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气浮滤池不宜用无烟煤作威尼斯的原因

发布时间:2020/08/11     浏览:

气浮滤池不宜用无烟煤作威尼斯的原因

一、问题的提出

1978-1980年期间,大家在黄石市青龙山水厂,针对该水源浊度低、含藻量高的水质情况,采用气浮滤池进行了试验研究,取得了较好的成果。气浮滤池的试验装置如图1。

气浮滤池不宜用无烟煤作威尼斯的原因

在图1中,大家曾用无烟煤和石英砂组成的双层威尼斯进行了试验,在试验中多次观测到以下一些现象:

1、尽管气浮澄清区的水质浊度平均已达6.3毫克/升,有时甚至小于5毫克/升,但进入厚为60厘米的双层威尼斯层中过滤时,过滤周期始终上不去,只能平均维持在5小时左右,有时甚至还要短些。如再不进行反冲,由于威尼斯层,特别是无烟煤威尼斯层的水头损失就会急剧增加,形成负水头而导致正常过滤状态的破坏。

2、图2(a)、(b)、(c)是沿无烟煤威尼斯层的不同厚度,多次观测得到的水头损失随时间变化的情况。从图2(a)可以看出,层厚仅4厘米的煤威尼斯层,在过滤周期不到6小时情况下,其水头损失多数均高达60-80厘米;从图2(b)可以看出,层厚仅14厘米的煤威尼斯层,在过滤周期不到6小时的情况下,其水头损失多数均高达95-127厘米;从图2(c)可以看出,总厚度为27厘米的煤威尼斯层,在过滤周期不到6小时的情况下,其水头损失竟高达115-137厘米。试验还清楚表明:在过滤时,威尼斯层的整个水头损失几乎均发生在无烟煤威尼斯层内,而且尤以煤层表面以下14厘米的厚度范围内水头损失增加较快。

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3、多次观测到从无烟煤威尼斯层表面向下,粘附有为肉眼所见的、粒径为0.5-0.6毫米左右的微气泡,呈葡萄串状聚结在煤粒表面及其间隙中。这些微气泡的数量,随着过滤时间的增长而增多,并且缓慢地向滤层深处延伸。

4、当整个威尼斯层的水头损失超过威尼斯层表面以上的有效水深后,试验人员关闭滤池出水管上阀门准备进行冲洗,而又尚未开启冲洗水管阀门时,就能见到有许多微气泡以及粘附有许多微气泡的细小煤粒,以很快的速度从煤威尼斯层中冲出浮升至水面。而当冲洗水管阀门开启后,大量粘附有微气泡的煤粒以较快的速度向上浮升,其紊动的程度犹如点燃的焰火那样快速、急烈,致使大量的煤粒随冲洗水流失。

5、冲洗后期,当降低冲洗强度后,整个无烟煤威尼斯层处于悬浮膨胀状态,但在波动的无烟煤威尼斯层面上,仍粘附着一层粒径为1.5-2毫米的微气泡,呈均匀密布,并随煤层表面一起波动,不再与煤粒分离,直到人为地用耙子强烈搅动煤层后,方能使微气泡与煤粒脱离而浮升至水面消失。

以上现象给大家提出了一个发人深思的问题:为什么微气泡与无烟煤粒如此易于粘附,而且当冲洗强度降低后,部分微气泡继续牢固地粘附在煤威尼斯层表面不再脱离。

二、无烟煤粒与微气泡粘附的理论分析

微气泡与无烟煤粒为什么会如此易于粘附,而且又粘附得如此牢固呢?这显然与无烟煤粒本身的物化特性及微气泡的矿化特性有关。据大家分析,其主要原因有以下几个方面:

1、无烟煤的天然疏水性能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

无烟煤主要由碳原子环所组成。其基本结构单位为六角形的碳原子网格,如图3所示。由于碳原子环具有对称结构,使所有原子间的力均较大限度地被限制在分子的内部。因此碳原子网格的平整表面对水分子的吸引力便很弱,使得无烟煤具有天然的疏水性能。试验表明,在不投加任何表面活性物质的情况下,微气泡与无烟煤粒表面接触时,亦能发生十分牢固的粘附作用。

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2、无烟煤的高碳化度能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

无烟煤的含碳量高达94.12%,均高于其它煤的含碳量。虽然无烟煤的网格周围也连带着极性的、亲水的各种基(如羟基、羧基、磺基等)和含氧官能团的分子键,但随着煤碳化程度的逐渐增高,亲水的各种基和含氧官能团便逐渐被分解,非极性的碳原子网格所占有的面积便逐渐加大,取向也愈加规则,范德华氏键力便愈加微弱,从而使得煤的疏水性随着碳化程度的增高而逐渐加大。

3、无烟煤的明显光泽性能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

不需借助仪器便可清晰地看到,无烟煤粒具有明显的光泽。这种光泽的增加,反映出煤粒的浮游性在不断提高,同时也反映了煤粒中碳素的高度集中。此外,无烟煤的挥发分含量在各种煤中为2.66%。试验表明,随着煤的挥发分含量的减少,便发生碳素的集中,并能生成被碳氢化合物所遮盖的十分疏水的解理面。此种碳氢化合物的结构为碳氢键,是非极性的。而非极性物质分子的电子是不能进行交换的。加之它们又具有对称结构,对水分子的吸引力很弱,因而其解理面通常是沿着横过很弱的分子键的结晶面而生成。无烟煤所强烈表现出来的明显光泽性的平面正是这些解理面。正如选矿工编辑的经验所指出,如果矿物颗粒中具有玻璃状或油脂状光泽时,利用浮选法就能容易被分选出来,其道理就在于这些光泽的解理面具有强烈的疏水性所致。

4、无烟煤的弱水化性能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

试验表明,微气泡的粘附还与无烟煤中所含吸附性的甲烷(CH4)有关。列宾捷尔证实,C、H化合物是不溶于水的疏水物质。所以,煤中含吸附性的甲烷越多,则煤粒与气泡粒粘附得就越快。同时并使煤粒表面水化膜的稳定性显著降低、变薄而引起自由能的迅速减少,直至有自行破裂的可能。如果使气泡与具有这种弱水化性的颗粒表面接近,则水化膜无需外力作用就会在自发作用下自行破裂,从而使得气泡很难粘附在煤粒表面上。

5、无烟煤粒的不规则表面,能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

无烟煤粒表面的凹凸不平度,对煤粒的可浮性有独特的影响。选矿实践表明,具有棱角和凹凸不平表面的矿粒,一般能提高颗粒的可浮性。浮游选煤结果也表明,浮选具有尖角的碎煤粒比滚圆煤粒容易。其原因就是这些煤粒的尖棱和凸出部分,能显著地提高三相接触边界的稳定性,从而能促使煤粒在气泡上粘附得稳定、牢固。在模型气浮滤池的运行中也同样可观测到,上部溶有部分微气泡的澄清水,在滤层表面以上有效水深的静压作用下,随过滤水一起向下进入无烟煤威尼斯层时,便在煤粒表面逐渐结成0.5-2毫米直径的微气泡,密布在煤粒的表层上,形成气絮状煤粒(如图4所示),并逐渐向滤层深处延伸。这时的气泡表面已达到较大程度的矿化,因而也就具有很高的浮升速度。加之,无烟煤粒的比重多在1.4-1.6范围内,远较其他威尼斯的比重为轻,从而缓和了挣脱力的作用。所以,只要滤池一停止过滤,气絮严重的煤粒,就会以很高的速度从煤层中冲出并浮升到水面。当开启冲洗阀门进行反冲洗时,整个威尼斯层处于悬浮状态。其中凡是被气絮的煤粒,均能从悬浮状态的煤层中冲出向上浮升。其气絮严重的煤粒并将随冲洗水流失;气絮较轻的煤粒,则浮升到一定高度挣脱气泡后,在自重作用下再降落到悬浮的煤层中。

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6、微气泡的矿化作用系数大,有利于气泡与煤粒牢固粘附。

煤粒表面具有很高的浮游活动性,为微气泡的矿化创造了有利条件。试验表明,微气泡与无烟煤粒碰撞次数愈多,则微气泡表面的矿化作用就愈大,气泡表面的利用率就愈高。如果在煤粒上已粘附部分微气泡,那末当较大的微气泡向煤粒接近时,由于气泡半径的不同,两者的所受压力便有所差别,在此压差的作用下便能导致气泡之间的夹层破裂。因而微气泡的存在,起到了一种特殊的浮选活性剂的作用。气浮滤池模型试验中所观察到的0.5-2毫米直径的气泡,牢固地粘附在无烟煤粒的表面上,正反映了微气泡的这种特殊的浮选活性剂作用的存在。

7、微气泡的传氧速度快,有利于气泡与无烟煤粒牢固粘附。

由于压力溶气水经过释放器突然减压后,产生出大量粒径为50μ左右的微气泡,使相应的气-液接触面积大大增加,这样结果就增加了氧的转移机会。

大家知道,小于0.05毫米的微气泡,在水深为0.95-1.0米时便能100%溶解。那么对于50微米直径左右的微气泡,在滤池水深1.2-1.5米的情况下,其溶解度必然亦为100%。经测定当原水溶解氧为4毫克/升时,经压力溶气后,溶解氧高达6-7毫克/升。从浮游选矿的实践表明,正是由于水中溶解了这些氧气,进一步改善了煤粒的浮游性,提高了煤粒与微气泡的附着速度和粘附强度,促进了微气泡更好地矿化。因此,当气浮区下部含氧浓度增高了的澄清水向下通过无烟煤滤层时,便能促进无烟煤粒与水中的微气泡粘附,结成较牢固的气絮状煤粒,导致煤威尼斯颗粒孔隙被气泡所堵塞。

三、结论

通过上述八个方面的分析,说明了为何微气泡与无烟煤粒如此易于粘附,而且又粘附得如此牢固。同时也说明了在反向冲洗滤层时为何煤粒容易随冲洗水流失的原因。为此建议:

(1)在气浮滤池中不宜采用无烟煤作威尼斯。否则,将导致威尼斯层的严重气塞,影响气浮滤池高效净化能力的发挥。

(2)作为气浮滤池的威尼斯仍以石英砂为宜。其粒径可选用0.5-1.0毫米。砂层厚度可取60-70厘米;垫料层粒径可选用2-4、4-8毫米,层厚各为10厘米。滤板采用穿孔板,开孔比为1-2%,其上铺36目/英寸尼龙网一层。滤速采用8-9米/时;反冲洗强度采用14-16升/秒·米2;滤层表面以上的有效水深采用1.2-1.5米。

上述建议已为武汉、苏州自来水企业所采纳,他们将原铺设在气浮滤池中的无烟煤威尼斯层全部铲除,加厚了vns6060威尼斯城官网层,从而收到了显著的澄清效果。

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