水溶性高分子聚合物在拜尔法赤泥分离中的应用.docx

水溶性高分子聚合物在拜尔法赤泥分离中的应用赤泥沉降分离是氧化铝生产的主要工序之一,为了强化赤泥的沉降分离过程，即提高赤泥的沉降速度，改善溢流的澄清液质量，降低底流的液固比，不但要正确设计和选用结构合理的沉降槽，还需要添加高效能水溶性高分子聚合物做絮凝剂，在絮凝剂的作用下，赤泥浆液中处于分散状态的细小赤泥颗粒互相聚合成团。颗粒变大，可以大大地加快赤泥的沉降速度。絮凝剂在生产中的应用极大地提高了沉降槽的工作效率。1 水溶性高分子聚合物的种类及絮凝机理1.1 水溶性高分子聚合物的特点和种类水溶性高分子化合物具有高分子化合物的分子结构并具有高分子化合物的特性，他们能溶于水成为高分子化合物的真溶液。在分子结构上都具有高分子的链接，在链接上都具有极性的、亲水的基团。一定长度的高分子链接中，极性基的多少和极性的强度，决定这该高分子化合物的特征和应用范围。根据其所含亲水极性基团和分子量的不同，可以演变出许多不同的性能。一般来说，水溶性高分子聚合物都具有增稠性、成膜性、黏合性、润滑性、螯合性、分散性、絮凝性、缓蚀性、成胶性、吸水性等性能中的一到多个性能。水溶性高分子聚合物按来源分，可以分为天然的、半天然的、化学合成的和生物法合成的四大类。从结构上分可以为有机的和无机的两大类。絮凝剂的种类很多，在氧化铝生产上部是采用高分子有机絮凝剂，以往广泛采用淀粉类天然高分子絮凝剂，包括用各种麦类、薯类等加工的产品（面粉、土豆淀粉及木薯粉等）和附产品（如麦麸等）。近年来，人工合成高分子絮凝剂发展很快，与天然絮段剂相比，其特点是用量少（一般为淀粉类絮凝剂的1%1.5%），效果好。合成高分子絮凝剂的种类很多，目前应用最广的是聚丙烯酰胺类。纯聚丙烯酰胺的分子式为（CH2CHCONH2）实际上往往将它的水解体和衍生物统称为聚丙烯酰胺。合成高分子絮凝剂（如聚丙烯酰胺类）还存一个优点，它能完全吸附于赤泥颗粒人不像淀粉类絮凝剂那样有一部分仍保留在溶液中而增加了溶液中有机物的含量。不少拜尔法厂用聚丙烯酰胺类絮凝剂代替淀粉，取得了很好的经济效益。目前合成高分子絮凝剂巳呈现完全取代淀粉类絮凝剂的趋势。1.2 絮凝剂选择和絮凝机理合成类水溶性高分子聚合物中含有一定的极性基团，这些集团能吸附于水中悬浮的固体颗粒上，使离子间架桥而形成大的凝聚体，从而起到絮凝作用。聚合物絮凝作用有化学因素和物理因素。化学因素使悬浮粒子的电荷丧失，成为不稳定粒子，然后不稳定的粒子聚集。而物理因素则用过架桥、吸附，使小粒子聚集体变为絮团。通常把这两种因素的共同作用称之为絮凝作用。对面粉、麦麸等一类天然絮凝剂的作用机理有不同看法。一种看法是这类絮凝剂中的各组分（淀粉、蛋白质）或其水解产物中含有大量的极性基-OH、-COOH等，通过生成氢键而产生架桥作用。2 生产中影响絮凝剂使用效果的因素2.1 絮凝剂类型水溶性高分子聚合物作为絮凝剂，常用的可以分为三类：阴离子型得有聚丙烯酸钠、水解聚丙烯酰胺、顺丁烯二酸酐共聚物、藻蛋白酸钠、苯乙烯磺酸钠聚合物；非离子型得有聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、脲醛树脂、苟性淀粉；阳离子的有聚乙烯吡啶、甲醛-苯胺树脂、聚胺、聚季铵盐，国内目前主要还是使用聚丙烯酰胺类作絮凝剂。本文主要针对聚丙烯酰胺的选择与应用进行阐述。目前氧化铝生产物料千差万别，比如，拜耳法分离沉降物料和烧结法分离沉降物料；拜耳法分离物料（Nk，150g/l）和拜耳法洗涤分离物料（Nk，50g/l），烧结法稀释分离物料（Nk,110g/l）和烧结法洗涤分离物料（Nk,10g/l），其沉降性质很难用同一种絮凝剂进行沉降分离。因此需要各种不同的絮凝剂来加速分离。但是，由于国内絮凝剂的生产与各氧化铝厂的生产需求脱节，造成絮凝剂品种单一，影响絮凝剂效能的发挥。因此，通过对生产中各类物料的研究，完善絮凝剂的种类，是各絮凝剂厂家和研究机构需要解决的问题。2.2 pH值-影响合成絮凝剂类型（即丙烯酰胺与丙烯酸的比例）选择的因素甚多，但溶液的pH值是其中最主要的。溶液的pH值不但在不同程度上改变着凝剂的化学性质和聚合物分子的形状（伸展或卷曲），同时也对矿物颗粒的表面化学状态有所影响。当pH低时非离子型聚合物远比中度阴离子和强阴离子型聚合物好，絮凝剂用量少。因为在低pH值下，后两种絮凝剂的线性大分子在很大程度上发生卷曲，有效长度缩短，而具有类似非离子型絮凝剂分子的外形，分子发生卷曲的原因是其中的丙烯酸盐大部分是以酸（CH2CHCOOH）的形式存在。同时由于酰胺基团部分地被更为惰性的羧酸盐基团取代，聚合物的氢键减少，所以中度阴离子型特别是强阴离子型聚合物的活性不如非离子型。当pH为6时，中度阴离子型共聚体中的羧酸盐基团离子化而使聚合体更加伸展（因COO基团互相排斥）。而非离子型聚合物几乎不含有阴离子（羧酸团基因），聚合物的形状不变。强阴离子型聚合物（不含酰胺基团）的活性有所提高，但仍然较差。在pH为8时，中度阴离子型聚合物的活性继续提高。在此PH值下，羧酸盐基团基本上完全离子化，聚合物分子也最大眼度的伸展，而强阴离子型和非离子型聚合物的活性变化不大。当pH为9.5时，强阴离子型聚合物的活性大大提高而与中度阴离子型接近（二者用量接近），而非离子型聚合物的活性则显若降低，表现为用量显著增加。因为此时聚丙烯酰胺发生水解而在许多情况下，化学水解与物理吸附反应同时竞相进行时，将导致絮凝剂的活性明显降低。随着pH继续提高非离子型聚合物的pH值的升高，非离子型聚合物的活性进一步降低。中度阴离子型聚合物在pH大于14时，其活性也由于上述原因急剧下降，用量剧增。而强阴离子型聚合物的活性则在pH超过9.5以后继续有所提高，因为它不含丙烯酰胺，因而也就不受水解的影响。2.3 絮凝剂分子量分布氧化铝生产要求合成高分子絮凝剂分子600万以上（聚丙烯酰胺类），才能对赤泥的分离沉降很有效。但絮凝剂实际生产过程中，由于生产条件等限制，其分子量分布在一定范围。理论上高分子量的絮凝剂吸附赤泥颗粒后全部进入沉降底流，溢流中不含有絮凝剂（不过量的条件下）。但是，分子量低的絮凝剂（如200万以下的），由于吸附能力弱、分子链短，不能形成足够大的沉降颗粒，而浮于溢流进入过滤。絮凝剂是一种粘性狠大的有机物，在过滤过程中会吸附于过滤介质的困难。因此，应尽量避免使用低分子量的絮凝剂。2.4 赤泥浆液性质合成絮凝剂的絮凝效果也取决于赤泥浆液的性质，即赤泥的矿物组成、粒度分布、赤泥浆液固含，特别是溶液成分，而关键在于选择组成和性质适合于所处理的赤泥浆液的絮凝剂并正确地进行作业。溶液中的腐植酸盐和草团盐也会降低聚丙烯酞胶的絮凝效果，对赤泥沉降速度和溢流浮游物含员均有不利影响，因为这些有机物吸附于赤泥粒子表面，阻碍了粒子之间的絮凝。研究表明，溶液中的碳酸钠含量高会降低聚丙烯酷胶的效果。这是因为CO32-优先吸附于赤泥表面，干扰了絮凝剂的作用。往浆液中加入石灰，使碳酸钠苟化，絮凝剂的作用可完全恢复。碳酸钠对聚丙烯酸造成的有害影响较小。许多文献报道，少量钙离子可使絮凝剂的活性明显增加。钙离子的存在降低了聚合物的阴离子与带负电的颗披间的静电斥力，使聚合物更加容易与固体颗粒接近。另外，钙离子还有可能与负电性颗粒结合而成为与负电性的絮凝剂相联接的接合点，即絮凝剂通过“钙桥”而直接吸附于赤泥上。赤泥浆液的固含是影响紫凝剂效力的重要因素之一，固含高，絮凝效果变差。2.5 絮凝剂的溶解选择了合适的絮凝剂并不等于就可获得最佳的絮凝效果，成功地使用合成高分子絮凝剂的关键在于使聚合物良好的分散。生产中絮凝剂溶解不好时，部分絮凝剂以胶体状进入赤泥或随上清液流走，这使得絮凝剂的有效浓度降低。未溶的絮凝剂以胶体状在输送过程中有可能堵塞管道，随上清液流走的胶状絮凝剂在过滤时堵塞滤布，这些都影响生产的正常运行。影响絮凝剂溶解的主要因素有：2.5.1 溶解时间生产过程中由于溶解絮凝剂槽子大小与絮凝剂用量大小之间的矛盾造成絮凝剂溶解时间受到一定限制，特别是有些老氧化铝厂进一步延长絮凝剂溶解时间有一定的难度。2.5.2 溶解温度升高温度可以使溶液中分子运动加快，提高溶解速度。但絮凝剂属高分子聚合物，过高的温度将造成絮凝剂分解，而使絮凝沉降性能降低。各种絮凝剂的聚合条件不同，其分解温度也不同。我们可以通过试验寻找出特定絮凝剂的最佳溶解温度，以此为基础不断探索找出适合大部分絮凝剂的溶解温度，实现为生产服务的目的。2.5.3 搅拌速度搅拌能使溶解加快。但絮凝剂属高分子化合物，分子链较长，搅拌时易造成分子链断裂。因此合适的絮凝剂溶解搅拌速度很重要。搅拌速度升高絮凝剂分子量减小。搅拌速度上升到600r/min以上时，分子量急剧降低。因此，絮凝剂溶解搅拌速度不能高于600r/min。生产中更应避免用离心泵输送絮凝剂。2.5.4 水质的影响絮凝剂是吸附能力很强的高分子聚合物，它可以吸附水中的杂质颗粒。并可形成一层保护膜影响里层絮凝剂的进一步溶解也使絮凝效果降低。因此，絮凝剂溶解阶段保证水质，是加快絮凝剂溶解和提高效能的一个重要方面。2.6 絮凝剂用量在一定的工艺条件下，有一个相应的最适宜絮凝剂溶液浓度，这时所得到的赤泥沉降速度高且絮凝剂消耗量少，沉降槽底流的液固比也相应的减小。在工业生产上出现沉降槽跑浑时，往往采用加大絮凝剂用量的措施，一般能获得满意的效果。但是，当絮凝剂用量过大时，容易形成较大的赤泥絮团，其中含液量大，会使沉降槽的底流液固比增大，给后面赤泥的洗涤带来困难。对某一种分子量的絮凝剂溶液，当絮凝剂用量达到某一定值时，可以获得最大的沉降速度，当其用量加大时，反而会使沉降速度降低。为此，应根据自身工艺条件，摸索出适合生产的最佳絮凝剂用量范围。2.7 絮凝剂添加方式2.7.1 充分混合这是保证絮凝效果，降低絮凝剂用量的一个重要条件。但当颗粒间的“架桥”是絮凝的重要机理时，搅拌太强烈，剪切力过大，特使絮团破坏。因为添加聚丙烯酰胺类合成絮凝剂所形成的赤泥絮团比较脆弱，这种絮凝剂的长链状分子也易受剪力作用而破坏，变成更短的分子。所以过于强烈的混合会使赤泥沉降速度明显降低，絮凝剂用量增加。2.7.2 分次添加分次添加是使聚合物更有效分散的方法之一，它与一次添加相比，可减少絮凝剂用量。实践证明，在聚丙烯酰胺溶解时，加入少量碱浓，使溶液保持较高的PH值，对提高絮凝效果是有好处的。3 结 论3.1 对于不同的沉降物料要使用不同的絮凝剂，争取使絮凝剂的效能发挥到最大。3.2 絮凝剂分子量影响着絮凝剂的沉降性能分子量越大，沉速越快，沉降性能越好；低分子量絮凝剂对生产有负面影响。因此，工业上要保证好的沉