超高压脱水技术在细煤浆处理中的应用改进：聚羧酸盐与CaO协同调控孔隙界面化学作用的机制

《Fuel》：Enhancement of ultra-high-pressure dewatering of fine coal slurry: Synergistic regulation mechanism of pore interface chemistry by polycarboxylate-CaO

提高超细煤泥脱水效率的协同作用研究 聚羧酸钠与氧化钙作为过滤助剂，通过分散煤颗粒和优化滤饼孔隙结构，显著降低滤饼水分至27.52%，协同效应优于单一助剂。

　　

范玉平|文鹏程|马晓敏|董贤书|陈如霞|杨茂青|肖伟|穆彦泽

太原理工大学矿物加工工程系，中国太原030024

摘要

过滤和脱水是环境和化学工程领域中的关键过程，调节界面相互作用和利用超高压协同效应是提高脱水效率的新兴趋势。本研究采用聚羧酸钠和氧化钙作为过滤助剂，对超细煤泥进行了深入的脱水研究。结果表明，与仅使用单一助剂的滤饼相比，混合助剂的脱水性能显著优于单一助剂，使最小含水量从32.68%降至27.52%。通过综合多技术表征，系统分析了过滤助剂的介观相互作用机制、滤饼孔结构演变及渗流行为：聚羧酸钠通过吸附和分散作用有效破坏了煤颗粒间由静电吸引或氢键形成的桥接结构，显著降低了颗粒间力并降低了滤饼的表观粘度；同时，氧化钙水化后形成氢氧化钙结构，增强了滤饼的孔隙度。当两种助剂协同使用时，其协同效应不仅体现在各自性能的提升上，还体现在聚羧酸钠吸附作用使煤颗粒带负电荷增强，从而提高了氧化钙的吸附能力。总体而言，两种助剂的协同作用使得滤饼的疏水性略有降低，但表观粘度显著降低，孔结构得到显著改善，从而大幅提高了脱水效率。

引言

脱水是湿煤制备生产中不可或缺的过程。高含水量不仅严重限制了水资源的有效回收和煤炭质量，还显著增加了煤炭运输和储存的成本。因此，实现煤炭泥浆的高效深度脱水已成为煤炭加工行业面临的关键技术挑战。这对于促进资源的高效利用和行业的可持续发展具有重要意义[1]。传统的煤炭泥浆脱水方法包括真空过滤[2]、[3]、[4]、高频筛分脱水[5]、[6]、[7]、筛分沉淀离心脱水[8]、[9]、[10]以及沉淀离心脱水[11]、[12]。虽然这些技术在某种程度上满足了常规煤炭泥浆脱水的需求，但在处理超细煤泥水或低降解度煤浆时，常常面临脱水效率低和最终产品含水量高的问题。这一技术瓶颈严重影响了煤炭泥浆资源的深度利用及后续加工阶段的经济效益。

为了提高煤浆的脱水效率，研究人员在过滤助剂调控[13]、[14]、[15]、界面疏水性调整[16]、[17]、[18]、滤饼孔结构优化[19]、[20]、[21]、[22]、微波电化学调控[23]、[24]、[25]以及工艺设备参数[26]等领域进行了大量研究。

Ejtemaei、Majid等人[19]使用表面活性剂和絮凝剂混合物对超细煤进行了深度脱水研究。他们的研究发现，阴离子表面活性剂的使用通过降低液相表面张力有效提高了脱水效率，而阴离子絮凝剂的使用也改善了脱水速率和滤饼的渗透性。张SH等人[27]使用Gemini表面活性剂和二元表面活性剂混合物改善了细煤颗粒的脱水性能，发现Gemini-1表面活性剂与SDS的二元混合物具有更强的协同效应，能够替代水分子，增强煤颗粒表面的疏水性。王Y等人[28]发现氧化钙具有絮凝、骨架构建和细胞破碎作用，其效果在其他调节剂中最为显著。当氧化钙含量为干物质的67%时，滤饼的阻力比原始污泥降低了80%，且在不同应力水平下的压实系数提高了3.5–8.2倍。在100 kPa下完全压实后，含水量为40%。冯ZY等人[29]指出，煤浆溶液的pH值也显著影响聚合物絮凝剂与干净煤之间的相互作用，从而影响脱水性能。在酸性环境中，滤饼中的孔隙空间发育更均匀且连接更紧密，毛细压力比pH 7和pH 10时大幅降低。Ling等人[30]使用聚氧金属酸盐（POMs）在较低温度下实现了污泥的深度脱水，POMs的酸性和生物效应在提高污泥脱水性能中起到了关键作用。在较低的热水解处理（THP）温度（<80°C）下，POMs通过诱导氨基酸残基中的功能团质子化显著增强了静电相互作用。当温度升高到80–140°C时，亲水氨基酸残基中的更多结合位点被激活，与POM形成了更强的氢键。这种相互作用不仅导致蛋白质结构发生显著变化，还进一步促进了水分释放，形成了具有优化排水通道的污泥胶体聚集体。然而，当温度进一步升高到140–180°C时，疏水基团的暴露、亲水氨基酸的损失以及蛋白质内的美拉德反应在一定程度上削弱了POM的絮凝效果。不过，上述研究大多集中在1 MPa以下的脱水设备上，关于超高压下煤浆滤饼动态演变的研究较少。

本研究基于自主研发的超高压脱水设备，选择聚羧酸钠和氧化钙作为过滤助剂，实现了矿井煤废水的有效脱水（超细煤泥）。通过压缩变形曲线、含水量和水流速率等指标，系统评估了过滤助剂对煤泥滤饼的协同效应。利用原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和粘附力仪器详细分析了过滤助剂改善煤泥滤饼润湿性的机制。同时，使用流变仪研究了过滤助剂对滤饼粘度的优化效果。此外，还利用CT成像技术分析了施加过滤助剂前后煤泥滤饼孔结构的变化，为超细煤泥高效脱水的理论研究和工程应用提供了重要支持。

材料

本研究使用的样品来自山西某煤炭制备厂的超细粒煤（尾矿浆），该煤经过磨矿和浮选处理。在磨矿过程中，煤颗粒尺寸减小，机械活化带来的能量输入使新鲜表面更容易氧化，从而增加了表面的亲水性，进一步增加了脱水的难度。

滤饼压缩变形曲线及含水量等分析

为了研究表面活性剂、骨架构建剂及其混合物对煤浆水的作用机制差异，在不同剂量梯度下进行了单药剂煤浆滤饼脱水实验，以确定最佳药剂剂量及其对应的脱水效率。同时，为了降低药剂成本，将两种单药剂的最优剂量减半后混合使用，并对其脱水效果进行了比较。

结论

本研究基于新型超高压压滤机，利用聚羧酸钠和氧化钙作为过滤助剂，研究了超细煤泥的深度脱水效果。采用多种表征方法系统分析了这些助剂的介观相互作用机制、滤饼孔结构演变及渗流行为。研究结果表明：

(1)

混合助剂的脱水性能明显优于

作者贡献声明

范玉平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金筹集。文鹏程：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。马晓敏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金筹集。董贤书：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。陈如霞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金筹集。杨茂青：撰写 – 原稿。肖伟：撰写 –

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2023YFC2907704）、采矿与冶金过程智能优化制造国家重点实验室和采矿与冶金过程自动化北京重点实验室（编号BGRIMM-KZSKL-2023-18）、山西省基础研究计划（编号202403021221068、202403021211070）以及国家自然科学基金（编号52004178、52404291）和青年优秀科学基金的财政支持。