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摘 要：借助电泳仪和傅立叶变换红外光谱仪研究pH值、搅拌强度、浸泡时间对石英颗粒表面电动电位的影响及变化规律，为高泥化煤泥水的治理提供科学依据。研究发现，pH约为8时，zeta电位绝对值达到了最大值；随着搅拌强度的提高，颗粒表面zeta电位绝对值先增大后减小；浸泡时间增加，zeta电位绝对值增大，第3天时，颗粒表面的zeta电位绝对值达到最大值，随后zeta电位绝对值开始减小。
关健词：石英；FT-IR；电动电位
中图分类号：TD94 文献标识码：A
煤泥水处理是选煤厂能否正常生产的重要环节和实现洗水闭路循环的关键[1]。煤泥中含有种类繁杂的黏土矿物对原煤的重选，浮选以及后续的煤泥压滤脱水起着重要的影响。目前对煤泥水的处理研究主要集中在凝聚剂和絮凝剂种类用量等方面的优化而对煤泥颗粒表面的荷电机理及变化特性的研究却相对较少，因此为了更好的为煤泥水处理提供科学的理论依据以及新的煤泥水处理技术的开发应用，对矿物颗粒表面的荷电机理及变化特性的研究非常必要[2]。
1 试验样品来源及特性分析
试验所用样品为无锡市亚盛化工有限公司生产的分析纯石英（粒度<0.110mm），其中<0.075mm的颗粒含量达到了80%以上。取10g石英和500ml去离子水，配制浓度为20g/l石英悬浮液，以300r/min的搅拌强度，搅拌5min后再放置5天，对其沉降后的上清液进行水质分析，分析结果如表1所示。由表1可知，其上清液属于很软水。
表1 石英自由沉降上清液水质分析结果
项目 Ca2+ Mg2+ Na++K+ Cl- SO42- CO32- HCO3-
单位 （mg/L） 10.02 8.50 30.00 53.17 19.21 0.00 30.51
2 试验部分
2.1 试验设备及药品
试验所用设备及药品型号如表2所示。
表2 试验设备及药品
设备及药品 型号
微电泳仪（pH：2～14） JS94H
精密电子天平 SL502
精密定时电动搅拌器 JJ-1
酸度计 PHS-3C
石英 分析纯
氯化钙 分析纯
氢氧化钠 分析纯
盐酸 分析纯
2.2 试验结果及分析
2.2.1 pH值对石英颗粒表面电动电位的影响
在300r/min的强度下搅拌5min，借助于电泳仪测定pH值对浓度为20g/l的石英悬浮液颗粒表面电动电位的影响，结果见图1，并在70℃下干燥pH值为4、7及13处理后的石英试样，对石英干燥样进行红外分析，分析结果如图3所示。
图1 pH值对石英颗粒表面电动电位的影响 图2 pH值对石英颗粒表面基团的影响
由图1可以看出，pH值约为8时，zeta电位绝对值达到最大值；随后 zeta电位绝对值随着pH值的增大和减小，逐渐减小。
石英颗粒表面有若干断裂的硅氧键，在水中硅原子具有正电性，能与水中的OH-结合生成硅酸，氧原子则具有负电性，能与水中的H+结合也生成硅酸，由图2红外光谱分析图可以看出，800-1000cm-1 处的O-Si-O 或Si-O振动峰强度随着pH值的增大而变小，而3450cm-1和1645-2000cm-1处的Si-OH振动吸收峰强度却有增大的趋势，说明颗粒表面的硅酸随着pH值的增大在增多，石英颗粒表面形成了大量的Si-OH。在pH值为2～14时，石英颗粒表面的硅酸属于弱硅酸，因此会失去一部分的H+，形成荷负电的表面[3-4]。
硅酸电离，形成荷负电性的表面：
由硅酸电离式可知，这个过程和水介质的pH值有密切的联系。因此，随着pH值的减小，水介质的H+增多，与颗粒表面的OH-发生了中和反应，压缩了石英颗粒表面的双电层，降低了颗粒表面的zeta电位绝对值。当pH值为碱性时，颗粒表面在碱性介质中与OH-发生络合反应，增大了表面的负电性。但是在pH>8时，颗粒在强碱性溶液中表面的zeta电位绝对值却出现了降低的趋势。由DLVO理论[5-6]可知，在调节pH时引入了过多的NaOH，溶液中的离子浓度增大，压缩了双电层，降低了颗粒表面的电位值，这就是pH>8时，颗粒表面zeta电位绝对值出现减小趋势的原因。
2.2.2搅拌强度对石英颗粒表面电动电位的影响
当介质pH值为7.0，搅拌5min时，测定搅拌强度（转速）对浓度为20g/l的石英悬浮液面电动电位的影响，结果见图3，并在70℃下干燥转速为0r/min、600r/min及1000r/min处理后的石英试样，对石英干燥试样进行红外分析，分析结果如图4所示。
由图3可以看出，石英颗粒表面zeta电位绝对值随转速的提高而逐渐增加，当转速为200 r/min时，zeta电位绝对值出现最大值，随后呈现减小的趨势。
图3搅拌强度对石英颗粒表面电动电位的影响 图4搅拌强度对石英颗粒表面基团的影响
随着搅拌速率的增大，石英颗粒的泥化程度增加，泥化成微细颗粒，颗粒表面Si-O断裂键增多，形成大量的硅酸。由图4红外光谱分析图可看出，随着转速的提高，800～1000cm-1、400～800cm-1处的O-Si-O和Si-O-Si振动峰逐渐减弱，而3450 cm-1附近及1645～2000 cm-1处的Si-OH振动峰有变强的趋势，这是由于Si-O和O-Si键吸附了水中的H+和OH-形成了Si-OH造成的。在pH值为2～14时，石英颗粒表面的硅酸属于弱硅酸，因此会失去一部分的H+，形成荷负电的表面。因此，随着搅拌速率的增大，石英颗粒泥化程度增大，颗粒表面断裂的硅氧键增多，会使颗粒表面荷更多的负电。但石英颗粒并不是无限泥化下去，随着石英颗粒粒度的变小，转速提高对其泥化影响变小，当泥化程度达到一定程度时，颗粒表面的zeta电位绝对值也达到了最大值。之后，zeta电位绝对值又有减小的趋势，原因石英在搅拌作用下泥化，解离出Ca2+、Mg2+等游离阳离子，这些阳离子会吸附在荷负电的石英颗粒表面，从而降低了颗粒表面的zeta电位绝对值[7-8]。 2.2.3浸泡时间对石英颗粒表面电动电位的影响
在强度为300r/min下搅拌5min时，测定浸泡时间对浓度为20g/l的石英悬浮液颗粒表面电动电位的影响，结果见图5，并在70℃下干燥浸泡时间为0天、2天及4天处理后的石英试样，并对干燥后的石英试样进行红外光谱分析，分析结果如图6所示。
由图5可以看出，随着浸泡时间的增加，在第3天时，石英颗粒表面的zeta电位绝对值达到了最大值，以后随着浸泡时间的增加zeta电位绝对值出现了减小。
图5 浸泡时间对石英颗粒表面电动电位的影响 图6 浸泡时间对石英颗粒表面基团的影响
由图6红外光谱分析图可知，随着浸泡时间的增加，400-800cm-1 、1096cm-1和800-1000cm-1分别为Si-O-Si振动和O-Si-O 或Si-O振动的特征吸收峰强度变大，这是由于浸泡时间的增加，促进了石英的泥化，颗粒比表面积变大，表面的O-Si-O和Si-O断裂键的数量增多造成的，因而增大了颗粒表面的负电性，即颗粒表面zeta电位绝对值增大。随着浸泡时间的延长，石英泥化的速率便开始缓慢下来，颗粒表面的zeta电位绝对值在浸泡3天时出现了最大值。随后石英颗粒表面的zeta电位绝对值随着浸泡时间的增多，又出现减小的趋势，可能是因为石英颗粒的泥化致使其内部所夹带的溶解盐转入水介质中，电离出Ca2+、Mg2+等游离阳离子，被吸附到颗粒表面压缩双电层，降低颗粒表面的zeta电位绝对值[7-8]。
3 结论
石英颗粒表面电动电位主要影响因素及变化规律研究：
（1）pH值对石英颗粒表面电动电位的影响，pH<8时，随着pH值的增大，zeta电位绝对值逐渐增大；pH约为8时，zeta电位绝对值达到最大值；pH>8时，随着pH值的增大，zeta电位绝对值开始减小。
（2）搅拌强度对石英颗粒表面电动电位的影响，颗粒表面zeta电位绝对值随转速的提高而逐渐增加，当转速为200 r/min时，zeta电位绝对值出现最大值，随后又出现减小的趋势。
（3）浸泡时间对石英颗粒表面电动电位的影响，随着浸泡时间的增加，zeta电位绝对值增大，在浸泡3天时，石英颗粒表面的zeta电位绝对值达到了最大值，之后随着浸泡时间的增加zeta电位绝对值出现减小的趋势。
参考文献：
[1] 张明旭.选煤厂煤泥水处理[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.
[2] 陈忠杰，闵凡飞，朱金波等.高泥化煤泥水絮凝沉降试验研究[J].煤炭科学技术，2010，38（9）：
174-178.
[3] 银锐明，陈琳璋，侯清麟，等. 金属镁离子活化石英浮选的机理研究 [J]. 功能材料，2013，15
（44）：2193～2196.
[4] 郑水林.非金属矿物材料[M].北京：化学工业出版社，2007.
[5] 张 杰， 王维清， 董发勤，等.锂辉石浮选尾矿中长石和石英浮選分离[J]. 中国有色金属学报，2013，3（36）：26～28.
[6] 张 钊， 冯启明 ，王维清，等.十二胺和十二烷基磺酸钠在长石石英表面的吸附[J].非金属矿，2012，4（35）：8～11.
[7] 徐廷婧，王河锦.景德镇地区高岭石红外光谱
分析[J].岩石矿物学杂志，2010，29 （1）：59～66.
[8] 曾华东，雷绍民，刘云涛，等. 石英氧化浸出提纯中的络合离子的作用及机理[J]. 矿业研究与开发，2012，6：67～70.
关健词：石英；FT-IR；电动电位
中图分类号：TD94 文献标识码：A
煤泥水处理是选煤厂能否正常生产的重要环节和实现洗水闭路循环的关键[1]。煤泥中含有种类繁杂的黏土矿物对原煤的重选，浮选以及后续的煤泥压滤脱水起着重要的影响。目前对煤泥水的处理研究主要集中在凝聚剂和絮凝剂种类用量等方面的优化而对煤泥颗粒表面的荷电机理及变化特性的研究却相对较少，因此为了更好的为煤泥水处理提供科学的理论依据以及新的煤泥水处理技术的开发应用，对矿物颗粒表面的荷电机理及变化特性的研究非常必要[2]。
1 试验样品来源及特性分析
试验所用样品为无锡市亚盛化工有限公司生产的分析纯石英（粒度<0.110mm），其中<0.075mm的颗粒含量达到了80%以上。取10g石英和500ml去离子水，配制浓度为20g/l石英悬浮液，以300r/min的搅拌强度，搅拌5min后再放置5天，对其沉降后的上清液进行水质分析，分析结果如表1所示。由表1可知，其上清液属于很软水。
表1 石英自由沉降上清液水质分析结果
项目 Ca2+ Mg2+ Na++K+ Cl- SO42- CO32- HCO3-
单位 （mg/L） 10.02 8.50 30.00 53.17 19.21 0.00 30.51
2 试验部分
2.1 试验设备及药品
试验所用设备及药品型号如表2所示。
表2 试验设备及药品
设备及药品 型号
微电泳仪（pH：2～14） JS94H
精密电子天平 SL502
精密定时电动搅拌器 JJ-1
酸度计 PHS-3C
石英 分析纯
氯化钙 分析纯
氢氧化钠 分析纯
盐酸 分析纯
2.2 试验结果及分析
2.2.1 pH值对石英颗粒表面电动电位的影响
在300r/min的强度下搅拌5min，借助于电泳仪测定pH值对浓度为20g/l的石英悬浮液颗粒表面电动电位的影响，结果见图1，并在70℃下干燥pH值为4、7及13处理后的石英试样，对石英干燥样进行红外分析，分析结果如图3所示。
图1 pH值对石英颗粒表面电动电位的影响 图2 pH值对石英颗粒表面基团的影响
由图1可以看出，pH值约为8时，zeta电位绝对值达到最大值；随后 zeta电位绝对值随着pH值的增大和减小，逐渐减小。
石英颗粒表面有若干断裂的硅氧键，在水中硅原子具有正电性，能与水中的OH-结合生成硅酸，氧原子则具有负电性，能与水中的H+结合也生成硅酸，由图2红外光谱分析图可以看出，800-1000cm-1 处的O-Si-O 或Si-O振动峰强度随着pH值的增大而变小，而3450cm-1和1645-2000cm-1处的Si-OH振动吸收峰强度却有增大的趋势，说明颗粒表面的硅酸随着pH值的增大在增多，石英颗粒表面形成了大量的Si-OH。在pH值为2～14时，石英颗粒表面的硅酸属于弱硅酸，因此会失去一部分的H+，形成荷负电的表面[3-4]。
硅酸电离，形成荷负电性的表面：
由硅酸电离式可知，这个过程和水介质的pH值有密切的联系。因此，随着pH值的减小，水介质的H+增多，与颗粒表面的OH-发生了中和反应，压缩了石英颗粒表面的双电层，降低了颗粒表面的zeta电位绝对值。当pH值为碱性时，颗粒表面在碱性介质中与OH-发生络合反应，增大了表面的负电性。但是在pH>8时，颗粒在强碱性溶液中表面的zeta电位绝对值却出现了降低的趋势。由DLVO理论[5-6]可知，在调节pH时引入了过多的NaOH，溶液中的离子浓度增大，压缩了双电层，降低了颗粒表面的电位值，这就是pH>8时，颗粒表面zeta电位绝对值出现减小趋势的原因。
2.2.2搅拌强度对石英颗粒表面电动电位的影响
当介质pH值为7.0，搅拌5min时，测定搅拌强度（转速）对浓度为20g/l的石英悬浮液面电动电位的影响，结果见图3，并在70℃下干燥转速为0r/min、600r/min及1000r/min处理后的石英试样，对石英干燥试样进行红外分析，分析结果如图4所示。
由图3可以看出，石英颗粒表面zeta电位绝对值随转速的提高而逐渐增加，当转速为200 r/min时，zeta电位绝对值出现最大值，随后呈现减小的趨势。
图3搅拌强度对石英颗粒表面电动电位的影响 图4搅拌强度对石英颗粒表面基团的影响
随着搅拌速率的增大，石英颗粒的泥化程度增加，泥化成微细颗粒，颗粒表面Si-O断裂键增多，形成大量的硅酸。由图4红外光谱分析图可看出，随着转速的提高，800～1000cm-1、400～800cm-1处的O-Si-O和Si-O-Si振动峰逐渐减弱，而3450 cm-1附近及1645～2000 cm-1处的Si-OH振动峰有变强的趋势，这是由于Si-O和O-Si键吸附了水中的H+和OH-形成了Si-OH造成的。在pH值为2～14时，石英颗粒表面的硅酸属于弱硅酸，因此会失去一部分的H+，形成荷负电的表面。因此，随着搅拌速率的增大，石英颗粒泥化程度增大，颗粒表面断裂的硅氧键增多，会使颗粒表面荷更多的负电。但石英颗粒并不是无限泥化下去，随着石英颗粒粒度的变小，转速提高对其泥化影响变小，当泥化程度达到一定程度时，颗粒表面的zeta电位绝对值也达到了最大值。之后，zeta电位绝对值又有减小的趋势，原因石英在搅拌作用下泥化，解离出Ca2+、Mg2+等游离阳离子，这些阳离子会吸附在荷负电的石英颗粒表面，从而降低了颗粒表面的zeta电位绝对值[7-8]。 2.2.3浸泡时间对石英颗粒表面电动电位的影响
在强度为300r/min下搅拌5min时，测定浸泡时间对浓度为20g/l的石英悬浮液颗粒表面电动电位的影响，结果见图5，并在70℃下干燥浸泡时间为0天、2天及4天处理后的石英试样，并对干燥后的石英试样进行红外光谱分析，分析结果如图6所示。
由图5可以看出，随着浸泡时间的增加，在第3天时，石英颗粒表面的zeta电位绝对值达到了最大值，以后随着浸泡时间的增加zeta电位绝对值出现了减小。
图5 浸泡时间对石英颗粒表面电动电位的影响 图6 浸泡时间对石英颗粒表面基团的影响
由图6红外光谱分析图可知，随着浸泡时间的增加，400-800cm-1 、1096cm-1和800-1000cm-1分别为Si-O-Si振动和O-Si-O 或Si-O振动的特征吸收峰强度变大，这是由于浸泡时间的增加，促进了石英的泥化，颗粒比表面积变大，表面的O-Si-O和Si-O断裂键的数量增多造成的，因而增大了颗粒表面的负电性，即颗粒表面zeta电位绝对值增大。随着浸泡时间的延长，石英泥化的速率便开始缓慢下来，颗粒表面的zeta电位绝对值在浸泡3天时出现了最大值。随后石英颗粒表面的zeta电位绝对值随着浸泡时间的增多，又出现减小的趋势，可能是因为石英颗粒的泥化致使其内部所夹带的溶解盐转入水介质中，电离出Ca2+、Mg2+等游离阳离子，被吸附到颗粒表面压缩双电层，降低颗粒表面的zeta电位绝对值[7-8]。
3 结论
石英颗粒表面电动电位主要影响因素及变化规律研究：
（1）pH值对石英颗粒表面电动电位的影响，pH<8时，随着pH值的增大，zeta电位绝对值逐渐增大；pH约为8时，zeta电位绝对值达到最大值；pH>8时，随着pH值的增大，zeta电位绝对值开始减小。
（2）搅拌强度对石英颗粒表面电动电位的影响，颗粒表面zeta电位绝对值随转速的提高而逐渐增加，当转速为200 r/min时，zeta电位绝对值出现最大值，随后又出现减小的趋势。
（3）浸泡时间对石英颗粒表面电动电位的影响，随着浸泡时间的增加，zeta电位绝对值增大，在浸泡3天时，石英颗粒表面的zeta电位绝对值达到了最大值，之后随着浸泡时间的增加zeta电位绝对值出现减小的趋势。
参考文献：
[1] 张明旭.选煤厂煤泥水处理[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.
[2] 陈忠杰，闵凡飞，朱金波等.高泥化煤泥水絮凝沉降试验研究[J].煤炭科学技术，2010，38（9）：
174-178.
[3] 银锐明，陈琳璋，侯清麟，等. 金属镁离子活化石英浮选的机理研究 [J]. 功能材料，2013，15
（44）：2193～2196.
[4] 郑水林.非金属矿物材料[M].北京：化学工业出版社，2007.
[5] 张 杰， 王维清， 董发勤，等.锂辉石浮选尾矿中长石和石英浮選分离[J]. 中国有色金属学报，2013，3（36）：26～28.
[6] 张 钊， 冯启明 ，王维清，等.十二胺和十二烷基磺酸钠在长石石英表面的吸附[J].非金属矿，2012，4（35）：8～11.
[7] 徐廷婧，王河锦.景德镇地区高岭石红外光谱
分析[J].岩石矿物学杂志，2010，29 （1）：59～66.
[8] 曾华东，雷绍民，刘云涛，等. 石英氧化浸出提纯中的络合离子的作用及机理[J]. 矿业研究与开发，2012，6：67～70.