气浮滤池不宜用无烟煤作滤料的原因

气浮滤池不宜用无烟煤作滤料的原因

一、问题的提出

1978-1980年期间，我们在黄石市青龙山水厂，针对该水源浊度低、含藻量高的水质情况，采用气浮滤池进行了试验研究，取得了较好的成果。气浮滤池的试验装置如图1。

在图1中，我们曾用无烟煤和石英砂组成的双层滤料进行了试验，在试验中多次观测到以下一些现象：

1、尽管气浮澄清区的水质浊度平均已达6.3毫克/升，有时甚至小于5毫克/升，但进入厚为60厘米的双层滤料层中过滤时，过滤周期始终上不去，只能平均维持在5小时左右，有时甚至还要短些。如再不进行反冲，由于滤料层，特别是无烟煤滤料层的水头损失就会急剧增加，形成负水头而导致正常过滤状态的破坏。

2、图2（a）、（b）、（c）是沿无烟煤滤料层的不同厚度，多次观测得到的水头损失随时间变化的情况。从图2（a）可以看出，层厚仅4厘米的煤滤料层，在过滤周期不到6小时情况下，其水头损失多数均高达60-80厘米；从图2（b）可以看出，层厚仅14厘米的煤滤料层，在过滤周期不到6小时的情况下，其水头损失多数均高达95-127厘米；从图2（c）可以看出，总厚度为27厘米的煤滤料层，在过滤周期不到6小时的情况下，其水头损失竟高达115-137厘米。试验还清楚表明：在过滤时，滤料层的整个水头损失几乎均发生在无烟煤滤料层内，而且尤以煤层表面以下14厘米的厚度范围内水头损失增加较快。

3、多次观测到从无烟煤滤料层表面向下，粘附有为肉眼所见的、粒径为0.5-0.6毫米左右的微气泡，呈葡萄串状聚结在煤粒表面及其间隙中。这些微气泡的数量，随着过滤时间的增长而增多，并且缓慢地向滤层深处延伸。

4、当整个滤料层的水头损失超过滤料层表面以上的有效水深后，试验人员关闭滤池出水管上阀门准备进行冲洗，而又尚未开启冲洗水管阀门时，就能见到有许多微气泡以及粘附有许多微气泡的细小煤粒，以很快的速度从煤滤料层中冲出浮升至水面。而当冲洗水管阀门开启后，大量粘附有微气泡的煤粒以较快的速度向上浮升，其紊动的程度犹如点燃的焰火那样快速、急烈，致使大量的煤粒随冲洗水流失。

5、冲洗后期，当降低冲洗强度后，整个无烟煤滤料层处于悬浮膨胀状态，但在波动的无烟煤滤料层面上，仍粘附着一层粒径为1.5-2毫米的微气泡，呈均匀密布，并随煤层表面一起波动，不再与煤粒分离，直到人为地用耙子强烈搅动煤层后，方能使微气泡与煤粒脱离而浮升至水面消失。

以上现象给我们提出了一个发人深思的问题：为什么微气泡与无烟煤粒如此易于粘附，而且当冲洗强度降低后，部分微气泡继续牢固地粘附在煤滤料层表面不再脱离？

二、无烟煤粒与微气泡粘附的理论分析

微气泡与无烟煤粒为什么会如此易于粘附，而且又粘附得如此牢固呢？这显然与无烟煤粒本身的物化特性及微气泡的矿化特性有关。据我们分析，其主要原因有以下几个方面：

1、无烟煤的天然疏水性能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

无烟煤主要由碳原子环所组成。其基本结构单位为六角形的碳原子网格，如图3所示。由于碳原子环具有对称结构，使所有原子间的力均较大限度地被限制在分子的内部。因此碳原子网格的平整表面对水分子的吸引力便很弱，使得无烟煤具有天然的疏水性能。试验表明，在不投加任何表面活性物质的情况下，微气泡与无烟煤粒表面接触时，亦能发生十分牢固的粘附作用。

2、无烟煤的高碳化度能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

无烟煤的含碳量高达94.12%，均高于其它煤的含碳量。虽然无烟煤的网格周围也连带着极性的、亲水的各种基（如羟基、羧基、磺基等）和含氧官能团的分子键，但随着煤碳化程度的逐渐增高，亲水的各种基和含氧官能团便逐渐被分解，非极性的碳原子网格所占有的面积便逐渐增加，取向也愈加规则，范德华氏键力便愈加微弱，从而使得煤的疏水性随着碳化程度的增高而逐渐增高。

3、无烟煤的明显光泽性能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

不需借助仪器便可清晰地看到，无烟煤粒具有明显的光泽。这种光泽的增加，反映出煤粒的浮游性在不断提高，同时也反映了煤粒中碳素的高度集中。此外，无烟煤的挥发分含量在各种煤中为较低（2.66%）。试验表明，随着煤的挥发分含量的减少，便发生碳素的集中，并能生成被碳氢化合物所遮盖的十分疏水的解理面。此种碳氢化合物的结构为碳氢键，是非极性的。而非极性物质分子的电子是不能进行交换的。加之它们又具有对称结构，对水分子的吸引力很弱，因而其解理面通常是沿着横过较弱的分子键的结晶面而生成。无烟煤所强烈表现出来的明显光泽性的平面正是这些解理面。正如选矿工作者的经验所指出，如果矿物颗粒中具有玻璃状或油脂状光泽时，利用浮选法就能容易被分选出来，其道理就在于这些光泽的解理面具有强烈的疏水性所致。

4、无烟煤的大湿润接触角（θ）能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

实践证明，煤粒与气泡粘附的牢固性与润湿接触角的变化有关，其关系可由卡巴诺夫-弗鲁姆金方程式来表征：

F=πασsinθ

=Vgρ+πd/4(2σ/R-Hgρ)

式中：

α-粘附轮廓的直径（厘米）；

σ-表面张力（达因/厘米）；

θ-润湿接触角（度）；

V-气泡的体积（厘米³）；

ρ-水的密度（克/厘米³）；

R-气泡顶部的曲率半径（厘米）；

H-气泡的高度（厘米）；

g-重力加速度（厘米/秒²）；

F-固体表面上维持气泡的力（达因）。

由上式可以清楚看出，在颗粒表面上维持气泡的力（F）等于表面张力的垂直分力（σsinθ）与气泡粘附的三相接触周边长（π·α）的乘积。而在静止条件下，F的大小则决定于静水压力与气泡内部的气体压力之和。通过该式不但可以将气泡粘附在煤粒表面的牢固程度计算出来，而且从该式中还可看出，气泡在煤粒表面上粘附的牢固性，是随着润湿接触角的增加和三相接触周边的增长而增强的。而各种煤的润湿接触角均较大，无烟煤为73度。所以，它能与微气泡发生牢固粘附。

5、无烟煤的弱水化性能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

试验表明，微气泡的粘附还与无烟煤中所含吸附性的甲烷（CH₄）有关。列宾捷尔证实，C、H化合物是不溶于水的疏水物质。所以，煤中含吸附性的甲烷越多，则煤粒与气泡粒粘附得就越快。同时并使煤粒表面水化膜的稳定性显著降低、变薄而引起自由能的迅速减少，直至有自行破裂的可能。如果使气泡与具有这种弱水化性的颗粒表面接近，则水化膜无需外力作用就会在自发作用下自行破裂，从而使得气泡很难粘附在煤粒表面上。

6、无烟煤粒的不规则表面，能促使煤粒与微气泡牢固粘附。

无烟煤粒表面的凹凸不平度，对煤粒的可浮性有独特的影响。选矿实践表明，具有棱角和凹凸不平表面的矿粒，一般能提高颗粒的可浮性。浮游选煤结果也表明，浮选具有尖角的碎煤粒比滚圆煤粒容易。其原因就是这些煤粒的尖棱和凸出部分，能显著地提高三相接触边界的稳定性，从而能促使煤粒在气泡上粘附得稳定、牢固。在模型气浮滤池的运行中也同样可观测到，上部溶有部分微气泡的澄清水，在滤层表面以上有效水深的静压作用下，随过滤水一起向下进入无烟煤滤料层时，便在煤粒表面逐渐结成0.5-2毫米直径的微气泡，密布在煤粒的表层上，形成气絮状煤粒（如图4所示），并逐渐向滤层深处延伸。这时的气泡表面已达到较大程度的矿化，因而也就具有很高的浮升速度。加之，无烟煤粒的比重多在1.4-1.6范围内，远较其他滤料的比重为轻，从而缓和了挣脱力的作用。所以，只要滤池一停止过滤，气絮严重的煤粒，就会以很高的速度从煤层中冲出并浮升到水面。当开启冲洗阀门进行反冲洗时，整个滤料层处于悬浮状态。其中凡是被气絮的煤粒，均能从悬浮状态的煤层中冲出向上浮升。其气絮严重的煤粒并将随冲洗水流失；气絮较轻的煤粒，则浮升到一定高度挣脱气泡后，在自重作用下再降落到悬浮的煤层中。

7、微气泡的矿化作用系数大，有利于气泡与煤粒牢固粘附。

煤粒表面具有很高的浮游活动性，为微气泡的矿化创造了有利条件。试验表明，微气泡与无烟煤粒碰撞次数愈多，则微气泡表面的矿化作用就愈大，气泡表面的利用率就愈高。如果在煤粒上已粘附部分微气泡，那末当较大的微气泡向煤粒接近时，由于气泡半径的不同，两者的所受压力便有所差别，在此压差的作用下便能导致气泡之间的夹层破裂。因而微气泡的存在，起到了一种特殊的浮选活性剂的作用。气浮滤池模型试验中所观察到的0.5-2毫米直径的气泡，牢固地粘附在无烟煤粒的表面上，正反映了微气泡的这种特殊的浮选活性剂作用的存在。

8、微气泡的传氧速度快，有利于气泡与无烟煤粒牢固粘附。

由于压力溶气水经过释放器突然减压后，产生出大量粒径为50μ左右的微气泡，使相应的气-液接触面积大大增加，这样结果就增加了氧的转移机会。

大家知道，小于0.05毫米的微气泡，在水深为0.95-1.0米时便能100%溶解。那么对于50微米直径左右的微气泡，在滤池水深1.2-1.5米的情况下，其溶解度必然亦为100%。经测定当原水溶解氧为4毫克/升时，经压力溶气后，溶解氧高达6-7毫克/升。从浮游选矿的实践表明，正是由于水中溶解了这些氧气，进一步改善了煤粒的浮游性，提高了煤粒与微气泡的附着速度和粘附强度，促进了微气泡更好地矿化。因此，当气浮区下部含氧浓度增高了的澄清水向下通过无烟煤滤层时，便能促进无烟煤粒与水中的微气泡粘附，结成较牢固的气絮状煤粒，导致煤滤料颗粒孔隙被气泡所堵塞。

三、结论

通过上述八个方面的分析，说明了为何微气泡与无烟煤粒如此易于粘附，而且又粘附得如此牢固。同时也说明了在反向冲洗滤层时为何煤粒容易随冲洗水流失的原因。为此建议：

（1）在气浮滤池中不宜采用无烟煤作滤料。否则，将导致滤料层的严重气塞，影响气浮滤池净化能力的发挥。

（2）作为气浮滤池的滤料仍以石英砂为宜。其粒径可选用0.5-1.0毫米。砂层厚度可取60-70厘米；垫料层粒径可选用2-4、4-8毫米，层厚各为10厘米。滤板采用穿孔板，开孔比为1-2%，其上铺36目/英寸尼龙网一层。滤速采用8-9米/时；反冲洗强度采用14-16升/秒·米²；滤层表面以上的有效水深采用1.2-1.5米。

上述建议已为武汉、苏州自来水公司所采纳，他们将原铺设在气浮滤池中的无烟煤滤料层全部铲除，加厚了石英砂滤料层，从而收到了显著的澄清效果。