浮选精煤水分偏高一直是选煤厂急需解决的问题，水分 偏高会降低精煤的燃烧热量，造成大量水分的无效运输，同时 又会带来环境污染。目前我国选煤厂多使用真空过滤机选 煤，为强化浮选精煤的脱水，一方面可以提高过滤设备的压 差，另一方面可以在煤浆加入絮凝剂、助滤剂辅助脱水，操作 简单，效果较好。

聚丙烯酰胺(PAM)是研究、开发和使用最多的聚合物助 滤剂。早在1950年美国氰胺公司就己经将聚丙烯酰胺工业 化生产。常用的聚丙烯酰胺有三种离子类型，即阳离子型、阴 离子型和非离子型。

非离子型聚丙烯酰胺是丙烯酰胺的均聚物，由于其有较 大范围的电荷密度，因此在给定的矿浆中可以有一种最佳的 卷曲构型，使其产生最佳的助滤效果。

阳离子聚丙烯酰胺是以丙烯酰胺为主与阳离子单体如2 一丙烯酰亚胺基一^甲基丙烷三甲基氯化铵、甲基丙烯酸乙 酷基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵等聚合而成，或将 聚丙烯酰胺‘阳离子化”。煤粒表面呈负电性，阳离子聚丙烯 酰胺用作絮凝剂或助滤剂，分子链既可以在煤粒间架桥，又可 以中和煤粒表面的负电荷，减少煤粒之间的排斥作用，有利于 聚集与絮凝，可提高脱水速度及降低精煤产品的水分。

阴离子聚丙烯酰胺可由丙烯酰胺与阴离子单体如烯丙基 磺酸钠、马来酰亚胺基苯甲酸、丙烯酸钠等聚合而成。聚丙烯 酰胺/丙烯酸钠是应用最多的一种阴离子聚合物絮凝剂，由于 丙烯酰胺与丙烯酸钠的Q值较接近(AQ= — 0. 15) e值相 差较大(△£= 1.40)，聚合时交替共聚的倾向较大，易形成理 想的交替共聚物，使阴离子单元在分子链上均匀分布。阴离 子絮凝剂在煤粒表面为环式或尾式吸附，易于在煤粒间形成 桥，对煤粒表面的双电层有压缩作用，且不易受矿浆pH的影 响。

两性聚丙烯酰胺分子中含有阴离子和阳离子，它们在分 子链中的分布与含量对分子链的卷曲形态有很大的影响，从 而影响其絮凝助滤效果。林芸、李万捷〔1]合成了两性聚丙烯 酰胺(APAM)并用来处理印染废水取得了较好的效果，认为 两性聚合物絮凝剂中的阳离子可以捕捉带负电荷的有机悬浮 物，适量的阴离子单元和中性单元可以促进无机悬浮物的沉 降，起絮凝助剂的作用。

我们合成了两性聚丙烯酰胺和阳离子聚丙烯酰胺，首次 对比研究了非离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺、阳离子聚 丙烯酰胺和两性聚丙烯酰胺（结构单元见图1)的助滤性能， 研究了助滤剂用量、矿浆pH值等因素对其助滤性能的影响. —CH2 —〒H —CH2—CH—CH2—GH—

C=OC=O

II

NHNH2

CH3—C—CH3

I +

CH2N+(CH3)C厂 两性聚丙烯酰胺

—CH2—CH —CH2—CH—CH2—

C=O

1C=O

1

1

NH

1NH2

CH3—C—CH3

CH2N+(CH3)C「

阳 离子聚丙烯酰胺

■CH2—CH—CH2—CH — | |—CH2—CH—— |

C=O CDC=O

1

1 1

NH2 (厂 Na+1

NH2

阴离子聚丙烯酰胺非离子聚丙烯酰胺

图1 四种聚丙烯酰胺的结构单元

1实验

1. 1 两性聚丙烯酰胺的合成 1. 1 1 试剂

氯化钠，过硫酸铵，甲醇，均为分析纯。

丙烯酰胺（AM) 2—丙烯酰亚胺基一2—甲基丙烷三甲基

表2助滤剂的类型及离子含量

序号离子类型离子含量

非离子—

2阴离子30

3阳离子24. 5

4两性阳离子阴离子10:10

5两性阳离子:阴离子12:6

6两性阳离子:阴离子7:10

氯化铵(AMPTAC)，丙烯酸钠（NaPA)，分析纯，日本进口。 1.1.2 反应过程

将一定比例的AM、AMPTAC及NaPA溶解在100 mL 水中，加入3%的NaCl放入三颈瓶中，通氮气并升温至30 ，缓慢滴加过硫酸胺稀溶液，反应30 min后升温至90 ~ 100 °C加入分子量调节剂，继续反应2~ 3 h反应完全后将反应 液边搅拌边加入到甲醇溶液中，将析出的物质抽滤后于50 °C 时在真空烘箱中干燥48h，测定其分子量和结构^

按上述方法合成以AM和AMPTAC为单体的阳离子聚 丙烯酰胺。

1.1.3产物结构鉴定

按照中华人民共和国国家标准GB12005 1—89〈聚丙烯 酰胺特性粘数测定方法》中的稀释法测定其特性粘数以表征 其分子量。

使用Digiab GTS—15C红外光谱仪测定产物的结构。

阳离子聚丙烯酰胺的红外光谱结构:伯酰胺的伸缩振动， 3 500~3 000 cm—、双峰；仲酰胺的伸缩振动吸收峰由于共轭 效应，向低频移动至3 200~ 3 000 cm_1，单峰，与伯酰胺在此 处的吸收叠加；饱和碳链的碳氢伸缩振动，3 000 ~ 2 800 cm 1单峰;羰基伸缩振动，1 700 ~ 1 650 cm 1宽峰；氮正离 子的弯曲振动，1 050 cm、

两性聚丙烯酰胺结构中的阳离子聚丙烯酰胺的红外光谱 构造与上相同，而羧基的伸缩振动，1 550 cm—^ 1 440 cm—、

PAM中各离子的含量根据Mayolewis公式进行计算 1. 2 过滤脱水实验 1. 2. 1煤样的制备

选用徐州大屯煤矿的浮选精煤，烘干和筛分，其粒度与灰 分如表1所示。

(3)滤饼产量：常用滤饼厚度来表示，对同一大小的抽滤 漏斗比较滤饼厚度就可以比较滤饼的产量。

(4)过滤速度：常用一定时间内获得的滤液体积表示^

2结果与讨论

2. 1 不同助滤剂的助滤性能

表1大屯浮选精煤的粒度与灰分

筛分粒度/mm

/%0. 50 〜0 0. 50〜0. 25 0. 25 〜0.125 0.125 〜0.0740. 074 〜0

含量1008.63 55. 6729. 765. 94

灰分9. 006.87 8. 4810. 6011. 15

从表3可知，聚丙烯酰胺对大屯浮选精煤有明显的助滤 脱水效果，两性聚丙烯酰胺的合成与助滤性能研究,滤饼水分降低3~5个百分点，过滤速度加快了一 倍，滤饼的产量增加了 3 ~4倍，滤液固含量也有明显的降低， 其中以阴阳离子含量相同的两性聚丙烯酰胺的助滤效果为最 好。根据聚合物共聚理论及单体AM，NaPA及AMPTAC的 Q值与e值可知，在两性聚丙烯酰胺的分子链上，阴离子单 元、阳离子单元和非离子单元交替分布，因此该化合物在煤粒 表面的吸附应为平躺式与环式、尾式的复合形式，阳离子与煤 粒表面通过电荷引力相结合，并中和煤粒表面的负电荷，阴离 子则通过与煤粒表面负电荷的排斥作用使分子链伸展在煤粒 间形成“桥”，并且可以减少分子链对煤粒的缠绕，防止难沉降 的絮团的形成，有利于煤粒的聚集与煤浆的脱水。

2. 2 助滤剂用量的影响

聚丙烯酰胺对煤浆的助滤脱水作用主要是通过在煤粒之 间架桥形成絮团来实现的，助滤剂的用量对絮团形成有很大 的影响。助滤剂用量少，形成的絮团的数量少，助滤效果差；

1.2.2助滤剂的选择

选择结构相近的四种离子类型的聚丙烯酰胺，分子量约 为300万，配制成5%的溶液，使用时稀释至1%(见表2)

1. 2. 3助滤效果的评价

使用助滤剂助滤脱水，一方面提高过滤速度，增加滤饼的 产率，另一方面主要是降低滤饼的水分和滤液中残留微粒的 含量。据此选定四个指标作为评价助滤剂助滤性能的指标。

(1)滤饼水分：指过滤后湿饼中的水分，它是判断过滤脱 水效果好坏的最直接的指标，助滤剂助滤脱水效果通常用它 所降低滤饼水分的百分数衡量(与不加助滤剂相比）

(2)滤液固含量（g/ mL )指过滤后的单位体积的尾煤水 中的固体物的含量，是滤液循环使用和排放的参照指标。

表3不同离子类型的聚丙烯酰胺的助滤效果

助滤剂滤液固含量 / g"L 1滤液体积

/ mL滤饼水分

/%滤饼厚度

/ mm

—14. 987539. 743. 83

13. 7414535. 4910. 00

25. 6213535. 1012. 60

34. 3414034. 8010. 00

43. 4813534. 2912. 50

55. 7012535. 2411. 00

64. 0812536. 327. 00

注:助滤剂的序号同表2

选用与实际生产相近的真空过滤装置，过滤条件为：两性聚丙烯酰胺的合成与助滤性能研究,煤浆 浓度200 g/L真空度0■ 04MPa助滤剂加入量为50g/t干煤， 过滤60s，脱水90s助滤效果见表3。

表4煤浆pH值对四种聚丙烯酰胺的助滤效果的影响

助滤剂煤浆

pH滤液固含量 / g ° mL 1滤液体积 / mL滤饼水分

/%滤饼厚度

/ mm

54. 0512534 609. 05

63. 9213535. 108. 95

非离子

PAM73. 8012034 509. 10

84. 1213035. 709. 25

94. 3013535. 659. 00

54. 4014034 309. 65

64. 0513534 069. 82

阴离子

PAM74. 1513535.109. 27

85. 0012036.108. 75

95. 2312035.758. 60

54. 1311034.629. 05

64. 0713035.038. 87

阳离子

PAM74. 8512035.008. 80

85. 0611535.708. 20

94. 9213035.108. 25

55. 2512034.529. 20

64. 6013034.109. 25

两性> PAM74. 1212034.009. 50

84. 0113534.389. 50

93. 7913534.659. 30

注：*为阴离子与阳离子含量均为10%的两性聚丙烯酰胺。

助滤剂用量太大，会出现煤粒被数个助滤剂缠绕，两性聚丙烯酰胺的合成与助滤性能研究,形成一种稳 定的难以沉降的絮团，从而影响了煤粒的沉降，影响过滤脱水 的速度。同时，聚丙烯酰胺的分子链能通过氢键结合一部分 7水聚丙烯酰胺的用量越多，包含的水分也越多，因此在一定 的过滤条件下，对不同的助滤剂，总有一个最佳用量，使滤饼 水分降低有一个最大值。不同离子类型的聚丙烯酰胺在煤粒 表面的吸附方式不同阳离子聚丙烯酰胺以平躺式吸附为 主，聚合物分子与在煤粒的吸附点较多，不易伸展到煤浆中， 因此用量较大;阴离子聚丙烯酰胺以环式或尾式为主，分子链 能较好的在煤浆中伸展，因此用量较小；两性聚丙烯酰胺的吸 附方式取决于各离子在分子链上的分布与含量，本实验合成 的两性聚丙烯酰胺的分子链中各离子交替分布，因此其在煤 粒表面的吸附为平躺式与环式或尾式的复合式，其最佳用量 介于阴离子聚丙烯酰胺与阳离子聚丙烯酰胺最佳用量之间。 如图2所示。

助滤剂对滤饼的产率、过滤速度及滤液固含量的影响不 同于对滤饼水分的影响，随着助滤剂用量的增加，滤饼的产 率、过滤速度都有一个增加的趋势，滤液固含量则有一个降低 的趋势，因此，当滤饼产率、过滤速度及滤液固含量达到一定 的要求后，应以滤饼水分的降低为选择助滤剂用量的标准。

2. 3 煤浆pH值的影响

在煤浆的pH值分别为5 6、7、8、9时，将用量为40 g/t 干煤的各种离子类型的PAM加入到190g/L的煤浆中，使用 0. 04MPa的真空度进行过滤，其过滤效果如表4所示。

煤浆的酸度会影响聚合物助滤剂在煤浆中的形态及煤粒 表面的活性，因此会影响助滤剂的助滤脱水效果。根据实验 可知:对大屯浮选精煤，非离子型聚丙烯酰胺与两性聚丙烯酰 胺的助滤效果受pH值影响不大，阴离子与阳离子聚丙烯酰 胺在弱酸性煤浆中的助滤效果较好，两性聚丙烯酰胺的合成与助滤性能研究,两性聚丙烯酰胺在弱碱 性矿浆中脱水效果较好。

除助滤剂的用量、煤浆的pH值外，真空度、搅拌时间、搅 拌速度、煤浆的浓度及煤浆中含有的无机盐的种类及浓度等 因素对助滤剂的脱水效果也有影响，此尚需进一步研宄。

3结论

通过自由基溶液聚合的方法合成了两性聚丙烯酰胺，根 据共聚理论和单体丙烯酰胺、丙烯酸钠和2 —丙烯酰亚胺基 一 2—甲基丙烷三甲基氯化铵的Q值和e值可知，各单体单 元在分子链上交替分布。由于煤粒的表面呈负电性，两性聚 丙烯酰胺在煤粒表面的吸附方式为平躺式和环式或尾式的复 合形式，阳离子通过电荷引力等的作用与煤粒相连接，阴离子 则通过与煤粒表面的负电荷的排斥作用伸展，因此两性聚丙 烯酰胺易于在煤粒间架桥，有利于煤粒的聚集与沉降，具有较 好的助滤性能，并且受煤浆pH的影响较小。