聚二甲基硅氧烷對(duì)煤泥浮選泡沫的強(qiáng)制消泡研究

趙 輝，崔廣文

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

浮選是目前分選細(xì)粒煤泥(<0.5 mm)普遍采用的方法，根據(jù)煤炭與矸石表面疏水性的差異，使疏水的煤炭黏附在氣泡表面，并隨氣泡上升，從而與親水的脈石分離。浮選過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生泡沫，泡沫中同時(shí)含有氣泡、水、顆粒以及浮選藥劑，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。目前，一些選煤廠出現(xiàn)浮選精煤泡沫過(guò)于穩(wěn)定的情況[1-2]，導(dǎo)致浮選精礦桶時(shí)常溢料，嚴(yán)重影響浮選精煤的脫水效率，制約選煤廠的正常生產(chǎn)。

浮選精煤泡沫的消泡方法可分為物理消泡和化學(xué)消泡2種方式。其中物理消泡方法包括：靜置法、噴淋法、升溫法、機(jī)械攪拌法和真空消泡法[3-4]。其中靜置法和噴淋法是大多數(shù)選煤廠采用的方法，即將浮選精煤泡沫打入浮選精礦桶中，使其中的泡沫自然靜置消泡，若泡沫難以消除，則在泡沫層上方設(shè)置噴淋水進(jìn)行強(qiáng)制消泡。升溫法、機(jī)械攪拌法、真空消泡法由于成本較高，且操作復(fù)雜，很少在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[4]?；瘜W(xué)消泡法是通過(guò)添加消泡劑增加泡沫的表面張力，加速泡沫中氣泡的兼并和排液，是一種較高效的消泡方法[5]。

目前常用的消泡劑包括有機(jī)硅類(lèi)、聚醚類(lèi)、脂肪酰胺類(lèi)和磷酸酯類(lèi)4種[6]，其中有機(jī)硅消泡劑具有優(yōu)良的消泡活性和環(huán)境友好性，在化工、石油、造紙、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[7]。有學(xué)者將有機(jī)硅消泡劑用于處理鋁土礦[8]、赤鐵礦[9]、膠磷礦[10-11]的浮選泡沫中，取得了較好的消泡效果。筆者將有機(jī)硅消泡劑用于具有天然疏水性的煤泥浮選泡沫，系統(tǒng)研究在不同水質(zhì)硬度的條件下浮選精煤泡沫的穩(wěn)定性、礦漿黏度和溶液表面張力，探究了有機(jī)硅消泡劑的消泡機(jī)理，為煤泥浮選泡沫的高效消泡提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用煤泥取自山西某選煤廠，該煤泥的粒度和密度組成見(jiàn)表1和表2。由表1可知，該煤泥中主導(dǎo)粒級(jí)為<0.045 mm的細(xì)泥，其產(chǎn)率和灰分都明顯高于其他粒級(jí)。由表2可知，該煤泥中主導(dǎo)密度級(jí)為1.50～1.60 g/cm3，產(chǎn)率為68.41%，灰分為22.18%，說(shuō)明煤泥中疏水性中等的連生體顆粒較多。

表1 煤泥篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2 煤泥浮沉試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所用的消泡劑為聚二甲基硅氧烷，采購(gòu)自山東大易化工有限公司。消泡劑分子式為(CH3)3SiO[(CH3)3SiO]n-Si(CH3)3，其封端為甲基，分子量為5 800，黏度為100 mPa·s，在常溫下將其配制成質(zhì)量濃度10 g/L的溶液備用，即在1 L去離子水中加入10 g聚二甲基硅氧烷，用磁力攪拌器攪拌10 min，使其分散均勻。按照水的硬度k(mmol/L)計(jì)算公式(式(1))，在750 mL去離子水中添加一定質(zhì)量CaCl2和MgCl2固體，配制不同硬度的水溶液(表3)。添加煤泥，并加入捕收劑(煤油，用量1 kg/t)和起泡劑(甲基異丁基甲醇，0.2 kg/t)進(jìn)行三相泡沫穩(wěn)定性測(cè)試和礦漿黏度測(cè)試。溶液表面張力測(cè)試在不同硬度的水溶液中進(jìn)行。

表3 不同硬度的水溶液配制

(1)

式中，n為離子物質(zhì)的量濃度。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1三相泡沫穩(wěn)定性試驗(yàn)

利用無(wú)溢流浮選柱進(jìn)行浮選精煤氣-液-固三相泡沫穩(wěn)定性測(cè)試，試驗(yàn)裝置如圖1所示。用XFD-1.5 L單槽浮選機(jī)調(diào)漿，將750 mL水與45 g煤泥混合后加入浮選槽中攪拌，葉輪轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，攪拌2 min后，加入1 kg/t煤油繼續(xù)攪拌2 min，之后加入0.2 kg/t甲基異丁基甲醇，再攪拌30 s，完成調(diào)漿過(guò)程。將調(diào)漿后的煤泥加入無(wú)溢流浮選柱中開(kāi)始充氣，充氣量為0.42 m3/(m2·min)。充氣后產(chǎn)生三相泡沫并不斷上升，但泡沫始終低于柱體高度，無(wú)法通過(guò)溢流排出。5 min后停止充氣，泡沫開(kāi)始衰變，在浮選泡沫層上方用接有分散噴頭的注射器(容積50 mL)加入一定濃度的消泡劑溶液。泡沫衰變過(guò)程中，每10 s測(cè)量一次泡沫高度。采用泡沫高度下降的速度和半衰期表征三相泡沫的穩(wěn)定性。每個(gè)條件下進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。

圖1 三相泡沫穩(wěn)定性測(cè)試裝置

1.2.2礦漿黏度測(cè)定

使用ViscoQC旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試不同條件下礦漿的黏度，所用的礦漿與測(cè)試三相泡沫穩(wěn)定性的礦漿相同。測(cè)試時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速為100 r/min，溫度為25 ℃，每個(gè)條件下進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。

1.2.3溶液表面張力測(cè)定

使用POWEREACH JK99D型全自動(dòng)張力儀測(cè)量溶液表面張力，每一組試驗(yàn)之前測(cè)定去離子水的表面張力對(duì)儀器進(jìn)行校正。分別在不加起泡劑和起泡劑濃度為0.2 kg/t的情況下，配制不同濃度的消泡劑溶液，測(cè)定其表面張力，每個(gè)條件下進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 消泡劑對(duì)三相泡沫穩(wěn)定性的影響

浮選精煤三相泡沫的高度在不同條件下隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖2所示。圖2結(jié)果表明，在試驗(yàn)所選取的水的硬度范圍內(nèi)(2～50 mmol/L)，三相泡沫高度在未加消泡劑時(shí)降低最慢，在水硬度為2、10和50 mmol/L時(shí)，在300 s內(nèi)均未衰變至起始高度的一半，最終泡沫層高度分別為13.2、13.8和17.2 cm。而在消泡劑質(zhì)量濃度為0.1 g/L時(shí)三相泡沫衰變最快，在水的硬度為2 mmol/L和10 mmol/L時(shí)，最終泡沫層高度基本為0，說(shuō)明泡沫在300 s內(nèi)可完全消除，而在水的硬度為50 mmol/L時(shí)，最終泡沫層高度為9.4 cm，說(shuō)明水質(zhì)較硬時(shí)，即使添加消泡劑也無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)使泡沫完全消除。隨著消泡劑濃度繼續(xù)升高，三相泡沫的衰變速度逐漸變慢。這說(shuō)明消泡劑濃度較低時(shí)具有更好的消泡效果，消泡劑用量過(guò)大并不利于消泡[5,9,11]，這一規(guī)律與相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)果一致。對(duì)比不同水質(zhì)硬度條件下的三相泡沫高度的變化情況可知，在低硬度條件下(2 mmol/L)，泡沫的衰變更快，而在高硬度條件下(50 mmol/L)，泡沫的衰變變慢，這主要是由于溶液中的Ca2+和Mg2+吸附到氣泡表面后會(huì)使氣泡的水化膜變厚，使氣泡間的水合斥力增強(qiáng)，從而阻止氣泡兼并，使氣泡和泡沫的穩(wěn)定性增強(qiáng)，泡沫的衰變受到抑制[12]。因此消泡劑在水的硬度較低時(shí)消泡效果更為顯著。

表4列出了不同條件下浮選精煤泡沫的半衰期，即泡沫高度降低到泡沫起始高度一半時(shí)的時(shí)間。在未添加消泡劑時(shí)，浮選精煤泡沫的半衰期均大于300 s，這說(shuō)明對(duì)于本次研究所選用的煤泥，在浮選時(shí)易出現(xiàn)泡沫過(guò)于穩(wěn)定難以消除的問(wèn)題，這與選煤廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合。而添加消泡劑后，泡沫的半衰期顯著下降，尤其是在消泡劑用量為0.1 g/L時(shí)，泡沫的半衰期在水的硬度為2、10、50 mmol/L時(shí)分別降低至55、42和90 s。隨著消泡劑用量的繼續(xù)增加，浮選精煤泡沫的半衰期逐漸升高，尤其是在水的硬度為50 mmol/L，消泡劑用量大于0.3 g/L時(shí)，泡沫的半衰期均大于300 s，與未添加消泡劑的結(jié)果相似。這說(shuō)明，當(dāng)水質(zhì)硬度較低時(shí)，聚二甲基硅氧烷消泡劑的消泡效果十分明顯，能顯著降低煤泥浮選泡

表4 不同消泡劑用量下浮選精煤泡沫的半衰期

沫的高度并減小泡沫半衰期，隨著水質(zhì)硬度的提高，消泡劑的消泡效果逐漸減弱。

2.2 有機(jī)硅消泡劑對(duì)礦漿黏度的影響

浮選泡沫是復(fù)雜的氣-液-固三相體系，影響泡沫穩(wěn)定性的因素很多，包括氣泡尺寸與穩(wěn)定性、泡沫排液速率、泡沫中固體顆粒性質(zhì)等。其中礦漿黏度是影響泡沫排液速率的重要因素[13]。礦漿黏度主要取決于礦漿中不溶于水的油相液滴和顆粒的尺寸和數(shù)量，微小尺寸的油滴和顆粒的數(shù)量越多，礦漿黏度越大。在浮選泡沫中，氣泡之間的間隙中充填有礦漿，其中非選擇性地夾帶了一些微細(xì)顆粒，即通常所說(shuō)的高灰細(xì)泥的水流夾帶污染。當(dāng)?shù)V漿黏度較大時(shí)，氣泡內(nèi)部的氣體向外擴(kuò)散的速度變慢，氣泡難以破裂。同時(shí)氣泡間隙中的礦漿向下運(yùn)動(dòng)所受的阻力很大，泡沫的排液受到抑制[14]。因此泡沫的衰變將十分緩慢，從宏觀上表現(xiàn)為泡沫難以消泡。因此對(duì)不同消泡劑用量下礦漿的表觀黏度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著消泡劑用量的增加，礦漿表觀黏度逐漸下降，在消泡劑用量為0.1 g/L時(shí)下降幅度最大，之后下降幅度很小。通過(guò)向浮選精煤泡沫中添加聚二甲基硅氧烷，可以降低礦漿的黏度，這可能有2方面的原因：一是中性的聚二甲基硅氧烷吸附到煤炭與礦物顆粒表面，降低了顆粒表面的電性，從而使顆粒間的靜電排斥力減弱，顆粒由分散變?yōu)閳F(tuán)聚，從而使礦漿黏度降低[9]。另一方面，顆粒吸附聚二甲基硅氧烷后，表面的水化膜變薄，使顆粒運(yùn)動(dòng)所受的阻力減小，也會(huì)導(dǎo)致礦漿的黏度降低[15]。因此向浮選泡沫中加入聚二甲基硅氧烷后，加速了泡沫排液速率，同時(shí)使泡沫中夾帶的微細(xì)顆粒數(shù)量減少，泡沫的穩(wěn)定性顯著降低。

圖3 消泡劑對(duì)礦漿表觀黏度的影響

隨著消泡劑用量的增加，礦漿黏度始終在降低，對(duì)消泡應(yīng)該是有利的。但泡沫穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)消泡劑用量大于0.2 g/L時(shí)，最終泡沫層高度和泡沫的半衰期均有所升高，說(shuō)明泡沫的穩(wěn)定性有所增加。該變化可能是由于礦漿黏度之外的其他因素導(dǎo)致，因此后文對(duì)溶液的表面張力進(jìn)行測(cè)試。

2.3 有機(jī)硅消泡劑對(duì)溶液表面張力的影響

溶液表面張力隨消泡劑用量的變化結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在未添加起泡劑的情況下，溶液表面張力隨消泡劑用量的增加先迅速降低，再保持平穩(wěn)，在消泡劑質(zhì)量濃度為0.1 g/L時(shí)達(dá)到最小值，在水的硬度為2、10和50 mmol/L時(shí)分別為41.0、53.0和44.2 mN/m，說(shuō)明單獨(dú)添加消泡劑具有降低表面張力的作用。并且繼續(xù)增加消泡劑用量后，溶液表面張力基本不再變化，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)達(dá)到了聚二甲基硅氧烷的臨界膠束濃度，過(guò)量的消泡劑將在溶液中形成膠束，這也是礦漿的表觀黏度在消泡劑濃度超過(guò)0.1 g/L后降低幅度變小的原因。而在添加起泡劑且用量為0.2 kg/t的情況下，溶液的表面張力隨著消泡劑濃度的增加先升高后降低，在消泡劑質(zhì)量濃度為0.1 g/L時(shí)表面張力達(dá)到最大值，在水的硬度為2、10和50 mmol/L時(shí)分別為45.0、46.1和40.0 mN/m，此時(shí)由于表面張力升高，氣泡更容易發(fā)生破裂和兼并，因此會(huì)促進(jìn)消泡。綜合分析可知，起泡劑和消泡劑單獨(dú)使用時(shí)，都能起到表面活性劑的作用，降低溶液的表面張力。但是在添加起泡劑之后再加入消泡劑，能夠使溶液的表面張力升高，從而達(dá)到消泡的作用。

圖4 消泡劑對(duì)溶液表面張力的影響

已有研究發(fā)現(xiàn)，氣泡表面液膜變薄的速率與表面張力、溶液黏度[16]具有如下關(guān)系：

(2)

其中，h為氣泡表面液膜厚度；t為時(shí)間；μ為溶液的動(dòng)力黏度；σ為溶液的表面張力；R為液膜半徑；Rb為氣泡半徑；Π為分離壓。由式(2)可知，在氣泡尺寸和分離壓一定的情況下，氣泡表面液膜厚度的變化主要受到表面張力和黏度的影響。黏度減小和表面張力增大，都會(huì)使液膜的排液速率?h/?t加快，從而促進(jìn)氣泡兼并及破裂，宏觀上表現(xiàn)為泡沫穩(wěn)定性降低、泡沫衰變加速。在存在起泡劑且消泡劑用量為0.1 g/L時(shí)，礦漿的黏度顯著降低，且溶液的表面張力升高。表面張力的升高主要是由于聚二甲基硅氧烷與起泡劑(甲基異丁基甲醇)分子之間具有較強(qiáng)的氫鍵作用，因此氣-液界面上的起泡劑分子濃度降低，這與XU等[17]所提出的柴油對(duì)浮選泡沫穩(wěn)定性的抑制作用的研究結(jié)果一致。柴油和聚二甲基硅氧烷均會(huì)使氣泡表面的起泡劑濃度降低，導(dǎo)致液膜排液加快，氣泡破裂加劇，從而起到消泡作用。在低消泡劑用量時(shí)，礦漿黏度與表面張力的雙重作用導(dǎo)致氣泡的排液速率顯著加快，消泡效果十分顯著。而隨著消泡劑濃度繼續(xù)升高，溶液的表面張力開(kāi)始逐漸降低，這是由于聚二甲基硅氧烷與起泡劑分子的互溶后共同吸附于氣泡表面，導(dǎo)致消泡劑的消泡效果減弱。因此，在使用聚二甲基硅氧烷作為煤泥浮選泡沫的消泡劑時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制消泡劑用量，從而達(dá)到最佳的消泡效果，同時(shí)減少藥劑成本。

3 結(jié) 論

1)聚二甲基硅氧烷作為消泡劑時(shí)能夠顯著降低煤泥浮選三相泡沫的穩(wěn)定性，且在低用量(0.1 g/L)和水質(zhì)硬度較低時(shí)效果更加顯著，在水的硬度為2 mmol/L和10 mmol/L時(shí)，三相泡沫的半衰期由大于300 s分別降低至55 s和42 s，當(dāng)水的硬度升高至50 mmol/L時(shí)，消泡效果受到抑制。

2)聚二甲基硅氧烷可以降低煤泥浮選礦漿的表觀黏度，且在用量為0.1 g/L時(shí)降低幅度最大，隨著消泡劑濃度繼續(xù)升高，礦漿表觀黏度的降低幅度逐漸變小并趨于平穩(wěn)。

3)聚二甲基硅氧烷單獨(dú)使用時(shí)會(huì)使溶液的表面張力降低，而在起泡劑存在的情況下，低用量的聚二甲基硅氧烷(0.1 g/L)會(huì)使溶液的表面張力升高，從而加速氣泡表面的液膜變薄，促進(jìn)氣泡兼并和破裂，起到消泡作用，隨著聚二甲基硅氧烷用量繼續(xù)升高，溶液的表面張力又逐漸下降，聚二甲基硅氧烷的消泡作用逐漸減弱。