细粒煤的电化学脱水性能研究_矿物加工_毕业论文.doc

细粒煤的电化学脱水性能研究摘要 本文简述了细粒煤电化学脱水近年来的发展概况，介绍了细粒煤脱水的意义及工业价值。 本文主要研究了经电化学处理过的细粒煤的主要性能及其对脱水效果的影响。研究在电化学过程中煤的表面双电层结构的改变，从而为这一改变对煤饼结构的性能影响及其对含水率的影响奠定微观解释。（1） 研究了电解工艺与机械过滤的结合方法，并测定了煤水系统的电化学性质，分析了电解过程对细粒煤脱水效果的影响。结果表明，通过电化学处理后的细粒煤比未经过处理的细粒煤易于脱水。（2） 通过添加电解质来研究电解质对脱水效果的影响。结果表明添加电解质对电化学脱水效果影响不大，而且电耗还有所增加。因此得出用电解质提高脱水能力的试验尚有待进一步研究。关键字：电化学；脱水；电解质The studies of the dewatering effect on coal treated with electrochemistryABSTRACT29 第一章 绪论1.1 选题意义随着采煤技术的进步，机械化程度的提高，开采的原煤质量降低，细粒煤含量随之增加，尤其是用煤造成的环境污染已成为制约经济发展的重要因素, 搞好煤炭利用前的洗选是使用煤排放的污染物总量得到有效控制的最经济、最有效的途径。而煤炭洗选前将煤炭细粉碎使煤和矸石、黄铁矿先行解离是使煤炭得到有效分选的前提, 这就更增加了细粒煤的总量。但在现有的选煤厂中, 绝大部分都是采用湿法(以水或重悬浮液作为分选介质) 选煤技术进行煤炭的分选,。精煤水分高的关键是细粒浮选精煤。由于浮选精煤粒度细、比表面积和粘度大且不同程度地含有残留浮选药剂，浮选精煤的传统过滤不仅过滤效率低，而且滤饼水分长期高居 25%30%之间。因此，如何采用高效的过滤设备和工艺 ，以及应用适合的助滤剂，提高浮选精煤的过滤效率、降低当前选煤厂出厂精煤的最终水分是煤炭行业急待解决的主要问题之一,而细粒煤中水分的高低是影响商品煤质量高低的重要因素。对于炼焦用煤, 精煤水分高, 会增加热能消耗, 延长焦化时间, 降低焦炉产率, 缩短炼焦炉使用寿命。据统计，煤的水分每增加一个百分点，炼焦的时间将延长 10min，焦炭产量降低3%4%。随着煤炭市场竞争的日趋激烈，用户对煤炭产品的质量要求越来越严格，精煤产品水分作为重要的质量指标之一，国内炼焦用精煤要求水分不能高于 13%，出口精煤水分要求不超过 8%。我国现有的选煤厂中，90% 以上都是采用湿法分选工艺，分选后的细粒煤产品水分约为25%35%，占总精煤产量的20%30%，细粒煤水分偏高，是造成精煤水分超标的主要原因。在运输时, 精煤会随着水分渗出而流失, 既浪费宝贵的能源资源, 又污染环境, 尤其在冬季寒冷的地区, 会发生冻车皮事故, 严重影响车皮的周转率, 给铁路运输造成不必要的经济损失。选煤厂生产时，煤中水分过高会使运输胶带打滑，北方冬季寒冷的地区会发生设备或车皮冻结事故，影响生产或者运输。另外，细粒煤水分偏高，其堆放场地周围煤泥水积聚，精煤随水分流失，造成煤炭资源的浪费和污染环境。因此, 煤炭分选后降低出厂精煤水分的关键是搞好细粒煤的脱水。鉴于以上因素，本试验首先采用电化学手段处理细粒煤，通过研究电化学过程中煤的表面双电层结构的改变，研究电解工艺与机械过滤的结合方法，并测定了煤水系统的电化学性质，分析了电解过程对细粒煤脱水效果的影响以及阴离子和阳离子表面活性剂对细粒煤的脱水的影响，运用胶体化学及表面化学已有知识对其进行充分的解释，进一步提高细粒煤脱水效率，从而有利于其生产及运输。1.2 文献综述1.2.1 煤中水的存在形态及其对煤的后续加工利用的影响1. 煤中水的存在形态水分是指单位重量的煤中水的含量。煤中的水分包括成矿过程水分，开采水分，分选加工及运输水分，贮存过程加入的水分。煤是多空性固体，其水分含量随着变质程度的增加而降低，到高煤化程度时又有所回升。一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。水分对煤的加工利用是有害物质。另一方面也可也可反映煤的空隙结构变化。通常煤中水分有四种形态，即化合水，结合水，毛细管水和自由水。A 化合水分化合水分，指的是水分和物质按固定的质量比率化合而成为新物质的一个组成部分。他与物质之间结合牢固，只有在加热到物质晶体被破坏的温度时才是化合水释放出来。B 结合水分在固体物料和液相水接触时，在两相界面上，由于其物理化学性质与固体内部的其物理化学性质不同，位于液体或固体表面的分子具有表面自由能，将吸引相邻相中的分子，在固体表面形成水化膜。结合水又可分为强结合水和弱结合水。 （1）强结合水其又称为吸附结合水，指靠近颗粒表面与表面直接水化的水分子及稍远离颗粒表面，由于偶极分子的相互作用而定向排列的水分子。前者由于静电力和氢键力的作用，水分子可牢固的吸附在颗粒表面。其很少受温度的影响。后者与颗粒结合较弱，但仍有较高的粘度及抗剪强度。（2） 弱结合水指于颗粒表面结合较弱的这部分水，在温度压力发生变化时，偶极分子之间的连接被破坏，使水分子离开颗粒表面，在距其稍远的部位形成一层水。这种水具有氢键的特点，但无定向排列现象。C 毛细管水分松散物料的颗粒间形成许多孔隙，当孔隙较小时，将引起毛细管现象，水分子保留在孔隙内，煤本身也存在裂缝与孔隙，同样可以保留水分，这些统称为毛细管水分。颗粒毛细管水直径越小，其内部水柱高度越大，亲水性的物料，其接触角较小，毛细管中水柱高度增加。毛细管水只能部分脱处，不能全部脱出。D 自由水自由水也称重力水，存在于各大孔隙中，其运动受重力场的控制。自由水是最容易脱处的水分。2. 煤中水分对煤的后续加工利用的影响A 对运输的影响：煤中水分含量高时，其相对煤的含量就少，增加了不必要的运输量，尤其是冬季，水分过高，在北方地区煤会发生动车现象，给煤炭的装卸带来困难，造成运输成本增高。B 对燃煤锅炉的影响：水分过高，会降低锅炉的燃烧效率，也会加速锅炉腔体的腐蚀，减少可用年限。C 对发电的影响：发电用煤的全水分高，不仅会降低其收到基低位发热量，而且还会影响其发热性，由于水分大的煤，在磨煤机中会相互粘结而增加磨煤时间，从而增大磨煤电耗。处褐煤外，一般发电用煤的水分不应超过15%。D 对炼焦的影响：一般要求水分在7-10%范围内，干物料可使堆密度增加，从而改善煤料的粘结性。水分增高将延长结焦时间，降低产量。炼焦过程是煤的热解过程，需要吸收大量的热。而煤的水分过高就会是煤中水分蒸发带走热量多，增加炼焦过程能耗。煤的水分每增加一个百分点，炼焦的时间将延长10min，焦炭产量降低3-4个百分点。E 对粉煤成型的影响：适当的水分有利于粉煤的粘结，可以加强煤粉的粘结，在成型过程中还充当润滑剂的功能，减少成型阻力，降低内磨擦，提高型煤强度。水分过高，煤粒表面水层增厚，影响煤粒互相接近，且干燥后容易产生裂纹。F 对煤气化的影响：原料水分过高，将会使气化炉单位面积煤气产率降低。1.2.2 目前选煤厂细粒煤常用脱水方法及优缺点一般来说，粒度小于3mm的煤炭称为细粒煤。在分选工艺上，浮选主要用于0.5mm细粒煤炭的分选；跳汰，重介旋流器等分选工艺适用于宽粒级煤炭的分选。本文细粒煤指粒度小于0.5mm的煤炭。随着采煤机械化程度的提高和选煤厂煤炭分选过程机械化程度的提高,原生煤泥和次生煤泥量都增加,加大了选煤厂产品中细粒级煤的含量。尤其是用煤造成的环境污染已成为制约经济发展的重要因素, 对炼焦煤而言，水分过高，将延长炼焦时间，增加炼焦炉瓦斯消耗量，降低炼焦炉的使用寿命。细粒煤中水分的高低是影响商品煤质量的重要因素。搞好煤炭利用前的洗选是使煤排放的污染物总量得到有效控制的最经济、最有效的途径。因此,煤炭分选后降低出厂精煤水分的关键是搞好细粒煤的脱水。目前选煤厂普遍采用盘式真空过滤机进行浮选精煤的脱水,滤饼水分一般在25%30%,而将出厂精煤的最终水分降到10%以下,就必须大幅度降低浮选精煤的水分。几年来,我国的选煤科技工作者针对此问题从不同的角度开展了研究工作,研制开发了一批脱水机理不同的高效、低能耗新型煤泥脱水设备,使我国的细粒煤脱水技术向前迈进了一大步.1. 细粒煤脱水技术与设备现状目前，常用的细粒煤脱水技术有离心脱水技术、过滤脱水技术、干燥技术以及助滤剂辅助脱水技术等。1.1 离心脱水技术及设备离心脱水是借助离心力场实现煤水分离的操作过程。离心脱水设备主要是各类离心脱水机，用于细粒煤脱水的离心机主要有煤泥刮刀卸料离心机、沉降式离心机和沉降过滤式离心机三类。由于沉降式离心机产品水分偏高，目前在选煤厂用得较少。与其它煤炭脱水机械相比，采用离心机脱水的优势在于设备投资低、生产能力高，脱水效果较好，耗电小，占地面积少。1. 煤泥刮刀卸料离心机目前，国产的煤泥刮刀卸料离心机有LLL型、LLL1030550B型、XL1000型等。煤泥刮刀卸料离心机的工作原理为：物料通过入料口，经给料分配盘进入筛盘和螺旋刮刀之间，在离心力的作用下，煤中所含的水通过物料层，穿过筛网进入集水槽，从排液管排出，脱水后的产品由刮刀卸料。 2. 沉降过滤式离心机沉降过滤式离心机是在沉降式离心机的基础上，于20世纪60年代中期发展起来的一种新型脱水设备。在结构上，它是沉降式离心机和过滤式离心机的组合，因而，它兼有两者的优点。属于这一类的离心脱水机有美国的Bird型、德国的洪堡特维达格型、苏联的型等。这种离心脱水机转筒分为两段：第一段为沉降段；第二段为过滤段。矿浆由给料管导入，当经过第一段时固体在离心力的作用下沉降，形成沉降层，溢流水从溢流口排出。第一段的沉淀层被螺旋推到第二段时在离心力的作用下进一步脱水，产品由排料口排出。沉降过滤式离心机适用于浮选精煤、尾煤、原生煤泥、旋流器底流以及管道运输煤的终端的脱水。国产的沉降过滤式离心机主要有型和型，都已发展为系列产品，沉降过滤式离心机是上世纪年代初由唐山分院研制成功的，系列沉降过滤式离心机是引进美国公司专有技术仿制的。沉降过滤式离心机沉淀物水分比沉降式离心机的约低一半。这种离心机常用于浮选精煤、浮选尾煤和旋流器底流的脱水。固体回收率可达95%以上，产品水分可降12%20%。 1.2 过滤脱水技术及设备 在多孔的隔膜上，利用隔膜两端的压力差将煤浆中的固体和液体分开的过程称为过滤。隔膜两端的压力差是过滤过程的推动力，过滤的压力差可以采用真空过滤，压滤，加压过滤等方法得到。相应的过滤设备有加压过滤机，真空过滤机和压滤机。1 , 加压过滤机加压过滤机是近年来出现的一种新型高效的细粒物料脱水设备。它不仅具有优良的技术性能，而且还是融合多项专利技术实现集中控制、自动调整的高新技术产品。其特点是自动化连续工作、处理量大、产品水分低、电耗低。加压过滤机目前主要有3种型式：行星式、圆筒式、圆盘式。其中圆盘式加压过滤机在选煤厂应用最广。圆盘式加压过滤机实际上是将1台特制的盘式过滤机装入一个卧式压力容器中，工作时向压力容器内充以0.3MPa左右的压缩空气，盘式过滤机在此压力下进行过滤、脱水和卸料等工序，滤饼卸落后由压力容器内的刮板运输机集中运往密封排料阀。该阀由上下两仓组成，两仓交替工作，每仓都有独立的密封装置和排料闸板，整个生产过程都是在密闭的压力容器中进行，工作步骤与程序复杂，控制点多。全机采用了自动调节和自动控制系统。国内第1台圆盘式加压过滤机样机于1993年在山东某机械厂试制，但是由于设备性能上存在问题，在现场使用较少。最近几年，随着国产加压过滤机性能逐步完善，加上其本身具有的系列优点，在选煤厂迅速得到推广使用。2 . 真空过滤机真空过滤机是浮选精煤脱水的传统过滤设备，依靠真空抽吸造成压力差作为过滤动力。在选煤厂，真空过滤机处理的原料一般都经过浓缩，煤浆浓度为20%50%，粒度1mm以下过滤后，滤饼水分约为20%25%，滤液中固体含量为4060 g/L。选煤厂使用的真空过滤机，按其结构不同可分为圆盘真空过滤机和圆筒式真空过滤机两种，此外，还有水平带式真空过滤机等，其中选煤厂最常用的是圆盘式真空过滤机圆盘真空过滤机主要由槽体、主轴、过滤盘、分配头和瞬时吹风装置五部分组成。对真空过滤机而言，过滤的推动力即是真空度。真空度的高低直接影响过滤机的生产能力、产品水分和滤液中的固体含量。通常，压力差的增加，可以提高过滤机的处理能力和降低滤饼水分。但其是靠负压工作的，压力的上限值受大气压的限制，产生的真空压力差最高只能达到0.06 MPa，实际过滤表面的压力差则更低，一般小于0.02 MPa，所以真空过滤机指标存在脱水效率低，滤饼水分高，能耗大的问题，目前逐渐被加压过滤机取代。3 , 压滤机压滤脱水是利用压力泵或压缩空气，将预先准备好的煤浆压入由相邻两块滤板组成的密闭滤室中，使滤布两边形成压力差，滤液透过滤布排出滤室而滤饼则被截留在滤布上来实现固液分离。西班牙TH公司生产的APN型压滤机是目前最新一代的压滤机，它先采用高压隔膜泵压滤，然后用高压空气通过滤饼进行置换脱水，最后用机械方法压缩滤室进行挤压。与前几代压滤机相比，APN型压滤机的特点是机体小、结构简单、滤板少、循环快、寿命长、能耗低、使用可靠、调节灵活。该设备装机功率37 kW，过滤面积208.8m2，滤液浓度小于0.05 g/L，每小时可处理干煤饼25 t，滤饼水分小于23%。国内压滤机的生产和使用也发展很快，目前选煤厂使用的压滤机最大过滤面积已达1050 m2。其中比较先进的有QXMZ-200型全自动精煤压滤机，该压滤机集流体静压力过滤、隔膜剪切挤压过滤和强气压穿流过滤为一体，脱水过程分为三个阶段：高压强的流体静压力过滤脱水，主要排出滤饼颗粒间的游离水和部分空隙水，这一过程可使滤饼水分达到23%25%；二维变向剪切压力过滤脱水，旨在破坏在静压力过程中所形成的滤饼定型空隙，改变颗粒拱桥的几何结构，重新排列滤饼颗粒布序状态；采用强气压穿流脱水，采用强气压(高压大气量)的净压缩空气流穿流滤饼颗粒孔隙，快速运载颗粒内的润滑水和剩余空隙水10。经过三个过程完成后可使滤饼水分达到22%以下。由于压滤机是靠正压工作，借助于泵或压缩空气作为过滤推动力，只要机器允许，其压力可达到1MPa，甚至更高，是一般圆盘真空过滤机的真空压力的10倍，因此它有助于降低滤饼水分，提高其处理量。压滤机使用的滤布大都较细，因而滤液的浓度较低，处理粘细物料比真空过滤机有优势。滤液可直接作循环水，减少了细泥在系统中的循环。压滤脱水的缺点是滤饼体积大，不易破碎，产品水分不均匀。1.3 干燥技术利用热能从煤中除去水分的操作称为热力干燥，热力干燥精煤有两种方式，一是热烟气直接与精煤接触，称为直接干燥；另一种是热烟气通过固体面(器壁)传热给湿精煤，称为间接干燥。目前，我国绝大部分选煤厂采用的是直接干燥。选煤厂对精煤的干燥方式有末精煤单独干燥、浮选精煤单独干燥以及末精煤和浮选精煤混合干燥三种方式。由于浮选精煤粒度细、水分高、粘性大，单独干燥时容易结团而影响产品水分。因此，大部分选煤厂均采用末精煤和浮选精煤混合干燥方式，提高干燥效果。干燥机是干燥脱水作业的主要设备，常用的干燥机有滚筒式、管式、井筒式、沸腾床层式、螺旋式干燥机等。其中用得最多的是滚筒式干燥机。干燥作业是选煤厂脱水作业中最后一道工序，其目的是进一步降低精煤的含水量，满足用户和运输的要求。但是，在干燥过程中要消耗大量的热能，成本昂贵。因此，只有东北，西北和华北等冬季寒冷地区的选煤场采用。1.4 助滤剂辅助脱水技术 进行细粒煤过滤脱水时，添加化学助滤剂，通常能强化脱水效果，提高过滤效率，有效降低产品水分，常用的化学助滤剂主要有高分子絮凝剂和表面活性剂两种。1 , 高分子絮凝剂高分子絮凝剂主要是通过一些聚合电解质，使细颗粒形成较粗的絮团，提高滤饼的松散度与透度，从而有利于脱水。在高分子絮凝剂的研制方面，苏联学者卓有成地研究了高分子量的聚氯乙烯作为絮凝剂型助滤剂日本的渡边伸一等人发现用聚丙烯酰胺苯乙烯共物(含5%的聚丙烯酰胺，平均分子量1104)可大幅度提高细粒煤浆过滤速度。改性后的田青胶可作为煤助滤剂。国内外现已有许多可供助滤用的絮凝剂商品，煤炭科学研究院唐山分院研制的1#助滤剂、美DOW化学公司生产的Separan MGL非离子絮凝剂Nalco公司生产的Filtr Max 9764聚合物型助滤剂等。2 . 表面活性剂典型的表面活性剂都是由亲水的极性基团和疏水的非极性烃链两部分组成的有机化合物，按极性基团可将其分为阴离子、阳离子和非离子三大类。表面活性剂在煤颗粒表面吸附时，其非极性端指向水，从而提高了颗粒表面的疏水性，同时由于其自身的特性，可以有效降低水的表面张力，促进颗粒团聚，使水易于排出，从而有效地降低水分，提高处理量，节省动力消耗。琥珀双脂磺酸盐及其衍生物，是目前国外广为使用的阴离子型表面活性剂。过滤脱水用的阳离子型表面活性剂多为脂肪胺类化合物，可以用于强化煤浆、金属氢氧化物及KCL浮选精矿的过滤脱水。但是由于这类药剂价格昂贵，难于工业应用。非离子型表面活性剂与阴离子型表面活性剂相比，最大的特点是起泡能力不强，助滤脱水效果较好，目前被广泛研究和应用，其中聚氧乙烯醚及其衍生物，被认为是最有前途的助滤剂。因此，随着矿产资源的不断开发，微细粒嵌布，低品位难选矿石的开采量不断增加。这不但给分选矿物带来了一定的困难，同时也给矿物的后期处理增加了麻烦。为了使矿浆容易脱水，在矿浆脱水时加助率剂，或者用压滤机过滤，再一定程度上缓解了脱水的矛盾，但在应用上还是受到了限制。为了解决微细粒矿物的脱水利用电化学技术促进矿浆脱水已引起世界各国的选矿工作者的高度重视。1.2.3 现有电化学脱水的方法及其基本原理1.2.3.1 电解还原法煤表面改性机理的研究 电解还原法是在电解槽内进行的, 在阳极进行氧化反应, 在阴极进行还原反应. 在电解槽外的导线和电极里的电流是由电子的移动而产生的, 称为电子电流. 在电回路中, 槽内溶液部分的电流是由于受槽外电子电流的影响, 溶液中部分电解质变为离子, 此离子的移动产生的电流称为离子电流. 这样槽外槽内的电子电流和离子电流形成一个完整的电回路, 基质不断在阳极失去电子而被氧化, 产生氧化反应产物; 在阴极不断得到电子被还原, 产生还原反应产物. 上述氧化还原反应都按照电解的法拉第法则进行. 电解反应是由于基质分子与电极间的电子移动的氧化、还原反应, 但实际是电化学过程(电子移动反应) 、化学过程、物理过程的组合. 煤表面的电解还原反应机理可能有下列3 种情况.(1) 电子转移机理煤颗粒在阴极表面上直接得到电子而进行, 其反应历程为煤吸附煤ad+ ne电子转移(2) Iad化学反应Pad产物扩散P.煤从液相主体扩散到电极表面, 进行电子转移、化学反应, 反应产物再通过扩再通过散进入液相主体. 反应过程可能如下:醚键还原RCH2 O CH2R4H + eHRCH3 + RCH3 + H2O ,羟基还原ROH + 2H+ + e RH + H2O ,羰基还原ArR C O+ 2H+ + 2eArRCHOH + H2O ,羧基还原RCOOH + H+ + e RH + CO2 ,RCOOH + H+ + e RCHO + H2O ,RCHO + H+ + e RCH2OH ,RCH2OH + H+ + e RCH3 + H2O.(2) 活泼H作用机理首先, 电极上发生H2O 电解反应, 在阴极生成活泼的游H (活泼H) , 它具有较高的能量.H+ + e H.然后, 活泼H与煤表面的OH , O , C O , COOH 作用,Ar OH + H Ar + H2O ,Ar + H ArH ,Ar + Ar Ar Ar .同理, H与C O , COOH 作用, 反应过程与上述类似.(3) 支持电解质的作用当有NaCl 作支持电解质时, 反应机理推测为nNa + + ne nNa, nNa+ coal nNa + + coal - , coal - + H+ coal H1.2.3.2 电渗透脱水1. 电渗技术发展过程对于电渗透脱水的研究已经有了相当长的历史.早在1803年,俄国科学家Peucc就发现了电渗透现象,即分散介质在外加电场作用下,相对于固定的固体表面作定向电极运动的现象.1931年Schwerin利用电渗透现象进行了泥炭脱水的应用实验,但是由于电渗透应用在理论和技术上还有一些难点,因此长期以来未能得到广泛的应用.然而近年来,由于科学技术进步和城市工业废水中的污泥处理问题的突出,电渗透技术得到了长足发展.目前发展的电场污泥脱水主要有两种电场即竖直电场和水平电场.1978年,Yukawa建立了恒压条件下电渗透脱水模型,为电渗透脱水的实际应用奠定了基础.1989年,日本铃木等人首次将电渗透脱水应用于食品领域.李里特等把电渗透脱水用于食品植物蛋白的固液分离中,取得了较好的效果,得出以下特点:(1)电渗透脱水的驱动力不同于机械过滤的压榨力,过滤介质不会受到严重的破坏和堵塞;(2)通过调整电渗透的电压和电流,很容易控制脱水的速度和效率;(3)胶体中的水分用电渗透具有较高的脱水效率;(4)电渗透脱水容易与机械脱水相结合,进一步提高脱水效率. 目前在如何提高其电渗透速率和效率，降低电渗透脱水过程中温度上升以保证食品的品质，电渗透脱水的应用和推广等问题上有待进一步研究和解决电渗透脱水最大的问题在于从理论上就不能彻底地脱去所有水分脱水达到一定阶段后,水分降低,固体物料不再导电,电流不能通过.因此电渗透脱水技术的应用受到物料电特性的限制,必须加强电渗透脱水的速率和效率. 日本学者吉田裕志在电渗透脱水过程中，采用1Hz以下电极反向的交变电场和低频下的半波整流的间断电场，这两种电场都可抑制连续直流所引起的电极与物料接触电阻增加的不良影响，从而可提高电渗透脱水速率，但在交变电场和半波整流电场下，单位脱水量所消耗的电能增高。在电渗透脱水过程中，由于发生电化学反应，引起电极腐蚀和对物料的污染。吉田裕志通过对脱水后各种电极材料的表面和脱水分离液的分析，以及对物料特性的测定，对各种电极进行了评价，认为不锈钢和碳素钢电极具有较好的实用性。2. 电渗透脱水的基本原理物料在与极性水接触的界面上，由于发生电离、离子吸附或溶解等作用，使其表面带有正电，或带有负电。带电颗粒在电场中运动（电泳和电渗透），或带电颗粒运动产生电场（流动电势和沉降电势）统称为动电现象。在电场作用下，带电颗粒在分散介质中作定向移动称为电泳，电泳主要用于蛋白的分离和悬浊液中颗粒的沉降；在电场作用下，分散相固定，分散介质通过多孔性固体作定向移动称为电渗透，电渗透可以用于物料的脱水，如图1所示。更进一步从能量最低原则考虑，质点表面上的电荷不会聚在一处，而势必分布在整个质点的表面上。但质点和介质作为一个整体是电中性的，故质点周围的介质中必有与质点表面电荷数量相等而符号相反的过剩离子存在，这些离子称为反离子。质点的表面电荷与周围介质中的反离子构成所谓的双电层。在电场的作用下，带电的质点向某一电极运动，反离子则带着液体介质一起向另一电极运动。液相不动而颗粒运动称为电泳，固相不动而液相移动称为电渗。1.3 本实验研究内容本实验选取高家梁煤煤样和晋城无烟煤煤样。高家梁煤样属于弱粘煤。弱粘煤是一种粘结性较弱的从低变质到中等变质程度的烟煤。加热时，产生较少的胶质体。单独炼焦时，有的能结成强度很差的小焦块，有的则只有少部分凝结成碎焦屑，粉焦率很高。晋城无烟煤属于无烟煤。无烟煤固定碳含量高，挥发分产率低，密度大，硬度大，燃点高，燃烧时不冒烟。01号无烟煤为年老无烟煤；02号无烟煤为典型无烟煤；03号无烟煤为年轻无烟煤。晋城无烟煤为02号无烟煤。我们利用了电化学反应原理对这两种物料进行脱水，其效果是较显著的。电化学是研究化学能与电能之间相互转变得规律的科学，通常电化学反应总是在化学电池或电解池中进行的。本试验所采用的电化学预处理装置由DH1722DC型稳压稳流电源（提供恒电流）、恒温水槽、恒速搅拌器、管状石墨阳极、不锈钢阴极和导线组成。将煤浆在磁力搅拌下进行电解，考察电压，电解时间，煤浆浓度，电解质对煤脱水效果的影响。具体实验内容包括（1） 称量一定质量的煤样与200mL的水混合制得一定浓度的水煤浆，测量其pH、电导率。（2） 在一定的温度、搅拌及给定电流条件下，对细煤的水煤浆电处理一定时间，观测煤的性质改变情况及其对于脱水效果的影响。（3） 对电解的煤浆测量其pH、电导率。（4） 进行过滤试验 打开真空泵调节活塞使其真空度达到(4+0.1)104Pa,将矿浆搅拌均匀,一次性注入布氏漏斗中,并从液体计量管读取并记录滤液等体积(Vi)间隔的时间(ti),直至滤饼表面可见水分消失时,约为2min后停止计时。（5） 测滤饼厚度，进行全水分计算。第一章 试验部分2.1 试验原理电化学脱水过程示意图如图1所示。该脱水过程实际上是一种宏观的电化学反应过程。一是液相（这里指煤泥水）传质过程。二是电极过程，亦即阴极过程与阳极过程。图2-1液相传质过程在电化学反应过程中是一个相当重要的步骤，它不仅存在于两电极之间的整个液相中，也存在于电极表面附近的液层中，它包括了对流、扩散和电迁移三种传质过程。此外，电极过程乃是电化学反过程中的关键。他涉及了电极及溶液间的电量传递，也涉及了化学能及电能的转换。试验证明，很多粒子到电极表面并不能直接参加电化学反应，必须通过某些表面转化步骤。如水中氢离子在阴极上还原为氢分子的过程，就是经过了表面的转化步骤的，这一点从电化学脱水设备中的阴极反应与阳极反应中可以看出，水分子在外加电压下，会产生部分电离： H2OH+OH-于是在电化学脱水过程中，H+与OH-直接参与并促进了脱水的进行。阴极反应： 2H+2eH2在此反应中H+实际上携带有多个水分子同时移动，且多以H3O+形式存在，其具体步骤如下： H3O+由溶液深处移向阴极； 脱掉水壳H3O+H2O+ H+； 氢离子放电的电化学步骤 H+eH吸附 氢原子脱附并复合成氢分子的表面转换过程 H吸+H吸H2 氢分子溶于水或作为气泡析出。阳极反应： 带负电的煤泥移向阳极； OH-迁往阳极 2OH-2eH2O+O或4OH-4e2H2O+O2由于这一反应是氧化放热反应，试验过程中阳极温度升高，有气泡及热气散出。由上述分析可知，水分子在电化学脱水中起到了关键的作用。水是极弱的电解质，电离度仅为1.810-9，但是其绝对数值却是相当大的，每升水中约有610-18个H+。由于H+是氢原子失去仅有的一个电子形成的，它没有电子层结构，只是一个氢原子核，它比任何其他离子或原子半径小得多，约为10-3厘米，离子半径越小，水合程度越大，通常以H3O+形式存在。同时，由于H+与OH-离子的离子浓度较其它离子为大，各为36.210-4及20.510-4厘米2/V秒，因此其迁移速度也大。H+具有体积小，水合作用强，迁移速度大，反应速度迅速等特点，因此从根本上促进了脱水过程的进行。 2.2 试验装置图试验所采用的电化学预处理装置由DH1722DC型稳压稳流电源（提供恒电流）、恒温水槽、恒速搅拌器、管状石墨阳极、不锈钢阴极和导线组成。阳极为石墨(97.39cm2)，其外径是3.5cm，内径是2.2cm，高度是13.0cm。选择石墨作为阳极材料，因为石墨不仅便宜而且耐腐蚀性能好。阴极为不锈钢，其直径是8.5cm，高度是11cm。阳极由铁架台铁夹和木夹板中心圆孔固定，阴极由木夹板下表面内嵌环型槽固定。搅拌器的搅拌棒横贯阳极的中部并未触及阴极的底部，恒速搅拌器的作用是使电解槽内的矿浆均匀，使细粒煤与电解质充分作用。恒温水浴可以准确控制阴极外界温度。电解过程的电流来源于直流电源，可以根据需要调节电流。将煤样和水（电解质）混合，均匀搅拌5min2.3 试验工艺流程图 测煤泥水的电导率，PH 在搅拌过程中电解煤浆测煤泥水的电导率，pH 过滤，测其过滤速度测滤饼厚度，滤液的 PH及电导率将煤样取出，装入称量皿中，称其湿重在108下烘干3h，称其干重计算含水率 图2-3 工艺流程图 2.4 试验仪器及试剂 主要试验仪器及型号见表，实验主要原料与试剂见表 表2-1实验仪器及型号Table2- 1 The instruments for the experiment仪器名称型号产地磁力加热搅拌器78-1A杭州仪表电机厂直流稳压稳流电源DH1722A-2北京大华无线电仪器厂可见分光光度计JH721上海菁华科技仪器有限公司精密数显电导率仪DDS-11A上海康宁电光技术有限公司单相电容起动电动机CO27124奉化溪口三和电机厂导津分析天平AUY120导津国际贸易（上海）有限公司架盘药物天平HG-TP11B.10北京宣武区天平厂电热恒温鼓风干燥箱DHG-9053A上海一恒科技有限公司表 2-2实验主要原料与试剂一览表Table2-2 Table of raw materials and reagents试剂名称规格产地氯化钾AR天津市科密欧化学试剂有限公司 氢氧化钾AR天津市天达净化材料精细化工厂氯化钙AR天津市科密欧化学试剂有限公司氢氧化钙AR天津市科密欧化学试剂有限公司氯化铝AR天津市科密欧化学试剂有限公司硫酸铝山西瑞世化工有限公司 氯化铁(三价) 氢氧化铁(三价)山西瑞世化工有限公司第三章 试验内容3.1 电化学脱水最佳试验条件的确定直观分析表因素电流/A电解时间/min矿浆浓度/g/200ml空白含水率 /%实验10.14030122.07实验20.13040221.20实验30.12050323.19实验40.54040324.14实验50.53050121.01实验60.52030222.70实验70.94050222.35实验80.93030322.64实验90.92040120.20均值122.15322.85322.47021.093均值222.61721.61721.84722.083均值321.73022.03022.18323.323极差0.8871.2360.6232.230方差分析表因素偏差平方和自由度F比F临界值显著性电流/A1.18020.15819.000电解时间/min2.37820.31719.000 矿浆浓度 g/200ml0.58420.07819.000误差7.492直观分析图 由直观分析图可知最佳试验条件。因此，以电流0.9A ，电解时间为30min,矿浆浓度为40g/200ml进行试验。 3.4 电解质对煤脱水的影响3.4.1 阳离子对煤脱水的影响在考虑到不加电解质试验的结果的情况下，向煤泥水的溶液中加入电解质，按阴阳离子的价态选取不同价态的电解质，考察添加电解质是否有利于煤的脱水。本试验选取氯化钾，氢氧化钾，氯化钙，氢氧化钙，氯化铝，硫酸铝，氯化铁，硫酸铁（三价）八种电解质进行试验，选定阴离子后考察阳离子的性能，选定阳离子后考察阴离子的性能。高家梁煤样1. K+对煤脱水的影响在0.9安电流下，煤泥水的浓度为40g/200ml电解30min，通过添加氯化钾来考察钾离子对煤脱水效果的影响。选取添加电解质的浓度为煤泥水干基含量的0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4% 。得试验结果如下。 图3-16电导率随氯化钾浓度的变化 图3-17 pH随氯化钾浓度的变化 由图3-16和3-17可知添加电解质以后溶液的电导率明显增高，且电解质的浓度越高其电导率也越高，这是因为添加电解质有利于溶液导电，降低了溶液的电阻。但是电解以后其电导率较未电解的小，这是由于电解过程中消耗了氢离子的缘故。由于氯化钾为盐类，添加后不电解时几乎不影响溶液的pH值，电解后，由于随着电解质浓度的增高，其电解时电流越大，电解程度越大，所以消耗的氢离子越多，导致溶液的pH值也越大，呈碱性。 图3-19不同氯化钾浓度过滤性质图 由图3-19可知加入电解质以后，溶液的过滤速度不如未加电解质的快。且电解质浓度越高，其过滤速度越慢，越不利于脱水。 图3-20 含水率随钾盐浓度的变化 由图3-20和图3-21可明显看出添加电解质后其样品的含水率随浓度的变化总是有一个最低点，但是即使是最低点，其含水率也明显高于不加电解质的。因此得出，添加一价电解质不利于脱水试验的进行2. Ca2+对煤脱水的影响在0.9A电流下，煤泥水的浓度为40g/200ml电解30min，通过添加氯化钙来考察钙离子对煤脱水效果的影响。实验添加的电解质的浓度与氯化钾的相同。 图3-21 电导率随氯化钙浓度的变化 图3-22 pH随氯化钙浓度的变化由图3-21和3-22可知添加电解质以后溶液的电导率明显增高，且电解质的浓度越高其电导率也越高，电解以后其电导率较未电解的小。这是由于随着电解质浓度的增高，其电解时电流越大，电解程度越大，所以消耗的氢离子越多，导致溶液的电导率下降，pH值增大，溶液呈碱性。 图3-24 不同氯化钙浓度下过滤性质图 由图3-24分析可知加入电解质后不利于过滤，其过滤速度明显很慢，所以不利于脱水。 图3-25 含水率随钙盐浓度的变化 由图3-25分析得，加氯化钙后其含水率很高，虽然随浓度的变化有最低的含水率，但还是较未加的高，所以试验证明二价阳离子也不有利于脱水的进行。3. Al3+对煤脱水的影响在0.3安电流下，煤泥水的浓度为40g/200ml电解30min，通过添加氯化铝来考察铝离子对煤