煤泥分选超净煤的药剂研究*

  王  婕  付晓恒  李珞铭  杨  磊  潘悦怡  舒元峰

  （中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083）

  摘要  选取动力煤选煤厂煤泥为研究对象，利用傅里叶红外光谱( FTIR)仪和接触角测量仪对比了超细粉碎后的煤泥以及和乳化柴油作用后的煤泥的官能团和润湿性的变化，分析了在絮团浮选中乳化柴油的作用机理。在此基础上，研究了乳化柴油的种类和用量以及分散剂或起泡剂的添加对煤泥絮团分选超净煤的影响。试验结果表明，乳化柴油中的非离子型表面活性剂极性基与煤表面的含氧官能团发生氢键吸附，使煤表面含氧官能团含量减少，接触角增大，疏水性增强；1 #乳化柴油的浮选效果优于2#乳化柴油；1#乳化药剂的最佳药剂用量为57. 96 kg/t;在分选过程中添加分散剂后得到的超净煤灰分减小，产率也减小；添加起泡剂后分选效果优于单独使用乳化柴油的分选效果。

    关键词  煤泥  絮团浮选  乳化柴油  超净煤

    中图分类号  TQ536.4    

    在细粒煤泥的分选方法中，泡沫浮选是最为常用的一种分选方法。但是随着煤泥粒度的减小（由细粒向微粒过渡），常规泡沫浮选选择性降低且分选精度明显下降。为了从煤泥中分选出超净煤，一般都需要把煤泥破碎到10um以下，才能使其中的矿物质和有机可燃体得到比较充分的解离，此时如果直接采用常规泡沫浮选，其分选精度欠佳．难以得到超净煤。经证实，絮团浮选是一种有效分选出超净煤的物理分选方法，用该种方法可以从我国绝大多数煤种中分选出灰分低于3%的超净煤。絮团浮选所用的药剂是由柴油、水和一定量的乳化剂配制而成。柴油是烃类化合物，分子中各原子以共价键结合，在水中不易分散，易使形成的油膜过厚，粘度偏高。加入乳化剂后，利用其乳化作用和强烈搅拌，使柴油以细小的液珠分散在水中，形成高度分散的稳定乳状液。油滴数量越多则直径越小，比表面积越大，在分选过程中和煤颗粒粘附的概率越高，并且乳化后的柴油与煤的接触时间短，可以减少煤的孔隙对药剂的吸收，从而有效地改善分选效果。

    本文选取动力煤选煤厂煤泥，分析了乳化柴油在超细粉碎后煤泥表面的吸附机理，探讨了药剂种类和用量、添加分散剂或起泡剂对絮团分选的影响，为煤泥分选超净煤过程提供了一定的理论依据。

1  试验

1.1  试验样品

    煤样为大同煤矿集团晋华宫动力煤选煤厂的原生煤泥，其工业分析如下：Mad为1. 22%、A a d为26. 10%、V d a f为31. 52%、F C d a f为68. 48%;元素分析如下：C d a f为85, 56%、H d a f为4.51%、N d a f为0. 85%、O d a f为7. 99%、St．d a f为1.09%。将原煤样严格按照国标采用锥形四分法进行充分的掺合缩分，接着采用小型超细搅拌磨机对煤泥样进行超细粉碎试验，固体重量浓度为30%，时间为25 min，超细粉碎后的粒度分布如图1所示，体积平均粒度D[4，3]为4. 70 um。

1.2试验方法

    取超细粉碎后的煤泥样2份，每份10 g，分别置人烧杯中配制成质量浓度为50 g／L的矿浆，然后在其中1份矿浆中加入乳化柴油(药剂用量为57. 96 kg/t)，搅拌1 min后过滤煤样，在真空干燥箱中烘干后装入自封袋中密封。

    (1)红外光谱测定。超细粉碎后的煤泥以及和药剂作用后的煤泥的红外光谱由NICOLET Is10进行测定。取少量煤样与K Br混合制样压片，比例为1：160．扫描范围4000～400 cm-1，扫描次数为32次，分辨率为4。

    (2)接触角的测定。超细粉碎后煤泥颗粒与乳化柴油作用后的煤泥的接触角采用德国的EASY-DROP DSA20型接触角测量仪进行测量。取定量的晾干煤泥样，以1.5×105压力制成压片，每个样压3个片。压制成的试验片放在内有氯化钠饱和水溶液的干燥器中，恒湿48 h，减少煤样毛细孔和表面粗糙度的影响。然后在试验片上，用微量注射器抽取去离子水，滴于试验片上形成半球状液滴，放大后摄像，应用角度法测得表观接触角，测量2次后取平均值。

    (3)絮团浮选试验。絮团浮选试验在1L的XFD型单槽悬挂式浮选机上进行，浮选人料浓度为50 g／L。浮选药剂为1 #和2 #乳化柴油，由柴油、水和不同的乳化剂配制而成，油水比为1：4；乳化剂分别为曲拉通X - 100  (1#)和吐温80(2#)，起泡剂为仲辛醇，用量为50 g/t;分散剂为六偏磷酸钠，用量为1000 g／t。

2  乳化柴油作用机理分析

2.1  红外光谱分析

    超细粉碎后的煤泥以及与乳化柴油作用后的红外光谱如图2所示。其中主要的吸收峰归属如下所示：波数在3700～3100 cm-1范围内为醇、酚的- OH以及- NH和- NH2的归属峰；3050 cm-1左右为芳烃的振动峰；2950～2800  cm-1、1500～1350 cm-1分别为甲基、亚甲基的伸缩振动峰和剪切振动峰；1800～1500  cm-1范围内为C=O与-OH的氢键共振峰，以及芳烃C=C的伸缩振动峰；1300～1000 cm-1为酚C-O、醚键的归属峰；1040～900 cm-1为Si -O弯曲振动峰；550～400 cm-1为矿物质的特征吸收峰。

    由图2可以看出，与乳化柴油作用后煤泥的红外光谱在3400 cm-1和1300～1000 cm-1这2处的吸收峰强度减弱，这2处为煤中的醇、酚和醚等极性键的特征吸收峰，强度减弱说明与乳化柴油作用后煤泥表面的极性键含量减少。而柴油等非极性烃类油是与煤表面非极性部分作用，即非极性油是与煤颗粒表面的天然疏水性基团吸附，对亲水性基团不会发生吸附。由此可知，产生上述变化的原因是乳化柴油中的非离子表面活性剂极性基与煤表面的含氧官能团发生氢键吸附，使煤表面的含氧官能团减少，即乳化柴油是通过化学吸附作用在煤表面，这与前人的研究结果一致。

2.2  润湿性分析

    煤泥与乳化柴油作用后煤泥的接触角变化如图3所示。

    由图3可以看出，煤泥的接触角为68. 64，与乳化柴油作用后煤泥的接触角为76. 54，由此可见，与乳化柴油作用后煤泥的接触角增大，疏水性增强。由红外的分析结果可知，乳化柴油中的极性基与煤表面的含氧官能团上的氢原子之间形成氢键，消除了含氧官能团的影响，使煤的疏水性增强。

3  药剂制度研究

3.1  乳化柴油种类对分选效果的影响

    两种乳化柴油作用下的絮团浮选试验结果如图4所示。

    由图4可以看出，在分选5次后，1#乳化柴油分选得到的超净煤灰分为1.77%．产率为

52. 87%;2 #乳化柴油分选得到的超净煤灰分为1. 45%，产率46. 95%。在浮选出的精煤灰分相近的情况下，1 #乳化柴油分选得到的超净煤产率要高于2 #乳化柴油，说明1 #乳化柴油的分选效果要优于2 #乳化柴油。

3.2乳化柴油用量对分选效果的影响

不同药剂用量下的分选结果如图5所示。

    由图5可以看出，精煤产率随着药剂用量的增加单调上升，灰分随着药剂用量的增加先降低后又有所回升。当用量为57.96 kg/t时，分选得到的超净煤灰分最低，为1.77%，此时产率为52. 87%。之后随着药剂用量增大，灰分升高，药剂的选择性降低。

3.3分散剂配合使用对分选效果的影响

    煤泥样经过超细粉碎后，存在高灰细泥覆盖于细粒精煤表面的现象。添加分散剂的目的是通过对矿物颗粒表面性质的调节，使煤浆中的矿物颗粒首先充分、稳定的分散悬浮，减少精煤颗粒和无机矿物颗粒之间相互吸引黏附以及包裹覆盖，以提高絮团浮选的质量。六偏磷酸钠作为分散剂可以增加细泥表面电负性以及增强细泥之间的排斥势能，促使细泥颗粒在煤浆中分散的作用。絮团分选过程中添加分散剂的分选结果见表1。

    由表1可见，在添加了分散剂后，分选得到的超净煤灰分下降，产率也下降，可见在煤浆中添加一定量的分散剂后，可以使精煤颗粒充分、稳定地悬浮，防止它们之间及它们与无机矿物颗粒之间的相互团聚，从而提高了分选质量。但是由于添加分散剂后分选出的超净煤灰分，与未添加分散剂分选出的超净煤灰分差距仅为0. 1%，而产率相差较大，故在后续利用煤泥分选超净煤时可以考虑不添加分散剂。

3.4起泡剂配合使用对分选效果的影响

    起泡剂是重要的浮选药剂之一，主要富集在水一气界面，降低水一气面表面张力，促使空气在矿浆中弥散成大量、稳定的细小气泡，防止气泡兼并。目的矿物通过气泡的矿化，再通过气泡的运输把精煤从矿浆中分选出来。起泡剂的添加可以提高气泡在矿化和上浮过程中的稳定性，保证矿化气泡上浮后形成泡沫层刮出。添加起泡剂后的絮团分选结果如图6所示。

    由图6可以看出，向矿浆中添加起泡剂后，分选出的精煤灰分较低，随着分选次数的增加，添加起泡剂后分选得到的精煤产率逐渐低于单独使用乳化柴油分选出的精煤产率。

    为了更好的比较是否添加起泡剂的分选效果，把两种条件下的累计灰分和产率曲线进行拟合，比较在同一灰分下的精煤产率。添加起泡剂与单独使用乳化柴油的分选效果如图7所示。

    由图7可以看出，在同一灰分下，添加起泡剂后分选出的精煤产率要高于单独使用乳化柴油得到的精煤产率。乳化柴油中的乳化剂为非离子表面活性剂，其极性基带有多个醚基，而醚类的表面活性剂本身就有一定的起泡功能，向煤浆中再加入一定量的起泡剂后，使煤浆中气泡量增加，气泡直径变小并且更加稳定，煤颗粒与气泡粘附并上升至泡沫层的概率增加，进而分选得到的精煤产率也增加。

4  结论

    (1)乳化柴油中的非离子型表面活性剂极性基与煤表面的含氧官能团发生氢键吸附，使煤表面的含氧官能团减少，接触角增大，疏水性增强。

    (2)乳化柴油种类、用量以及分散剂或起泡剂的添加对煤泥絮团分选超净煤有较大影响。1 #乳化柴油的分选效果要优于2 #乳化柴油；随着乳化柴油药剂用量的增加，分选得到的超净煤产率单调上升，灰分先减小后又增大，灰分最小时的药剂用量为57. 96 kg/t，此时分选出的超净煤灰分为1. 77%，产率52. 87%。

    (3)在絮团分选过程中添加分散剂分选得到的超净煤灰分降低且产率下降，但是由于灰分减小幅度很小，故可以考虑不再添加分散剂。在同一灰分下，添加起泡剂后分选出的超净煤产率要高于单独使用乳化柴油得到的精煤产率。