藥劑C-1對氧化煤浮選的促進機理研究

陳 陽，解維偉，2

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 化學與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.礦物加工科學與技術(shù)國家重點實驗室，北京 102628)

煤炭開采、運輸及存貯過程中會發(fā)生不同程度的氧化[1-4]。氧化形成的親水性含氧官能團，極易與水分子形成氫鍵，使傳統(tǒng)捕收劑無法在煤粒表面有效鋪展，從而增加浮選難度[5-10]。針對氧化煤的浮選問題，目前主要從煤泥浮選前預(yù)處理、新型浮選藥劑研發(fā)、礦漿電性調(diào)節(jié)等方面提高氧化煤的表面疏水性和可浮性。

在氧化煤浮選藥劑研究方面，Tao D等[11]發(fā)現(xiàn)，通過對煤粒表面改性或增強藥劑與煤粒間的相互作用，可明顯改善氧化煤浮選效果；康文澤等[12]利用表面活性劑的雙親性制備AO型捕收劑，浮選效果優(yōu)于柴油捕收劑；吳廣玲等[13]將不同的油酸基表面活性劑與煤油復(fù)配作為氧化煤浮選的捕收劑，提高了氧化煤表面的疏水性；王海棠[14]利用表面活性劑對氧化煤進行預(yù)處理，使氧化煤表面的含氧官能團被有效覆蓋；崔廣文等[15]研究發(fā)現(xiàn)脂肪醇可通過氫鍵吸附于氧化煤表面，使氧化煤的可浮性得以改善。本文根據(jù)氧化煤性質(zhì)，采用酯類表面活性劑和Span80等制備藥劑C-1，研究C-1對氧化煤浮選效果的影響，并通過紅外光譜及潤濕熱分析其作用機理。研究結(jié)果證明，藥劑C-1對氧化煤的捕收性能優(yōu)于柴油，可顯著提高其浮選效果。

1 試驗方法

1.1 儀器設(shè)備及藥劑

1)試驗設(shè)備：傅里葉紅外光譜儀；C80微量熱儀；XFDIV-1.0L型實驗室用單槽浮選機，葉輪轉(zhuǎn)速在0～30r/min之間，調(diào)漿轉(zhuǎn)速在0～2600r/min之間；磁力攪拌器；標準套篩。

2)試驗藥劑：失水山梨醇單油酸酯(Span80)、酯類表面活性劑、單餾程非極性烴類油(200～230℃)、柴油、仲辛醇。

1.2 煤質(zhì)分析

試驗煤樣為長期堆置的氧化煤，按照《煤樣的制備方法》(GB 474—2008)對煤粒進行混勻與縮分，制備用于煤質(zhì)分析及浮選試驗所需的煤樣。煤樣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣的工業(yè)分析與元素分析 %

由工業(yè)分析可知，煤樣灰分Ad=20.52%，為中灰分煤，在浮選過程中需要降低精煤灰分，干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf=28.98%，為中等變質(zhì)程度煤樣，該變質(zhì)程度煤中含氧量應(yīng)在5%左右。由元素分析可知，煤樣中氧含量達到12.79%，遠高于中等變質(zhì)程度煤樣的平均含氧量，說明煤樣在長期堆放過程中發(fā)生了氧化現(xiàn)象。

1.3 煤樣粒度組成

根據(jù)國標《煤炭篩分試驗方法》(GB/T 477—2008)的規(guī)定，分別采用0.5、0.25、0.125、0.074和0.045mm的標準套篩于振篩機上對200g氧化煤樣進行篩分試驗，重復(fù)三次，取平均結(jié)果。

1.4 浮選試驗

1)制備藥劑C-1。在氧化煤浮選試驗中，Span80、酯類表面活性劑可增加捕收劑在浮選礦漿中的溶解度和分散度，減少浮選藥劑用量，并得到較好的浮選效果。將表面活性劑(酯類表面活性劑、Span80)和單餾程非極性烴類油按照不同比例在磁力攪拌器中攪拌15min，攪拌強度為750r/min。使用不同配比的復(fù)合藥劑進行常規(guī)浮選試驗，確定藥劑C-1的配比。

2)浮選采用XFDIV-1.0L型實驗室用單槽浮選機，主軸轉(zhuǎn)速為1900r/min，充氣量為0.25m3/(m2·min)，浮選入料濃度為100g/L。根據(jù)《煤粉(泥)浮選試驗》(GB/T 30046—2013)，以藥劑C-1、柴油與仲辛醇為浮選藥劑進行浮選試驗，以精煤產(chǎn)率、精煤灰分、精煤可燃體回收率及浮選完善指標作為評定浮選試驗效果的指標。

1.5 紅外光譜

利用紅外光譜可以推測氧化煤表面含氧能團的種類及其所處的化學環(huán)境。稱取50g煤樣并配置成入料濃度為50g/L的礦漿，放于浮選機中預(yù)攪拌2min后加入藥劑C-1繼續(xù)攪拌5min后過濾，在30℃下恒溫干燥2h，制得測試分析煤樣。稱取1mg煤樣與光譜純KBr 100mg混合研磨及壓片，對煤粒表面的特征官能團進行紅外光譜分析。氧化煤原煤也需進行同樣的分析，用作對比。

1.6 潤濕熱測定

稱取一定質(zhì)量的干燥煤樣置于C80微量熱儀的產(chǎn)品池中，在混合池上加入2mL待測藥劑，待微量熱儀完全穩(wěn)定后刺破藥劑與煤樣間的薄膜，使兩者充分混合，測定煤樣與藥劑作用后的潤濕熱值。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度組成分析

氧化煤粒度組成見表2。由表2可知，該氧化煤泥的灰分為22.05，-0.074mm粒級產(chǎn)率25.96%，灰分25.42%，其中-0.045mm粒級產(chǎn)率為17.77%。

表2 氧化煤粒度組成 %

2.2 氧化煤泥浮選試驗

2.2.1 不同藥劑配比對氧化煤浮選的影響

將表面活性劑(酯類表面活性劑、Span80)和單餾程非極性烴類油按照質(zhì)量比3%、4%、5%、6%、7%混合成捕收劑進行浮選試驗，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同藥劑配比浮氧化煤浮選的影響

由圖1可知，相同藥劑用量下，當表面活性劑與單餾程非極性烴類油按照5%比例混合所得的捕收劑對氧化煤的浮選效果最佳，此時浮選完善指標為28.71%，將按照該比例制備藥劑C-1進行后續(xù)浮選試驗與測試分析。

2.2.2 氧化煤浮選對比試驗

分別以柴油和藥劑C-1為捕收劑，仲辛醇為起泡劑進行浮選試驗，其中起泡劑用量為100g/t，結(jié)果見表3，不同捕收劑作用下精煤可燃體回收率變化，如圖2所示。

表3 不同捕收劑作用下的浮選試驗結(jié)果

圖2 不同捕收劑作用下的精煤可燃體回收率

由表3可以看出，隨著捕收劑用量的增加，浮選精煤產(chǎn)率均有所增加。柴油用量1400g/t時，精煤產(chǎn)率67.24%，但精煤灰分高達15.73%；柴油用量1200g/t時，精煤灰分最低(12.58%)，此時精煤產(chǎn)率為60.97%。由此可見，通過增加柴油用量可提高精煤產(chǎn)率，但會造成浮選選擇性下降，精煤灰分明顯升高。當藥劑C-1為捕收劑時，C-1用量1200g/t時，精煤灰分為12.02%，達到最低，與柴油捕收劑相比，其精煤灰分下降了0.46個百分點，此時浮選完善指標最高為36.35%。隨著藥劑量的增加，精煤產(chǎn)率逐漸提高，在相同藥劑量下，C-1作為捕收劑時，浮選效果更優(yōu)。

由圖2可知，當藥劑C-1為捕收劑時的精煤可燃體回收率均高于柴油作用后的回收率，當捕收劑用量為1400g/t時，藥劑C-1的可燃體回收率達到66.64%，比柴油提高1.64%，由此可見，C-1為捕收劑的作用性能優(yōu)于柴油為捕收劑。

2.2.3 藥劑C-1最佳浮選條件的確定

藥劑使用制度對煤泥浮選的效果有重要影響。將藥劑C-1和仲辛醇組合進行藥劑量探索試驗。固定藥劑C-1用量為1200g/t，改變仲辛醇的單位用量進行浮選試驗，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著仲辛醇用量的增加，精煤產(chǎn)率均有小幅度提升，精煤灰分呈先下降后上升的趨勢。仲辛醇用量150g/t時，精煤產(chǎn)率為64.51%，精煤灰分達到最低值11.96%，浮選完善指標達到最大值37.87%，此時精煤質(zhì)量最佳。因此當藥劑C-1用量為1200g/t，仲辛醇用量為150g/t時，氧化煤的浮選效果最佳。

表4 不同仲辛醇用量下的氧化煤浮選結(jié)果

2.3 藥劑C-1的作用機理分析

2.3.1 紅外光譜分析

氧化煤表面含有大量的含氧官能團，如羥基、醛基、羧基等，采用Bruker Vertex 70型傅里葉變換紅外光譜儀對原煤與藥劑C-1作用前后的結(jié)構(gòu)組成進行表征，結(jié)果如圖3所示。

圖3 原煤和藥劑C-1作用前后的紅外光譜圖

與原煤相比，在1034cm-1處的醚鍵吸收峰峰面積明顯變小，峰強變?nèi)?，說明藥劑C-1可與煤粒表面的烷基醚相互作用，形成化學吸附，使疏水基團朝外，增強煤粒表面的疏水性。在540cm-1處的Si—O振動峰峰面積明顯變小，這是因為藥劑C-1吸附在煤粒表面，改變了煤泥表面的潤濕性進而增強煤粒的可浮性，使煤粒與高嶺石等無機礦物得以分離。說明藥劑C-1做捕收劑的浮選效果更佳，與氧化煤浮選結(jié)果一致。

2.3.2 潤濕熱分析

潤濕熱值代表煤樣與藥劑作用時所釋放的熱量，值越大，放出的熱量越多，反應(yīng)越容易進行。氧化煤與不同捕收劑作用后的潤濕熱見表5。由表5可知，相比于柴油，藥劑C-1與氧化煤作用的潤濕熱更大，對煤粒的吸附能力更強，對煤粒的捕收活性更大，與氧化煤浮選結(jié)果一致。

表5 氧化煤的潤濕熱分析

3 結(jié) 論

1)將表面活性劑(酯類表面活性劑、Span80)和單餾程非極性烴類油按照質(zhì)量比為5%混合時，制備所得的藥劑C-1對氧化煤的浮選作用效果最佳。

2)利用藥劑C-1為捕收劑進行浮選試驗，當藥劑C-1用量為1200g/t時，浮選效果最佳，此時得到的精煤產(chǎn)率為62.29%，相較于柴油的作用效果，精煤灰分降低0.46%，可燃體回收率提高1.64%，浮選完善指標提高2.76%，可明顯改善氧化煤的浮選效果。

3)藥劑C-1可與煤粒表面的含氧官能團形成化學吸附，覆蓋煤粒表面的部分醚鍵，疏水基團朝外，提高煤粒疏水性，明顯增大氧化煤表面的潤濕熱，進而提高煤粒的可浮性。