粉煤灰悬浮胶体的悬浮稳定性实验研究

粉煤灰悬浮胶体的悬浮稳定性实验研究于水军;陈晓利;李彬;赵红【摘要】针对煤矿生产中粉煤灰防(灭)火材料管路输送的管路阻塞问题,选择SC1,SC2,SC3,SC4,SC5,SC6,SC7和SC8共8种悬浮剂,配制成4种质量分数分别为0.5％,1.0％,1.5％和2.0％的粉煤灰悬浮胶体,采用沉降分析方法,研究其悬浮稳定性.结果表明:各粉煤灰悬浮胶体沉降速率出现类似“L型”变化,沉降到一定时间均达到平衡状态;悬浮剂可以减小粉煤灰悬浮体沉降速率变化,质量分数越低,初始沉降速率越大,质量分数越高,沉降速率变化越小;同时也可增大粉煤灰悬浮率,增加悬浮胶体的稳定性.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(034)003【总页数】7页(P426-432)【关键词】粉煤灰悬浮胶体;悬浮剂;沉降速率;悬浮率【作者】于水军;陈晓利;李彬;赵红【作者单位】河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室(河南理工大学),河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TD75+3粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，为燃煤电厂排出的主要固体废物，是我国当前排量较大的工业废渣之一[1]。

据有关资料显示：中国1995年粉煤灰排放量约1.25亿t，2000年粉煤灰排放量约1.5亿t，2009年粉煤灰排放量约3.75亿t，2010年粉煤灰排放量高达7亿t。

根据灰色预测模型估计到2020年中国粉煤灰排放量将达到9亿t，粉煤灰已成为中国工业固废的最大单一污染源[2-4]。

目前，我国粉煤灰的综合利用率为30%，在中西部地区的产煤大省，粉煤灰的综合利用率不到10%，大部分被直接丢弃或者填埋[5]。

粉煤灰资源丰富，如果不加以充分利用，不仅会造成环境污染，而且还会造成很大的资源浪费，因此，粉煤灰的有效再利用尤其重要[6]。

有关粉煤灰的利用，国外多集中在建筑业、农业和环境保护等方面，对煤矿防(灭)火方面研究较少[7-9]。

而国内粉煤灰材料已经应用于煤矿防(灭)火。

王振平等从粉煤灰代替黄土灌浆注胶技术和粉煤灰固化充填技术两个方面对煤层火灾防治进行了系统研究，通过粉煤灰的资源化利用，有效地解决了矿井防(灭)火、密闭加固、废巷充填等安全生产问题[10]；隋涛配制出一种无毒、无味，使用安全的新型粉煤灰凝胶，60 ℃和80 ℃时的阻化率分别达到50%和70%以上[11]；王朝强等利用粉煤灰作为主要原料，研发出一种新型绿色防(灭)火灌浆材料，并深入研究其物理性能，发现在最佳配比质量分数下浆体的悬浮性好、黏度满足需要，流动性及固结强度相比于同条件下的黏土要好[12]；刘鑫研制了用于防止粉煤灰沉降的悬浮剂JXFl930[13]；文莹萍等通过加入不同量的羟乙基纤维素对粉煤灰灌浆材料的悬浮性进行了研究[14]。

粉煤灰虽已经有效应用于煤矿防(灭)火，但其应用过程中也存在一定的问题，如：管路输送过程中浆液会沉降到管底，使管路阻塞，影响输送效率[15]；研究多针对加入胶凝剂、悬浮剂等多种材料配制成的粉煤灰灌浆材料，对只加入悬浮剂配制成的粉煤灰悬浮胶体研究较少。

针对这些问题，开展只加入悬浮剂的粉煤灰悬浮胶体的研究。

本文从悬浮剂的性质、质量分数和悬浮胶体的悬浮率三个指标切入，展开对不同悬浮剂的粉煤灰悬浮胶体的悬浮稳定性进行研究。

1.1.1 沉降动力学粉煤灰悬浮体的沉降速率在初始阶段变化很大，随着沉降继续，逐渐处于平衡状态。

粉煤灰悬浮体的沉降与沉降平衡可以理解：悬浮胶体中粉煤灰粒子的密度，一般大于悬浮剂溶液，在重力场的作用下，由于悬浮胶体的动力不稳定性，粉煤灰粒子出现沉降；沉降使得悬浮胶体下部的质量分数增加，上部质量分数降低，破坏了它的均匀性；这样又引起扩散作用，下部质量分数较大的粒子将向上移动，使体系质量分数趋于均匀，使沉降趋于平衡；沉降与扩散可以看作是矛盾的两个方面，构成了整个体系的动力稳定状态。

假设粉煤灰粒子运动满足以下三个条件：(1)粉煤灰粒子的运动十分缓慢，周围液体呈层流分布；(2)粒子间距离无限远，即粒子间没有相互作用，粒子容器壁也无作用；(3)液相是连续介质。

则沉降速率计算公式为[16]由式(1)可知：沉降速度v与α2成正比，所以粉煤灰粒子的大小对沉降速度影响很大。

1.1.2 悬浮率粉煤灰悬浮胶体的悬浮效果用悬浮率表示，悬浮率计算公式为式中：hn为沉降结束时加悬浮剂粉煤灰层高度(或体积)，cm(或mL)；h为沉降结束时加水粉煤灰层高度(或体积)，cm(或mL)。

2.1 悬浮剂的选择根据文献[13]和实际防(灭)火应用的要求，选择悬浮剂应由易溶于水的材料构成。

这种材料分子周围有大量的电荷，靠电荷之间排斥力实现浆液中颗粒的均匀分布，这些分子通过静电力作用形成稳定的具有一定钢性的空间网状三维结构。

为优选出更有效的悬浮剂，使悬浮剂之间有更好地对比效果，本实验选择8种不同的悬浮剂进行研究，分别标记为SC1，SC2，SC3，SC4，SC5，SC6，SC7和SC8，各悬浮剂所属类型及其相关技术参数如表1所示。

2.2 实验过程及方法将悬浮剂SC1，SC2，SC3，SC4，SC5，SC6，SC7和SC8分别配制成质量分数为0.5%，1.0%，1.5%和2.0%的悬浮剂溶液100 mL，同时取不加任何悬浮剂的清水100 mL放入同样容器作空白对比，标记为SC0，静置使悬浮剂溶解完毕。

静置完毕后，在8种悬浮剂溶液和清水中各加入50 g粉煤灰，粉煤灰粒径应小于等于30目，配制成粉煤灰悬浮胶体和粉煤灰浆液，再静置约12 h。

实验采用沉降分析法，分别将粉煤灰悬浮胶体和粉煤灰浆液均匀地倒入100 mL量筒中(图1)，每隔1 min或5 min观察并记录沉降情况，沉降完毕后(图2)，用沉降分析法分析不同悬浮剂的悬浮效果，并采用Origin 8.0进行数据处理并绘图。

3.1 悬浮剂性质对粉煤灰悬浮胶体稳定性影响图3表示不同悬浮剂在不同质量分数下对粉煤灰悬浮胶体沉降速率影响，图3(a)～(d)分别代表质量分数为0.5%，1.0%，1.5%和2.0%的粉煤灰悬浮体沉降情况，各悬浮体沉降速率的具体变化规律如下。

(1)由图3(a)可知，各曲线变化不稳定，曲线波动较大，SC3和SC8达到沉降平衡所用时间最少。

3 min内，SC1，SC2，SC4，SC5，SC6和SC7悬浮胶体均起促进沉降作用，最大促进率达到140%(SC4)，沉降速率变化很快；3～8.5 min之间各沉降速率变化相对前一段减慢且到8.5 min时各沉降速率均小于SC0速率；8.5～15 min各沉降速率持续减慢，沉降至15 min左右，速率基本趋于一个固定的值(这个固定值小于SC0的最小沉降速率)，基本达到沉降平衡。

说明质量分数为0.5%时，SC3和SC8悬浮剂悬浮稳定性相对较好，但其他各悬浮剂对粉煤灰悬浮体的稳定性影响有限。

(2)由图3(b)可知，SC3与SC8曲线基本处于平滑横线状态。

6 min内仅SC4，SC7对粉煤灰悬浮体沉降速率起促进作用，促进率分别达到60%和40%；随着时间持续，10 min后各粉煤灰(除SC5外)沉降速率低至SC0速率以下，仅SC5在13～20 min沉降速率大于SC0沉降速率；沉降约20 min均达到相对平衡状态。

说明质量分数为1.0%时，SC3与SC8悬浮稳定性最好，SC4，SC7悬浮稳定性相对最差，SC5在沉降中期沉降速率变化较慢，相较于SC1，SC2和SC6悬浮稳定性较好。

(3)由图3(c)可知，除SC4曲线外，各悬浮胶体沉降速率曲线较平滑，趋势也较平缓，尤其SC3与SC8速率基本不变，曲线更处于横线状态。

沉降5 min内，只有悬浮剂SC4对粉煤灰悬浮体沉降起促进作用，促进率达到40%；除SC3与SC8外，SC7达到平衡所需时间最少仅约18 min，但其初始沉降速率较大，为4mL/min，仅次于SC4；悬浮剂SC5的初始沉降速率为3 mL/min，仅次于SC7，其沉降速率变化在18～40 min起促进作用，40 min后达到沉降平衡；其他悬浮剂的沉降平衡时间约30 min。

说明质量分数为1.5%时，SC3与SC8悬浮稳定性仍最好，SC4悬浮稳定性相对最差，SC1，SC2，SC6和SC7悬浮胶体的悬浮稳定性相对SC5均较好。

(4)由图3(d)可知，质量分数为2.0%的悬浮剂对粉煤灰悬浮体沉降均起抑制作用，特别是SC1，SC3与SC8，沉降速率从初始到结束一直变化不大，整体趋于平稳；各悬浮体沉降至35 min后，除SC5外其他粉煤灰悬浮体的沉降均达到平衡状态，SC5在58 min左右才达到沉降平衡。

说明SC1，SC3与SC8在质量分数为2.0%时所成悬浮胶体的稳定性好，SC5稳定性相对最差。

结合图3中各悬浮胶体的沉降速率变化规律，可得沉降速率变化的总体特征：粉煤灰沉降速率出现类似“L型”规律性变化，悬浮胶体沉降到一定时间均达到平衡状态；SC3和SC8粉煤灰悬浮体沉降速率在各质量分数时变化均不大，沉降一直处于相对平衡状态，说明SC3和SC8悬浮胶体稳定性好；在同一时刻不同悬浮剂的沉降速率变化不同，不同悬浮剂对粉煤灰悬浮体的稳定性影响不同。

分析其原因：在沉降初期，粉煤灰粒子受重力作用发生沉降，由于粉煤灰粒子之间和粉煤灰粒子与悬浮剂粒子之间会产生相互作用，而不同悬浮剂粒子间相互作用力不同，且不同粒子对粉煤灰粒子的相互作用力也不同，使得不同悬浮胶体的沉降速率均不同，速率变化趋势也不尽相同[12,17]。

3.2 悬浮剂质量分数对粉煤灰悬浮胶体稳定性影响8种不同质量分数的悬浮剂对粉煤灰悬浮体沉降速率的影响如图4和图5所示。

从图4和图5可以看出：质量分数越小，初始沉降速率越大，最大沉降速率高达12 mL/min(0.5%的SC4，其2.0%质量分数的初始沉降速率4 mL/min)，最小沉降速率为1.5 mL/min(0.5%的SC8，其2.0%质量分数的初始沉降速率仅为0.06 mL/min)；质量分数越大，速率变化越小，最大速率变化仅1 mL/min(2.0%的SC7)，最小速率变化为0 mL/min。

说明悬浮剂的浓度对粉煤灰悬浮体的沉降速率影响很大，质量分数越大，悬浮体越稳定。

如图4(c)和图5(b)、图5(d)所示，SC3，SC6和SC8在质量分数为1.0%，1.5%和2.0%时速率曲线均较平稳，速率变化较小，达到沉降平衡时间均较短，约10 min。

说明SC3，SC6和SC8这三种悬浮剂的质量分数在<1.0%时，对其沉降速率影响相对较大，质量分数≥1.0%时，对其沉降速率影响变得很小。