煤泥表面張力與浮選效果關(guān)系的研究

周丫舒，董憲姝

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

煤泥表面張力與浮選效果關(guān)系的研究

周丫舒，董憲姝

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

摘要：隨著高灰細泥浮選入料的逐漸增高，煤泥分選效果惡化的問題越來越突出，添加浮選藥劑改善煤炭的浮選效果是最重要的途徑。本文分別選用煤油和柴油為捕收劑、仲辛醇和QPJ為起泡劑，測定添加浮選藥劑后煤漿的表面張力，再使用煤油做捕收劑、仲辛醇做起泡劑，進行實驗室浮選試驗，從而探索了浮選藥劑對煤漿表面張力和浮選效果影響的變化規(guī)律。結(jié)果表明：浮選過程中煤漿表面張力與浮選效果的關(guān)系密切，隨著捕收劑或起泡劑用量的增加，煤漿表面張力有10 mN/m左右的降低，可燃體回收率增加15%左右，并且表面張力最低時可燃體回收率是最高的。

關(guān)鍵詞：表面張力；煤泥浮選；可燃體回收率；精煤灰分

煤泥浮選是煤炭分選中的重要環(huán)節(jié)，而浮選藥劑選用又是煤泥浮選中的焦點。傳統(tǒng)的浮選藥劑確定方法為：先進行實驗室系統(tǒng)浮選實驗，根據(jù)實驗結(jié)果初步擬定浮選藥劑制度，再進行工業(yè)試驗，最終確定浮選藥劑制度[1-3]。實驗室浮選環(huán)節(jié)實驗量較大、實驗周期較長、實驗樣品消耗量較大。

研究表明，表面張力在浮選過程中起到了較為重要的作用[4-6]。向煤漿中添加一定量的浮選藥劑可以增強煤粒表面的疏水性，從而獲得更好的浮選效果[7]。在實際應(yīng)用中，對浮選過程中煤顆粒的表面張力測量不便，對煤漿的表面張力測定比較容易。因此，本文對浮選藥劑劑量與煤漿表面張力的變化規(guī)律進行了探究，并對其規(guī)律與浮選效果的關(guān)系進行了研究，以期利用煤漿表面張力指導(dǎo)煤泥浮選。

1試驗樣品與方法

1.1試驗樣品

試驗樣品為馬蘭2#煤泥(-0.5 mm)，煤樣灰分為24.93%，水分為0.96%，見表1。

1.2試驗設(shè)備與藥劑

試驗采用吉林省探礦機械廠生產(chǎn)的XFDⅢ 型實驗室用單槽浮選機，表面張力測定采用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JK99C 型表面張力測定儀。

浮選藥劑有煤油、柴油、仲辛醇和QPJ，其基本性質(zhì)及用途見表2。

表2　浮選藥劑明細表

1.3試驗方法

試驗分為試驗Ⅰ和試驗Ⅱ兩部分。在試驗Ⅰ中，先后改變捕收劑和起泡劑用量，對添加浮選藥劑后煤漿的表面張力進行測定，以研究浮選藥劑用量對煤漿表面張力影響的規(guī)律。在試驗Ⅱ中選用煤油/仲辛醇做捕收劑/起泡劑，先后改變煤油和仲辛醇的用量，按照《GB/T 4757-2013 煤粉(泥)實驗室單元浮選試驗方法》對馬蘭2#煤泥進行浮選試驗，并在浮選充氣前對煤漿同步進行表面張力的測定，進一步對浮選過程中浮選藥劑量、煤漿表面張力及浮選效果之間的關(guān)系進行探索。試驗控制煤漿濃度為100 g/L，溫度為22±0.2℃；使用一次去離子水(pH值為7.0±0.2)。試驗技術(shù)路線見圖1。

評定煤泥浮選效果的指標[4]有浮選精煤產(chǎn)率(γj)、浮選精煤灰分(Aj)、可燃體回收率(E)等。其中，可燃體回收率是評定浮選效果的重要技術(shù)指標，指煤泥中除去廢棄礦物質(zhì)以外的有用物質(zhì)，可用式(1)計算。

(1)

式中：E為浮選精煤可燃體回收率，%；γj為浮選精煤產(chǎn)率，%；Aj為浮選精煤灰分，%；Ay為計算入料灰分，%。

2試驗結(jié)果及分析

2.1浮選藥劑用量對煤漿表面張力的影響

試驗分別使用煤油-仲辛醇、煤油-QPJ、柴油-仲辛醇以及柴油-QPJ 4種藥劑組合，進行浮選藥劑用量對煤漿表面張力影響的規(guī)律研究，其中煤油和柴油為捕收劑，仲辛醇和QPJ為起泡劑。

固定起泡劑用量為200 g/t，改變捕收劑用量進行試驗，結(jié)果見圖2。

圖1　浮選試驗技術(shù)路線圖

圖2　捕收劑用量與煤漿表面張力的關(guān)系

由圖2可以看出，隨著捕收劑藥劑用量的增加，煤漿的表面張力降低。使用仲辛醇做起泡劑時，煤漿表面張力在煤油用量為1000 g/t時達到最低值，在煤油用量超過1200 g/t后開始明顯回升；煤漿表面張力在柴油用量達到1200 g/t時達到最低值，在超過1400 g/t后開始回升。

使用QPJ做起泡劑時，煤漿表面張力在煤油用量為1000 g/t時達到最低值，在煤油用量超過1400 g/t后開始明顯回升；煤漿表面張力在柴油用量達到1200 g/t時達到最低值，在超過1400 g/t后開始回升。由此可見，捕收劑對煤漿的表面張力有著較為顯著的影響。

固定捕收劑用量為1000 g/t，改變起泡劑用量進行試驗，結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，隨著起泡劑藥劑用量的增加，煤漿的表面張力降低。使用煤油做捕收劑時，煤漿表面張力在仲辛醇用量為160 g/t時達到最低值，在仲辛醇用量超過200 g/t后開始明顯回升；煤漿表面張力在QPJ用量達到160 g/t時達到最低值，在超過200 g/t后開始明顯回升。

使用柴油做捕收劑時，煤漿表面張力在仲辛醇用量為160 g/t時達到最低值，在超過200 g/t后明顯回升；煤漿表面張力在QPJ用量達到160 g/t時達到最低值，在超過160 g/t后回升。由此可見，起泡劑對煤漿的表面張力有著較為顯著的影響。

圖3　起泡劑用量與煤漿表面張力的關(guān)系

2.2浮選藥劑用量、煤漿表面張力與浮選效果關(guān)系

固定仲辛醇(起泡劑)用量為200 g/t，改變煤油(捕收劑)用量，同步進行浮選和表面張力試驗，結(jié)果見表3。

對表3中煤油用量、煤漿表面張力、可燃體回收率和精煤灰分四個指標的數(shù)據(jù)利用繪圖軟件Origin 7.5進行曲線擬合，擬合結(jié)果見圖4、圖5。

表3　煤油對浮選和表面張力的影響試驗結(jié)果表

圖4　煤油用量與煤漿表面張力、可燃體回收率的關(guān)系

圖5　煤油用量與煤漿表面張力、精煤灰分的關(guān)系

由圖4、圖5可以看出，煤油的加入降低了煤漿的表面張力，同時提高了煤樣的可燃體回收率和精煤產(chǎn)率；隨著煤油用量的增加，煤漿的表面張力大幅下降，同時煤樣的可燃體回收率和精煤產(chǎn)率大幅上升；在煤油用量達到800 g/t后，繼續(xù)增加煤油用量，可燃體回收率和精煤產(chǎn)率變化幅度變小，將該點定義為α捕；煤油用量達到1000 g/t時，煤漿表面張力達到最低點，繼續(xù)增加煤油用量，煤漿表面張力有一定程度的回升，同時浮選效果有一定程度的惡化，將該點定義為β捕。

固定煤油(捕收劑)用量為800g/t，改變仲辛醇(起泡劑)用量，進行浮選、表面張力試驗，結(jié)果見表4。

表4　仲辛醇對浮選和表面張力的影響試驗結(jié)果

對表4中仲辛醇用量、煤漿表面張力、可燃體回收率和精煤灰分四個指標的數(shù)據(jù)利用繪圖軟件Origin 7.5進行曲線擬合，擬合結(jié)果見圖6、圖7。

圖6　仲辛醇用量與煤漿表面張力、可燃體回收率的關(guān)系

圖7　仲辛醇用量與煤漿表面張力、精煤灰分的關(guān)系

由圖6、圖7可以看出，少量仲辛醇的加入降低了煤漿的表面張力，同時提高了煤樣的可燃體回收率和精煤產(chǎn)率；在仲辛醇用量達到80 g/t后，繼續(xù)增加仲辛醇用量，可燃體回收率和精煤產(chǎn)率變化幅度變小，將該點定義為α起；仲辛醇用量達到160 g/t時，煤漿表面張力達到最低點，繼續(xù)增加煤油用量，煤漿表面張力有一定程度的回升，同時浮選效果有一定程度的惡化，將該點定義為β起。

提取表3、表4中煤漿表面張力與可燃體回收率的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用繪圖軟件Origin 7.5進行曲線及公式擬合，結(jié)果見圖8。

圖8　煤漿表面張力與可燃體回收率的關(guān)系

從圖8中可以看出在煤漿表面張力較低時可以獲得較高的可燃體回收率，即有較好的浮選效果；煤漿表面張力越高，浮選效果越差。煤漿表面張力(x)與可燃體回收率(y)之間的關(guān)系大致符合式(2)。

y=0.0012x4-0.2947x3+27.277x2-1121.5x+17383

R2=0.9993

(2)

式中：y為可燃體回收率，%；x為煤漿表面張力值；R2為方差。

以上研究表明煤漿表面張力同可燃體回收率和精煤灰分有著極為密切的關(guān)系，這對于利用煤漿表面張力測定來指導(dǎo)浮選精煤灰分有著極為重要的意義。

2.3浮選藥劑降低表面張力的機理分析

在浮選過程中，煤油作為捕收劑能與煤顆粒作用，影響煤顆粒的潤濕或疏水性；仲辛醇作為起泡劑，能夠在氣—液界面吸附濃集，降低氣—液界面的表面能，生成直徑較小的氣泡，起到起泡作用；煤油和仲辛醇共同使用時，兩種藥劑在氣—液界面有聯(lián)合作用，產(chǎn)生共吸附現(xiàn)象[4]。

當(dāng)捕收劑/起泡劑用量適當(dāng)，即不超過α捕/起點時，煤油分子部分吸附于精煤顆粒的極性面，從而降低了精煤顆粒極性部位的潤濕性，增強了疏水性，使得在該區(qū)間內(nèi)煤樣的可燃體回收率隨著藥劑用量的增大而提高。隨著藥劑用量的增大，氣—液界面吸附的捕收劑分子增多，礦粒極性面上吸附的捕收劑分子逐漸飽和，煤漿表面張力降低到臨界值，可燃體回收率也提高到臨界點。之后繼續(xù)增加藥劑用量，不再會對煤漿表面張力及可燃體回收率的改變起到明顯效果。到達β捕/起點后，藥劑量繼續(xù)加大，煤漿中的藥劑分子增多，一部分藥劑分子轉(zhuǎn)而以非極性基吸附于煤顆粒的非極性面上，極性基朝向水溶液，從而部分減弱了非極性面的天然疏水性，使得可燃體回收率下降。隨著用量進一步增加，不僅非極性面上吸附的藥劑分子越來越多，親水性迅速增強。而且，在極性面上還將發(fā)生二層吸附，使得極性面重新親水，當(dāng)用量超過時，煤顆粒的非極性面由于吸附了較多的藥劑分子(潤濕性大大增強)而變得親水了，從而惡化了浮選過程。

3結(jié)論

1)在煤漿中添加浮選藥劑，可以降低煤漿的表面張力，最大降低幅度約10mN/m。

2)不同的浮選藥劑對煤漿表面張力的影響不同，當(dāng)捕收劑(煤油、柴油)用量小于900 g/t時，使用煤油比使用同等藥劑量柴油的煤漿表面張力低約2mN/m；當(dāng)捕收劑用量超過900g/t時，使用煤油和柴油的煤漿表面張力值相近，約為58.5mN/m。

3)在煤泥浮選過程中，隨著浮選藥劑用量的增加，煤漿的表面張力大幅降低，浮選可燃體回收率顯著提升；當(dāng)用量達到α捕/起點后，藥劑量對煤漿表面張力及浮選可燃體回收率的影響變小；當(dāng)用量超過β捕/起點后，藥劑量繼續(xù)增加，煤漿的表面張力回升，浮選可燃體回收率下降，浮選過程惡化。

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Relationship between flotation result and surface tension of coal slime

ZHOU Ya-shu，DONG Xian-shu

(Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract:Flotation efficiency has a significant impact on higher content of fine coal in coal separation.Flotation effect can be improved prominently by the addition of flotation reagents.We selected kerosene and diesel oil as collectors，sec-octyl alcohol and QPJ as frothers to measure the surface tension of coal slurry contained flotation reagents，and selected kerosene as collectors，sec-octyl alcohol as frothers to carry out the laboratory flotation experiments.With these tests we explored the influence of flotation reagents for coal slurry surface tension and flotation effect.The results show that there is a relatively close relationship between the surface tension of coal slurry and the flotation effect.With the increase of the dose of collecting agent or foaming agent，the surface tension of coal slurry reduces 10 mN/m while the recovery of combustibles increases 15%.The recovery of combustibles comes to the peak when the surface tension is the lowest.

Key words：surface tension；coal slime flotation；recovery of combustibles；clean coal ash content

收稿日期：2015-06-03

基金項目：山西省科技攻關(guān)項目資助(編號：20130313001-2)；山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項目資助(編號：20123041)

作者簡介：周丫舒(1988-)，女，河北衡水人，碩士研究生，研究方向為礦物加工工程。E-mail：zhou.yashu@163.com。 通訊作者：董憲姝(1964-)，女，教授，主要從事礦物加工的科研與教學(xué)工作。E-mail：dxshu520@163.com。

中圖分類號：TD94

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)02-0105-05