硅酸鈉對高灰煤泥浮選影響研究

朱志波 徐東方 陳慧昀 張晨曦 朱書全

(中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京市海淀區(qū)，100083)

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★ 煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化 ★

硅酸鈉對高灰煤泥浮選影響研究

朱志波 徐東方 陳慧昀 張晨曦 朱書全

(中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京市海淀區(qū)，100083)

通過浮選試驗、接觸角測定和Zeta電位測試等手段，研究了硅酸鈉在煤泥浮選中的降灰效果以及對細泥的抑制機理。試驗結(jié)果表明：在硅酸鈉用量為1000 g/t時，對細泥的抑制和分散效果最好，精煤中細泥含量最少，精煤灰分降低了 1.91個百分點；接觸角測定結(jié)果顯示，浮選中添加了硅酸鈉后，浮選精煤的接觸角增大，達到108.84°，顯著提高了浮選精煤的疏水性；Zeta電位檢測結(jié)果表明，pH值為中性時，與硅酸鈉作用后，低灰煤泥和高灰細泥表面電位分別降低了7 mV和16.9 mV，增大了兩者間的靜電斥力，有效減弱了高灰細泥在低灰煤顆粒表面的吸附。

硅酸鈉 高灰細泥 浮選 抑制

浮選是處理細粒煤泥最有效的分選方法之一，隨著采煤機械化程度的加大，入浮煤泥粒度呈微細化且高灰細泥含量大，嚴重影響浮選效果；細泥比表面積大，藥劑消耗高；易以機械夾帶或者細泥罩蓋途徑進入泡沫產(chǎn)品，造成精煤灰分高。

為了降低高灰細泥對煤泥浮選的影響，眾多學者做了大量的試驗研究。有專家通過振蕩浮選、選擇性絮凝、選擇性團聚等方法抑制了細泥浮選，提高了煤泥浮選的選擇性；還有專家研究表明，對細粒煤含量高的煤泥進行先反浮選后正浮選的兩段浮選試驗，能得到合格產(chǎn)率的低灰精煤；另有專家基于分級旋流器組對浮選入料進行粗、細煤泥分級，對細煤泥采用新型旋流微泡浮選柱浮選，有效降低了精煤灰分；由于硅酸鈉對石英和硅酸鹽等脈石礦物有良好的抑制效果，有專家發(fā)現(xiàn)硅酸鈉與礦物作用后，螢石和方解石的Zeta電位明顯負移，在螢石和方解石表面發(fā)生了強烈的化學吸附，從而抑制螢石和方解石的浮選；還有專家研究發(fā)現(xiàn)在油酸鈉浮選分離螢石白鎢礦體系中，硅酸鈉在螢石表面選擇性地生成硅酸鈣沉淀，使螢石和白鎢礦有效分離。

硅酸鈉作為抑制劑在金屬礦浮選中的應(yīng)用較多，而在煤泥浮選領(lǐng)域的研究較少。本文針對高灰難選煤泥，采用硅酸鈉為抑制劑，通過浮選試驗和接觸角測定，研究硅酸鈉對煤泥浮選的影響；借助Zeta電位測試分析了硅酸鈉對高灰細泥的抑制機理。以上研究對高灰難浮煤泥降灰提質(zhì)具有借鑒意義。

1 試驗

1.1 樣品分析

試驗煤樣來源于趙各莊礦業(yè)分公司選煤廠入浮煤泥，煤種為肥煤，屬于難選煤泥。通過對煤樣進行X-射線衍射分析，原煤的XRD衍射圖譜如圖1所示。

圖1 原煤的XRD衍射圖譜

由圖1可以看出，煤樣的主要脈石礦物為高嶺石和石英石，其中高嶺石含量較多，在礦物成分中占主要地位，由于高嶺石質(zhì)地柔軟、易碎裂、粒度較細且遇水易泥化而污染浮選精煤。煤泥粒度分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤泥粒度分析數(shù)據(jù)

由表1可以看出，原煤灰分和各粒級灰分都較高，其中原煤灰分為32.81%，各粒度級灰分隨著粒徑的減小而逐漸增大，-0.074 mm粒級的灰分達到38.45%，比+0.074 mm煤泥平均灰分高6.86%，說明有大量的異質(zhì)細泥混雜在細粒級中，此部分細泥易通過機械夾帶和細泥罩蓋進入浮選精煤，惡化浮選效果。煤樣密度分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 煤樣密度分析數(shù)據(jù)

由表2可以看出，-1.40 g/cm3為主導(dǎo)密度級，該密度級為低灰精煤，灰分為7.80%，產(chǎn)率僅為32.63%；+1.80 g/cm3密度級的產(chǎn)率為30.51%，灰分為70.68%，說明該密度級為大量已解離的矸石礦物，矸石較為純凈；若以1.50 g/cm3為分選密度，鄰近物密度含量為28.49%，可選性為較難選，說明該煤樣不易獲得高產(chǎn)率的低灰精煤。

1.2 試驗方法

1.2.1 浮選試驗

每次試驗稱取100 g煤樣，加入適量去離子水充分潤濕，置于浮選槽內(nèi)攪拌3 min，加入柴油攪拌2 min，再加入硅酸鈉攪拌2 min，加入仲辛醇攪拌10 s，浮選刮泡3 min。泡沫產(chǎn)品和尾煤經(jīng)抽濾機過濾，75℃條件下烘干，稱重。浮選設(shè)備采用XFDⅢ型充氣攪拌式浮選機，捕收劑柴油用量為300 g/t，起泡劑仲辛醇用量為150 g/t，浮選入料礦漿質(zhì)量濃度為100 g/L，浮選機葉輪轉(zhuǎn)速為1880 r/min。

1.2.2 接觸角測定

取一定量的空氣干燥狀態(tài)下的浮選精煤和浮選尾煤的煤泥樣，將煤樣粉碎使其全部通過200目篩網(wǎng)；分別從煤樣中取1.0 g，在1.0×105N的壓力下對所取煤樣壓片，將微小去離子水液滴滴落在煤樣上，截取煤樣與液滴正好處于平衡狀態(tài)下的瞬間圖像，測量得到表觀接觸角。樣品的壓片采用上海山岳科學儀器有限公司YP-2型壓片機，接觸角測量采用德國Kruss公司生產(chǎn)的光學接觸角測量儀DSA100。

1.2.3 Zeta電位測定

取適量-1.40 g/cm3密度級和+1.80 g/cm3密度級的入浮煤泥，在瑪瑙研缽中磨細至粒徑小于2 μm，用去離子水分別配置成固體含量為0.01%的懸浮液，調(diào)節(jié)懸浮液的pH值，加入硅酸鈉溶液，攪拌5 min使礦漿充分分散后進行測試。測量所用儀器為JS94G+電位儀，測試溫度為(25±0.5℃)。樣品測量3次取平均值，誤差范圍在5%以內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選試驗結(jié)果

浮選試驗中，硅酸鈉用量對精煤產(chǎn)率和精煤灰分的影響如圖2所示。

由圖2可以看出，無硅酸鈉作用時，精煤產(chǎn)率為52.80%，精煤灰分為16.71%。加入硅酸鈉后，精煤產(chǎn)率和灰分均有不同程度的降低，說明硅酸鈉抑制細泥浮選的同時也抑制了煤泥浮選。隨著硅酸鈉用量的增加，精煤產(chǎn)率和精煤灰分呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢，當硅酸鈉用量為500 g/t時，精煤的產(chǎn)率和灰分分別是45.82%和15.41%；當硅酸鈉用量達到1000 g/t時，精煤的產(chǎn)率和灰分均達到最小值，分別為43.03%和14.80%，與未加硅酸鈉相比，精煤的產(chǎn)率和灰分分別下降了9.77個百分點和1.91個百分點，此時，雖然硅酸鈉對精煤產(chǎn)率造成一定影響，但對煤樣中異質(zhì)細泥具有顯著的抑制效果，達到了良好的降灰效果；當硅酸鈉用量為1500 g/t和2000 g/t時，精煤產(chǎn)率分別為48.44%和49.07%，精煤灰分分別為16.34%和16.44%，此時硅酸鈉失去對異質(zhì)細泥的抑制和分散作用。由此可見，在精煤產(chǎn)率相當?shù)那闆r下，硅酸鈉用量在1000 g/t時，有利于試驗煤樣的脫泥降灰。

圖2 硅酸鈉用量對精煤產(chǎn)率和精煤灰分的影響

另外，由粒度分析可知，-0.074 mm粒級中含有大量的異質(zhì)細泥，本文在浮選試驗的基礎(chǔ)上，對得到的精煤產(chǎn)品進行粒度分析，考察了添加硅酸鈉后精煤中各粒級產(chǎn)率的變化，硅酸鈉用量對精煤中各粒級產(chǎn)率的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 硅酸鈉用量對精煤中各粒級產(chǎn)率的影響

由圖3可以看出，未添加硅酸鈉時，-0.074 mm粒級的細煤泥在精煤含量為20.03%。添加硅酸鈉后，-0.074 mm的細泥在精煤中的產(chǎn)率有不同程度的降低，當硅酸鈉用量為500 g/t時，-0.074 mm的細泥在精煤中的含量為18.78%；當硅酸鈉用量為1000 g/t時，-0.074 mm的煤泥在精煤中的含量達到最小值，為17.71%，與未加硅酸鈉相比，含量下降了2.32%，此時硅酸鈉對煤樣中高灰細泥具有較好的抑制效果，能有效降低精煤灰分；當硅酸鈉用量超過1000 g/t時，-0.074 mm的煤泥在精煤中的含量開始增加，1500 g/t和2000 g/t時，-0.074 mm煤泥在精煤中含量分別達到19.42%和19.56%，說明高用量的硅酸鈉對高灰細泥的抑制效果較差。

2.2 接觸角測定結(jié)果

為了進一步證明硅酸鈉對高灰細泥的抑制效果，考察了硅酸鈉與煤樣作用前后浮選精煤和尾煤接觸角的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 硅酸鈉用量對精煤和尾煤接觸角的影響

由圖4可以看出，未與硅酸鈉作用前，浮選精煤的接觸角為102.28°。隨著硅酸鈉添加量的增加，浮選精煤的接觸角先升高后降低，表明浮選精煤的疏水性先增強后降低。當硅酸鈉添加量為500 g/t時，浮選精煤的接觸角為105.24°；當硅酸鈉添加量為1000 g/t時，浮選精煤的接觸角達到最大值，為108.84°，此時精煤的疏水性最強，這可能是由于進入精煤泡沫中的異質(zhì)高灰細泥含量減少所致，這與浮選精煤中-0.074 mm粒級細泥含量分析結(jié)果一致；當硅酸鈉添加量為1500 g/t時，精煤的接觸角下降到104.31°，說明精煤的疏水性下降。值得注意的是，硅酸鈉添加量是1000 g/t時，浮選尾煤的接觸角是50.15°，與未添加硅酸鈉時浮選尾煤的接觸角相比，增大了19.70°，這是由于大量精煤損失在尾煤中，導(dǎo)致尾煤的接觸角變大，此結(jié)果與浮選試驗結(jié)果一致。

2.3 硅酸鈉對礦物表面電性的影響

分別以-1.40 g/cm3密度級和+1.80 g/cm3密度級煤泥代表純凈的煤和異質(zhì)細泥，測定添加硅酸鈉前后兩者表面電位的變化情況，pH值對低灰煤泥和高灰煤泥表面電位的影響如圖5所示。

圖5 pH值對低灰煤泥和高灰煤泥表面電位的影響

由圖5可以看出，添加硅酸鈉前，-1.40 g/cm3密度級和+1.80 g/cm3密度級煤泥表面在pH范圍內(nèi)荷負電，Zeta電位隨pH值升高不斷降低，未出現(xiàn)零電點；添加硅酸鈉后-1.40 g/cm3密度級低灰煤泥和+1.80 g/cm3密度級高灰細泥的表面電位均發(fā)生負移，此時兩者表面均顯負電性，在靜電斥力的作用下，低灰煤泥和高灰細泥處于分散狀態(tài)，此時夾雜在精煤中的異質(zhì)細泥進入泡沫產(chǎn)品的概率降低，有助于降低精煤灰分。 值得注意的是，加入硅酸鈉后高灰細泥電位負移的程度大于低灰煤泥，這說明硅酸鈉在高灰細泥表面的吸附量大于在低灰煤泥表面的吸附量。

3 結(jié)論

(1)綜合浮選試驗結(jié)果和浮選產(chǎn)品粒度分析表明，硅酸鈉用量為1000 g/t時對煤樣中的高灰細泥有較好的抑制效果，能有效降低精煤灰分。此時浮選精煤中-0.074 mm細泥產(chǎn)率達到最小值17.71%，可使精煤灰分降低1.91個百分點。當硅酸鈉用量繼續(xù)增大時，硅酸鈉對細泥的抑制、分散效果減弱，精煤中的細泥含量開始升高，導(dǎo)致精煤灰分增加。

(2)接觸角測定結(jié)果表明，隨著硅酸鈉添加量的增加，浮選精煤的接觸角先升高后降低。當硅酸鈉用量達1000 g/t時，浮選精煤的接觸角最大，為108.84°，此時精煤的疏水性最強，說明此時精煤中親水的細泥含量最少；此時浮選尾煤的接觸角是50.15°，與未添加硅酸鈉時浮選尾煤的接觸角相比，增大了19.70°，這是由于精煤損失在尾煤中造成的，與浮選試驗結(jié)果相一致。

(3)硅酸鈉會增大低灰煤泥和高灰細泥表面電位的絕對值，增強兩者之間的靜電斥力，有效減弱了高灰細泥在低灰煤顆粒表面的吸附，并且高灰細泥表面電位負移程度大于低灰煤粒表面；當硅酸鈉用量為1000 g/t且pH值為7時，硅酸鈉使低煤煤泥和高灰煤泥的表面電位分別從-25.4 mV、-29.5 mV負移至-32.4 mV、-46.4 mV。綜上可知，硅酸鈉可吸附在高灰細泥表面，能抑制細泥浮選，有效降低精煤灰分。

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(責任編輯 王雅琴)

Influence of sodium silicate on high-ash coal slime flotation

Zhu Zhibo， Xu Dongfang， Chen Huiyun， Zhang Chenxi， Zhu Shuquan

(School of Chemical & Environmental Engineering， China University of Mining and Technology，Beijing， Haidian， Beijing 100083， China )

The effect of sodium silicate on ash reducing in coal slime flotation and the inhibition mechanism of fine mud were investigated by flotation test, contact angle test and Zeta potential test. The experiment results show that the inhibition of fine mud, dispersion effect is the best, the content of fine mud in clean coal is the least and the ash content reduced by 1.91 percentage points with 1000 g/t Na2SiO3.the results of contact angle test show that the contact angle of clean coal increases to 108.84° with sodium silicate, the hydrophobic of clean coal have been improved significantly. According to the results of Zeta potential test, the surface potential of low-ash coal slime and high-ash fine mud decreases 7 mV and 16.9 mV in presence of sodium silicate with neutral pH. The electrostatic repulsion between the two minerals increase and high-ash fine mud adsorbed on the surface at low-ash coal reduce effectively.

sodium silicate， high-ash fine mud， flotation， inhibition

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB214901)

朱志波，徐東方，陳慧昀等. 硅酸鈉對高灰煤泥浮選影響研究[J].中國煤炭，2017，43(5)，94-98. Zhu Zhibo，Xu Dongfang，Chen Huiyun，et al. Influence of sodium silicate on high-ash coal slime flotation[J].China Coal，2017，43(5)，94-98.

TD94

A

朱志波(1994-)，男，安徽六安人，在讀碩士研究生，主要從事潔凈煤技術(shù)及細粒煤浮選等方面的研究。