對(duì)煤炭行業(yè)中表面活性劑應(yīng)用的探究

高英杰 王世冠

（山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島，266590）

煤炭資源是能源礦產(chǎn)資源之一，同時(shí)煤炭也是世界上儲(chǔ)量最多、分布最廣的常規(guī)能源，煤炭作為重要的戰(zhàn)略資源，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電力、化工等工業(yè)生產(chǎn)及居民生活領(lǐng)域。我國(guó)作為煤炭資源最多的國(guó)家之一，如何清潔高效地利用煤炭資源顯得至關(guān)重要。而在煤炭的開(kāi)采、加工與燃燒利用中，合理地使用表面活性劑，不僅可減少煤炭在開(kāi)采、加工、燃燒中產(chǎn)生的環(huán)境污染，更重要的是，還大大提高了煤炭的利用率和經(jīng)濟(jì)效益，契合了發(fā)展?jié)崈裘旱闹饕獞?zhàn)略。本文就以下幾個(gè)方面，對(duì)煤炭行業(yè)中表面活性劑的應(yīng)用進(jìn)行探究。

1 煤炭洗選中的應(yīng)用

煤炭洗選一般是指從煤炭中去除矸石或其他雜質(zhì)的過(guò)程。煤炭洗選一般是利用煤與矸石的物理性質(zhì)不同來(lái)進(jìn)行的，在不同密度或特性的介質(zhì)中使煤與矸石（雜質(zhì)）分開(kāi)。目前，我國(guó)約80%的煤炭未經(jīng)處理直接利用，因此，造成了大量CO、NOx的排放，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。而對(duì)煤炭進(jìn)行洗選后再燃燒利用，則可脫除煤中絕大部分的黃鐵硫礦，以提高選煤產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又起到綜合回收有價(jià)元素，充分、合理、經(jīng)濟(jì)地利用煤炭資源。表面活性劑是由親油基和親水基組成，決定了其界面性質(zhì)的特殊性，因此在煤炭洗選中意義重大[1]。

1.1 浮選

在細(xì)粒煤分選中，浮選是最有效和常用的礦物分離方法。 浮選的效率取決于煤表面的親水性、疏水性以及浮選中氣泡的狀態(tài)等因素。表面活性劑的應(yīng)用，使任意兩相之間的性質(zhì)，尤其是可以改變煤炭表面的親水性、疏水性，因此，它是煤炭浮選中不可缺少的物質(zhì)。為了改變精煤與矸石之間表面性質(zhì)的差異，常常向煤漿中添加一定的表面活性劑，以進(jìn)一步對(duì)浮選的程度進(jìn)行控制。同時(shí)，對(duì)于非極性的物質(zhì)是不可以直接進(jìn)行浮選的，需要加入表面活性劑將表面親水性變?yōu)槭杷浴?/p>

起泡劑作為表面活性劑的一種，在浮選中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在浮選過(guò)程中使用起泡劑，可以使煤漿中產(chǎn)生大量的氣泡，進(jìn)一步使泡沫層更加穩(wěn)定，降低氣泡的運(yùn)動(dòng)速度，使氣泡在煤漿中的停留時(shí)間延長(zhǎng)[2]。同時(shí)，浮選過(guò)程中要求泡沫量多的同時(shí)，對(duì)于泡沫的大小以及分布還有嚴(yán)格的要求，它更青睞與韌性適中，黏度較低，且無(wú)毒性及刺激性氣體的氣泡。經(jīng)過(guò)研究表明：對(duì)浮游選煤比較有效且泡沫也比較適中的是C6～C10醇類產(chǎn)品。小于C6的醇其泡沫太脆，強(qiáng)度不夠。大于C10的醇其泡沫強(qiáng)度大，泡沫不易碎，但選擇性差。除醇類外，酮、 醛和酸也有起泡性，酮和醛的泡沫一般比較脆，選擇性也比較好，生產(chǎn)酮的副產(chǎn)品也可做起泡劑。

浮選添加劑是通過(guò)對(duì)增大煤粒與氣泡的接觸，使得煤粒表面形成一層膜，從而將煤炭表面的性質(zhì)改為疏水性，浮選促進(jìn)劑可能是活化劑、絮凝劑中的一種。浮選活化劑可作為浮選藥劑中的調(diào)整劑之一，用以通過(guò)改變礦物表面的化學(xué)組成，消除抑制劑作用，使之易于吸附捕收劑。如磷酸乙二胺、磷酸丙二胺、二甲苯、氟硅酸鈉、硫酸銨、氯化銨、硫酸亞鐵、氫氧化銨等?；钚詣┓譄o(wú)機(jī)和有機(jī)兩類。無(wú)機(jī)活性劑主要是金屬氧化物，以氧化鋅和活性氧化鋅最為重要。有機(jī)活性劑則以硬脂酸為代表。脂肪酸用量大時(shí)會(huì)降低硫化速度，但可使硫化比較充分，并能得到耐熱性能好的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

表面活性劑在煤泥過(guò)濾的脫水階段同樣也發(fā)揮著重要的作用，毛細(xì)壓力的存在使濾餅的毛細(xì)通道中貯留了大量的毛細(xì)水。加入表面活性劑，可以降低毛細(xì)壓力，促進(jìn)毛細(xì)水的排出，從而降低濾餅水分。不同類型的表面活性劑對(duì)溶液表面張力的作用趨勢(shì)大致相同。在一定限度內(nèi)，溶液表面張力隨著藥劑用量的增加而顯著降低，超過(guò)這一限度，藥劑對(duì)溶液表面活性劑的影響減弱[3]。

1.2 脫水助劑

絮凝劑作為脫水助劑的一種，目前適用于超細(xì)粒的分選，其作用原理是將浮選精煤絮凝，以減緩精煤礦漿中煤的分層速度，提高濾餅的滲透性和脫餅率。由于絮團(tuán)中包裹水分，絮凝劑很難大幅度降低濾餅水分，但可以提高過(guò)濾機(jī)處理量一倍以上。該法對(duì)細(xì)粒和超細(xì)粒煤的分選取得了較好的效果，得到的精煤灰分低于2%，同時(shí)也是制備超純煤的有效途徑[4]。

表面活性劑作為脫水助劑的一種，作用在煤表面并對(duì)煤表面的疏水性和親水性進(jìn)行改善，從而大大提高了脫水效果。另外，金屬陽(yáng)離子作為表面活性劑的一種，可以對(duì)煤表面的負(fù)電荷進(jìn)行中和，維持煤的等電點(diǎn)，增強(qiáng)其脫水效果。

目前，很多國(guó)家應(yīng)用表面活性劑型的脫水助劑，加強(qiáng)了離心機(jī)和過(guò)濾機(jī)的脫水效果。反觀國(guó)內(nèi)，由于表面活性劑的價(jià)格昂貴，目前仍處于研發(fā)階段，例如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)此方面的研究，使水分降低了2%～4%，藥劑用量達(dá)0.3～1.4kg/t干煤 。用作脫水助劑的表面活性劑包括滲透劑OT、有機(jī)聚硅氧烷、聚氧乙烯和季銨鹽類等。這些表面活性劑適用性比較差，不同的煤種要求不同的表面活性劑，也限制了應(yīng)用。

2 煤炭開(kāi)采和貯裝運(yùn)過(guò)程中的應(yīng)用

煤在開(kāi)采、運(yùn)輸、粉碎等過(guò)程中產(chǎn)生大量煤塵，對(duì)人體危害極大的同時(shí)，還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。同時(shí)，在煤的運(yùn)輸過(guò)程中，由于煤塵的產(chǎn)生，對(duì)于煤量的損失極大，在我國(guó)，由于煤塵的原因造成的煤炭資源的浪費(fèi)約占2%。

2.1 防塵、 降塵

一直到70年代，我國(guó)對(duì)于防塵的處理仍然處在噴水除塵這一階段，但伴隨著我國(guó)工業(yè)實(shí)力的增強(qiáng)，以及大規(guī)模機(jī)械化程度的普及，對(duì)于降低煤塵濃度的要求逐漸提高，以保證工作環(huán)境的清潔和安全性，我國(guó)開(kāi)始逐步對(duì)防沉劑進(jìn)行研究及應(yīng)用。伴隨著防沉劑的實(shí)用，大大減少了煤塵對(duì)環(huán)境的污染，更減少了煤在運(yùn)輸過(guò)程中的損失，意義重大。防沉劑實(shí)際上是一些混合潤(rùn)濕劑，在水中溶解后，表面活力降低，增強(qiáng)了水的霧化，增強(qiáng)了煤表面的疏水，進(jìn)一步使煤與水的親和力變差，此表面活性劑的使用，通過(guò)促進(jìn)水霧在煤表面的潤(rùn)濕作用，大大降低了煤塵的產(chǎn)生，使煤的防塵、降塵問(wèn)題得到了解決。

表面活性劑的使用，通過(guò)對(duì)煤粒潤(rùn)濕性的改善，實(shí)現(xiàn)了煤在開(kāi)采、運(yùn)輸過(guò)程中煤粉塵的控制問(wèn)題。目前，我國(guó)常使用非離子表面活性劑，如鄰二甲苯烷基磺酸鈉[5]。

經(jīng)前人的研究證明：潤(rùn)濕速率試驗(yàn)測(cè)定的潤(rùn)濕速率主要受溫度、煤塵的尺寸以及所用特殊表面活性劑的濃度和分子結(jié)構(gòu)的影響。在1～4℃，潤(rùn)濕速率隨溫度的升高而增加，大致呈線性關(guān)系。同樣，在特定溫度下，潤(rùn)濕速率隨煤塵平均粒度的增加而增加，也呈線性關(guān)系[6]。

2.2 防凍劑

我國(guó)的煤炭資源總體趨勢(shì)是北方多于南方。在北方的冬季，煤炭在露天開(kāi)采以及運(yùn)輸過(guò)程中，常伴隨凍車的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵旱暮枯^高，一般在10%左右[7]。因此，為了解決這一問(wèn)題，防凍劑得到了發(fā)展與應(yīng)用，其作用就是通過(guò)改變水的結(jié)晶性，使其凍化強(qiáng)度降低，以此阻礙水分子彼此凍結(jié)。防凍劑主要是一種由多羥基醇和表面活性劑的混合物。有些防凍劑還會(huì)加入一些無(wú)機(jī)鹽類幫助降低凍車現(xiàn)象的發(fā)生。防凍劑的應(yīng)用進(jìn)一步降低了煤炭在開(kāi)采、運(yùn)輸過(guò)程中的資源、人力的浪費(fèi)，減少了環(huán)境污染，降低了運(yùn)輸成本。

3 水煤漿添加劑

近代，潔凈煤技術(shù)的提出，進(jìn)一步對(duì)煤炭的清潔使用提出了要求。水煤漿作為一種低污染、高效率、可管道輸送的代油、煤的流體燃料。它改變了煤的傳統(tǒng)燃燒方式，顯示出了巨大的環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢(shì)。尤其是近幾年來(lái)，采用廢物資源化的技術(shù)路線后，研制成功的環(huán)保水煤漿，可以在不增加費(fèi)用的前提下，大大提高了水煤漿的環(huán)保效益。在我國(guó)豐富煤炭資源的保障下，水煤漿也已成為替代油、氣等能源的最基礎(chǔ)、最經(jīng)濟(jì)的潔凈能源。

表面活性劑在水煤漿制備中使用廣泛，多分為陰離子和非離子表面活性劑，可以使煤粉更加穩(wěn)定地分散在水中，并且提高了煤的含量。同時(shí)，水煤漿的黏度還對(duì)能耗、運(yùn)輸工藝等成本有著較大影響，通過(guò)使用表面活性劑，提高了煤漿濃度，加速了煤水混合物的流動(dòng)，降低了泵送難度，節(jié)約了成本。隨著煤的變質(zhì)程度的不同，作為添加劑的表面活性劑的性能也有所不同。因此，選用合適的表面活性劑，直接決定了制備水煤漿的濃度、穩(wěn)定性、性能以及成本，通常客戶對(duì)于高濃度、高穩(wěn)定性、高流動(dòng)性、高燃燒性的水煤漿接受性更高。

目前，我國(guó)的主要油田已進(jìn)入產(chǎn)出液超高含水期，尋求一種高效、廉價(jià)的驅(qū)油劑來(lái)達(dá)到控水穩(wěn)油的目的，從而改善水煤漿的流變性、穩(wěn)定性和燃燒性，是石油產(chǎn)業(yè)亟待解決的重大課題。隨著聚合物驅(qū)和熱力驅(qū)技術(shù)的快速發(fā)展，研究者們發(fā)現(xiàn)了一種主成分為石油磺酸鹽的超級(jí)表面活性劑。這種超級(jí)表面活性劑的應(yīng)用，大幅降低了水油兩相的表面張力，減少了巖層吸附，同時(shí)還兼有增溶 、抗鹽 、耐溫的效果，對(duì)于我國(guó)石油產(chǎn)量的提高意義重大[8]。

4 總結(jié)

綜上，對(duì)表面活性劑在煤炭洗選、運(yùn)輸加工、水煤漿的制備等方面進(jìn)行了分析，表明表面活性劑在煤炭行業(yè)中扮演著不可替代的重要作用。隨著潔凈煤技術(shù)的推行以及環(huán)境保護(hù)觀念的深入人心，對(duì)于表面活性劑的研究與應(yīng)用至關(guān)重要，表面活性劑的應(yīng)用，不僅降低了成本，還大大減少了煤炭燃燒時(shí)的環(huán)境污染。因此，研究更加高效、低廉的表面活性劑對(duì)煤炭行業(yè)的發(fā)展意義重大。