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1、目录1第二章 脱水作用原理及其基本概念162.1电渗透脱水162.2电化学预处理法（电解还原法）172.3 机械脱水192.3.1过滤及脱水基本原理192.3.2恒压过滤192.3.3脱水方式192.3.4过滤脱水的影响因素202.4絮凝理论202.5 表面活性剂的助滤机理212.5.1 表面活性剂的分类222.5.2 表面活性剂作用机理24第三章 实验部分263.1实验原料263.2 实验原理283.2 实验装置303.3 实验工艺流程图303.4 实验仪器及试剂313.4.1试剂313.4.2仪器313.5 实验步骤32第四章 实验内容344.1 电解电压对细粒煤脱水效果的影响344.2
2、煤浆浓度对细粒煤脱水效果的影响374.3 电解时间对细粒煤脱水效果的影响414.4 电解质对细粒煤脱水效果的影响454.4.1 不同价态阳离子对细粒煤脱水效果的影响454.4.2 不同价态阴离子对细粒煤脱水效果的影响554.5表面活性剂对细粒煤脱水效果的影响624.4.1 阴离子型表面活性剂对细粒煤脱水效果的影响624.4.2 阳离子型表面活性剂对细粒煤脱水效果的影响674.4.3两性表面活性剂对细粒煤脱水效果的影响734.5 正交试验774.5.1因素与水平的选择784.5.2 正交试验设计方案及结果784.5.3 试验结果的直观分析794.5.4 方差分析81第五章 分析、表征及机理探讨8
3、25.1 FTIR分析825.2 热重分析835.3 XRD分析845.4.电化学脱水的机理探讨86第六章 结论及展望867.1 结论867.2展望86参考文献88致谢90附录91攻读硕士研究生期间发表的学术论文92I第二章 脱水作用原理及其基本概念2.1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11。1931年Schwerin利用电渗透现象进行了泥炭脱水的应用实验,但是由于电渗透的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
4、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12。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13。1989年,日本铃木等人首次将电渗透脱水应用于食品领域14。李里特等人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)胶体中的水分采用电渗透技术脱水，具有较高的脱水效率;
5、(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;(5)电渗透的应用受到物料的电特性影响.对食品蛋白的电渗透脱水的条件与模型及机理进行了分析.电渗透原理由动电现象而来.基于Helmholtz模型,Debye-Huckel提出了脱水浆料层中电渗透液体流速公式:() 2式中U为脱水浆料层中液体电渗透流速,为液体的介电常数,k为粒子形状系数,为液体粘度,E为脱水层电场强度。目前，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的电特性限制。Yoshida对膨润土层进行了压力脱水、电渗透脱水
6、以及电渗透结合压力脱水的对比实验,发现电渗透与机械脱水的脱水速率及脱水量都大于单独的脱水方法。李里特等人采用电极短路、交变电场、电渗透脱水与机械脱水相结合、多段电极或在电极与物料处加去极化物质的方法，进行试验，结果都可提高电渗透速率提高电渗透流量,降低物料的最终含水量。1999年,Orsal等将电渗透脱水和机械压榨结合起来运用于生物原料的脱水,并且已经有了实际应用 15。 2. 电渗透脱水的机理一般胶体粒子靠吸附或电离使其带有一定的电荷，带电胶体粒子靠静电吸引带相反电荷的离子，形成双电层。双电层内反离子一方面受到胶体表面电荷的静电吸引，使之靠近固体表面，另一方面由于离子本身热运动，力图离开固体
7、表面，形成靠近固体表面处浓度最大，离固体表面愈远浓度愈低。带电胶粒与邻近表面的反离子构成一层厚度为两三个分子直径的紧密层。紧密层之外分布的反离子层为扩散层。紧密层与扩散层之间为滑移界面。滑移、界面与溶液内部的电位差为电位。在固体移动受到限制的系统中施加电场，扩散层中的离子沿滑移界面向电极移动，同时促进了水分子的移动，对于负电位的胶粒，全部液体受到向负极运动的力，电渗透脱水开始进行。由Debye-Hrekel公式知电渗透速率16() 2其中:E电场强度，电位，液体介电常数，p液体粘度，K粒子形状系数11。2.2电化学预处理法（电解还原法） 电解还原法是在电解槽内进行的, 在阳极进行氧化反应, 在
8、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
9、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电子发生转移。(2) 煤从液相主体扩散到电极表面, 进行电子转移、化学反应, 反应产物再通过扩散进入液相主体. 反应过程可能如下:醚键还原：RCH2OCH2R4H+e RCH3+RCH3H2O,羟基还原：ROH2H+e RHH2O,羰基还原ArRCO2H+2e ArRCHOHH2O,羧基还原RCOOHH+e RHCO2,RCOOHH+e RCHOH2O RCHOH+e RCH2OH RCH2OH H+ e RCH3H2O(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, 它具有较高的能量。H+e H
10、然后, 活泼H与煤表面的-OH , -O- , =CO , -COOH 作用,ArOHH ArH2O ,ArH ArH ,ArAr ArAr同理, H与=CO , -COOH 作用, 反应过程与上述类似。(3) 支持电解质的作用当用NaCl 作支持电解质时, 反应机理推测为nNa+ne nNa, nNacoal nNa+coal-, coal- H+ coalH 172.3 机械脱水2.3.1过滤及脱水基本原理 过滤是给多孔过滤介质两侧施加压力差而将悬浊液过滤分成滤渣和滤液两部分的固液分离单元操作。过滤过程中待处理的悬浊液称为滤浆（slurry）,所用的多孔介质称为过滤介质（filtratio
11、n medium）,通过介质孔道的液体称为滤液(filtrate)，被多孔介质截留的物质称为滤饼（filtration cake）。 当悬浊液中的固体颗粒的体积浓度低于0.1%时，固体颗粒大小比过滤介质表面的孔径小的多时，固体颗粒没有在过滤介质表面被截留而进入过滤介质的多孔通道内部，由于碰撞、吸附及静电吸引等相互作用，主要靠滤材层表面的物理或化学作用捕集分离，这种过滤方式称为澄清过滤或内部过滤。当固体颗粒的体积浓度大于0.1%时，颗粒到达过滤介质表面由于颗粒大小和相互间“架桥”作用，固体颗粒被滤材表面截留堆积形成滤渣层，起着滤材过滤作用，称为滤饼过滤或表面过滤。后一种过滤方式适用于煤泥水的处理
12、。 产生压力差（过滤过程中的推动力）的方法有三种：（1）依靠煤浆自身厚度的静压力；（2）在过滤介质的一侧造成负压（如真空过滤脱水）；（3）在过滤介质的一侧造成正压（如加压过滤脱水）。 根据脱水过程中推动力的变化，可分为恒压过滤和恒速过滤两种，恒压过滤在过滤过程中压力保持不变；恒速过滤在过滤 过程中过滤速度保持不变。本试验中，采用恒压过滤。2.3.2恒压过滤 恒压过滤开始时，滤液只需克服过滤介质的阻力，当滤饼逐渐形成后，滤液还需克服滤饼自身的阻力。滤饼是由颗粒堆积而成的，亦可视为一种多孔性过滤介质，孔道属于毛细管，故真正的过滤层包括滤饼和过滤介质。由于过滤介质中的毛细孔道的直径常稍大于部分悬浊液
13、煤浆颗粒直径，在过滤开始时，会有部分细小颗粒穿过过滤介质而使滤液呈浑浊状态，此后由于固体颗粒在孔道中迅速发生“架桥作用”，使得尺寸小于孔道直径的细小颗粒也能被截留，滤饼开始形成，滤液亦变得澄清，从而过滤开始有效的进行。在过滤过程中，起主要分离作用的是滤饼层，而非过滤介质。2.3.3脱水方式 常见的机械脱水方式有以下几种：（1）真空过滤：真空过滤是80年代广泛使用的机械脱水方式，它是将比较粗大的固体颗粒通过真空泵吸附在滤布上，利用滤布两侧的压力差进行过滤，以脱除表面水为主。它的特点是连续运转，操作平稳，整个生产过程可实现自动化，处理大，适应于各种脱水作业；但其缺点是脱水前必须进行预处理，附属设备
14、较多，工序较为复杂，运行费用较高。（2）加压脱水:加压脱水和真空脱水的基本原理一样，只是推动力不同而已，加压脱水是正压过滤，真空过滤是负压过滤，加压过滤是的压力可达4-8Kg/cm2，故推动力远远大于真空过滤。由于加压脱水时的推动力大，故而滤饼含水率较低。2.3.4过滤脱水的影响因素 (1)固体颗粒的种类及性质 固体颗粒的性质直接影响固体颗粒的脱水效果，固体颗粒粒径的大小及其分布决定过滤脱水的难易程度。 （2）过滤的压力 一般来说，真空度越高，滤饼厚度越大，含水率越低，但由于滤饼增厚，过滤阻力增加，不利于过滤脱水；此外真空度的提高，使动力消耗增加，从而增加处理成本。 （3）药剂的种类及用量 试
15、验过程中用到许多表面活性剂及电解质，故选择合适的电解质及表面活性剂种类及用量对控制成本有显著影响。 （4）过滤介质 过滤介质的性能影响着过滤压力、过滤差率、滤液-悬浮物浓度及滤饼的剥离性能，过滤机械不同，采用的过滤介质不同。2.4絮凝理论 絮凝是指胶体脱稳后（或由于高分子物质的吸附架桥作用）聚集成大颗粒絮团的过程。其主要机理如下：压缩双电层作用产生凝聚、吸附电中和作用、吸附架桥作用产生絮凝、网捕作用产生絮凝。 （1）压缩双电层作用 胶团双电层的构造决定了在胶粒表面出反离子的浓度最大，随着胶粒表面向外的距离越大，则反离子浓度越低，最终与溶液中的离子浓度相等。当向溶液中添加电解质，使溶液中的离子浓度增加，则扩散层的厚度变小。当两个胶粒相互接近时，由于
