二水硫酸钙对水中粘土颗粒的捕集机理及脱泥研究

摘要

本文的研究需求始于盐湖地区高含泥低品位钾矿加工过程中钙盐及细泥杂质影响工艺操作及产品纯度的背景问题。在此基础上，本文试图凝练并针对微溶及不溶颗粒间相互作用及其沉降分离的机理问题展开研究，以便于为实际的脱泥技术研发与优化提供有借鉴价值的基础数据；同时，在其他诸如煤炭洗选过程产生的煤泥水及矿物分选过程产生的采矿废水等含泥工业废水的处理过程中，以高岭土和蒙脱石为代表的粘土颗粒的分离、沉降和脱除对亦会对工业用水处理及工业产品品质造成直接影响，而本文的研究也同样冀望能对这些水处理过程提供参考。鉴于二水硫酸钙类钙盐与粘土颗粒之间具有显著的共沉效果，为了指导脱泥环节的工艺优化，本文的研究主要侧重于二水硫酸钙和粘土的共沉规律，试图揭示其科学原因并加以应用。
　　本文以二水硫酸钙和含泥废水中的粘土颗粒为研究对象，通过Ca2+与粘土颗粒之间的相互作用形式及二水硫酸钙颗粒晶体生长成核的规律及其捕集沉降粘土颗粒的作用，探索了二水硫酸钙与粘土颗粒的共沉机理。利用计算机模拟的方法构建了代表颗粒表面的结构模型，在此基础上采用分子动力学模拟的方法研究二水硫酸钙和粘土的共沉倾向，确定了基于球形水体的模拟算法。利用该算法重点考察了建模体系中库仑力和范德华力、微粒扩散及其自由能的变化规律，以此来评价和说明不同颗粒之间的共沉趋势。
　　二水硫酸钙和粘土颗粒之间的共沉机理可以被归纳为如下几点。在粘土的沉降过程中，除了Ca2+对粘土胶体体系产生的压缩双电层的影响之外，游离的呈未溶解状态的二水硫酸钙颗粒也能降低其体系的分散性。对于体系中存在的具备生长成核条件的常见离子或不溶微粒，其电荷/质量比值是评价其能否与粘土颗粒发生共沉的指标之一，研究证明电荷/质量比值较大的微粒更容易引发共沉。与范德华作用能等势能相比，颗粒间的静电作用是影响二水硫酸钙和粘土共沉的关键之一。从作用势能的数值上分析，粘土颗粒与二水硫酸钙具有较大的共沉趋势。根据相应元素结合能的考察，认为离子吸附与交换也是引起二水硫酸钙和粘土共沉的潜在原因，相较而言，粘土颗粒中的Al-OH基团比Si-O基团具有更强的钙离子吸附能力。此外，未溶解的二水硫酸钙颗粒的生长成核规律及其对粘土颗粒的捕集作用也能够促使粘土颗粒沉降，二水硫酸钙表面裸露的或者液相中游离的Ca2+被推测是粘土颗粒附着到二水硫酸钙颗粒上的诱因。
　　基于二水硫酸钙和粘土的共沉机理研究，优化了含粘土废水的脱泥工艺。通过比选发现，自然沉降法和充气水力旋流脱泥的方法均可以实现相当的脱泥效率及效果，但是充气水力旋流脱泥的过程中，二水硫酸钙未起到强化分离的作用。推荐在实际应用中根据处理水量、设备费用及能耗及操作条件等因素采用不同的方法进行处理。
　　研究工作构建了一种面向颗粒物共沉的固液界面分子动力学模拟算法，丰富了二水硫酸钙处理含粘土废水的作用机理，这可为沉降分离过程的机理研究提供一定的借鉴和参考；在应用方面发展并优化了脱泥工艺，为含粘土废水的处理给予了相应的技术支持。

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绪论

第一章 文献综述

1.1粘土矿物性质及表征

1.2 国内外处理含粘土废水处理的常用方法及应用现状

1.3 二水硫酸钙在去除含粘土废水中的应用现状

1.4 二水硫酸钙与粘土颗粒之间的相互作用机理

1.5 问题的提出及研究意义

1.6 本文的主要研究内容

第二章 Ca2+在粘土颗粒表面的吸附作用

2.1 实验原料及仪器

2.2 实验步骤及方法

2.3 结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 二水硫酸钙的生长及其捕集沉降水中粘土颗粒的实验研究

3.1 实验原料及仪器

3.2 实验步骤及方法

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

第四章 二水硫酸钙与粘土颗粒共沉的分子动力学模拟

4.1颗粒体系的建模

4.2 选择性扩散的计算机模拟及共沉积机理研究

4.3 本章小结

第五章 二水硫酸钙促进水中粘土颗粒沉降的工艺(应用)研究

5.1 实验原料及仪器

5.2 实验步骤及方法

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

结论与建议

附录

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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