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外电场作用下煤泥水中矿物颗粒沉降动力学模拟研究

作　者: 李宏亮
导　师: 闵凡飞
学　校: 安徽理工大学
专　业: 矿物加工工程
关键词: 煤泥水粘土矿物沉降速度 zeta电位动力学模拟
分类号: TD94
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

2012年,煤炭占一次能源消费总量的比重大约为66.4%。为减少煤炭使用过程带来的污染,需大力发展洁净煤技术的源头选煤技术,但是在机械化开采的广泛应用及煤层矿物组分较复杂的情况下,湿法选煤过程中产生的煤泥水泥化严重,引起煤泥水处理困难。为此提出了外电场作用下煤泥水沉降技术。通过研究煤泥颗粒zeta电位的形成机理及模拟单颗粒、粒群在外电场作用下的沉降速度,给外电场作用下煤泥水沉降技术提供了理论基础。在对单颗粒zeta电位的模拟中,以煤泥水中主要矿物高岭石为研究对象,通过高岭石晶体不同断面的荷电机理,模拟研究溶液Ca2+浓度及pH值对单颗粒zeta电位的影响规律,从而建立单颗粒zeta电位模型。利用电泳法获得的高岭石颗粒zeta电位试验值对模型进行校正及检验,结果表明,模型较适合模拟溶液离子环境为Ca2+浓度大于等于25mg/L、pH值小于等于9的高岭石颗粒zeta电位。在对粒群zeta电位的研究中,以浓度为20±1g/L的煤泥水及其主要矿物为研究对象,研究了溶液Ca2+、pH值对粒群zeta电位的影响。研究发现：Ca2+能够引起高岭石zeta电位在零电点附近波动,波动随Ca2+浓度的升高而变大；石英有两个零电点,随着Ca2+浓度升高两零电点向中间pH值8.32-8.77靠拢；蒙脱石单元层在Ca2+浓度大于0.86mmol/L的环境中、pH值从4到2向较大蒙脱石颗粒表面聚集。比较三种矿物及煤泥水的zeta电位,阐释了Ca2+对赋存蒙脱石的煤泥水沉降的三种影响形式：分散情形、网络情形及半分散半网络情形,Ca2+浓度依次为0、>1-1.49mmol/L、<1-1.49mmol/L,其中网络情形能够获得清澈的澄清区。外电场的作用能够加速单个煤泥颗粒的沉降。在对单颗粒外电场沉降模拟中,通过分析单颗粒在外电场作用下的受力情况,建立动力学模型,模拟单颗粒沉降速度v及位移S,模拟结果通过了试验数据的F、t检验,其中v的最大偏差为4.57μm/s、S为3.21μ m。通过该模型对颗粒自身性质、电场等影响因素等进行了外电场作用下单颗粒沉降模拟分析,结果表明：外电场加速煤泥水沉降技术较适合沉降粒度小于0.015mm、zeta电位在30mV左右的高密度颗粒。在对粒群外电场沉降模拟中,采用介入式铁电极沉降装置对煤泥水粒群在外电场作用下的沉降进行研究。结果表明外电场能够增大煤泥水沉降澄清区的透光率,减小煤泥颗粒的zeta电位。各因素对煤泥水沉降的影响情况表明：加电时间以10min为宜；加电电压以1kV为宜；电极间距以25cm为宜；为加快沉降速度可适量加入絮凝剂；为提高上清液透光率,可加入CaCl2; pH值应控制在9以下。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-12
Contents  12-17
1 绪论  17-26
  1.1 引言  17-18
    1.1.1 煤炭在能源中的地位与选煤的重要作用  17-18
    1.1.2 煤泥水处理的重要性  18
  1.2 煤泥水特性及当今煤泥水沉降的难点  18-20
    1.2.1 煤泥颗粒及其难沉降的本质  18-20
    1.2.2 当今煤泥水处理的难点  20
  1.3 外电场加速煤泥水沉降概述  20-21
    1.3.1 外电场加速煤泥水沉降的基本原理  20
    1.3.2 外电场加速煤泥水沉降的技术优势  20-21
  1.4 研究工作的目标及意义  21-23
    1.4.1 研究的目标  21-22
    1.4.2 研究的意义  22-23
  1.5 国内外研究进展  23-26
    1.5.1 外电场处理水方面  23-25
    1.5.2 煤泥水处理方面  25-26
2 理论基础及研究方法  26-31
  2.1 引言  26
  2.2 煤泥水中矿物颗粒荷电机理  26-27
    2.2.1 高岭石颗粒荷电机理  26-27
    2.2.2 石英颗粒荷电机理  27
    2.2.3 蒙脱石颗粒荷电机理  27
  2.3 模拟方法  27-28
    2.3.1 高岭石单颗粒zeta电位模型  27-28
    2.3.2 单颗粒运动速度模型  28
    2.3.3 粒群在外电场作用下沉降速度模型  28
  2.4 试验方法  28-31
    2.4.1 单颗粒zeta电位试验方法  28
    2.4.2 单颗粒运动速度试验方法  28-29
    2.4.3 粒群zeta电位试验方法  29-31
      2.4.3.1 电声法测定粒群zeta电位试验方法  29-30
      2.4.3.2 粒群在外电场作用下的沉降试验方法  30-31
3 不同Ca~(2+)浓度及pH值溶液中高岭石单颗粒表面zeta电位模拟  31-46
  3.1 引言  31
  3.2 试验部分  31-32
    3.2.1 试验样品及药剂  31-32
    3.2.2 试验仪器  32
    3.2.3 试验方法  32
  3.3 高岭石颗粒表面zeta电位模拟  32-37
    3.3.1 高岭石颗粒表面带电公式修正  32-33
    3.3.2 高岭石颗粒表面电位模拟方法  33-34
    3.3.3 参数的选取与设定  34-35
    3.3.4 底面零电位活度及zeta电位的计算  35-37
  3.4 模型精度验证  37-44
    3.4.1 不同Ca~(2+)浓度数的模型验证  37-39
    3.4.2 利用拟合方法对模型进一步校正  39-41
    3.4.3 不同pH值的模型验证  41-42
    3.4.4 模型的检验  42-44
  3.5 小结  44-46
4 pH值与Ca~(2+)对煤泥水及其粘土矿物颗粒粒群zeta电位影响  46-62
  4.1 前言  46
  4.2 试验部分  46-50
    4.2.1 试验样品分析及制备  46-49
    4.2.2 试验仪器  49
    4.2.3 试验方法  49-50
  4.3 结果讨论  50-61
    4.3.1 高岭石粒群的zeta电位  50-53
    4.3.2 石英粒群的zeta电位  53-55
    4.3.3 蒙脱石粒群的zeta电位  55-57
    4.3.4 煤泥水粒群的zeta电位  57-60
    4.3.5 Ca~(2+)的表观吸附量  60-61
  4.4 小结  61-62
5 外电场加速煤泥水沉降单颗粒动力学模拟研究  62-79
  5.1 前言  62
  5.2 试验部分  62-63
    5.2.1 试验样品及药剂  62
    5.2.2 试验仪器  62-63
    5.2.3 试验方法  63
  5.3 外电场沉降煤泥水单颗粒动力学模型建立  63-72
    5.3.1 煤泥颗粒在外电场作用下的动力学研究  63
    5.3.2 煤泥颗粒在外电场作用下的受力情况  63-66
    5.3.3 煤泥颗粒在外电场作用下受力的比较  66-67
    5.3.4 煤泥颗粒在外电场下动力学方程的建立  67-68
    5.3.5 动力学模型的推导  68-69
    5.3.6 模型的校正  69-70
    5.3.7 模型的检验  70-72
  5.4 模拟外电场加速煤泥水沉降单颗粒影响因素分析  72-77
    5.4.1 模拟颗粒自身性质对单颗粒沉降影响分析  73-76
    5.4.2 模拟电场因素对单颗粒沉降影响分析  76-77
  5.5 小结  77-79
6 外电场加速煤泥水沉降粒群模拟研究  79-90
  6.1 引言  79-80
  6.2 理论分析  80-81
    6.2.1 粒群颗粒间的计算距离  80
    6.2.2 粒群在水中受电场力的沉降情况  80-81
    6.2.3 粒群在电流作用后的沉降情况  81
  6.3 试验条件  81
    6.3.1 试验样品及药剂  81
    6.3.2 试验仪器  81
    6.3.3 试验步骤  81
  6.4 试验结果与分析  81-89
    6.4.1 不同加电时间对煤泥水沉降速度的影响及模拟  82-83
    6.4.2 不同加电电压对煤泥水沉降速度的影响及模拟  83-84
    6.4.3 不同电极板间距对煤泥水沉降速度的影响及模拟  84-86
    6.4.4 不同絮凝剂加入量对外电场作用后煤泥水沉降速度的影响及模拟  86-87
    6.4.5 不同凝聚剂CaCl_2加入量对外电场作用后煤泥水沉降速度的影响  87-88
    6.4.6 pH对外加电场作用后煤泥水沉降的影响及模拟  88-89
  6.5 小结  89-90
7 结论  90-93
  7.1 主要结论  90-92
  7.2 创新点  92-93
参考文献  93-101
致谢  101-102
研究生期间获得成果及参加项目  102

外电场作用下煤泥水中矿物颗粒沉降动力学模拟研究

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