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煤泥水是一种选煤厂湿法洗煤产生的工业废水,它的沉降澄清是选煤工艺流程中的关键环节之一。然而,由于采煤机械化程度加大及原煤煤质变差,导致大量高泥化煤泥水的产生,高泥化煤泥水具有粒度细、粘土矿物含量高及颗粒表面电负性强等特点,严重加大了煤泥水处理的难度。本文以淮南矿区高泥化煤泥水及煤泥水中主要微细颗粒煤和高岭石为研究对象,采用试验和量子化学/分子动力学模拟相结合的方法,对疏水改性剂作用下高泥化煤泥水中微细颗粒疏水聚团特性及机理进行了深入研究,为高泥化煤泥水沉降澄清的新技术开发及新药剂设计提供理论基础。煤泥水中微细颗粒疏水聚团特性研究表明,阳离子胺/按盐类疏水改性剂能够通过静电引力作用自发吸附在荷负电的微细煤泥矿物颗粒表面,改善颗粒表面疏水性,降低颗粒表面电负性,促进颗粒在疏水引力作用下形成疏水聚团,进而促进微细煤泥矿物颗粒的疏水聚团沉降。疏水改性剂作用下单一煤聚团沉降效果弱于单一高岭石的聚团沉降效果。药剂种类及药剂用量、动能输入、矿浆浓度和矿浆pH是影响微细煤泥矿物颗粒疏水聚团沉降效果的主要影响因素。药剂种类和药剂用量主要通过控制微细颗粒形成疏水聚团的尺寸大小,影响其疏水聚团沉降效果;合适的动能输入和矿浆浓度有利于微细煤泥矿物颗粒的疏水聚团沉降;微细煤泥矿物颗粒疏水聚团沉降的最佳矿浆pH为弱碱性。D和L煤泥水的最佳疏水聚团沉降条件为:1831用量3000g/t、搅拌强度750r/min及搅拌时间10min,该条件下两煤泥水的沉降速度和透光率分别可达0.83 cm/min、78.6%及1.31 cm/min、62.4%。同时,混凝剂与疏水改性剂复配使用,不仅能减少各药剂的用量,还能显著提高高泥化煤泥水的疏水聚团沉降效果。混凝剂与1831的最佳复配用量为:絮凝剂APAM 40 g/t、凝聚剂CaCl2 10000 g/t时及1831 1500 g/t,此条件下煤泥水的初始沉降速度达0.97 cm/min,透光率达84.1%。煤表面吸附的DFT模拟研究表明,水分子主要通过与煤表面不同含氧官能团形成氢键吸附到煤表面,且在不同煤含氧结构表面吸附的稳定性大小为-COOH>-C=O>Ph-OH>-O-;不同甲基胺/铵阳离子主要通过与煤表面不同含氧官能团形成N-H...O或C-H...O氢键吸附到煤表面,且在不同煤含氧结构表面吸附的稳定性大小为-C=O>-COOH>-O->Ph-OH;水及不同甲基胺/铵阳离子在煤含氧结构表面吸附的稳定性大小为:H2O>CH6N+>C2H8N+>C3H10N+>C4H12N+,即水溶液环境中甲基胺/铵阳离子在煤含氧结构表面的吸附状态不稳定。高岭石表面吸附的DFT研究表明,水分子主要通过氢键吸附在高岭石（001）面和（001）面,单个水分子在高岭石（001）面不同位置的吸附能为-72.12～-19.23 kJ/moL小于其在高岭石（001）面不同位置的吸附能-19.23～-5.77 kJ/moL,即水分子更容易吸附在高岭石（001）面;不同甲基胺/铵阳离子主要通过静电作用和氢键吸附在高岭石（001）面和（001）面,且更容易吸附在高岭石（001）面;不同甲基胺/铵阳离子在高岭石（001）面最佳吸附位为H3位,吸附能（按伯胺阳离子、仲胺阳离子、叔胺阳离子及季铵阳离子顺序,下同）分别为-125.385、-126.154、-128.654 及-109.711 kJ/mol,在高岭石（001）面最佳吸附位都为 H1位,吸附能分别为-140.961、-136.154、-138.558 及-115.961 kJ/mol;不同十二烷基胺/铵阳离子在高岭石（001）面不同穴位吸附稳定性为H3>H2>H1,在高岭石（001）面不同穴位吸附稳定性为H1>H2>H3;不同碳链长度的季铵阳离子在高岭石（001）面及（001）面吸附稳定性随着季铵盐碳链长度的增加而减小。不同煤含氧结构单元主要通过形成氢键及苯环与表面间的作用吸附在高岭石（001）面和（001）面,且吸附平衡后煤含氧结构中的苯环近似平行于高岭石（001）面和（001）面;不同煤含氧结构单元在高岭石在高岭石（001）面及（001）面吸附稳定性大小分别为-COOH>Ph-OH>-C=O>-O-和-COOH>-C=O>-O->Ph-OH,且煤含氧结构更容易吸附在高岭石（001）面。烟煤表面吸附的MD模拟研究表明,随着水层水分子数从200增加至1600,烟煤表面对水分子的界面效应逐渐减小,水分子逐渐远离表面,且水分子间排列的有序度不断减小。十二烷基伯胺阳离子和十八烷基三甲基氯化铵阳离子在烟煤/水界面处吸附平衡后,其碳链都发生严重扭转现象,且大部分阳离子极性头基朝向溶液,对烟煤表面疏水改性效果不理想。高岭石表面吸附的MD模拟研究表明,随着水覆盖率从2/3 ML不断增大到8/3 ML,高岭石表面对水分子的束缚力逐渐减小,界面处的氢键作用逐渐减弱,且水分子逐渐形成多个水分子层;相同水覆盖率时,高岭石（001）面对水分子的界面效应弱于高岭石（001）面对水分子的界面效应。十二烷基伯胺阳离子和十八烷基三甲基氯化铵阳离子在高岭石/水界面处吸附平衡后,阳离子主要以极性头基吸附在高岭石表面,非极性碳链朝向溶液,并发生一定程度扭转,不同阳离子碳链通过疏水缔合作用吸引到一起使表面疏水化。烟煤大分子在高岭石（001）面及（001）面动力学平衡后,烟煤分子中部分苯环结构近似平行与高岭石表面,这一结果进一步说明,煤与高岭石颗粒间的相互作用,除了煤分子中含氧官能团与高岭石表面的氢键作用外,煤分子中活性较强的苯环与高岭石表面也存在较强的作用,即微细煤与高岭石间的相互作用机制主要是氢键作用和煤结构中苯环与高岭石表面间作用的综合作用。阳离子胺/铵盐类疏水改性剂对煤泥颗粒的疏水聚团作用机理主要是"吸附电中和"和疏水引力综合作用的结果。阳离子胺/铵盐类疏水改性剂作用下高泥化煤泥水中微细粒矿物疏水聚团沉降的作用机理,主要是疏水改性剂阳离子通过静电引力和氢键作用吸附在微细煤泥矿物颗粒表面,对颗粒表面进行疏水改性:一方面弱化煤泥颗粒间水化斥力,提高煤泥颗粒间疏水引力;另一方面,降低煤泥矿物颗粒表面电负性,压缩颗粒表面双电层,降低颗粒间静电斥力,进而实现煤泥颗粒的疏水聚团沉降。