蒙脫石與低灰煤泥對重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性與流變性的影響研究

朱子祺，江潤平

(1.國家能源集團(tuán)神東洗選中心，陜西 榆林 719315；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；3.威海市海王旋流器有限公司，山東 威海 264203)

煤炭資源是保證我國能源安全的“壓艙石”，發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)可以有效緩解缺油少氣給我國能源安全帶來的挑戰(zhàn)，對保障國家能源安全具有重要戰(zhàn)略意義。此外，液化作為煤炭高效清潔加工利用的技術(shù)手段之一，對保障我國能源的可持續(xù)綠色發(fā)展也具有重要價值。

原煤的性質(zhì)，特別是有機(jī)顯微組分的性質(zhì)，直接影響著煤液化的油產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。適宜液化的煤類型通常是老年褐煤和年輕的煙煤。為了獲得較好的轉(zhuǎn)化效率和油收率，鏡質(zhì)體的含量應(yīng)盡可能高。原煤鏡質(zhì)組含量每增加10%，直接液化產(chǎn)油率可提高4%[2，3]。然而，由于煤中有機(jī)顯微組分密度相近，如何實現(xiàn)鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的有效分離一直是煤炭加工中的難題[4]。

重介質(zhì)旋流器分選廣泛應(yīng)用于選煤、選礦等選礦領(lǐng)域[5]。除了浮選[6-8]，將原料進(jìn)行進(jìn)一步解離后，通過低密度重介質(zhì)旋流器分選也是從煤中富集鏡質(zhì)組的有效方法之一[9，10]。但這必須將分選密度進(jìn)一步降低，也就是將重介質(zhì)懸浮液中的固體含量降低。然而，降低固體含量將弱化固體顆粒之間的互相干擾，從而加快顆粒的沉降，使重介質(zhì)懸浮液更加不穩(wěn)定而最終惡化分選效果。為解決這個問題，就需要使用粒度更細(xì)的磁鐵礦粉[5，11]，并提高非磁性煤泥的含量。然而，重介質(zhì)懸浮液中固體顆粒粒度降低，以及額外增加煤泥將不可避免地惡化懸浮液的流變性，從而使經(jīng)解離變細(xì)的物料的分離速度減慢，并降低分選效率[11-13]。因此，獲得一種不易產(chǎn)生沉降的，且同時流變黏度也不至于過高的重介質(zhì)懸浮液，對通過低密度重介質(zhì)旋流器分選實現(xiàn)鏡質(zhì)組的富集具有重要的價值。為此，本文探討了細(xì)粒級磁鐵礦粉、低灰煤泥以及蒙脫石粉末混合調(diào)制的重介質(zhì)懸浮液在重力場中的穩(wěn)定性及其流變特性，以期為低密度重介質(zhì)旋流器分選實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 磁鐵礦粉

磁鐵礦粉取自神東集團(tuán)有限公司煤制油選煤廠，真密度為5.00±0.10g/cm3，磁性物含量大于等于98%。對所取磁鐵礦粉進(jìn)行了不同時間的研磨，并利用標(biāo)準(zhǔn)篩控制其粒度分別為-45μm、45～150μm和74～300μm，標(biāo)記為MP1、MP2和MP3。利用利用激光粒度分析儀(MASTERSIZER 3000)測定了三種磁鐵礦粉樣品的粒度分布，結(jié)果如圖1所示。

圖1 磁鐵礦粉粒度分布

1.1.2 低灰煤泥

低灰煤泥作為調(diào)制重介質(zhì)懸浮液固相組成的一種組分引入到本研究中，其主要目的是與蒙脫石粉進(jìn)行不同比例的混合，以獲得不同灰分的非磁性物。低灰煤泥來源于神東集團(tuán)煤制油選煤廠的精煤產(chǎn)品再加工，具體方法為：來料經(jīng)過1.30g/cm3重液的浮沉，將浮物取出后干燥后在球磨機(jī)上研磨1h作為實驗用低灰煤泥樣品，以降低其粒度，從而延緩其沉降。經(jīng)分析，其干燥基灰分含量為2.01%。用激光粒度分析儀(MASTERSIZER 3000)測定了其粒度分布，結(jié)果如圖2所示。

圖2 低灰煤泥粒度分布

1.1.3 蒙脫石粉末

蒙脫石是煤的主要黏土礦物成分之一，浸入水中后具有膨脹性，可形成空間結(jié)構(gòu)，從而阻礙顆粒沉降，因此是導(dǎo)致煤泥水沉降處理困難的主要原因之一[14，15]。但也正是因為這個特性，在本研究中蒙脫石粉作為穩(wěn)定劑來延緩重介質(zhì)懸浮液中固相物的沉降。本研究采用的蒙脫石粉末為市場上采購的工業(yè)品，其純度大于等于98%，密度為2.70±0.02g/cm3，粒度上限小于等于74μm、平均粒徑為35.12μm。

1.2 實驗方法

1.2.1 重介質(zhì)懸浮液的配置

本研究采用了三種不同的配置方法以獲得性質(zhì)不同的重介質(zhì)懸浮液，分別為：僅使用磁鐵礦粉，磁鐵礦粉與低灰煤泥按不同比例混配，以及磁鐵礦粉、低灰煤泥和蒙脫石粉按不同比例混配。上述獲得的三種混配的固體粉末與去離子水混合后經(jīng)過攪拌混勻，利用密度計測量懸浮液的密度，并通過調(diào)整水添加量及固體粉末用量的方法，使懸浮液的密度控制在1.35g/cm3，作為實驗用重介質(zhì)懸浮液。特別的：使用磁鐵礦粉分別與低灰煤泥和蒙脫石粉末配置懸浮液時，控制低灰煤泥或蒙脫石粉末的用量為磁鐵礦粉量的10%、20%、30%、40%、50%和60%，從而觀察不同非磁性物含量對懸浮液穩(wěn)定性和流變性的影響；使用磁鐵礦粉、低灰煤泥和蒙脫石粉末共同配置懸浮液時，使低灰煤泥和蒙脫石粉末總量為磁鐵礦粉量的60%，調(diào)整低灰煤泥與蒙脫石粉末的比例使非磁性物灰分達(dá)到10%、20%、30%、40%、50%、60%和80%進(jìn)行混配，對應(yīng)的蒙脫石粉末在非磁性物中的含量分別為9.57%、17.48%、16.47%、36.80%、48.80%、62.88%和79.67%，以觀察非磁性物組成(以灰分計)對懸浮液流變性和穩(wěn)定性的影響?；炫浜蟮膶嶋H灰分經(jīng)測試分別為10.40%、20.41%、31.03%、39.15%、51.87%、61.67%和81.10%。

1.2.2 穩(wěn)定性測試方法

本研究制備的重介質(zhì)懸浮液的密度控制在1.35g/cm3。每次將200mL懸浮液放入具有位置高度標(biāo)簽的500mL沉淀管中，反轉(zhuǎn)沉降管10次后靜置，同時開始計時，觀察并拍攝錄制沉降過程，以便后期查閱界面層的位置和相應(yīng)的時間，并確定沉降時間和上清液高度。取界面層基本不再發(fā)生顯著改變時的位置和相應(yīng)沉降所經(jīng)歷的時間計算平均沉降速度v(mm/s)。以Z值(s/mm，沉降速度的倒數(shù))作為評價懸浮液在重力場中穩(wěn)定性的指標(biāo)。顯然，Z值越大，懸浮液越不易產(chǎn)生沉降，也就越穩(wěn)定。

1.2.3 實驗用磁鐵礦粉樣品的選擇

所得三種磁鐵礦粉通過互相混配，獲得粒度分布不同的磁鐵礦粉并開展穩(wěn)定性預(yù)實驗，以確定最優(yōu)的混配比例用于其他實驗，預(yù)實驗結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，僅采用磁鐵礦粉配置的懸浮液的穩(wěn)定性極差，其Z值均在2s/mm以下，而平均粒度細(xì)的磁鐵礦粉的穩(wěn)定性相對略好，這與細(xì)顆粒沉降速度慢有關(guān)。研究中選擇Z值最高(1.79s/mm)的磁鐵礦粉作為后續(xù)實驗的原料，此時三種原始磁鐵礦粉的配比為：MP1∶MP2∶MP3=3∶1∶0，其粒度分布如圖4所示。

圖3 不同磁鐵礦粉混配比例下懸浮液的穩(wěn)定性指標(biāo)

圖4 實驗用磁鐵礦粉粒度分布

1.2.4 流變性測試方法

重介質(zhì)懸浮液經(jīng)過攪拌均勻后，快速轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)黏度計(Thermo Scientific VT550)的樣品槽中，并盡快進(jìn)行不同剪切速率下的切應(yīng)力測量。在裝填樣品前，首先將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開啟至中檔轉(zhuǎn)速(此時剪切應(yīng)變率約45s-1)，而后再將樣品槽小心裝載，以避免懸浮液中固體顆粒沉降過快而造成測量過于失真。裝載后，將轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)后，重新開啟數(shù)據(jù)測量。所得數(shù)據(jù)由冪律方程(式1和式2)進(jìn)行擬合運算，以獲得懸浮液的流變性特征參數(shù)：

τ=Kηn

(1)

va=τ/η

(2)

式中，τ為切應(yīng)力，Pa；η為剪切率，s-1；K為稠度系數(shù)；n為流動指數(shù)；va為表觀黏度，mPa·s。當(dāng)01時為脹塑性流體。

由于僅有磁鐵礦粉，或添加蒙脫石粉末的重介質(zhì)懸浮液沉降速度過快，無法實現(xiàn)穩(wěn)定測量，故未采用其測量數(shù)據(jù)用于本研究中關(guān)于流變性的分析。

2 重介質(zhì)懸浮液的穩(wěn)定性與流變性

2.1 重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性

2.1.1 低灰煤泥對穩(wěn)定性的影響

不同比例低灰煤泥條件下配置的重介質(zhì)懸浮液的沉降速度及穩(wěn)定性指標(biāo)如圖5所示?？梢?，隨著低灰煤泥的比例的提高，重介質(zhì)懸浮液的沉降速度由超過0.55mm/s逐步降低到約0.1mm/s，相應(yīng)的穩(wěn)定性指標(biāo)Z值則由低于2s/mm提高到11s/mm以上。這主要是由于低灰煤泥的密度要低于磁鐵礦粉，因此在懸浮液密度均為1.35g/cm3的配置要求下，低灰煤泥的比例越高，則懸浮液中總體的固體體積濃度會越大，也即體系中的顆粒數(shù)量大幅提高，從而提高了沉降過程中顆粒之間的相互干擾作用，從而延緩了沉降速度，表現(xiàn)為穩(wěn)定性的提高。

圖5 低灰煤泥對重介質(zhì)懸浮液沉降速速與Z值的影響

2.1.3 蒙托石對穩(wěn)定性的影響

僅添加蒙脫石粉末條件下，不同添加量對重介質(zhì)懸浮液沉降速度及穩(wěn)定性指標(biāo)的影響如圖6所示?？梢?，僅添加蒙脫石粉末條件下，重介質(zhì)懸浮液的沉降速度和穩(wěn)定性均未呈現(xiàn)出顯著的變化，其沉降速度分布在0.53mm/s與0.57mm/s，相應(yīng)的穩(wěn)定性指標(biāo)均低于2s/mm。顯然，通過利用蒙脫石粉末吸水膨脹特性來提高重介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性的目的并未實現(xiàn)。經(jīng)分析，筆者認(rèn)為是由于蒙脫石顆粒在水中溶脹、剝離成單元晶層后，像膠化體一樣將磁鐵礦顆粒連接在一起[16]，形成了絮凝體，從而導(dǎo)致快速沉降[17]，覆蓋了蒙脫石吸水膨脹后形成的空間阻礙作用。

圖6 蒙脫石粉末對重介質(zhì)懸浮液沉降速速與Z值的影響

2.1.4 低灰煤泥與蒙脫石對穩(wěn)定性的綜合影響

通過調(diào)制低灰煤泥與蒙脫石粉末相對比例后，不同調(diào)制方法下重介質(zhì)懸浮液的沉降速度與Z值如圖7所示。可見，低灰煤泥與蒙脫石混合煤泥最高使懸浮液的穩(wěn)定性指標(biāo)達(dá)到了50.53s/mm，遠(yuǎn)高于單獨加入低灰煤泥或蒙脫石的值。結(jié)合圖6所示的結(jié)果可知，少量低灰煤泥的加入是大幅度提高懸浮液穩(wěn)定性的關(guān)鍵?；?.1.3節(jié)所述，作者認(rèn)為發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是兩個方面：一是低灰煤泥的加入阻礙了磁鐵礦粉顆粒與蒙脫石顆粒的相互作用，在一定程度上屏蔽了蒙脫石片段的類膠化體作用，因此蒙脫石的吸水膨脹未受到過多阻礙；二是蒙脫石吸水膨脹后表觀體積大幅度提高[14，15]，而密度更低的低灰煤泥的加入使得體系中固體顆粒的表觀體積濃度提高，顆粒間的相互阻礙沉降的現(xiàn)象更為顯著，從而大幅提高了懸浮液的穩(wěn)定性。

圖7 低灰煤泥與蒙脫石粉末混配后對重介質(zhì)懸浮液沉降速度與Z值的影響

2.2 重介質(zhì)懸浮液流變性

2.2.1 低灰煤泥對流變性的影響

不同低灰煤泥添加量條件下，重介質(zhì)懸浮液的流變性測試分析結(jié)果如圖8所示，基于式(1)和式(2)計算得到的流變特性參數(shù)見表1?？梢姡鞣N條件下的懸浮液的冪律指數(shù)n均小于1，即均呈現(xiàn)出了假塑性流體特征，其表觀黏度隨剪切應(yīng)變率的增加而下降；而剪切應(yīng)變率相同時，低灰煤泥比例增加，體系中的固體體積濃度增大，稠度系數(shù)隨著低灰煤泥比例的提高而呈現(xiàn)上升趨勢，表現(xiàn)為懸浮液的表觀黏度提高。

2.2.2 低灰煤泥與蒙脫石對流變性的綜合影響

不同低灰煤泥和蒙脫石粉末混配條件下，重介質(zhì)懸浮液的流變性測試分析結(jié)果，基于式(1)和式(2)計算得到的流變特性參數(shù)見表2?？梢?，懸浮液的冪律指數(shù)均小于1，均表現(xiàn)為假塑性流體特征，且懸浮液的表觀黏度隨蒙脫石含量呈現(xiàn)出總體提高的趨勢。且與表1相比，表2中的冪律指數(shù)更小，表明添加混合煤泥后的懸浮液的假塑性更強(qiáng)。

圖8 低灰煤泥對重介質(zhì)懸浮液流變性的影響

表1 低灰煤泥對懸浮液的流變特性參數(shù)的影響

與圖8數(shù)據(jù)相比，混合煤泥中蒙脫石的比例對懸浮液的黏度有明顯影響，且低剪切應(yīng)變率下的最高表觀黏度超過1500mPa·s，提高了近1200mPa·s，效果非常顯著。顯然，這與圖7所示的穩(wěn)定性大幅度提高是相呼應(yīng)的。因為體系表觀黏度的增大，會顯著提高顆粒的沉降阻力，從而降低干擾沉降速度。但更值得注意的是在高剪切應(yīng)變率時的表觀黏度將降低到200mPa·s以下，與圖6中的數(shù)據(jù)相比僅提高了50～100mPa·s。

表2 不同混合煤泥組分的懸浮液的流變特性參數(shù)

圖9 低灰煤泥與蒙脫石粉末混配后對重介質(zhì)懸浮液流變性的影響

2.3 重力場穩(wěn)定性與流變性的關(guān)系

在重介質(zhì)旋流器分選過程中，懸浮液高速流動狀態(tài)，體系剪切率較高，在不同型制的旋流器中可以達(dá)到幾十至幾百mPa·s不等[18，19]。三種不同剪切率下塑性系數(shù)、表觀黏度與相應(yīng)重力場懸浮液穩(wěn)定性指標(biāo)Z值的關(guān)系如圖10所示。其中，圖10(a)的塑性系數(shù)K的大小可以等效為剪切應(yīng)變率為1s-1的表觀黏度值(近靜態(tài))，圖10(b)和(c)為測量值，圖10(d)為基于表1和表2數(shù)據(jù)以及式1和式2在剪切應(yīng)變率為200s-1時的理論計算值?？梢?，隨著Z值的提高，不同剪切率下的表觀黏度和稠度系數(shù)K值均呈現(xiàn)上升趨勢，且呈現(xiàn)良好的單調(diào)性。值得注意的是，圖10(b)(c)(d)出現(xiàn)了顯著的部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊。這體現(xiàn)出了重力場測量的穩(wěn)定性指數(shù)與懸浮液表觀黏度的非單調(diào)性。其原因在于Z值為靜置條件下測量的指標(biāo)，而表觀黏度則與剪切應(yīng)變率有關(guān)聯(lián)，代表的是剪切運動過程的特征。

而從圖10數(shù)據(jù)可知，與僅利用低灰煤泥調(diào)控的條件相比，經(jīng)過混合煤泥調(diào)控后的重介質(zhì)懸浮液的表觀黏度在較高剪切應(yīng)變率(70.22s-1)下不僅可以達(dá)到較低值(約60～75mPa·s)，最高僅達(dá)到160mPa·s左右(此時蒙脫石在混合煤泥中的含量達(dá)到了79.67%)，而在更高剪切應(yīng)變率下(200s-1)，理論表觀黏度值均低于90mPa·s，最低值達(dá)到了僅35mPa·s左右。相對應(yīng)的是，懸浮液穩(wěn)定性還要更高得多。這說明，經(jīng)過混合煤泥調(diào)控的重介質(zhì)懸浮液不僅表現(xiàn)出良好的靜置穩(wěn)定性(高Z值)，而且在高速剪切下的表觀黏度并沒有發(fā)生大幅度上升的現(xiàn)象，可以認(rèn)為對分選效果的影響較低。也就是說，這是一種不易產(chǎn)生沉降、同時流變黏度也不至于過高的重介質(zhì)懸浮液。考慮到煤的礦物組成中往往含有一定的吸水膨脹性組分，可以進(jìn)一步推論出，適度提高重介質(zhì)懸浮液中煤泥的灰分將有利于分選的穩(wěn)定。

圖10 塑性系數(shù)K、表觀黏度與與Z值的關(guān)系

3 結(jié) 論

通過對細(xì)粒級磁鐵礦粉、低灰煤泥以及蒙脫石粉末混合調(diào)制的重介質(zhì)懸浮液在重力場中的穩(wěn)定性及其流變特性的試驗研究，得到了以下主要結(jié)論：

1)磁鐵礦粉及其與蒙脫石粉末制備的懸浮液穩(wěn)定性極差，加入低灰煤泥可以有效提高懸浮液穩(wěn)定性，表明磁鐵礦粉、蒙脫石粉末及低灰煤泥可以在懸浮體系中形成協(xié)同效應(yīng)，阻礙體系的沉降失穩(wěn)過程。

2)重介質(zhì)懸浮液呈現(xiàn)出假塑性特點，且在高速剪切狀態(tài)下，經(jīng)磁鐵礦粉、蒙脫石粉末及低灰煤泥混合制備的重介質(zhì)懸浮液在較高剪切應(yīng)變率(70.22s-1)下的表觀黏度最高僅為160mPa·s左右，最低甚至可以低至70mPa·s左右，理論計算得到的高剪切應(yīng)變率(70.22s-1)下的表觀黏度均低于90mPa·s，最低值達(dá)到了僅35mPa·s左右，符合進(jìn)行重介質(zhì)旋流器分選時對懸浮液黏度低、穩(wěn)定性好的要求。這表明重介質(zhì)懸浮液中的煤泥灰分適度提高將有利于分選過程的穩(wěn)定。