（环境工程专业论文）外加磁场对矿井水混凝沉淀影响实验研究.pdf

安徽理i ：大学硕+ 论文摘要 摘要 水资源危机越来越严重，其中矿井水的资源化是解决水资源危机的一个重要 组成部分。因而采用不同技术来提高矿井水处理的综合效益具有积极意义。本论 文首先从理论上找到利用磁技术处理矿井水的理论依据，然后利用已有检索文献 和实际实验条件进行实验设计，接着在实验过程中根据实际情况对实验进行修改， 最后对实验数据进行分析。根据数据分析情况和检索文献中的资料得出论文的结 论，为今后利用磁技术研究矿井水处理提供探索性数据和建议。 为提高矿井水资源化水平，以水与废水磁技术处理为基础理论，针对矿井水 污染特征，设计矿井水单一磁化处理、矿井水磁化、混凝处理等试验，研究矿井 水资源化的新技术。经过研究，主要结论如下： ( 1 ) 、在o _ 一o 5 t 场强的磁场作用下，矿井水的表面张力和电导率变化趋势 相异。磁化后，矿井水的表面张力有下降趋势，电导率有上升趋势。 ( 2 ) 、在o _ _ o 5 t 场强作用下，无絮凝剂作用的矿井水磁化后，处理效果不 明显，大部分试验结果表明，磁化技术可促进矿井水的沉淀处理。 ( 3 ) 、在沪_ o 5 t 场强作用下，添加絮凝剂的矿井水的混凝沉淀效果比较好， 且对絮凝剂、矿井水两者均磁化的组合处理技术，对矿井水的处理最为有效。 本文首次探索矿井水磁化处理的新思路，研究结论可为矿井水的高效资源化 提供一定的科学依据。 关键词：矿井水；磁化处理；混凝沉淀 安徽理：大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h ec r i s i so fw a t e rr e s o u r c e si sm o r ea n dm o l ts e r i o u s p i tw a t e rl l s e u r c a 3a r ea l li m p o r t a n t c o n s t i t u e n to fs o l v i n gt h ec r i s i so fw a t e rl e s o u r c a 3 t h u st h ed i f f e r e n tt e c h n o l o g i e st oe n h a n c et h e c o m p r e h e n s i v eb e n e f i to f p i tw a t e rp r o c e s s i n gh a v em a n yp o s i t i v es e n s e s f i r s t i y t h ep r e s e n tp a p e r t h e o r e t i c a l l yf o u n d st h et h e o r e t i c a lb a s i so f u s i n gm a g n e t i ct e c h n o l o g yi np r o c e s s i n gp i tw a t e r , t h e n t h eu s eb u s e do nt h er e t r i e v a ll i t e r a t u r ea n dt h ea c t u a le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nc a r r i e so i lt h e e x p e r i m e n tt od e s i g n a n dt h et e s t i n gi nt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n u n d e r t a k e st h ef u n c t i o no ft h er e v i s i o n ，f i n a l l yc a r r i e so nt h ea n a l y s i st ot h ee m p i r i c a ld a t u m t h e p a p e ri sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h ed a t aa n a l y s i sa n dt h ek n o w l e d g eo fr e t r i e v a ll i t e r a t u r e ，t h e t h e s i sp r o v i d e st h ee x p l o r a t i o nd a t aa n dt h es u g g e s t i o no f u s i n gm a g n e t i ce n g i n e e r i n gr e s e a r c hi n p i tw a t e rp r o c e s s i n g p i tw a t e rc a r ls e r v ea so n eo fi m p o r t a n tw a t e r 托s o u r st od e a lw i t ht h em o r ea n dm o l l s e r i o u sp r o b l e mo f w a t e rr e s o 峭i nw o r l d , p a r t i c u l a r l yi nc h i n a , w h i l em o s to f p o l l u t e dp i tw a t e r r e s u l t e df r o ms u s p e n d e ds o i l d i no r d e rt oi m p r o v et h et r e a t m e n tl e v e lo fp i tw a t e r , t h i sp a p e r , b a s e do nt h et h e o r yo fw a t e ra n dw a s t e w a t e rm a g n e t i ct r e a t m e n t , d e s i g n e dt w ou e a t m e u t t e c h n o l o g yf o rp i tw a t e ri n c l u d i n gs i g n l em a g n e t i ct r e a t m e n t , m a g n e t i ca n da d d e df l o c c u l a u t c o m b i n a t i o nt r e a t m e n ta c c o r d i n gp o l l u t e dc h a r a c t e r i s t i c so fp i tw a t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t u n d e rt h em a g n e t i ci n t e n s i t yr a n g eo f0 - 0 5 tc o n d i t i o n s ，t r e n db e t w e e f ls u r f a c et e n s i o na n d c o n d u c t i v i t yf o rp i tw a t e rd e m o n s t r a t e dd i f f e r e n t a f t e rt h et r e a t m e n to fm a g n e t i z a t i o n , s u r f a c e t e n s i o nf o rp i tw a t e rs h o w e dd e c r e a s e d ，b u tc o n d u c t i v i t yi n c r e a s e d r e s u l t sa l s os h o w e dt h a tu n d e r t h es a m em a g n e t i ci n t e n s i t yr a n g e ，t r e a t m e n te f f i c i e n c yf o rp i tw a t e rw a sn o to b v i o u sw i t h o u t a d d e df l e o c u l a n t , b u tm o s to fd a t a 他v e a l e dm a g n e t i c 仃e a t m e n tc o u l di m p r o v ep i tw a t e r p r e c i p i t a t i o n f u r t h e r , u n d e rt h es a m ec o n d i t i o na n da d d e df l o c c u l a n t , t h e r ew a sag o o dt r e a t e f f i c i e n c yf o rp i tw a t e r , a n db e t t e ri f a d d e dm a g n e t i cf l o c c u l a n t t h i sp a p e r e x p l o r e df i r s tn e wc o n c e p t sa n dt e c h n o l o g i e sf o r p i tw a t e rt r e a t m e n t a n d i n f o r m a t i o nf r o mr e s u l t si nt h i sp a p e rc o u l dp r o v i d e db e t t e ri n s i g h ti n t oe f f i c i e n ta n de f f e c t i v e t r e a t m e n to f w a t e ra n dw a s t e w a t e r 鹅w a t e rr e s o u r c e k e yw o r d ：p i tw a t e r ；m a g n e t i cp r o c e s s i n g ；c o a g u l a t i n gp r e c i p i t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徵堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：幺主理日期：乏4 年一月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解窒邀堡王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞微堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：4 哮锣签字日期：z 妒节年扫o 日 导师签名了；高 签字日j i ：| 7 年月，同 安徽理r 人学硕十论文 绪论 1 1 水资源危机 1 绪论 水资源是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资 源。据水文地理学家估算，地球上的水资源总量约为1 4 5 亿l 【i n 3 之多，其中海水 约占9 7 2 ，陆地淡水仅占2 8 ，但陆地淡水资源中绝大部分是冰雪冰川，与人 类生活最密切的江河、淡水湖和浅层地下水等淡水，仅占淡水储量的0 3 4 。由 此可见，尽管地球上的水资源是丰富的，但可利用的淡水资源是极其有限的。 水是生命的源泉，是一切生物生存和繁衍的基本条件。1 9 7 2 年，联合国举行 了第一次人类环境与发展会议就指出：“石油危机之后，下一个危机便是水”。现 在越来越多的国家和有识之士已感到水危机正在威胁着人类的生存和发展，联合 国多个组织发表声明和公告，呼吁各国政府和人民积极行动起来，节约和保护水 资源，保持生态平衡，实现社会和经济的可持续发展。进入2 1 世纪后，人口的增 长、经济社会的迅速发展，城市化进程的加快，污染的加剧与全球气候变暖等因 素，使得人类面临日益严重的水资源危机。我国人均水资源危机仅2 5 0 0 m 3 ，约为 世界人均值的1 4 ，已属1 2 个贫水国家之一。到2 0 3 0 年前后，我国人口将达到 1 6 亿峰值，那时人均水资源占有量将仅为1 7 0 0 m 3 ，接近世界公认的警戒线。 水体的污染不断加剧，使水资源危机越来越严重。在我国七大河流流域中， 普遍存在水质恶化的问题，其中的淮河流域由于工业污染和城市污染导致水质在 旱季极度恶化。根据地表水质的国家标准，1 9 9 5 年做的水质评价表明，在所研究 的地区的大多数河段均被划分为v 类或者更差，水质较l o 年前的i v 类进一步恶 化。在这些河段的河水已经根本不适合做任何用途。根据2 0 0 0 年淮河流域水环境 监测中心的月报和中国环境状况的年报，流域内整个水质状况在总体上没有得到 改善，而且一些河段的水质仍在下降。在水资源的质量不断下降的同时，水资源 的数量也在不断减少。其原因是多方面的。首先是淡水资源的过量开采。在2 0 世纪的一百年中，人口增长了3 倍，而用水量却增加了6 倍。1 9 9 5 年全世界工业 用水估计为3 5 0 k m 3 ，是生活用水的2 倍；最大的淡水用户是农业，1 9 9 5 年的用水 量达到2 5 0 0 k m 3 。其次，由于世界热带雨林和森林的过度采伐和火灾，破坏了许多 江河流域的植被和生态系统，加上其他如温室效应和臭氧层破坏等影响因素，导 致全球气候异常，近年来降水量的显著减少，使一些江河和湖泊水量急剧减少。 1 9 9 7 年，黄河下游断流2 2 0 天是世界上许多断流河流的一个典型例子。 安徽理，r ：火学硕七论文绪论 面对越来越严重的水资源危机，除了国家采取措施合理调度和规划用水外， 还要依靠水处理技术的不断进步和发展。国家的“南水北调”工程一定程度上缓 解了北方的用水矛盾，但如果我们不能对已有水资源进行合理规划、循环节约使 用，很快就会出现更大的水资源危机。为此我们必须不断发展污水处理技术，为 水资源的充分合理利用提供更可靠经济的水处理技术。根据具体情况，采用不同 水处理技术使其达标排放或进一步回收再用，使其转变为第二水源，作为农业灌 溉用水、工业用水、生活杂用水、市政用水等。面对水资源危机，我们必须采取 综合措施，合理规划、节约、回收循环使用水，才能很好地解决水的问题。 在我们采取措施来缓解水资源危机时，其中有一个领域就是矿井水的资源化。 矿井水主要来源于地下水，在煤矿的开采过程中，是地下水与煤、岩层接触，发 生一系列物理、化学和生化反应而形成。我国煤炭资源大部分分布在北方，占全 国总储量的4 5 ，但北方干早少雨，形成富煤地区缺水的局面。如今中国经济发 展对煤炭需求增大，煤矿的快速发展使矿区的水资源危机越来越明显。因此矿井 水的资源化显得越来越迫切和必要，综合利用矿井水不仅本身具有很好的经济效 益，而且还可以缓解因水资源短缺而造成生产上的不必要损失。矿井水资源化的 经济性和可行性很大程度上依赖水处理技术的先进程度，因此现有矿井水处理技 术的不断改进和发展对矿井水资源化具有重要意义。 1 2 问题的提出及课题解决依据 矿井水作为一种可资源化的水资源越来越受到人们的关注，矿井水资源化对 当前节约型社会的建设和循环经济的发展具有重要的意义。在矿井水资源化的过 程中，矿井水中悬浮物的去除具有普遍意义和重要意义。矿井水中的悬浮物主要 包括煤粉、岩粉和粘土，具有粒径差异大、比重轻、沉降速度慢等特点，同时在 没有完全煤化的煤粉大分子芳香缩合环周边有较多的极性基团( c 0 0 h ，o h ) j ；矿井水中的悬浮物并不完全属于胶体溶液范畴，可以认为含有细微粒悬浮物 的矿井水属于半胶态体系，即悬浮体与胶态体的过渡态，矿井水中的悬浮物带有 负电荷，其电位介于- 2 0 m v 至3 0 m v 之间【2 】。目前去除矿井水中悬浮物的主要 技术方法是混凝沉淀法。 磁场效应对水体的絮凝、吸附等物理化学过程具有强化作用。磁场作用后， 水的渗透压、表面张力、粘度系数、p h 值、介电常数和电导率等均有不同程度的 变化，对盐的溶解度有所增大，同时磁场作用会破坏水中原有的结构，使较大的缔 2 安徽理f ：大学硕+ 论文绪论 合水分子集团变成较小的缔合水分子集团，破坏水溶液中离子的水合状态，使水溶 液内部结构受到较大程度的改变；磁场效应能够促进污水处理过程中的有关化学 反应和物质的活性，改善混凝效果。磁场效应对水体的絮凝、吸附等物理化学过程 的强化作用的主要机理，普遍认为是磁场具有使复杂的大分子体系变为简单的分 子效应，提高了分子的反应活度，磁场还使基团的活性和对金属离子的亲和力增加， 促使更多的络合反应进行。也有可能是水体中的悬浮物在磁场作用下接触机会增 多，提高了聚结速度，增加了絮凝率p 鄹。还有人认为可能是磁场效应使胶体双电层 变薄，强化了吸附和絮凝过程 3 s l 。 磁场作用后，水体水分子缔合排列被改变，粘度变小，水和悬浮物的结合力 变小；同时磁场作用也有压缩双电层、降低电位，使水中不易沉降的胶体颗粒 脱稳的作用，这些现象对矿井水混凝沉淀处理具有积极作用。因此研究磁场作用 下的矿井水混凝沉淀效果具有一定的理论依据和实践意义。 磁处理对水的物化性质、结晶行为、阻垢、金属腐蚀、细菌等都有一定程度 的影响，对水中微粒絮凝作用的影响前人亦做过一些研究： 前苏联学者k 1 a s s e n 等提出磁处理能够促进废水处理过程中有关化学反应和 物质的活性，改善混凝效果，也有可能是水体中的悬浮物在磁场的作用下接触机 会增多而提高了絮凝率。 m a a t t a ，g a i m o 用磁处理生产灭虫剂的工业废水时发现磁化处理强化了絮凝 和沉淀过程。葛西利光( c h u on o t s u k e n ) 将空气以大于4 0 0 m s 的流速通过磁场 强度大于3 0 0 0 g a u s s 的永磁场处理1 2 0 - - - 1 8 0 r a i n ，再将该空气通入已经投加絮凝 剂的废水中，称这样可减少处理过程中絮凝剂的用量【4 2 删。 薛玺罡、刘或等在研究煤泥水的磁处理时，发现在外加磁场作用下，将水分 子搅动起来，水分子的碰撞消耗了颗粒的外层电荷，使颗粒的外层电荷量变少， 颗粒问的斥力减弱，经过磁处理后，所造成的这种凝聚对沉降起很大影响，特别 是对细颗粒较多的煤泥水澄清更显其特殊效果【4 8 】。 蒋朝澜等研究提出絮凝一磁分离处理钢厂转炉废水工艺。对悬浮颗粒物浓度 为4 0 0 0 - - - 6 0 0 0 m g l 的水质，分别在只加入絮凝剂、施加磁场和复合絮凝条件下进 行实验，结果固体悬浮物分别下降到了2 5 0 0 m g i 、1 5 0 0 m g ! 和3 0 0 m g l t 5 i l 。 张维新、张铁利用永磁体的磁场1 5 0 0 g a u s s 预处理后，再运用絮凝氧化法对 含酚废水进行实验研究。在以o 1 聚合铁作絮凝剂，c 1 0 2 作氧化剂，得出经磁化 后的废水与空白样相比，絮凝和氧化效果都有不同的提高【5 8 矧。 马伟等研究硫化法处理含砷废水时对磁场效应的作用进行了实验测试，并对 安徽理t 人学硕十论文绪论 其机理进行了分析。实验结果表明，在施加磁场作用后，废水体系的电势下降， 反应速度加快从而提高了絮凝和除砷的速度 4 3 】。 庄杰、刘孝义等研究了2 i lm 土壤胶体经磁场处理后进出离子的吸附作用， 结果表明磁处理不仅提高了金属离子的吸附量且使吸附程度增强，分析其机理认 为磁场使基团( o h ) 的活性和对金属离子的亲和力增强，促使更多的络和反应 进行，同时也有可能是磁处理使胶体双电层变薄，强化了吸附和絮凝过程“7 1 。 对磁场水处理的理论已经提出了许多假说，这些假说可分为以下四个基本方 面：l 、原子内部作用( 比如电子云构型的改变) ；2 、杂质作用；3 、分子、离子 间的作用；4 、界面效应( 如双电层变形) 畔】。 杨开认为磁场的极化作用使微粒子极性增强，结果改变了这些分子和离子的 外层电子云分布，导致水中原有的较长的缔合分子链被截断成为较短的缔合分子 链和带电离子的变形，破坏了离子问的静电吸引力和改变了结晶条件。雷恰金论 证了利用磁场改变水分子原子问价键角的可能性可减少2 。以上。这导致了 分子偶极距的增加，随着缔合物的增大，改变了分子间的相互作用删。 。 目前，澳大利亚的s i r o f l o e 水处理工艺比较成熟和先进。现在磁技术的发展 趋势是：强磁场及脉冲磁场处理技术、磁处理与光电、超声波、化学投药法及生 物技术协同处理工业用水。 1 3 研究技术路线 针对所要研究的问题以及实际允许的条件，决定采取如下的技术路线进行研 究工作。主要有资料准备、实验、数据处理及分析等部分组成( 路线图见下页) 。 1 4 研究内容与意义 磁技术应用于水处理的研究比较多，而利用磁技术和化学混凝处理矿井水的 研究还鲜有报道。且也没有看到不同场强对矿井水物理性质和混凝效果影响的文 献，更没有看到磁场效应对矿井水影响的理论分析。 参阅磁技术在水处理方面的研究文献，针对矿井水的特点，确定以下为本论 文的主要研究内容： 取煤矿待处理的矿井水为研究对象，在0 - - 5 0 0 0 g a u s s 可变磁场作用下，监测 矿井水的电导率、表面张力和粘度的变化情况，根据场强与监测数据，作变化曲 4 安徽理f ：大学硕十论文 绪论 线并进行理论分析。 通过实验，来研究磁场强度、混凝剂用量及混凝剂投放顺序对矿井水出水水 质的影响程度，实验主要包括三方面： 5 安徽理。i ：火学硕+ 论文 实验一：用p a c 混凝剂做混凝沉淀实验，确定混凝剂的最佳投入量和混凝沉 淀的时间变化曲线。 实验- - ：做先磁化后混凝沉淀实验。用不同强度磁场磁化矿井水，以混凝剂 的最佳投入量为参考数据，确定不同磁场强度下混凝剂的最佳投入量及混凝沉淀 的时间变化曲线。 实验三：做先混凝后磁化的混凝沉淀实验。 对上述实验获取的数据进行分析，确定磁场强度、混凝剂量、沉淀时间等变 量之间的关系，找出变化规律。 根据实验所得到的数据，从理论上来解释磁场效应对矿井水混凝沉淀的影响 原因，分析磁场效应对矿井水理化性质的影响程度和机理，并对其应用于矿井水 处理进行应用分析。 矿井水悬浮物中煤粉的含量较商时，混凝沉淀效果较差，且混凝剂的用量大， 出水水质不稳定。为改善出水水质和保证出水的稳定性，特研究磁技术与混凝沉 淀相结合的处理方法来改进矿井水悬浮物的处理。分析磁场效应对矿井水理化性 质的影响程度和机理。 在理论上探讨磁场效应对矿井水理化性质的影响，分析矿井水理化性质的改 变对混凝沉淀影响的积极因素，为磁技术与混凝沉淀相结合的方法处理矿井水提 供理论支持。 采用磁技术与混凝沉淀相结合的方法可以进一步保证矿井水出水水质的稳定 性，为矿井水资源化提供一种新的更有效地处理方法和途径。 6 安徽理1 ：人学硕+ 论文背景资料准备 2 背景资料准备 论文主要是利用磁场效应对矿井水影响来进行实验及实验分析，所以有必要 对矿井水、磁场水处理及混凝等基础资料进行收集和整理。具体整理的情况如下。 2 1 矿井水概况 在煤矿生产过程中会排出大量的矿井水，未经处理直接外排，不仅造成了矿 区周围环境的污染，还浪费了大量宝贵的水资源。为此有许多人对矿井水进行了 研究。 2 1 1 矿井水的来源 矿井水的形成一般是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致，其水源主 要是大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水。 ( 1 ) 大气降水 大气降水是矿井水的总根源，它除了一部份被蒸发和随河流流走以外，另一 部分则沿岩石的孔隙和裂隙进入地下，或直接进入矿井。大气降水在不同地区、 不同季节、不同开采深度对矿井水的影响也不相同。在降雨量少的西北地区，矿 井涌水量就小，在降雨量多的南方地区，矿井涌水量就大，即使在同一地区，由 于大气降雨量随季节的变化，矿井涌水量也随着发生周期性变化，同时由于矿井 开采深度不同，矿井涌水量也随着发生相应变化。一般而言，矿井涌水量随开采 深度增加而增加，开采上山水平矿井涌水量较小，开采下山水平矿井涌水量较大。 ( 2 ) 地表水 位于矿井附近或直接分布在矿井以上的地表水体，如河流、湖泊、水池、水 库等，是矿井充水的重要因素，可直接或问接的通过岩石的孔隙、裂隙、岩溶等 流入矿井，威胁矿井生产的安全。 ( 3 ) 断层水 大量流入矿井的水往往和区域地质构造有关，断层破碎带是地下水的通道和 聚积区，沿断层破碎带可沟通各个含水层，并与地表水发生水力联系，形成断层 水。断层水对矿井生产的影响，主要是由于巷道揭露或采掘活动破坏了围岩的隔 水性能造成断层带的水涌入井下。其特点是静储量小，动储量大，与地表水高压 7 安徽理r 大学硕十论文背景资料准备 强含水层沟通，对矿井生产造成巨大威胁，特别是在断层交叉处最容易发生透水 事故。 ( 4 ) 含水层水 含水断层是矿井主要的充水来源。多数情况下，大气降水与地表水先是补给 含水层，然后再流入矿井。流入矿井的含水层水量包括静储量和动储量。静储量 就是巷道未揭露含水层前，实际赋存在含水层中的地下水，它的大小决定于含水 层的厚度，岩石裂隙大小及多少。一般在矿井开采初期排出的矿井水主要是静储 量，能在矿井排水中逐渐减少以至疏干。如果降水、地表水包括其它水源不断流 入含水层中，使含水层的水得到新的补充，虽然井下长期排水，但含水层中的水 仍源源而来，不会中断，这些补给含水层的水量称为动储量。因此，属静储量的 含水层水对矿井生产初期有一定的影响，而后逐渐减弱，属动储量的含水层水对 矿井生产的影响将长期存在。 ( 5 ) 采空区水( 老窑积水) 古代和近期的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而存在的地下水，通常 称为采空区水。我国煤矿开采有着悠久的历史，一些直接出露地表或易发现的煤 层，浅部多数为采空区。再加上前几年乡镇煤矿的乱挖滥采，不仅在老窑数量， 采空区范围上增大，而且从开采深度上愈采愈深，它就像一个个地下水库，一旦 巷道揭露或巷道与老窑之间的煤岩柱强度小于它的静压时，就会像水库垮了水坝 一样，突然淹没其“下游”，从而造成严重事故，后果不堪设想f 9 一o l 。 2 1 2 矿井水的分类 从矿井水资源化的角度，根据其物理化学性质，一般可将其划分为4 种类型， 即含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水、含微量元素或放射性元素矿 井水。 ( 1 ) 含悬浮物矿井水 此类水分布较广，全国大多数矿井排水均属此类型。悬浮物含量高主要是地 下水受开采影响而带入的煤尘和岩粉，除悬浮物和细菌外，其它物理化学指标都 符合我国生活饮用水的卫生标准。此类矿井水经井下水仓初沉后，排至地面，采 用常规水处理工艺，即可得到合乎标准的生活和生产用水。 ( 2 ) 高矿化度矿井水 指的是溶解性总固体高于1 0 0 0 m g l 的矿井水，其中往往还含有较高的悬浮 物、细菌，感观性状指标一般也不能达到生活饮用水的标准。其矿化度大多在 8 安徽理1 ：大学硕十论文背景资料准备 1 5 0 0 4 0 0 0 m g l ，最高者达1 5 0 0 0 m g l 。高矿化度是地下水与煤系地层中碳酸类 及硫酸盐类岩层接触，该类矿物溶解于水的结果使矿井水中c a 2 + 、m 9 2 + 、c 0 3 2 _ 、 h c 0 3 一、s 0 4 2 - 等离子增多，高矿化度矿井水一般呈中性。因含盐高，硬度相应也 高，带苦涩味，俗称苦咸水。 ( 3 ) 酸性矿井水 是指p h 值小于6 0 的矿井水，多介于2 4 之间。酸性水的形成，主要源于 煤中硫铁矿，历经化学氧化特别是生物催化氧化作用生成硫酸，当煤系矿物碱性 不足以中和硫酸酸性时，形成酸性。酸性矿井水含s 0 4 2 - 、f c “、f e 3 + 、m n 2 + 及其 他金属离子，其矿化度与硬度也因酸的作用而增高。此类水通常采用化学中和法 处理。中和药剂一般用价格低廉而来源广泛的石灰石、石灰、电石渣等，处理设 备有中和反应池、中和滚筒和升流式膨胀中和塔等，为了除f e 2 + 和反应中产生的 c 0 2 ，以充分中和酸性水，要增设曝气和沉淀处理工艺过程。 ( 4 ) 含微量元素或放射性元素矿井水 主要有含氟水，含铁、锰及某些重金属离子( 如铜、锌、铅) 水以及含放射 性元素水。处理含微量元素矿井水，要有针对性地经过实验，合理选用水处理技 术，例如氟可用活性氧化铝吸附去除或在电渗析法除盐的同时除氟，含铁，锰可 采用曝气充氧和锰矿过滤去除。含放射性元素，矿井水是由于煤系地层含有放射 性物质溶入地下水而形成，因为含放射性物质的煤矿开采受严格限制，其矿井排 水谈不到治理与利用【6 1 “引。 2 1 3 矿井水的水质特点 矿井水主要来源于地下水，包括地面渗透水和岩体裂隙水等。其特性取决于 成煤的地质环境和煤系地层的矿物化学成分。矿井水流经采煤工作面和巷道时， 因受人为活动影响，煤岩粉和一些有机物质进入水中。我国矿井水通常含有岩粉、 煤粉、细菌和其他杂物，感官性较差，多呈灰黑褐色。尽管矿井水的污染过程比 较复杂，水质状况与诸多因素有关，但总的来说，大多数矿井水主要是悬浮物和 菌群数超标。矿井水中的悬浮物质并不是纯粹的胶体溶液，其中小于o 1 u m 的悬 浮物重量不足1 ，小于l u m 的悬浮物含量约1 5 。矿井水中的悬浮物质约9 0 处于o 1 一l o 啪之间。从粒度分句看，矿井水中的悬浮物并不完全属于胶体溶液 的范畴，可以认为含细微粒悬浮物的矿井水属于半胶态体系，即悬浮体与胶态体 的过渡态，且兼有悬浮体系与胶体态系的特征。但这些粒子都可以做布朗运动， 所以仅靠自然沉降，矿井水中的悬浮物是很难去除的。同时矿井水中的悬浮物主 9 安徽理i ：人学硕十论文背景资料准备 要是由煤和岩石等细微粒子构成，这些粒子大都是僧水性的，具有热力学不稳定 性【”。 煤是有机物和无机物的复合体，不同煤化阶段的煤分子结构大小不同，煤粉 表面所带电荷数量也不相同，因而其亲水程度各异，低阶段煤的大分子芳香缩合 环周边有较多极性基团( c 0 0 h ，o h 等) ，随着煤化程度增高而逐渐减少， 最后完全失去这些基团而成憎水物质。含悬浮物矿井水中煤粉与无机混凝剂的亲 和能力较地表水中的泥砂颗粒物弱得多，因此矾花形成困难，混凝沉降性能差【2 】。 矿井水的悬浮物带负电荷，其电位介于2 0 m v 到3 0 m v 之间。由于矿井水中 的细颗粒都表现为负电荷性，当二颗粒相碰撞时，将因颗粒间的同电荷相斥而不 能结合在一起。一般情况下，矿井水的p h 在中性范围内，即使是酸性或碱性矿 井水，通常也要经过调质到中性范围内才能做进一步处理。混凝是矿井水处理过 程中最为重要的一个环节，混凝剂的最佳投放和投放量的判别依据是确保矿井水 高效低耗净化处理的重要环节。加入的混凝剂能够使矿井水中悬浮颗粒的动电位 降到1 5 m v 左右，即可使矿井水中的悬浮物得到有效沉斛“2 4 1 。 矿井水中悬浮物的含量一般为几十至几百m g l ，少数超过1 0 0 0 m g l 。在井 下水仓清仓时，悬浮物最高可达上万m g l 。悬浮物主要是煤粉，悬浮物粘度小、 比重轻，沉降速度慢。煤粉的平均密度一般只有1 3 一1 6 9 c m 3 。在矿井水中，除 了煤粉外，还含有少量的废机油、乳化油、废酸液、腐烂废坑木、井下粪便等有 机污染物【lj 。 2 2 磁场水处理概况 磁现象是一种非常普遍的自然现象。在现代的生产、科学研究和日常生活里， 大至发电机、电动机、变压器等电力装置，小到电话、收音机和各种电子装备， 无不与磁现象有关。利用磁的特点及对其它过程影响而形成的一种技术，被成为 磁技术。磁场如同电流、光照、辐射样，是一种物理因素，电流、光照、辐射 等物理因素对化学反应的作用已形成完整的理论和应用体系，而磁的影响理论却 一直没有形成统一的理论认识。 2 2 1 磁的一些基本认识 在有磁石或电流的空间罩，存在着一种场，人们称它为磁场。磁场中某点的 i o 安徽理【：火学硕十论文背景资料准备 性质用磁感应强度( m a g n e t i ci n d u c t i o n ) 矢量b 来描写，它的数值反映该点磁场 的强弱，b 的方向为该点磁场的方向。磁感应强度的单位为牛顿秒每库仑米或 牛顿每安培米；这一单位称为特斯拉，用符号t 表示。1 g a u s s = 1 0 4 t ，被吸引至 磁场较强区域的物质称为顺磁性物质，被斥离磁场较强区域的物质称为抗磁性物 质。按照经典的看法，原子内部的电子绕原子核沿圆或椭圆的轨道运动，由于电 子带电，电子的轨道运动犹如一闭合的圆电流，因而具有一定的磁矩，称为轨道 磁矩。另一方面，电子具有质量，电子的轨道运动还具有一定的角动量，称为轨 道角动量1 6 ”。 由于质子和中子具有角动量和磁矩，故由质子和中子构成的原子核也有角动 量和磁矩，即核角动量l i 和核磁矩m i ，核角动量和核磁矩是核内所有核子包括 质子和中子的角动量及其所联系的磁矩贡献的总和，它的大小以及空间的取向也 是量子化的。通过核与外磁场的相互作用，可以测得核磁矩。当待测样品置于磁 感应强度为b 的均匀磁场时，核磁矩与磁场的相互作用为：w = m i b ，这时核磁 矩与外磁场的相互作用能是一系列分立的值，构成2 i + 1 条分立的能级，相邻两条 能级问的能量差为a w 。为了测量w ，可在垂直于磁场b 的方向加一比较弱的 高频磁场，其频率为1 0 m h z 的数量级，调节高频磁场的频率f 当h f = - aw 时， 处在低能级的核吸收能量l l f 跃迁到高能级上，而在高频信号中与这一频率对应的 强度将减弱，这种现象称为核磁共振【6 5 】。 水分子具有很小的磁矩，这磁矩来源于氢核的磁矩。氢核即一个质子，具有 1 2 上午自旋角动量，故氢核在外磁场b 的作用下将出现2 s + 1 = 2 个附加能级，一 个对应于核磁矩与磁场平行，另一个对应于核磁矩与磁场反平行。若把水样品放 在一对磁极产生的沿竖直方向的外磁场b 中，氢核可分别处在这两个附加能级上。 如果在样品外套一水平的线圈，线圈中通以频率可调的高频电流，当达到共振时 处于低能级的氢核从高频磁场中获得能量而激发到高能级，较多的氢核进入能量 较高的激发态。如果撤去高频线圈中的电流，则处于激发状态的氢核将放出能量 w 而跃迁到能量较低的状态。氢核向低能级的跃迁可以发出能量为h f 的光子， 然后通过检测器检测出信号，信号的强弱与处在高能级的氢核数有关，而氢核数 又与样品中氢核的密度有关。处在高能级的氢核也可通过与周围其它核或晶格的 相互作用而把能量传递给其它核或晶格以非辐射的方式回到低能状态。这种过程 称为弛豫过程，可以测出弛豫过程的弛豫时i 、日j 【6 5 1 。 使物质具有磁性的物理过程叫磁化， 磁化状态下，由于分子电流的有序排列， 而一切能够磁化的物质叫做磁介质。在 磁介质将出现宏观电流，称为磁化电流 安徽理l ：人学硕十论文背景资料准备 ( m a g n e t i z a t i o nc u r r e n t ) 。磁化电流可存在于一切磁介质中，不具有焦耳效应。未 磁化过的铁磁性物质在磁场作用下，磁感应强度b 随磁场强度h 的增大而增大。 对于已经磁化的样品，当h 减小时，b 办减小，但减小的过程并不沿着初始磁化 曲线进行，而是沿着比初始曲线高的曲线进行，当h 减小到零时，b 并不为零。 这表示磁化后的铁磁铁即使在除去外磁场后，其磁化强度亦不为零，这种现象称 为剩磁现象，当h = o 时，所对应的磁化强度为剩余磁化强度，所对应的磁感应强 度为剩余磁感应强度。若要使铁磁体的磁感应强度减小至零，就必须加上一反向 的磁场强度。使磁感强度为零所必须加上的反向磁场强度h c 称为矫顽力( c o e r c i v e f o r c e ) 1 6 5 】。 地磁场在地球表面附近的b 约为0 5 g a u s s ：大型电磁铁可产生l 2 t 的磁场， 超导磁体可产生几到几十特斯拉的磁场；白矮星的磁场可达1 0 2 一1 0 3 t ；中子星 的磁场可达1 0 s l r ；人体磁场为1 0 4o 一lo 1 叶；家电产生的磁场为o 0 3 3 0 l i l t ；顺 磁、核磁共振仪为o 4 0 8 m t ；电解槽为5 1 0 m t ；热核聚变站为5 0 m t ；磁悬 浮列车为6 _ - 6 0 m t ；磁疗器为0 1 o 2 t ；核磁共振成像为o 4 一1 0 t 1 6 5 1 。 磁场如同电流、光照、辐射一样，是一种物理因素，电流、光照、辐射等物 理因素已形成完整的理论和应用体系，而磁的影响理论却一直没有形成统一的理 论认识。磁场水处理技术作为一种物理方法，具有应用方便、投资少，运行费用 低，无毒无污染等特点。就节约药剂、防止污染，节约人力而言，是一种理想的 水处理技术。 2 2 2 磁技术研究发展概述 磁技术的研究已有很久的历史。十三世纪，首先在医学上发现了磁场对水性 质的影响。物理学家格林尔注意到磁化水的医疗作用。在十九世纪，g 德维尔提 到了用磁化水成功治疗伤口和溃疡的例子。二十世纪3 0 年代，g 皮卡迪注意到太 阳的活性影响到氧化铋悬浮粒子的凝聚；这种影响与地球的磁场变化有关。1 9 4 5 、年比利时人韦梅朗应用水的磁化处理锅炉用水，并获得了专利。二十世纪中叶， 前苏联、美国、r 本先后掀起了磁处理研究热，磁分离技术酋先用于选矿和瓷土 工业。二十世纪六十年代，磁处理技术在前苏联取得进展，其研究领域包括单相 系统的离子水合作用、介电常数、粘度，多相系统的吸附、溶解、结晶、聚合作 用等：研究工作深入细致全面，其实际应用也卓有成效。1 9 6 2 年，将磁化水用于 水泥和混凝土的固化，发现用磁化水调和的水泥制板强度显著增强。1 9 6 5 年首先 2 安徽理1 ：大学硕十论文背景资料准备 把磁处理技术应用于矿物浮选。1 9 7 0 年美国研究用磁絮凝法处理钢铁、食品、化 工和造纸等工业废水。1 9 7 4 年瑞典等国开始用磁盘法处理轧钢废水。1 9 7 6 年日本 用磁盘法处理平炉、转炉除尘废水，均取得良好效果。1 9 7 7 年美国和r 本等国用 高梯度磁化过滤器处理钢铁工业废水，在滤速达1 7 0 m h 的情况下，出水悬浮物 1 5 m g l 2 2 3 磁场水处理研究方向简述 磁场水处理研究分为两个方面。一方面是磁场效应对水理化性质的研究，另 一方面是磁场效应对水处理的应用研究。 磁处理对水的许多物理化学性质( 如折射率、电导率、介电常数、表面张力、 粘度、红外吸收光谱等) 都有影响。磁处理会使水结构发生变化。刘芳玲、蒋佩 琳进行了自来水和去离子水的磁场处理条件与水的表面张力关系的研究。研究发 现：磁场处理以后，无论是自来水还是去离子水表面张力均有所下降；当磁场强 度在0 2 o 3 t 之间，表面张力存在一个“谷”值，表明此时的磁化处理效果最 好，表面张力下降最大，随着磁场强度的增加，表面张力又开始回升，当磁场强 度在o 4 - _ o 丁r 之间近乎平坦，磁场强度在o 7 _ 加8 t 之问又出现第二个“谷”， 其“谷”值比第一个稍大一些。黄征青等研究了磁处理对碳酸钙、碳酸氢钙及其 混合水溶液p h 值和电导率的影响。研究发现：三种溶液以3 7 m s 的流速通过 6 0 4 0 g a u s s 正交磁场进行循环运行。磁处理后碳酸钙水溶液的p h 值下降直到恒 定，碳酸氢钙水溶液的p h 值先下降后上升出现一最低值，而混合水溶液p h 值 则缓慢下降，三种溶液的电导率均上升。j o s h i 采用永磁体，磁场方向平行于水流， 研究了三重蒸馏水p h 、表面张力、介电常数的改变，研究发现：经过磁处理后， 水的p h 值升高，其改变值与循环次数无关，但流速有一定影响，磁场强度越大， p h 升高值越多，磁场强度从1 9 0 0 g a u s s 到5 7 0 0 g a u s s ，显示饱和趋势；表面张力 也渐有饱和趋势；介电常数升高，磁场强度的变化对其影响不大【1 3 1 5 1 6 f2 0 7 4 1 。 磁处理对溶解、结晶、聚合、润湿、凝聚、凝固、沉淀过程及生物系统显著 活化，并能影响化学反应的动力学过程。磁场效应的这些影响主要应用在应用研 究领域。 对结晶行为的研究主要用在锅炉用水的防垢、阻垢上。二十世纪四十年代中 期，比利时人韦梅朗发现水流经磁场后，所含的钙、镁等硬度盐类不再以硬垢形 式析出，而是形成松软而缺乏附壁能力的泥渣，可以借助排污排走。基于这种防 安徽理r 大学硕十论文背景资料准备 止结硬垢的作用制成了称作c e p i 的防垢装置。磁场或高频处理用于未进行任何 水处理的热水锅炉或低压水容量蒸汽锅炉上有一定防垢效果。但是用来代替原有 的锅内投药防垢处理或炉外软化处理时，就走上了绝路。因为，磁场防垢仅是暂 时使结硬垢能力被抑制，其效果比不上锅内处理和炉外软化。当锅炉排污不足时， 结构程度会加重。1 9 5 8 年，韦梅朗在研究磁场对碳酸钙三种晶型( 文石、方解石、 六六碳酸石) 结晶过程的影响时发现，方解石有转变为文石的趋势。英国d o n a l d s o n ( 1 9 8 8 ) 在碳酸钙溶液蒸发沉淀过程中发现，磁处理使得方解石和文石在成垢物 质中的比例由无磁场时的8 0 ：2 0 转变为2 0 ：8 0 ，在碳酸钙各种晶型中，方解石 是热力学最稳定的，是文石等晶型在溶液中转变的最终产物【5 5 7 0 1 。 目前磁场阻垢的理论还没有形成统一认识，主要理论模型主要有以下几种： 磁场改变水的电荷分布和晶型结构。水分子在磁场中，其电子的运动状态会发 生改变，使分子的正负极性发生变化，从而改变了水的电荷状态。磁场对水分子 的晶体结构也有影响，由于洛仑兹力加速碰撞导致水结构的第二水化层被挤而脱 落，