氣浮濾池不宜用無煙煤作濾料的原因

一、問題的提出

1978-1980年期間，我們在黃石市青龍山水廠，針對該水源濁度低、含藻量高的水質(zhì)情況，采用氣浮濾池進行了試驗研究，取得了較好的成果。氣浮濾池的試驗裝置如圖1。

在圖1中，我們曾用無煙煤和石英砂組成的雙層濾料進行了試驗，在試驗中多次觀測到以下一些現(xiàn)象：

1、盡管氣浮澄清區(qū)的水質(zhì)濁度平均已達(dá)6.3毫克/升，有時甚至小于5毫克/升，但進入厚為60厘米的雙層濾料層中過濾時，過濾周期始終上不去，只能平均維持在5小時左右，有時甚至還要短些。如再不進行反沖，由于濾料層，特別是無煙煤濾料層的水頭損失就會急劇增加，形成負(fù)水頭而導(dǎo)致正常過濾狀態(tài)的破壞。

2、圖2（a）、（b）、（c）是沿?zé)o煙煤濾料層的不同厚度，多次觀測得到的水頭損失隨時間變化的情況。從圖2（a）可以看出，層厚僅4厘米的煤濾料層，在過濾周期不到6小時情況下，其水頭損失多數(shù)均高達(dá)60-80厘米；從圖2（b）可以看出，層厚僅14厘米的煤濾料層，在過濾周期不到6小時的情況下，其水頭損失多數(shù)均高達(dá)95-127厘米；從圖2（c）可以看出，總厚度為27厘米的煤濾料層，在過濾周期不到6小時的情況下，其水頭損失竟高達(dá)115-137厘米。試驗還清楚表明：在過濾時，濾料層的整個水頭損失幾乎均發(fā)生在無煙煤濾料層內(nèi)，而且尤以煤層表面以下14厘米的厚度范圍內(nèi)水頭損失增加較快。

3、多次觀測到從無煙煤濾料層表面向下，粘附有為肉眼所見的、粒徑為0.5-0.6毫米左右的微氣泡，呈葡萄串狀聚結(jié)在煤粒表面及其間隙中。這些微氣泡的數(shù)量，隨著過濾時間的增長而增多，并且緩慢地向濾層深處延伸。

4、當(dāng)整個濾料層的水頭損失超過濾料層表面以上的有效水深后，試驗人員關(guān)閉濾池出水管上閥門準(zhǔn)備進行沖洗，而又尚未開啟沖洗水管閥門時，就能見到有許多微氣泡以及粘附有許多微氣泡的細(xì)小煤粒，以很快的速度從煤濾料層中沖出浮升至水面。而當(dāng)沖洗水管閥門開啟后，大量粘附有微氣泡的煤粒以較快的速度向上浮升，其紊動的程度猶如點燃的焰火那樣快速、急烈，致使大量的煤粒隨沖洗水流失。

5、沖洗后期，當(dāng)降低沖洗強度后，整個無煙煤濾料層處于懸浮膨脹狀態(tài)，但在波動的無煙煤濾料層面上，仍粘附著一層粒徑為1.5-2毫米的微氣泡，呈均勻密布，并隨煤層表面一起波動，不再與煤粒分離，直到人為地用耙子強烈攪動煤層后，方能使微氣泡與煤粒脫離而浮升至水面消失。

以上現(xiàn)象給我們提出了一個發(fā)人深思的問題：為什么微氣泡與無煙煤粒如此易于粘附，而且當(dāng)沖洗強度降低后，部分微氣泡繼續(xù)牢固地粘附在煤濾料層表面不再脫離？

二、無煙煤粒與微氣泡粘附的理論分析

微氣泡與無煙煤粒為什么會如此易于粘附，而且又粘附得如此牢固呢？這顯然與無煙煤粒本身的物化特性及微氣泡的礦化特性有關(guān)。據(jù)我們分析，其主要原因有以下幾個方面：

1、無煙煤的天然疏水性能促使煤粒與微氣泡牢固粘附。

無煙煤主要由碳原子環(huán)所組成。其基本結(jié)構(gòu)單位為六角形的碳原子網(wǎng)格，如圖3所示。由于碳原子環(huán)具有對稱結(jié)構(gòu)，使所有原子間的力均較大限度地被限制在分子的內(nèi)部。因此碳原子網(wǎng)格的平整表面對水分子的吸引力便很弱，使得無煙煤具有天然的疏水性能。試驗表明，在不投加任何表面活性物質(zhì)的情況下，微氣泡與無煙煤粒表面接觸時，亦能發(fā)生十分牢固的粘附作用。

2、無煙煤的高碳化度能促使煤粒與微氣泡牢固粘附。

無煙煤的含碳量高達(dá)94.12%，均高于其它煤的含碳量。雖然無煙煤的網(wǎng)格周圍也連帶著極性的、親水的各種基（如羥基、羧基、磺基等）和含氧官能團的分子鍵，但隨著煤碳化程度的逐漸增高，親水的各種基和含氧官能團便逐漸被分解，非極性的碳原子網(wǎng)格所占有的面積便逐漸增加，取向也愈加規(guī)則，范德華氏鍵力便愈加微弱，從而使得煤的疏水性隨著碳化程度的增高而逐漸增高。

3、無煙煤的明顯光澤性能促使煤粒與微氣泡牢固粘附。

不需借助儀器便可清晰地看到，無煙煤粒具有明顯的光澤。這種光澤的增加，反映出煤粒的浮游性在不斷提高，同時也反映了煤粒中碳素的高度集中。此外，無煙煤的揮發(fā)分含量在各種煤中為較低（2.66%）。試驗表明，隨著煤的揮發(fā)分含量的減少，便發(fā)生碳素的集中，并能生成被碳?xì)浠�合物所遮蓋的十分疏水的解理面。此種碳?xì)浠�合物的結(jié)構(gòu)為碳?xì)滏I，是非極性的。而非極性物質(zhì)分子的電子是不能進行交換的。加之它們又具有對稱結(jié)構(gòu)，對水分子的吸引力很弱，因而其解理面通常是沿著橫過較弱的分子鍵的結(jié)晶面而生成。無煙煤所強烈表現(xiàn)出來的明顯光澤性的平面正是這些解理面。正如選礦工作者的經(jīng)驗所指出，如果礦物顆粒中具有玻璃狀或油脂狀光澤時，利用浮選法就能容易被分選出來，其道理就在于這些光澤的解理面具有強烈的疏水性所致。

4、無煙煤的大濕潤接觸角（θ）能促使煤粒與微氣泡牢固粘附。

實踐證明，煤粒與氣泡粘附的牢固性與潤濕接觸角的變化有關(guān)，其關(guān)系可由卡巴諾夫-弗魯姆金方程式來表征：

F=πασsinθ

=Vgρ+πd/4(2σ/R-Hgρ)

式中：

α-粘附輪廓的直徑（厘米）；

σ-表面張力（達(dá)因/厘米）；

θ-潤濕接觸角（度）；

V-氣泡的體積（厘米³）；

ρ-水的密度（克/厘米³）；

R-氣泡頂部的曲率半徑（厘米）；

H-氣泡的高度（厘米）；

g-重力加速度（厘米/秒²）；

F-固體表面上維持氣泡的力（達(dá)因）。

由上式可以清楚看出，在顆粒表面上維持氣泡的力（F）等于表面張力的垂直分力（σsinθ）與氣泡粘附的三相接觸周邊長（π·α）的乘積。而在靜止條件下，F(xiàn)的大小則決定于靜水壓力與氣泡內(nèi)部的氣體壓力之和。通過該式不但可以將氣泡粘附在煤粒表面的牢固程度計算出來，而且從該式中還可看出，氣泡在煤粒表面上粘附的牢固性，是隨著潤濕接觸角的增加和三相接觸周邊的增長而增強的。而各種煤的潤濕接觸角均較大，無煙煤為73度。所以，它能與微氣泡發(fā)生牢固粘附。

5、無煙煤的弱水化性能促使煤粒與微氣泡牢固粘附。

試驗表明，微氣泡的粘附還與無煙煤中所含吸附性的甲烷（CH₄）有關(guān)。列賓捷爾證實，C、H化合物是不溶于水的疏水物質(zhì)。所以，煤中含吸附性的甲烷越多，則煤粒與氣泡粒粘附得就越快。同時并使煤粒表面水化膜的穩(wěn)定性顯著降低、變薄而引起自由能的迅速減少，直至有自行破裂的可能。如果使氣泡與具有這種弱水化性的顆粒表面接近，則水化膜無需外力作用就會在自發(fā)作用下自行破裂，從而使得氣泡很難粘附在煤粒表面上。

6、無煙煤粒的不規(guī)則表面，能促使煤粒與微氣泡牢固粘附。

無煙煤粒表面的凹凸不平度，對煤粒的可浮性有獨特的影響。選礦實踐表明，具有棱角和凹凸不平表面的礦粒，一般能提高顆粒的可浮性。浮游選煤結(jié)果也表明，浮選具有尖角的碎煤粒比滾圓煤粒容易。其原因就是這些煤粒的尖棱和凸出部分，能顯著地提高三相接觸邊界的穩(wěn)定性，從而能促使煤粒在氣泡上粘附得穩(wěn)定、牢固。在模型氣浮濾池的運行中也同樣可觀測到，上部溶有部分微氣泡的澄清水，在濾層表面以上有效水深的靜壓作用下，隨過濾水一起向下進入無煙煤濾料層時，便在煤粒表面逐漸結(jié)成0.5-2毫米直徑的微氣泡，密布在煤粒的表層上，形成氣絮狀煤粒（如圖4所示），并逐漸向濾層深處延伸。這時的氣泡表面已達(dá)到較大程度的礦化，因而也就具有很高的浮升速度。加之，無煙煤粒的比重多在1.4-1.6范圍內(nèi)，遠(yuǎn)較其他濾料的比重為輕，從而緩和了掙脫力的作用。所以，只要濾池一停止過濾，氣絮嚴(yán)重的煤粒，就會以很高的速度從煤層中沖出并浮升到水面。當(dāng)開啟沖洗閥門進行反沖洗時，整個濾料層處于懸浮狀態(tài)。其中凡是被氣絮的煤粒，均能從懸浮狀態(tài)的煤層中沖出向上浮升。其氣絮嚴(yán)重的煤粒并將隨沖洗水流失；氣絮較輕的煤粒，則浮升到一定高度掙脫氣泡后，在自重作用下再降落到懸浮的煤層中。

7、微氣泡的礦化作用系數(shù)大，有利于氣泡與煤粒牢固粘附。

煤粒表面具有很高的浮游活動性，為微氣泡的礦化創(chuàng)造了有利條件。試驗表明，微氣泡與無煙煤粒碰撞次數(shù)愈多，則微氣泡表面的礦化作用就愈大，氣泡表面的利用率就愈高。如果在煤粒上已粘附部分微氣泡，那末當(dāng)較大的微氣泡向煤粒接近時，由于氣泡半徑的不同，兩者的所受壓力便有所差別，在此壓差的作用下便能導(dǎo)致氣泡之間的夾層破裂。因而微氣泡的存在，起到了一種特殊的浮選活性劑的作用。氣浮濾池模型試驗中所觀察到的0.5-2毫米直徑的氣泡，牢固地粘附在無煙煤粒的表面上，正反映了微氣泡的這種特殊的浮選活性劑作用的存在。

8、微氣泡的傳氧速度快，有利于氣泡與無煙煤粒牢固粘附。

由于壓力溶氣水經(jīng)過釋放器突然減壓后，產(chǎn)生出大量粒徑為50μ左右的微氣泡，使相應(yīng)的氣-液接觸面積大大增加，這樣結(jié)果就增加了氧的轉(zhuǎn)移機會。

大家知道，小于0.05毫米的微氣泡，在水深為0.95-1.0米時便能100%溶解。那么對于50微米直徑左右的微氣泡，在濾池水深1.2-1.5米的情況下，其溶解度必然亦為100%。經(jīng)測定當(dāng)原水溶解氧為4毫克/升時，經(jīng)壓力溶氣后，溶解氧高達(dá)6-7毫克/升。從浮游選礦的實踐表明，正是由于水中溶解了這些氧氣，進一步改善了煤粒的浮游性，提高了煤粒與微氣泡的附著速度和粘附強度，促進了微氣泡更好地礦化。因此，當(dāng)氣浮區(qū)下部含氧濃度增高了的澄清水向下通過無煙煤濾層時，便能促進無煙煤粒與水中的微氣泡粘附，結(jié)成較牢固的氣絮狀煤粒，導(dǎo)致煤濾料顆粒孔隙被氣泡所堵塞。

三、結(jié)論

通過上述八個方面的分析，說明了為何微氣泡與無煙煤粒如此易于粘附，而且又粘附得如此牢固。同時也說明了在反向沖洗濾層時為何煤粒容易隨沖洗水流失的原因。為此建議：

（1）在氣浮濾池中不宜采用無煙煤作濾料。否則，將導(dǎo)致濾料層的嚴(yán)重氣塞，影響氣浮濾池凈化能力的發(fā)揮。

（2）作為氣浮濾池的濾料仍以石英砂為宜。其粒徑可選用0.5-1.0毫米。砂層厚度可取60-70厘米；墊料層粒徑可選用2-4、4-8毫米，層厚各為10厘米。濾板采用穿孔板，開孔比為1-2%，其上鋪36目/英寸尼龍網(wǎng)一層。濾速采用8-9米/時；反沖洗強度采用14-16升/秒·米²；濾層表面以上的有效水深采用1.2-1.5米。

上述建議已為武漢、蘇州自來水公司所采納，他們將原鋪設(shè)在氣浮濾池中的無煙煤濾料層全部鏟除，加厚了石英砂濾料層，從而收到了顯著的澄清效果。