水溶性高分子聚合物在拜爾法赤泥分離中的應(yīng)用

1、水溶性高分子聚合物在拜爾法赤泥分離中的應(yīng)用赤泥沉降分離是氧化鋁生產(chǎn)的主要工序之一,為了強(qiáng)化赤泥的沉降分離過程，即提高赤泥的沉降速度，改善溢流的澄清液質(zhì)量，降低底流的液固比，不但要正確設(shè)計(jì)和選用結(jié)構(gòu)合理的沉降槽，還需要添加高效能水溶性高分子聚合物做絮凝劑，在絮凝劑的作用下，赤泥漿液中處于分散狀態(tài)的細(xì)小赤泥顆?；ハ嗑酆铣蓤F(tuán)。顆粒變大，可以大大地加快赤泥的沉降速度。絮凝劑在生產(chǎn)中的應(yīng)用極大地提高了沉降槽的工作效率。1 水溶性高分子聚合物的種類及絮凝機(jī)理1.1 水溶性高分子聚合物的特點(diǎn)和種類水溶性高分子化合物具有高分子化合物的分子結(jié)構(gòu)并具有高分子化合物的特性，他們能溶于水成為高分子化合物的真溶液。在分

2、子結(jié)構(gòu)上都具有高分子的鏈接，在鏈接上都具有極性的、親水的基團(tuán)。一定長度的高分子鏈接中，極性基的多少和極性的強(qiáng)度，決定這該高分子化合物的特征和應(yīng)用范圍。根據(jù)其所含親水極性基團(tuán)和分子量的不同，可以演變出許多不同的性能。一般來說，水溶性高分子聚合物都具有增稠性、成膜性、黏合性、潤滑性、螯合性、分散性、絮凝性、緩蝕性、成膠性、吸水性等性能中的一到多個(gè)性能。水溶性高分子聚合物按來源分，可以分為天然的、半天然的、化學(xué)合成的和生物法合成的四大類。從結(jié)構(gòu)上分可以為有機(jī)的和無機(jī)的兩大類。絮凝劑的種類很多，在氧化鋁生產(chǎn)上部是采用高分子有機(jī)絮凝劑，以往廣泛采用淀粉類天然高分子絮凝劑，包括用各種麥類、薯類等加工的產(chǎn)品

3、（面粉、土豆淀粉及木薯粉等）和附產(chǎn)品（如麥麩等）。近年來，人工合成高分子絮凝劑發(fā)展很快，與天然絮段劑相比，其特點(diǎn)是用量少（一般為淀粉類絮凝劑的1%1.5%），效果好。合成高分子絮凝劑的種類很多，目前應(yīng)用最廣的是聚丙烯酰胺類。純聚丙烯酰胺的分子式為（CH2CHCONH2）實(shí)際上往往將它的水解體和衍生物統(tǒng)稱為聚丙烯酰胺。合成高分子絮凝劑（如聚丙烯酰胺類）還存一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它能完全吸附于赤泥顆粒人不像淀粉類絮凝劑那樣有一部分仍保留在溶液中而增加了溶液中有機(jī)物的含量。不少拜爾法廠用聚丙烯酰胺類絮凝劑代替淀粉，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。目前合成高分子絮凝劑巳呈現(xiàn)完全取代淀粉類絮凝劑的趨勢。1.2 絮凝劑選擇和絮

4、凝機(jī)理合成類水溶性高分子聚合物中含有一定的極性基團(tuán)，這些集團(tuán)能吸附于水中懸浮的固體顆粒上，使離子間架橋而形成大的凝聚體，從而起到絮凝作用。聚合物絮凝作用有化學(xué)因素和物理因素?；瘜W(xué)因素使懸浮粒子的電荷喪失，成為不穩(wěn)定粒子，然后不穩(wěn)定的粒子聚集。而物理因素則用過架橋、吸附，使小粒子聚集體變?yōu)樾鯃F(tuán)。通常把這兩種因素的共同作用稱之為絮凝作用。對面粉、麥麩等一類天然絮凝劑的作用機(jī)理有不同看法。一種看法是這類絮凝劑中的各組分（淀粉、蛋白質(zhì)）或其水解產(chǎn)物中含有大量的極性基-OH、-COOH等，通過生成氫鍵而產(chǎn)生架橋作用。2 生產(chǎn)中影響絮凝劑使用效果的因素2.1 絮凝劑類型水溶性高分子聚合物作為絮凝劑，常用的

5、可以分為三類：陰離子型得有聚丙烯酸鈉、水解聚丙烯酰胺、順丁烯二酸酐共聚物、藻蛋白酸鈉、苯乙烯磺酸鈉聚合物；非離子型得有聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、脲醛樹脂、茍性淀粉；陽離子的有聚乙烯吡啶、甲醛-苯胺樹脂、聚胺、聚季銨鹽，國內(nèi)目前主要還是使用聚丙烯酰胺類作絮凝劑。本文主要針對聚丙烯酰胺的選擇與應(yīng)用進(jìn)行闡述。目前氧化鋁生產(chǎn)物料千差萬別，比如，拜耳法分離沉降物料和燒結(jié)法分離沉降物料；拜耳法分離物料（Nk，150g/l）和拜耳法洗滌分離物料（Nk，50g/l），燒結(jié)法稀釋分離物料（Nk,110g/l）和燒結(jié)法洗滌分離物料（Nk,10g/l），其沉降性質(zhì)很難用同一種絮凝劑進(jìn)行沉降分離。因此需要各種不同的絮凝

6、劑來加速分離。但是，由于國內(nèi)絮凝劑的生產(chǎn)與各氧化鋁廠的生產(chǎn)需求脫節(jié)，造成絮凝劑品種單一，影響絮凝劑效能的發(fā)揮。因此，通過對生產(chǎn)中各類物料的研究，完善絮凝劑的種類，是各絮凝劑廠家和研究機(jī)構(gòu)需要解決的問題。2.2 pH值-影響合成絮凝劑類型（即丙烯酰胺與丙烯酸的比例）選擇的因素甚多，但溶液的pH值是其中最主要的。溶液的pH值不但在不同程度上改變著凝劑的化學(xué)性質(zhì)和聚合物分子的形狀（伸展或卷曲），同時(shí)也對礦物顆粒的表面化學(xué)狀態(tài)有所影響。當(dāng)pH低時(shí)非離子型聚合物遠(yuǎn)比中度陰離子和強(qiáng)陰離子型聚合物好，絮凝劑用量少。因?yàn)樵诘蚿H值下，后兩種絮凝劑的線性大分子在很大程度上發(fā)生卷曲，有效長度縮短，而具有類似非離子

7、型絮凝劑分子的外形，分子發(fā)生卷曲的原因是其中的丙烯酸鹽大部分是以酸（CH2CHCOOH）的形式存在。同時(shí)由于酰胺基團(tuán)部分地被更為惰性的羧酸鹽基團(tuán)取代，聚合物的氫鍵減少，所以中度陰離子型特別是強(qiáng)陰離子型聚合物的活性不如非離子型。當(dāng)pH為6時(shí)，中度陰離子型共聚體中的羧酸鹽基團(tuán)離子化而使聚合體更加伸展（因COO基團(tuán)互相排斥）。而非離子型聚合物幾乎不含有陰離子（羧酸團(tuán)基因），聚合物的形狀不變。強(qiáng)陰離子型聚合物（不含酰胺基團(tuán)）的活性有所提高，但仍然較差。在pH為8時(shí)，中度陰離子型聚合物的活性繼續(xù)提高。在此PH值下，羧酸鹽基團(tuán)基本上完全離子化，聚合物分子也最大眼度的伸展，而強(qiáng)陰離子型和非離子型聚合物的活性

8、變化不大。當(dāng)pH為9.5時(shí)，強(qiáng)陰離子型聚合物的活性大大提高而與中度陰離子型接近（二者用量接近），而非離子型聚合物的活性則顯若降低，表現(xiàn)為用量顯著增加。因?yàn)榇藭r(shí)聚丙烯酰胺發(fā)生水解而在許多情況下，化學(xué)水解與物理吸附反應(yīng)同時(shí)競相進(jìn)行時(shí)，將導(dǎo)致絮凝劑的活性明顯降低。隨著pH繼續(xù)提高非離子型聚合物的pH值的升高，非離子型聚合物的活性進(jìn)一步降低。中度陰離子型聚合物在pH大于14時(shí)，其活性也由于上述原因急劇下降，用量劇增。而強(qiáng)陰離子型聚合物的活性則在pH超過9.5以后繼續(xù)有所提高，因?yàn)樗缓０罚蚨簿筒皇芩獾挠绊憽?.3 絮凝劑分子量分布氧化鋁生產(chǎn)要求合成高分子絮凝劑分子600萬以上（聚丙烯酰胺類

9、），才能對赤泥的分離沉降很有效。但絮凝劑實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)條件等限制，其分子量分布在一定范圍。理論上高分子量的絮凝劑吸附赤泥顆粒后全部進(jìn)入沉降底流，溢流中不含有絮凝劑（不過量的條件下）。但是，分子量低的絮凝劑（如200萬以下的），由于吸附能力弱、分子鏈短，不能形成足夠大的沉降顆粒，而浮于溢流進(jìn)入過濾。絮凝劑是一種粘性狠大的有機(jī)物，在過濾過程中會吸附于過濾介質(zhì)的困難。因此，應(yīng)盡量避免使用低分子量的絮凝劑。2.4 赤泥漿液性質(zhì)合成絮凝劑的絮凝效果也取決于赤泥漿液的性質(zhì)，即赤泥的礦物組成、粒度分布、赤泥漿液固含，特別是溶液成分，而關(guān)鍵在于選擇組成和性質(zhì)適合于所處理的赤泥漿液的絮凝劑并正確地進(jìn)行

10、作業(yè)。溶液中的腐植酸鹽和草團(tuán)鹽也會降低聚丙烯酞膠的絮凝效果，對赤泥沉降速度和溢流浮游物含員均有不利影響，因?yàn)檫@些有機(jī)物吸附于赤泥粒子表面，阻礙了粒子之間的絮凝。研究表明，溶液中的碳酸鈉含量高會降低聚丙烯酷膠的效果。這是因?yàn)镃O32-優(yōu)先吸附于赤泥表面，干擾了絮凝劑的作用。往漿液中加入石灰，使碳酸鈉茍化，絮凝劑的作用可完全恢復(fù)。碳酸鈉對聚丙烯酸造成的有害影響較小。許多文獻(xiàn)報(bào)道，少量鈣離子可使絮凝劑的活性明顯增加。鈣離子的存在降低了聚合物的陰離子與帶負(fù)電的顆披間的靜電斥力，使聚合物更加容易與固體顆粒接近。另外，鈣離子還有可能與負(fù)電性顆粒結(jié)合而成為與負(fù)電性的絮凝劑相聯(lián)接的接合點(diǎn)，即絮凝劑通過“鈣橋”

11、而直接吸附于赤泥上。赤泥漿液的固含是影響紫凝劑效力的重要因素之一，固含高，絮凝效果變差。2.5 絮凝劑的溶解選擇了合適的絮凝劑并不等于就可獲得最佳的絮凝效果，成功地使用合成高分子絮凝劑的關(guān)鍵在于使聚合物良好的分散。生產(chǎn)中絮凝劑溶解不好時(shí)，部分絮凝劑以膠體狀進(jìn)入赤泥或隨上清液流走，這使得絮凝劑的有效濃度降低。未溶的絮凝劑以膠體狀在輸送過程中有可能堵塞管道，隨上清液流走的膠狀絮凝劑在過濾時(shí)堵塞濾布，這些都影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。影響絮凝劑溶解的主要因素有：2.5.1 溶解時(shí)間生產(chǎn)過程中由于溶解絮凝劑槽子大小與絮凝劑用量大小之間的矛盾造成絮凝劑溶解時(shí)間受到一定限制，特別是有些老氧化鋁廠進(jìn)一步延長絮凝劑溶

12、解時(shí)間有一定的難度。2.5.2 溶解溫度升高溫度可以使溶液中分子運(yùn)動加快，提高溶解速度。但絮凝劑屬高分子聚合物，過高的溫度將造成絮凝劑分解，而使絮凝沉降性能降低。各種絮凝劑的聚合條件不同，其分解溫度也不同。我們可以通過試驗(yàn)尋找出特定絮凝劑的最佳溶解溫度，以此為基礎(chǔ)不斷探索找出適合大部分絮凝劑的溶解溫度，實(shí)現(xiàn)為生產(chǎn)服務(wù)的目的。2.5.3 攪拌速度攪拌能使溶解加快。但絮凝劑屬高分子化合物，分子鏈較長，攪拌時(shí)易造成分子鏈斷裂。因此合適的絮凝劑溶解攪拌速度很重要。攪拌速度升高絮凝劑分子量減小。攪拌速度上升到600r/min以上時(shí)，分子量急劇降低。因此，絮凝劑溶解攪拌速度不能高于600r/min。生產(chǎn)中

13、更應(yīng)避免用離心泵輸送絮凝劑。2.5.4 水質(zhì)的影響絮凝劑是吸附能力很強(qiáng)的高分子聚合物，它可以吸附水中的雜質(zhì)顆粒。并可形成一層保護(hù)膜影響里層絮凝劑的進(jìn)一步溶解也使絮凝效果降低。因此，絮凝劑溶解階段保證水質(zhì)，是加快絮凝劑溶解和提高效能的一個(gè)重要方面。2.6 絮凝劑用量在一定的工藝條件下，有一個(gè)相應(yīng)的最適宜絮凝劑溶液濃度，這時(shí)所得到的赤泥沉降速度高且絮凝劑消耗量少，沉降槽底流的液固比也相應(yīng)的減小。在工業(yè)生產(chǎn)上出現(xiàn)沉降槽跑渾時(shí)，往往采用加大絮凝劑用量的措施，一般能獲得滿意的效果。但是，當(dāng)絮凝劑用量過大時(shí)，容易形成較大的赤泥絮團(tuán)，其中含液量大，會使沉降槽的底流液固比增大，給后面赤泥的洗滌帶來困難。對某一

14、種分子量的絮凝劑溶液，當(dāng)絮凝劑用量達(dá)到某一定值時(shí)，可以獲得最大的沉降速度，當(dāng)其用量加大時(shí)，反而會使沉降速度降低。為此，應(yīng)根據(jù)自身工藝條件，摸索出適合生產(chǎn)的最佳絮凝劑用量范圍。2.7 絮凝劑添加方式2.7.1 充分混合這是保證絮凝效果，降低絮凝劑用量的一個(gè)重要條件。但當(dāng)顆粒間的“架橋”是絮凝的重要機(jī)理時(shí)，攪拌太強(qiáng)烈，剪切力過大，特使絮團(tuán)破壞。因?yàn)樘砑泳郾０奉惡铣尚跄齽┧纬傻某嗄嘈鯃F(tuán)比較脆弱，這種絮凝劑的長鏈狀分子也易受剪力作用而破壞，變成更短的分子。所以過于強(qiáng)烈的混合會使赤泥沉降速度明顯降低，絮凝劑用量增加。2.7.2 分次添加分次添加是使聚合物更有效分散的方法之一，它與一次添加相比，可減少絮凝劑用量。實(shí)踐證明，在聚丙烯酰胺溶解時(shí)，加入少量堿濃，使溶液保持較高的PH值，對提高絮凝效果是有好處的。3 結(jié) 論3.1 對于不同的沉降物料要使用不同的絮凝劑，爭取使絮凝劑的效能發(fā)揮到最大。3.2 絮凝劑分子量影響著絮凝劑的沉降性能分子量越大，沉速越快，沉降性能越好；低分子量絮凝劑對生產(chǎn)有負(fù)面影響。因此，工業(yè)上要保證好的沉