压力,从而减弱膨胀压力;阳离子交换作用会改变层间阳离子组成,从而改变其联结力。有机、无机抑制剂复配试验表明,有机阳离子抑制剂和KCl复配后防膨率明显提升,在有机抑制剂浓度较低时,随KCl的用量增加防膨率提升较大,极大地减少了有机药剂的用量。随着有机阳离子用量增加,复配的作用减弱,防膨率提升较小,主要体现为有机阳离子的作用。A和KCl复配后对蒙脱石膨胀的抑制作用要强于PDMDAAC,A与较少的KCl复配就能达到很好的效果。抑制剂抑制煤矸石泥化的试验表明,粘土抑制剂可以抑制煤矸石泥化,降低细泥的产生。有机抑制剂抑制煤矸石泥化的效果较好,浓度较低时煤矸石的泥化产率就迅速下降,其中PDMDAAC和A的抑制效果最好,加量在0.1%时,煤矸石泥化率分别下降55.96%、47.78%。KCl虽然也能抑制煤矸石泥化,但抑制效果不如有机抑制剂,只有当药剂浓度较高时才能有好的抑制效果,KCl溶液浓度为0.2mol/L时,矸石泥化率下降45.48%。有机和无机粘土抑制剂复配可以提高药剂抑制煤矸石泥化的效果,但只有KCl浓度较高时,才能明显提高有机抑制剂的作用效果,且对抑制效果较差的B提升最明显。K~+在蒙脱石层间、001表面与有机小阳离子B~+、A~+共吸附的量子化学研究表明,K~+易交换出蒙脱石001表面的Na~+,增强了B~+、A~+与001表面的静电作用强度,从而使季铵盐吸附更牢固,且K~+浓度越高,越有利于抑制剂的吸附;在蒙脱石层间,K~+与B~+、A~+并不是协同吸附,但相对于单独添加B~+、A~+,体系的能量分别减小413.85 kJ/mol、701.58 kJ/mol,系统更稳定。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD94
【图文】：

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