不同分子結(jié)構(gòu)藥劑的煤泥浮選效果

康文澤， 王光耀

(黑龍江科技大學(xué) 石墨新材料工程研究院，哈爾濱 150022)

目前，我國煤泥浮選使用的捕收劑大多為煤油或輕柴油。由于煤種不同，浮選煤泥表面的性質(zhì)也不同，若一概使用煤油或輕柴油，則針對性不強(qiáng)，一方面導(dǎo)致部分精煤損失在尾礦中，另一方面藥劑耗量可能增大，從而影響浮選作業(yè)的整體效率。如果浮選煤種為稀缺煤，浮選精煤大量損失在尾煤中，則會浪費(fèi)寶貴的稀缺煤資源。為了提高煤泥浮選的效率，學(xué)者們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。王學(xué)霞等[1]研究了新型煤泥浮選藥劑，改善了煤泥浮選效果;鄧銘等[2]研究了浮選藥劑聯(lián)合使用，以及在現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果;周長春等[3－4]研究了芳烴捕收劑的結(jié)構(gòu)對煤泥浮選效果的影響;筆者等[5－6]針對稀缺難浮煤的特點(diǎn)，研制了AO新型捕收劑，并分析其作用機(jī)理。上述研究大多關(guān)于新型藥劑的開發(fā)與使用，而有關(guān)藥劑的分子結(jié)構(gòu)對煤泥浮選效果影響的文獻(xiàn)尚不多見。筆者以山西太原肥煤為研究對象，選取碳原子數(shù)均為12的鄰苯二甲酸二乙酯、正十二烷、異十二烷為捕收劑，研究碳原子數(shù)相同、分子結(jié)構(gòu)不同的捕收劑對稀缺肥煤的浮選效果，為開發(fā)新型浮選藥劑提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

煤樣選用山西太原肥煤，其工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Coal sample proximate analysis

捕收劑選用鄰苯二甲酸二乙酯(C12H14O4)、正十二烷(C12H26)、異十二烷(C12H26)，起泡劑選用仲辛醇(C8H17OH)。

1.2 方法

1.2.1 浮選實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用XFD型單槽式浮選機(jī)，浮選槽容積為1 L。礦漿質(zhì)量濃度及捕收劑與起泡劑的質(zhì)量比通過正交實(shí)驗(yàn)確定，浮選實(shí)驗(yàn)方法和步驟按照GB/T 4757—2001《煤粉(泥)實(shí)驗(yàn)室單元浮選實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行。

1.2.2 潤濕熱測定

采用C80－IISetaram微量熱儀，分別測量太原肥煤與鄰苯二甲酸二乙酯、正十二烷、異十二烷作用的潤濕熱。每次實(shí)驗(yàn)煤樣用量為0.200 0 g，藥劑用量為2.5 mL。實(shí)驗(yàn)初始溫度設(shè)為30℃，恒溫時(shí)間為2.5 h，收集潤濕熱數(shù)據(jù)時(shí)間為5 h。

1.2.3 紅外光譜分析

借助MB103傅里葉變換紅外光譜儀研究太原肥煤與鄰苯二甲酸二乙酯、正十二烷、異十二烷的相互作用。采用KBr壓片法制樣，紅外光譜的范圍為500～4 000 cm－1，分辨率為 1 ～64 cm－1，波數(shù)精度±0.04 cm－1，波數(shù)重復(fù)度 ±0.01 cm－1。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳浮選操作指標(biāo)的確定

為確定三種捕收劑浮選太原肥煤的最佳操作指標(biāo)，以鄰苯二甲酸二乙酯為捕收劑，仲辛醇為起泡劑。捕收劑用量為1.25 kg/t，以礦漿質(zhì)量濃度(A)、捕收劑與起泡劑的質(zhì)量比(B)為影響因素進(jìn)行浮選正交實(shí)驗(yàn)，影響因素水平見表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 2 Factor level of orthogonal test

表3 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Data of orthogonal test %

選擇精煤產(chǎn)率、可燃體回收率、浮選完善指標(biāo)作為評價(jià)煤泥浮選效果的依據(jù)，從表3正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤泥浮選效果最好的指標(biāo)為A2B2，由此確定浮選太原肥煤的最佳礦漿質(zhì)量濃度為100 g/L，捕收劑與起泡劑的質(zhì)量比為10∶1。

2.2 煤泥浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)2.1部分確定的浮選操作條件，進(jìn)行不同藥劑用量的浮選實(shí)驗(yàn)。鄰苯二甲酸二乙酯、正十二烷、異十二烷用量分別為 0.50、0.75、1.00、1.25、1.50 kg/t，浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 鄰苯二甲酸二乙酯、正十二烷、異十二烷浮選結(jié)果Fig.1 Flotation results of diethyl phthalate，dodecane and isododecane

由圖1可以看出，鄰苯二甲酸二乙酯、正十二烷、異十二烷對煤泥浮選的精煤產(chǎn)率、可燃體回收率、浮選完善指標(biāo)均隨浮選藥劑用量的增加先升高后下降，且在藥劑用量為1.25 kg/t時(shí)達(dá)到最高值。即捕收劑用量為1.25 kg/t是三種煤泥浮選藥劑浮選太原肥煤的最佳藥劑用量。鄰苯二甲酸二乙酯的精煤產(chǎn)率、可燃體回收率、浮選完善指標(biāo)均高于正十二烷、異十二烷的，精煤灰分低于正十二烷、異十二烷的。在捕收劑用量為1.25 kg/t時(shí)，鄰苯二甲酸二乙酯的精煤產(chǎn)率、可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)分別比正十二烷高3.20%、3.22%、3.25%，比異十二烷高2.03%、2.05%、2.42%;其精煤灰分比正十二烷低1.15%，比異十二烷低0.37%?？梢姡彵蕉姿岫阴γ耗嗟母∵x效果最優(yōu)，其次為異十二烷、正十二烷。

2.3 藥劑與煤樣作用的潤濕熱

潤濕熱表征液體在固體表面潤濕過程中釋放的能量，其數(shù)值反映了液體與固體的作用強(qiáng)度。鄰苯二甲酸二乙酯、正十二烷、異十二烷與煤樣作用的潤濕熱分別為5.410 5、1.467 1、0.011 9 J/g。由測量結(jié)果可知，鄰苯二甲酸二乙酯與煤作用的潤濕熱最大，說明鄰苯二甲酸二乙酯與煤的親合力強(qiáng)，容易在煤表面鋪展，可顯著提高煤表面的疏水性[7－8];含有烷基側(cè)鏈的異十二烷與煤樣作用的潤濕熱為1.467 1 J/g，比沒有側(cè)鏈的正十二烷大。從三種捕收劑與煤樣作用的潤濕熱大小可以看出，含有苯環(huán)的鄰苯二甲酸二乙酯與煤樣的作用力大于烷烴與煤樣的作用力;含有烷基側(cè)鏈的異十二烷與煤樣的作用力大于沒有側(cè)鏈的正十二烷與煤樣的作用力。

2.4 藥劑與煤樣作用的紅外光譜分析

煤樣、藥劑以及藥劑與煤樣作用后的紅外光譜如圖2～4所示。

圖2 煤樣的紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of coal sample

圖3 藥劑的紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of reagen

圖4 藥劑與煤樣作用后的紅外光譜Fig.4 Infrared spectrum of after reagen to role of coal sample

比較煤樣吸附鄰苯二甲酸二乙酯、正十二烷、異十二烷捕收劑前后的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)原煤在3 200～3 400 cm－1、3 580 ～3 650 cm－1的羥基(—OH 游離，締合)尖銳吸收峰經(jīng)含有—CH3的三種捕收劑吸附作用后，峰形變寬，出峰數(shù)量減少，—OH的吸收峰減弱，說明三種藥劑均能抑制煤表面親水的—OH基團(tuán)，提高煤的疏水性。在1 580～1 850 cm－1范圍內(nèi)，鄰苯二甲酸二乙酯捕收劑中苯環(huán)的═CC引起苯環(huán)的骨架伸縮振動(dòng)，且苯環(huán)與煤中的芳香骨架結(jié)構(gòu)相似，依據(jù)“相似相溶”原理，兩者更容易產(chǎn)生吸附作用，進(jìn)一步提高煤的疏水性[3]。正、異十二烷吸附到原煤表面后，異十二烷中的烷基側(cè)鏈?zhǔn)乖涸? 460 cm－1處出現(xiàn)—CH3反對稱變形和—CH2變形，加強(qiáng)了此處吸收峰的吸收強(qiáng)度。烷基側(cè)鏈的存在還使異十二烷與原煤表面的接觸面積增大，吸附作用更強(qiáng)。而正十二烷只有一條烷基主鏈，沒有側(cè)鏈，所以，正十二烷與煤的接觸面積、強(qiáng)化煤表面的疏水性方面比異十二烷差。

2.5 藥劑與煤樣的作用機(jī)理

煤是由數(shù)量不等的側(cè)鏈連接多苯芳香核以及氰化物、碳酸鹽、硫酸鹽等礦物質(zhì)組成的混合物[9]。其中，煤的主體部分是多苯芳香核。含有苯環(huán)的鄰苯二甲酸二乙酯作為煤泥浮選的捕收劑時(shí)，藥劑中的苯環(huán)與煤中的芳香組分通過π鍵的作用使藥劑吸附到煤表面，而正、異十二烷則通過僅含的烷基鏈與煤中的芳香組分作用吸附到煤表面上，以提高煤表面的疏水性。據(jù)測定，苯環(huán)與芳香組分間π/π鍵的鍵能為8.39 kJ/mol，烷基與芳香組分間CH/π鍵的鍵能為3.68 kJ/mol[10]。比較兩者的化學(xué)鍵能可知，含有苯環(huán)的捕收劑與煤的作用力比烷烴捕收劑大。藥劑與煤樣作用的潤濕熱測量顯示，含有苯環(huán)的鄰苯二甲酸二乙酯與煤作用的潤濕熱遠(yuǎn)大于烷烴，潤濕熱的測量結(jié)果與上述分析一致。因此，鄰苯二甲酸二乙酯提高煤表面疏水性的能力優(yōu)于正、異十二烷。異十二烷與正十二烷相比，不僅有長直鏈，還有烷基側(cè)鏈，烷基側(cè)鏈的存在增大了異十二烷與煤表面的接觸面積，而異十二烷與煤的作用力更大，這與正、異十二烷的潤濕熱測量結(jié)果一致。因此，異十二烷在改善煤泥表面疏水性、提高煤泥浮選效果方面優(yōu)于正十二烷，煤泥的浮選實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了上述分析。

3 結(jié)論

(1)鄰苯二甲酸二乙酯作為捕收劑，煤泥浮選的精煤產(chǎn)率、可燃體回收率、浮選完善指標(biāo)分別比正十二烷高3.20%、3.22%、3.25%，比異十二烷高2.03%、2.05%、2.42%。三種捕收劑中，鄰苯二甲酸二乙酯的浮選效果最好，其次是異十二烷、正十二烷。

(2)含有苯環(huán)的鄰苯二甲酸二乙酯比正、異十二烷更能潤濕煤的表面，提高煤表面的疏水性。含有烷基側(cè)鏈的異十二烷與沒有側(cè)鏈的正十二烷相比，異十二烷與煤樣的作用力大于正十二烷，因此，異十二烷在提高煤表面的疏水性方面優(yōu)于正十二烷。

(3)藥劑的疏水基團(tuán)能使煤表面的親水基團(tuán)伸縮振動(dòng)減弱，使原本親水的煤表面變成疏水。即三種不同分子結(jié)構(gòu)的捕收劑均能不同程度地提高煤泥的可浮性。

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