淀粉作为絮凝剂在固液分离中的应用

淀粉作为絮凝剂在固液分离中的应用

王丛飞

（武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北，武汉，430081）

摘要：本文综述了淀粉的物理化学性质,分子结构和构造，对淀粉的絮凝机理做了分析研究，并展望了淀粉在固液分离中的应用，为以后科学的利用淀粉作指导。

关键词：淀粉絮凝剂固液分离

选矿产品在沉降浓缩过程中，矿浆的澄清速度和所得浓缩产品的质量，在很大的程度上决定于矿粒的大小。粗颗粒很快沉降，其沉淀物含水也很少；而胶体颗粒因其所受的重力作用，已被表面能和布朗运动所平衡，在矿浆中能长久保持悬浮状态而不沉降。目前因矿石品位变低，各种有用矿物的加工粒度日趋变细，有时小于0.043毫米的粒级含量高达80~90%。其中含有相当数量的小于5~10微米的微细粒。用自然沉降法浓缩这种矿浆时间长，需要的沉降面积也较大。为了强化浓缩（澄清）过程，通常必须加入适量的絮凝剂使分散的细颗粒聚合为较大的凝聚体，加速沉降。

在选矿厂的精矿和尾矿浓缩、水冶生产的逆流洗涤、环境保护和废水回收等部门，越来越多地采用絮凝浓缩技术。

生产中经常使用的凝聚剂和絮凝剂有两种类型：一种是电解质类的凝聚剂，如石灰、硫酸、硫酸铝、氯化铁及硫酸铁等。它们在水中溶解后产生离子，改变分散颗粒的表面电性，减小细颗粒之间的静电排斥力，使细颗粒在机械运动过程中互相碰撞而结合成较大的凝聚体。另一类为天然的或人工合成的高分子有机化合物。如淀粉、糊精、马铃薯渣、明胶、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇等。这类絮凝剂是多糖类高分子化合物，其分子具有长线形并包含大量的羟基官能团。这些分子依靠羟基官能团中的氢形成氢链而吸附在矿粒上。由于这些多糖类分子很大，能够以其中一部分吸附在悬浮液的一个颗粒上，而另一部分吸附在另一颗粒上，这样就把矿粒联系起来成为凝聚体。

人工合成的高分子有机化合物可分为A类絮凝剂和B类絮凝剂两类。分子量介于

1~20×1026。以聚丙烯酰胺为基体的非离子型、阴离子型及阳离子型的高分子有机化合物为A类絮凝；B类絮凝剂大部分是分子量较低的（5×105）并且具有较强的阳离子性质的高分子有机化合物。

淀粉是一种可再生的天然高分子化合物,大量储存于植物的根茎和果实里,来源十分丰富，在各行业中得到了广泛的应用。在选矿过程中也常常将淀粉作为絮凝剂，用于固液分离中。

1.淀粉的来源

淀粉主要来源子粮食作物(如:玉米、木薯、米、小麦、马铃薯和大豆类等)，同时，许多野生植物的果仁中含有淀粉。如，橡树(遍布在我国东北、西北、中南、西南诸省的山区中)，其橡子果仁含淀粉高达50-60%，而且，橡子的总产盆每年达4百万t以上。

2.淀粉的结构和构造

淀粉是一种高聚合的碳水化合

物，其分子式为（C6H10O5）n，分

子结构如下:

直链淀粉由α一葡萄糖中的1、4碳上的氧原子经缩水结合而成。直链淀粉平均含有n =200一300个葡萄糖单元，分子里相当于32000一160000。支链淀粉是在直链淀粉的主链上，每隔n=20一30个单元有一个支链，支链一般是从1、6两个位置引人，有时也在1、3处引入。普通淀粉中含有25%的直链淀粉和75%的支链淀粉，所以，普通淀粉的分子童要比单纯的直链淀粉高。一般是从5万到几百万。正因为淀粉分子既大又长，使得它在矿物表面的吸附产生许多效果。

3.淀粉在矿物表面的吸附现象

Balajee S.R.和Iwasaki对不同的淀粉在不同的矿浆pH值条件下，在石英和赤铁矿上的吸附现象进行了研究。结果发现:

(1)四种不同的淀粉在石英和赤铁矿上的吸附量随着pH值由小变大，其吸附盆按下列顺序递减。

阳离子淀粉的吸附量>普通淀粉>阴离子淀粉的吸附量。

(2.)随着pH值的升高，阳离子淀粉在石英和赤铁矿上的吸附量升高，而阴离子淀粉、普通淀粉和糊精的吸附量则随pH值的升高而降低。

(3)阳离子淀粉在石英表面的吸附量(pH=7-11之间)，总是高于在赤铁矿上的吸附量。而阴离子淀粉则恰恰相反。

(4)糊精和普通淀粉的吸附非常相似，只是糊精的吸附量低于普通淀粉的吸附量。

如图所示各种淀粉在石英(Q)和赤

铁矿(H)上的饱和吸附量与矿浆pH值

之间的关系图。从图中可以得出以上

四条规律。根据Iwasaki分析，图中阴

离子淀粉在赤铁矿上的吸附曲线在吸

附量τ=0.05mg/m2以下，存在明显

的实孙误差.他们认为:淀粉在矿物表面

发生吸附是一通过三种作用力实现

的。其一，淀粉在矿浆界面通过静电

作用产生吸附，即:淀粉与带相反电荷

的矿物表面静电相互吸引发生吸附。

其二，就是氢键的作用，淀粉分子中

的活性基团，-OH-,-COOH，与矿物表

面的H+和OH-发生氢键作用引起吸

附。其三，就是淀粉分子中碳链的

“挤压”作用.而且，他们还认为:阳离

子淀粉和阴离子淀粉是通过氢键和静

电引力产生吸附的;而普通淀粉和糊精

则是通过氢键和“挤压”作用来实现

的。对于碳链的“挤压”作用，人们认为是烃链的疏水性，使得淀粉以分子状态或半胶束状态吸附于矿物表面。另外，淀粉分子的结构不同，直接影响着它与矿物之间的静电作用、氢键作用和“挤压”作用，不同结构的淀粉在矿物表面的吸附也不同。

4.改性淀粉絮凝剂

改性淀粉絮凝剂具有天然改性有机高分子的特点，其中包括无毒、可以完全被生物分解、在自然界形成良好循环等特点。

自然界中天然碳水化合物年产量达5000亿吨，其产量远远超过其他有机物。这类天然高分子化合物含有各种活性基团，如羟基、酚羟基等，变现出较活泼的化学性质，通过

羟基的酯化、醚化、氧化、交联、接枝共聚等化学改性，其活性基团大大增加，聚合物呈枝化结构，分散了絮凝基团，对悬浮体系中颗粒物又更强的捕捉与聚沉作用，提高了絮凝效果以满足不同混凝沉淀工艺的要求。

5.影响淀粉絮凝过程的主要因素

的性质

淀粉的性质

5.1淀粉

5.1.1淀粉的性质和结构

絮凝剂的性质和结构对絮凝作用的影响很大。对于淀粉絮凝剂，絮凝剂的官能团对絮凝剂的性质起着决定性的作用。因为不同的官能团，其极性、亲水性、电荷性质及电荷中和能力对颗粒的吸附和反应等都不相同。一般来说，淀粉为线型结构时絮凝效果好；为环状或支链结构时絮凝效果差。

5.1.2淀粉的相对分子质量

选用的絮凝剂相对分子质量与絮凝对象和条件有关。絮凝剂的相对分子质量太小，不利颗粒的捕集和桥连作用，不能形成良好的絮体，所以相对分子质量不宜过小。一般条件下，应选分子质量不小于300000的淀粉作为絮凝剂。而且，絮凝剂的相对分子质量越大，絮凝效果越好。但相对分支质量也要恰当，其准则是能将颗粒絮凝沉淀下来并能产生良好效果即可。

5.2絮凝过程工艺条件

5.2.1pH

一般情况下，非离子型絮凝剂适合于从强酸性到碱性的环境中使用。阴离子型絮凝剂适合于在中性和碱性的环境中使用。

5.2.2搅拌速度和事件

由于淀粉相对分子质量很大，结构单元多，大分子的伸直长度可达几微米，故不能经受强烈搅拌的剪切作用，否则极易断链（降解作用），因此，必须控制搅拌强度使水介质不形成湍流。

在实际应用中，开始搅拌是速度梯度值采用100/s，到最终搅拌阶段梯度值以10/s为宜，梯度值过大会剪切形成絮粒。

5.2.3温度

水溶液的温度最好在20℃~30℃。水温过高时，化学反应速度加快，形成絮凝体细小；同时会使絮凝体的水合作用增加，产生的絮凝含水量高、体积大、难处理。水温过低时，增大了水的黏度，黏度大增加了水对絮凝体的撕裂作用，是絮凝体变得细小，不易分离；另外低温时，淀粉的水解反应慢，水解时间长，影响处理量和处理效果。

5.2.4淀粉的用量

絮凝剂的用量与溶液中颗粒物的含量有关，絮凝效果一般随淀粉的用量增加而增强。但淡粉的用量达到一定值时，会出现最佳絮凝效果，再增加用量反而絮凝效果下降，当淀粉过量较大时，还会使所形成的絮体重新分散。