月桂酸二乙醇酰胺對(duì)長(zhǎng)焰煤浮選促進(jìn)作用的研究

許晨濤,程宏志,石 煥

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013; 2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012; 3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

隨著煤炭資源的開發(fā)，高品質(zhì)煤炭資源緊缺的狀況日益嚴(yán)重，低階煤的清潔高效利用成為選煤發(fā)展的必然趨勢(shì)。煤炭作為不可再生資源，其清潔化與高效利用是國家持續(xù)發(fā)展的重要保證，而選煤是煤炭清潔高效利用的有效手段之一[1]。低階煤通常是指褐煤、長(zhǎng)焰煤、不粘煤、弱粘煤等變質(zhì)程度較低的煤種，該部分煤占中國已探明煤炭?jī)?chǔ)量的50%以上[2]，但由于其內(nèi)在水分高、揮發(fā)分高、粘結(jié)性差、發(fā)熱量低，因而限制了低階煤大規(guī)模的利用[3]。煤表面疏水性是煤炭浮選、油團(tuán)浮選和選擇性絮凝等技術(shù)的基礎(chǔ)，因此改善低階煤表面疏水性，提高其在水中的可浮性，是提高低階煤浮選效果的重點(diǎn)與關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)低階煤更好的分選，可以通過物理或化學(xué)方法改善其表面疏水性，常用方法采用添加有效的捕收劑，選擇性地作用在礦物表面，使礦粒更加牢固地附著于氣泡。微細(xì)粒低階煤泥表面含氧官能團(tuán)較多[4]，傳統(tǒng)的非極性烴類油捕收劑很難在低階煤表面進(jìn)行鋪展，捕收效果較差，為了得到較好的浮選效果，在實(shí)際生產(chǎn)中一般采用增加藥劑用量的方式，李少章等[5]對(duì)低階煤浮選機(jī)理及浮選添加劑的選擇進(jìn)行了相關(guān)研究。

試驗(yàn)選取在低階煤中占比較高的長(zhǎng)焰煤為研究對(duì)象，采用非離子型表面活性劑——月桂酸二乙醇酰胺作為捕收劑的添加劑，探索了其對(duì)長(zhǎng)焰煤浮選的促進(jìn)作用，以為提高低階煤的浮選效果提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣取自寧東紅柳選煤廠，通過破碎機(jī)進(jìn)行破碎至0.5 mm，然后篩分選取<0.5 mm粒級(jí)煤粉作為試驗(yàn)樣品，封袋備用。

1.1.1 粒度組成

粒度組成是煤泥可浮性的影響因素之一[6]，根據(jù)GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》對(duì)煤樣進(jìn)行了小篩分試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 煤樣粒度組成

由表1可以看出，煤樣總體灰分較高，為39.15%，各粒級(jí)分布比較均勻，隨著粒級(jí)的減小，灰分呈逐漸增高的趨勢(shì)，其中<0.075 mm粒級(jí)部分灰分明顯高于粗粒級(jí)，<0.045 mm粒級(jí)煤樣灰分達(dá)到55.94%，產(chǎn)率為43.48%。

1.1.2 密度組成

按照GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》對(duì)煤樣進(jìn)行小浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 煤樣密度組成

由表2可知，煤樣中低密度級(jí)含量少，<1.4 g/cm3密度級(jí)的產(chǎn)率僅為14.92%，高密度級(jí)占比較高，>1.8 g/cm3密度級(jí)產(chǎn)率達(dá)51.25%，中間密度級(jí)占比相對(duì)較少。

1.1.3 煤樣的紅外光譜

紅外光譜分析是利用物質(zhì)對(duì)紅外光區(qū)電磁輻射的選擇性吸收來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、定性和定量分析的方法[7]。通過對(duì)紅柳煤樣進(jìn)行紅外光譜分析，可以由峰位置和強(qiáng)度分析官能團(tuán)的種類。紅外光譜對(duì)紅柳煤樣進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果如圖1所示。

圖1 煤樣紅外光譜圖

1.2 試劑與設(shè)備

月桂酸二乙醇酰胺又名6501二乙醇酰胺，為淡黃色液體[12]，具有潤濕、凈洗、乳化、柔軟等性能，對(duì)陰離子表面活性劑有很好的穩(wěn)泡作用，其分子表達(dá)式為C11H23CON(CH2CH2OH)2，分子量為287.16。試驗(yàn)采用的型號(hào)為6501(1∶1)型，可溶于一般的有機(jī)溶劑中，與其他活性物起到協(xié)同作用。

采用機(jī)械攪拌的方法在捕收劑中添加月桂酸二乙醇酰胺。試驗(yàn)配制使用的磁力攪拌器為DF101s集熱式恒溫磁力攪拌器，攪拌器攪拌頻率為2 000 r/min。具體配制方法為：量取4 mL柴油捕收劑放于燒杯中，放入攪拌器，升溫至40 ℃；在燒杯中加入定量月桂酸二乙醇酰胺和少量助溶劑(正戊醇)[13]，恒溫?cái)嚢?；攪拌結(jié)束后，使用超聲清洗器進(jìn)行充分混合15 min；最后，將混合好的藥劑裝入一次性塑料試管中備用，做好標(biāo)簽記號(hào)。

浮選試驗(yàn)采用XFD型單槽浮選機(jī)，浮選槽實(shí)測(cè)容積為1.5 L，充氣量為0.25 m3/(m2·min)，葉輪轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。試驗(yàn)使用仲辛醇作為起泡劑，柴油作為捕收劑。礦漿濃度為80 g/L，調(diào)漿時(shí)間為2 min，捕收劑作用時(shí)間為1 min，起泡劑作用時(shí)間為10 s，刮泡時(shí)間為3 min。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以精煤產(chǎn)率和浮選完善指標(biāo)作為浮選結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)，可燃體回收率公式和浮選完善指標(biāo)公式如下[14]：

式中：Ec為浮選精煤可燃體回收率，%；γj為精煤產(chǎn)率，%；Aj為精煤灰分，%；Af為入料灰分。

式中：ηwf為浮選完善指標(biāo)，%；Ay為計(jì)算入料灰分，%；Aj為浮選精煤灰分，%；γj為實(shí)際浮選精煤產(chǎn)率，%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單元浮選試驗(yàn)

試驗(yàn)煤樣屬于難選煤，首先進(jìn)行了捕收劑用量和藥比(捕收劑用量∶起泡劑用量)的浮選探索試驗(yàn)，采用常用捕收劑——柴油進(jìn)行浮選試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 柴油常規(guī)浮選試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，在柴油用量為1.5 kg/t時(shí)，藥比對(duì)其浮選效果影響并不明顯，浮選完善指標(biāo)提升不大。在藥比為3∶1的條件下，提高捕收劑用量，精煤產(chǎn)率提升效果才略為明顯，但浮選完善指標(biāo)約為8.89%，因此表明此煤樣可浮性較差，常用捕收劑難以提高浮選效果。

2.2 添加月桂酸二乙醇酰胺的浮選試驗(yàn)

試驗(yàn)以月桂酸二乙醇酰胺的用量為主要考察因素。在浮選試驗(yàn)前，首先按照1.2中配制方法進(jìn)行藥劑的混合配制。在4 mL柴油中，月桂酸二乙醇酰胺添加比例為1∶20、1∶15、1∶10和1∶5。起泡劑采用仲辛醇，藥劑用量為2.0 kg/t，在藥比為3∶1條件下進(jìn)行單元浮選試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)月桂酸二乙醇酰胺添加量在1∶15以下時(shí)，隨著添加量的增加，精煤產(chǎn)率和浮選完善指標(biāo)有明顯的提升；當(dāng)添加量體積比為1∶15時(shí)，精煤產(chǎn)率和浮選完善指標(biāo)增加的趨勢(shì)逐漸變緩，因此當(dāng)添加量為 1∶15時(shí)，對(duì)浮選的促進(jìn)效果較好，此時(shí)的精煤產(chǎn)率提高了15個(gè)百分點(diǎn)，浮選完善指標(biāo)提高了9個(gè)百分點(diǎn)。在試驗(yàn)過程中，浮選完善指標(biāo)均不高，但是添加月桂酸二乙醇酰胺后，浮選完善指標(biāo)出現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明月桂酸二乙醇酰胺可以改善煤樣的疏水性。

圖2 月桂酸二乙醇酰胺添加量對(duì)浮選試驗(yàn)的影響

3 月桂酸二乙醇酰胺促進(jìn)機(jī)理

通過試驗(yàn)可知，添加月桂酸二乙醇酰胺可以對(duì)浮選效果起到促進(jìn)作用，這與烷醇酰胺內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，煤樣表面的含氧官能團(tuán)能夠與烷醇酰胺的極性基—CONR2產(chǎn)生氫鍵吸附，極性基親固原子主要由O、N、S等原子組成，而烷醇酰胺基團(tuán)中含有多個(gè)親固原子[15]，有利于煤粒的吸收，同時(shí)月桂酸二乙醇酰胺與捕收劑中其他表面活性成分有協(xié)同作用，對(duì)浮選過程起到了促進(jìn)作用。

為了探究月桂酸二乙醇酰胺對(duì)長(zhǎng)焰煤的浮選促進(jìn)機(jī)理，將定量的月桂酸二乙醇酰胺加到不同捕收劑中進(jìn)行浮選試驗(yàn)，探究月桂酸與其他常用低階煤捕收劑的協(xié)同作用和疏水性改化程度，起泡劑選用仲辛醇，藥比為3∶1，選取柴油、捕收劑A和捕收劑B分別進(jìn)行單元浮選試驗(yàn)，其中月桂酸二乙醇酰胺添加量固定為體積比為1∶15，結(jié)果見表4和表5。

從表4和表5可以看出，B捕收劑的浮選效果要優(yōu)于前兩種，在精煤灰分變化不大的情況下，精煤產(chǎn)率提高了10個(gè)百分點(diǎn)，說明藥劑提高了煤粒表面的疏水性；浮選完善指標(biāo)提高到38.47%，說明捕收劑的選擇性得到改善。A、B捕收劑比柴油的可燃體回收率明顯提高，其中B捕收劑達(dá)到64.39%，浮選完善指標(biāo)同樣提高了3個(gè)百分點(diǎn)左右，表明A、B捕收劑與月桂酸二乙醇酰胺的協(xié)同作用較柴油更強(qiáng)，更加有效地促進(jìn)了長(zhǎng)焰煤表面疏水性的提高，從而提高了精煤產(chǎn)率。

表4 不添加活性劑的浮選結(jié)果

表5 添加活性劑的浮選結(jié)果

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)煤樣表面性質(zhì)的研究和添加月桂酸二乙醇酰胺的優(yōu)化試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

(1)在低階煙煤的浮選中，通過在捕收劑中添加表面活性劑(月桂酸二乙醇酰胺)，可以有效改善浮選效果，使精煤產(chǎn)率和浮選完善指標(biāo)得到提升。

(2)當(dāng)月桂酸二乙醇酰胺在柴油中添加比例為1∶15時(shí)，促進(jìn)效果比較好，精煤產(chǎn)率可提高15個(gè)百分點(diǎn)。但是由于長(zhǎng)焰煤的煤化程度較低，疏水性較差，對(duì)于作為常規(guī)捕收劑的柴油，添加月桂酸二乙醇酰胺后的改善效果不明顯，因此急需開發(fā)新型的高效捕收劑。

(3)月桂酸二乙醇酰胺對(duì)長(zhǎng)焰煤的浮選促進(jìn)作用主要是由于分子結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)—CONR2與煤表面含氧官能團(tuán)通過氫鍵有效的結(jié)合，促進(jìn)了捕收劑吸附在礦粒表面，進(jìn)而改善了長(zhǎng)焰煤表面的疏水性。同時(shí)，月桂酸二乙醇酰胺還可以與其他有機(jī)活性成分之間形成協(xié)同作用，有效地提高浮選效率，從而提高精煤產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊海昌, 謝廣元, 彭耀麗,等. 難浮煤泥降灰提質(zhì)探索研究[J]. 煤炭技術(shù), 2017(1):300-302.

[2] 高淑玲, 劉炯天. 低階煤表面改性制備超凈煤初探[J]. 煤炭技術(shù), 2004, 23(9):68-70.

[3] 任 睿, 馮 偉, REN R,等. 煤用捕收劑的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 煤炭技術(shù), 2014, 33(9):277-279.

[4] 王永剛, 周劍林, 林雄超. 低階煤含氧官能團(tuán)賦存狀態(tài)及其對(duì)表面性質(zhì)的影響[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2013, 41(9):182-184.

[5] 李少章, 朱書全. 低階煤泥浮選的研究[J]. 煤炭工程, 2004(12):60-62.

[6] 安茂燕, 焦小莉, 周 璐,等. 低階煤可浮性及浮選速率模型研究[J]. 潔凈煤技術(shù), 2012, 18(1):9-12.

[7] 馮玉紅. 現(xiàn)代儀器分析實(shí)用教程[M]. 北京：北京大學(xué)出版社, 2008.

[8] 劉 新, 陳新華. 低變質(zhì)煤紅外光譜表征的研究[J]. 河南化工, 2011, 28(11):36-38.

[9] 張 科, 姚素平, 胡文瑄,等. 煤紅外光譜的精細(xì)解析及其煤化作用機(jī)制[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2009, 37(6):8-13.

[10] 王開松, 李 武. 綜采工作面的煤塵綜合防治[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2005, 33(1):48-50.

[11] 馮 杰, 李文英, 謝克昌. 傅立葉紅外光譜法對(duì)煤結(jié)構(gòu)的研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 31(5):362-366.

[12] 成四喜. 月桂酸二乙醇酰胺合成與性能研究[J]. 表面活性劑工業(yè), 1993(4):24-28.

[13] 張 玉, 崔廣文, 張運(yùn)起,等. 脂肪醇對(duì)氧化煤浮選的促進(jìn)作用研究[J]. 選煤技術(shù), 2016(2):16-19.

[14] 匡亞莉. 煤炭浮選效果評(píng)定及可浮性評(píng)定方法的研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(xué), 1989.

[15] 李少章. 風(fēng)化煤的表面特性及其浮選機(jī)率的研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2004.