高剪切調(diào)漿強(qiáng)化低階煤泥浮選及其作用機(jī)理

喬二樂(lè),閔凡飛,沈 亮,劉令云

(安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

細(xì)粒煤泥分選過(guò)程中,浮選是最有效、應(yīng)用最廣泛的一種分選方法[1-4]。然而對(duì)于低階煤泥來(lái)說(shuō),因其表面含有大量含氧官能團(tuán)如羥基、羧基、羰基等,并且表面孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),疏水性差,水分子容易在低階煤表面形成穩(wěn)定的水化膜,阻礙傳統(tǒng)烴類(lèi)捕收劑分子在煤顆粒表面的吸附和鋪展,導(dǎo)致浮選效率顯著下降。浮選效率低、捕收劑用量大是低階煤浮選面臨的突出問(wèn)題[5-10]。調(diào)漿是浮選的源頭,其主要作用是實(shí)現(xiàn)浮選藥劑在顆粒表面的選擇性吸附,提高目的礦物與脈石礦物表面疏水性差異[11]。長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤泥高剪切調(diào)漿浮選的基礎(chǔ)理論[12-17]和技術(shù)裝備方面進(jìn)行深入研究[18-19],并從調(diào)漿設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)特性、顆粒-油滴的碰撞概率及顆粒表面改性等3個(gè)方面分析了其作用機(jī)理。

在流場(chǎng)特性研究方面,TAKENAKA等[20]和MICALE等[21]測(cè)量了不同攪拌調(diào)漿下的顆粒臨界懸浮速度,并借助歐拉多相流模型確定了顆粒懸浮高度與葉輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。RAGHAVAN等[22]在高嶺石的浮選脫鈦試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)提高剪切調(diào)漿的強(qiáng)度可顯著減少調(diào)漿時(shí)間,提高浮選速度,改善浮選效果,但并未深入探討高剪切調(diào)漿的強(qiáng)化機(jī)理。SBRIZZAI等[23]和LUIS等[24]系統(tǒng)研究了攪拌桶中的擋板對(duì)調(diào)漿效果的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明擋板可顯著改變攪拌桶中的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài),更有利于顆粒維持懸浮狀態(tài),進(jìn)而促進(jìn)藥劑在顆粒表面的吸附。浮選調(diào)漿的主要目的是強(qiáng)化捕收劑在目的礦物表面吸附,吸附類(lèi)型主要包括化學(xué)吸附、物理吸附和表面化學(xué)吸附,而對(duì)于煤泥來(lái)說(shuō),主要是非極性烴類(lèi)油與煤顆粒之間的物理吸附作用。由于捕收劑與煤顆粒間主要是以物理吸附作用為主,作用力較弱,調(diào)漿過(guò)程中的剪切強(qiáng)度會(huì)對(duì)該過(guò)程產(chǎn)生較大影響。BULATOVIC等[25]在對(duì)銅礦的浮選過(guò)程中發(fā)現(xiàn),隨礦漿能量輸入提高,浮選指標(biāo)顯著改善,并將該現(xiàn)象稱(chēng)為高剪切調(diào)漿作用,認(rèn)為剪切絮凝是促進(jìn)浮選效果改善的根本原因。趙磊[26]研究了高剪切調(diào)漿條件下山西多煤種的浮選規(guī)律,并利用數(shù)值仿真和PIV測(cè)試分析了高剪切調(diào)漿的流場(chǎng)特性及其浮選強(qiáng)化機(jī)理,研究表明高剪切調(diào)漿能夠產(chǎn)生提高流體的湍流強(qiáng)度,使煤顆粒聚團(tuán),進(jìn)而改善浮選效果。

在顆粒-藥劑碰撞概率方面,SOMMERFELD等[27]通過(guò)理論推導(dǎo),得出了調(diào)漿過(guò)程中煤顆粒與油滴之間的碰撞概率模型,即攪拌強(qiáng)度越大,油滴與煤顆粒之間的碰撞概率越高。馬力強(qiáng)等[28-29]認(rèn)為高效的調(diào)漿技術(shù)可提高藥劑和顆粒的分散性、增加藥劑與顆粒的碰撞概率,進(jìn)而改善細(xì)顆粒的浮選效果。

在顆粒表面改性方面,李振等[30]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),高剪切調(diào)漿可有效去除煤顆粒表面罩蓋的細(xì)泥,進(jìn)而提高煤顆粒的表面疏水性,改善浮選效果。FENG等[31]試驗(yàn)證明經(jīng)高剪切調(diào)漿的方法處理可顯著改善微細(xì)粒氧化煤的浮選指標(biāo),主要是由于高剪切力去除了煤表面的氧化層,提高了疏水性。部分學(xué)者的研究結(jié)果表明,高剪切調(diào)漿可有效去除顆粒表面的親水性氧化層,強(qiáng)化顆粒與捕收劑和氣泡的黏附過(guò)程,提高浮選效果[32-33]。

李吉輝[16]通過(guò)理論計(jì)算,推導(dǎo)出煤泥攪拌調(diào)漿過(guò)程中煤顆粒與油滴的碰撞速率模型,指出碰撞速率僅與油滴粒度和流體速度有關(guān)。高剪切調(diào)漿可顯著增強(qiáng)流體的湍流強(qiáng)度,降低油滴的粒徑,進(jìn)而增加顆粒與油滴間的碰撞速率。低階煤顆粒表面親水性強(qiáng)、水化膜厚,油滴與煤顆粒碰撞時(shí),必然受排斥力作用,運(yùn)動(dòng)速度和相互間的距離逐漸減小。最終出現(xiàn)2種結(jié)果:當(dāng)油滴和顆粒距離足夠近時(shí),油滴順利吸附在其表面;否則,油滴被排斥,無(wú)法完成吸附。因此,有必要研究油滴與煤顆粒表面之間的最終距離與吸附行為之間的關(guān)系。

綜上所述,前人對(duì)煤泥高剪切調(diào)漿浮選的強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了大量研究,并從多方面對(duì)其強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行分析。馬力強(qiáng)等[34]指出煤泥調(diào)漿技術(shù)應(yīng)從藥劑分散、顆粒分散與表面改性、顆粒碰撞與有效吸附等過(guò)程研究,對(duì)于各過(guò)程的機(jī)理還需進(jìn)一步明確。目前較多研究是借助流體力學(xué)理論從藥劑與顆粒碰撞的量分析,對(duì)于碰撞能效方面研究不足。低階煤顆粒表面的水化膜是阻礙藥劑吸附的重要因素。水化膜包裹在低階煤顆粒表面,油滴與其碰撞后能否順利排開(kāi)水化膜,并在煤顆粒表面吸附和鋪展,將對(duì)低階煤的浮選效果產(chǎn)生重要影響。筆者借助E-DLVO理論和分子模擬技術(shù),從微觀層面分析了高剪切調(diào)漿下油滴與低階煤顆粒的相互作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)原料

低階煤泥樣品取自內(nèi)蒙古某選煤廠。煤樣的工業(yè)分析見(jiàn)表1,可知該煤樣屬于長(zhǎng)焰煤,灰分高,直接加入精煤會(huì)影響其質(zhì)量。煤泥樣品的粒度分布見(jiàn)表2,可知樣品中<0.045 mm的產(chǎn)率為47.9%,灰分為43.21%,說(shuō)明煤樣中含有較多細(xì)粒脈石礦物。浮選試驗(yàn)中使用的捕收劑正十二烷和起泡劑MIBC(甲基異丁基甲醇)均為分析純。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of low rank coal samples %

表2 煤泥的粒度組成分析Table 2 Particle size distribution of the coal slime

2 試驗(yàn)方法

2.1 吸附量的測(cè)定

試驗(yàn)采用尤尼柯UV—2012紫外分光光度計(jì)測(cè)量正十二烷在煤顆粒表面的吸附量[35-36]。為準(zhǔn)確測(cè)定出正十二烷的濃度,試驗(yàn)前,需使用蘇丹紅Ⅲ對(duì)正十二烷進(jìn)行染色,并在紫外吸收波長(zhǎng)為228 nm處,分別測(cè)量不同正十二烷濃度下的吸光度,擬合出吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線,如圖1所示。每次試驗(yàn),向攪拌器中加入100 g煤樣,形成質(zhì)量濃度100 g/L的漿液。然后加入一定量正十二烷攪拌3 min。將煤漿在離心機(jī)中離心15 min。然后將上清液與20 mL石油醚放入分液漏斗中,充分混合30 min,除去水分,將提取的石油醚轉(zhuǎn)移到比色皿中測(cè)定其吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算試樣中染色正十二烷的濃度,再結(jié)合礦漿體積計(jì)算水中染色正十二烷的殘留量。根據(jù)捕收劑用量,即可算出捕收劑在煤表面的吸附量,如式(1)所示。

圖1 吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Adsorption standard curve

Γ=(C0-Ct)V/m,

(1)

式中,Γ為吸附量;C0和Ct分別為吸附前后礦漿中的正十二烷濃度;V為礦漿體積;m為煤樣質(zhì)量。

2.2 高剪切調(diào)漿試驗(yàn)

試驗(yàn)中使用的高剪切調(diào)漿裝置如圖2所示,可知該裝置主要由筒體、雙葉輪和擋板組成,雙葉輪和擋板可以提高顆粒與油滴的碰撞速率。攪拌桶高200 mm、直徑100 mm、擋板數(shù)量4個(gè)、葉輪間距40 mm、下葉輪距離桶底30 mm、葉輪直徑40 mm。在高剪切攪拌過(guò)程中,葉輪轉(zhuǎn)速為800～2 800 r/min,礦漿質(zhì)量濃度為100 g/L,調(diào)漿時(shí)間固定為2 min,捕收劑正十二烷用量為1.5 kg/t。

圖2 高剪切調(diào)漿裝置示意Fig.2 Schematic diagram of high-intensity conditioning device

2.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬

Wender煤分子模型與低煤階煤側(cè)鏈多、氧原子多、芳香環(huán)少的結(jié)構(gòu)特征相吻合。更重要的是,含許多含氧基團(tuán)如羧基、羥基、羰基、醚基等,便于研究水分子吸附,故本研究采用該模型進(jìn)行模擬。模擬中使用的Wender煤分子結(jié)構(gòu)如圖3所示(圖3中紅色球體為氧原子,灰色球體為碳原子,白色球體為氫原子)。在Wender低階煤分子模型的基礎(chǔ)上,建立了密度為1.20 g/L的煤大分子模型。具體建模步驟如下:首先,利用Materials studio軟件的AC模塊生成一個(gè)包含120個(gè)Wender煤分子的長(zhǎng)方體模擬單元,設(shè)置密度為0.8 g/L。然后,在煤分子兩側(cè)沿z軸方向放置2個(gè)3層石墨片,使石墨片盡可能靠近煤表面。然后將系統(tǒng)中的石墨原子全部固定,并利用Forcite模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能量最小化計(jì)算。在煤分子與石墨的相互作用下,煤的大分子模型密度逐漸增大。重復(fù)上述過(guò)程,直至煤面模型密度達(dá)到1.2 g/L,此時(shí)煤層厚度約1.8 nm。最后,在NVT條件下進(jìn)行500 ps的分子動(dòng)力學(xué)模擬,并刪除石墨分子,至此表面平整的煤大分子模型構(gòu)建完成。

圖3 Wender低階煤分子模型Fig.3 Wender coal molecular model

利用Amorphous Cell模塊構(gòu)建一個(gè)包含30個(gè)正十二烷分子的油滴,并放置在煤的大分子模型表面,然后向系統(tǒng)中填充8 000個(gè)水分子。在每個(gè)模擬系統(tǒng)頂部設(shè)置5 nm的真空層,消除周期性邊界條件的影響。將油滴的下邊界與煤表面的距離分別調(diào)整為0.2和2.0 nm,如圖4所示。然后在NVT條件下,選用Compass力場(chǎng),分別進(jìn)行1 000 ps的分子動(dòng)力學(xué)模擬,將最后100 ps模擬數(shù)據(jù)輸出用于分析正十二烷的均方位移(MSD)。

圖4 正十二烷-水-低階煤模擬系統(tǒng)Fig.4 Dodecane-water-low rank coal simulation system

2.4 單元浮選試驗(yàn)

單元浮選試驗(yàn)均在XFD-1.5 L掛槽型浮選機(jī)上進(jìn)行。在每次浮選試驗(yàn)中,將經(jīng)高剪切調(diào)漿后的礦漿直接加入浮選槽,然后加入起泡劑MIBC,用量為100 g/t。最后,打開(kāi)進(jìn)氣閥門(mén)開(kāi)始刮泡,刮泡時(shí)間為3 min,葉輪轉(zhuǎn)速為800 r/min。將收集的泡沫產(chǎn)品分別過(guò)濾、干燥和稱(chēng)重,然后計(jì)算產(chǎn)率和灰分。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤泥表面性質(zhì)分析

脈石礦物嵌布在煤顆粒表面時(shí),使表面能增加,形成更穩(wěn)定的水化膜。煤樣的XRD測(cè)試結(jié)果如圖5所示,可知煤泥中的脈石礦物為蒙脫石、高嶺石、石英和方解石。低階煤表面的含氧官能團(tuán)易與水分子形成氫鍵,生成穩(wěn)定的水化膜。煤樣的XPS測(cè)試結(jié)果如圖6所示,可知煤樣中的主要元素是C和O,無(wú)明顯雜質(zhì)峰。使用分峰擬合軟件XPS peak 4.1擬合樣品的O 1s和C 1s。O 1s和C 1s的擬合結(jié)果如圖7所示。

圖5 煤泥的XRD測(cè)試結(jié)果Fig.5 XRD results of the coal slime

圖6 煤泥的XPS測(cè)試結(jié)果Fig.6 XPS results of the coal slime

圖7 煤泥的XPS C 1s和O 1s圖譜Fig.7 XPS C 1s and O 1s spectrums of coal slime

表3 煤樣表面XPS O 1s和C 1s分析結(jié)果Table 3 Surface XPS O 1s analysis of coal sample

SEM-EDS測(cè)試的取樣點(diǎn)如圖8所示,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出,煤樣表面的元素除了氫元素以外主要為C和O,與XPS測(cè)試結(jié)果一致。這些含氧官能團(tuán)的存在會(huì)在其表面形成穩(wěn)定的水化層,阻礙藥劑在其表面的吸附,導(dǎo)致浮選效率低下。

圖8 煤樣表面EDS分析取樣點(diǎn)示意Fig.8 Schematic diagram of EDS analysis sampling points on clean coal surface

表4 煤樣表面EDS點(diǎn)分析結(jié)果Table 4 EDS analysis results of clean coal sample surface

3.2 吸附量測(cè)試結(jié)果

正十二烷在煤泥表面的吸附量測(cè)試結(jié)果如圖9所示,可知對(duì)于>0.045 mm顆粒,隨葉輪轉(zhuǎn)速提高,捕收劑吸附量逐漸降低;對(duì)于<0.045 mm顆粒,捕收劑的吸附量始終增加,且葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)捕收劑在<0.045 mm顆粒表面吸附量的影響非常顯著。推測(cè)引起吸附量變化的主要原因如下:① 隨葉輪轉(zhuǎn)速提高,十二烷油滴粒徑變小,分散性變好,與煤粒的碰撞概率大幅提高,十二烷在煤樣表面的吸附量逐漸增大[17,29]。然而,當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 r/min時(shí),如果繼續(xù)增大葉輪轉(zhuǎn)速,已吸附的油滴可能會(huì)從顆粒表面解吸,此時(shí)油滴在煤顆粒表面的吸附-解吸趨于動(dòng)態(tài)平衡,吸附量基本上不再增加。② 隨葉輪轉(zhuǎn)速增加,礦漿中的湍流強(qiáng)度增大,十二烷油滴與煤顆粒之間有效碰撞次數(shù)增加。有效碰撞指油滴與煤顆粒發(fā)生碰撞后,油滴能夠排開(kāi)煤顆粒表面的水化層,成功吸附在煤顆粒表面。較高的葉輪轉(zhuǎn)速為油滴與顆粒的碰撞提供了更大動(dòng)量,使油滴克服靜電斥力,越過(guò)能壘。③ 在高轉(zhuǎn)速下,得益于捕收劑分散性的提高和碰撞速率增加,藥劑在細(xì)粒煤表面的吸附量迅速增加,且捕收劑與細(xì)粒煤的相互作用強(qiáng)于粗顆粒。④ 隨轉(zhuǎn)速持續(xù)增加,油滴粒度減小,造成油滴與粗顆粒之間碰撞時(shí)的繞流現(xiàn)象明顯,油滴無(wú)法吸附在粗顆粒表面。在以上幾種因素的共同作用下,產(chǎn)生了捕收劑的最終吸附結(jié)果。

圖9 正十二烷在煤泥表面的吸附量測(cè)試結(jié)果Fig.9 Adsorption capacity of n-dodecane on coal surface

在浮選系統(tǒng)中,根據(jù)E-DLVO理論,顆粒與油滴之間主要存在3種作用力,即范德華相互作用能Vd、靜電相互作用能Ve和疏水相互作用能Vh?？倓?shì)能V、Vd、Ve和Vh可分別根據(jù)式(2)～(5)進(jìn)行計(jì)算[37-38]。正十二烷油滴與煤顆粒之間的總勢(shì)能與距離的關(guān)系如圖10所示。

圖10 正十二烷液滴與煤顆粒之間的總勢(shì)能Fig.10 Total potential energy between n-dodecane droplet and coal particle

V=Vd+Ve+Vh,

(2)

(3)

(4)

(5)

其中,A123為礦漿中十二烷油滴與煤顆粒間的相互作用Hamarker常數(shù),可根據(jù)真空中煤(6.07×10-20J)、十二烷(5.0×10-20J)和水(4.0×10-20J)的Hamarker常數(shù)計(jì)算得出;H為相互之間的距離;R1為油滴的半徑,取2.9 μm;R2為顆粒的半徑,按煤泥的算術(shù)加權(quán)平均數(shù),為39.3 μm;b和l分別為計(jì)算參數(shù)取3×10-17s和3.3×1015s-1;c為光速;ε0和εr分別為真空中和水中的介電常數(shù);ψ1和ψ2為煤顆粒和油滴的zeta電位,分別測(cè)得為-23.2和-49.3 mV;k-1為德拜長(zhǎng)度;K132為礦漿中煤顆粒與液滴間的疏水力常數(shù),可根據(jù)煤表面的接觸角數(shù)值(38°)計(jì)算。

由圖10可知,隨正十二烷液滴與煤顆粒間的距離逐漸減小,總勢(shì)能逐漸增大。當(dāng)距離大于20 nm時(shí),相互作用較弱,由于靜電斥力的作用,在距離20 nm附近形成了一個(gè)能壘。如果油滴能順利越過(guò)能壘,則油滴與顆粒間的總勢(shì)能將迅速增大,使油滴順利吸附在顆粒表面。因此,為給油滴和顆粒提供足夠的碰撞動(dòng)量,需通過(guò)外界提供能量。因此隨葉輪攪拌速度增加,正十二烷液滴在煤顆粒表面的吸附量逐漸增大。

3.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果

煤顆粒與正十二烷間的初始距離對(duì)其最終動(dòng)力學(xué)模擬平衡的影響如圖11和12所示。2組動(dòng)力學(xué)模擬的初始條件僅間距不同,其余所有參數(shù)均相同。由圖11可知,初始距離較近情況下的十二烷分子逐漸排開(kāi)煤顆粒表面的水分子,且十二烷分子已開(kāi)始在煤表面鋪展。對(duì)比圖11可知,圖12中的正十二烷分子在初始狀態(tài)下,與煤分子表面的距離較遠(yuǎn),與煤分子間的相互作用力不足以排開(kāi)表面的水分子,因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)吸附。圖13為2種不同初始狀態(tài)下正十二分子烷沿垂直煤表面方向的相對(duì)濃度分布結(jié)果,由圖13可知,2種不同初始情況下,模擬平衡后正十二烷分子的濃度分布有顯著差別。初始距離較近情況下的十二烷分子逐漸移動(dòng)并靠近煤分子表面,另一情況下的正十二烷分子的濃度分布基本未發(fā)生變化。

圖11 正十二烷與煤表面初始間距為0.2 nmFig.11 Initial distance between n-dodecane and coal surface is 0.2 nm

圖12 正十二烷與煤表面初始間距為2 nmFig.12 Initial distance between n-dodecane and coal surface is 2 nm

圖13 正十二烷分子沿垂直方向的相對(duì)濃度分布結(jié)果Fig.13 Total potential energy between n-dodecane droplet and coal particle

模擬過(guò)程中正十二烷液滴放置于距離煤表面較近的位置,在實(shí)際浮選過(guò)程中,需要外界提供足夠的能量,確保正十二烷油滴能夠順利排開(kāi)水化膜,到達(dá)距離煤表面較近的位置,最終完成吸附過(guò)程。

位移均方(MSD)與時(shí)間的斜率反映捕收劑分子的擴(kuò)散能力,斜率的1/6即為擴(kuò)散系數(shù)。正十二烷捕收劑分子的MSD與模擬時(shí)間的關(guān)系如圖14所示。可知初始距離為0.2 nm時(shí)的捕收劑的總擴(kuò)散能力(Total)顯著小于初始距離為2 nm時(shí)的捕收劑擴(kuò)散能力。這是由于捕收劑初始距離較近時(shí),受煤分子的作用力強(qiáng),能夠排開(kāi)煤表面的水分子,進(jìn)而在煤表面吸附并鋪展。其擴(kuò)散能力受到煤分子吸引力的限制,因此擴(kuò)散能力較弱。而對(duì)于初始距離為2 nm的捕收劑分子來(lái)說(shuō),捕收劑與煤表面的作用力較弱,捕收劑無(wú)法排開(kāi)煤表面的水分子,因而也無(wú)法吸附在煤表面,所以此種情況下捕收劑的擴(kuò)散能力較強(qiáng)。由圖14可知,在xx、yy和zz三個(gè)方向上,初始距離為0.2 nm情況下的捕收劑分子擴(kuò)散能力均明顯低于初始距離為2 nm情況下的捕收劑分子。這也從側(cè)面證明了捕收劑油滴與煤表面初始距離足夠近時(shí),捕收劑可排開(kāi)水分子并完成吸附,而距離較遠(yuǎn)時(shí),則無(wú)法進(jìn)行。

圖14 正十二烷捕收劑分子的MSD與模擬時(shí)間的關(guān)系Fig.14 Relationship between MSD of n-dodecane collector molecule and simulation time

油滴與煤顆粒表面之間的相互作用能,可以從能量角度反映二者能否成功吸附。水環(huán)境中油滴與煤顆粒表面間的相互作用能可根據(jù)式(6)計(jì)算得出[39]。不同初始條件下的相互作用能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,油滴與顆粒表面初始距離為0.2 nm時(shí),分子動(dòng)力學(xué)模擬平衡時(shí),二者的相互作用能為-820.31 kJ/mol,表明此種情況下,油滴能自發(fā)吸附在顆粒表面。而二者初始距離為2 nm時(shí),模擬平衡時(shí)的相互作用能僅為-9.62 kJ/mol,油滴與顆粒間的相互作用能較弱。

表5 油滴與煤顆粒表面的相互作用能計(jì)算結(jié)果Table 5 Interaction energies between oil and coal surface

ΔE=Eco-(Esu+wa+Ere+wa)+Ewa,

(6)

式中,ΔE為相互作用能;Eco為體系總能量;Esu+wa、Ere+wa和Ewa分別為煤表面-水分子、油滴-水分子和水分子的總能量。

3.4 浮選試驗(yàn)結(jié)果

在捕收劑正十二烷用量為1.5 kg/t,起泡劑用量為100 g/t,調(diào)漿時(shí)間為2 min的情況下,剪切調(diào)漿葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)低階煤泥的浮選產(chǎn)率和灰分的影響如圖15所示。由圖15可知,隨葉輪轉(zhuǎn)速的增加,總精煤的產(chǎn)率和可燃體回收率逐漸增加,灰分變化不明顯。這是由于在高剪切調(diào)漿下,粗顆粒和細(xì)顆粒的浮選行為共同導(dǎo)致的。由圖15可知,隨葉輪轉(zhuǎn)速升高,>0.045 mm粗顆粒的產(chǎn)率先增后減,而灰分逐漸降低;<0.045 mm細(xì)顆粒的產(chǎn)率和灰分逐漸升高。趙磊[26]研究中同樣發(fā)現(xiàn)隨攪拌速度增加,精煤產(chǎn)率增加而灰分變化不大甚至降低。

圖15 葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)浮選精煤產(chǎn)率和灰分的影響Fig.15 Effect of impeller speed on yield and ash content of clean coals

藥劑的該種吸附行為和浮選結(jié)果是多因素共同導(dǎo)致,是多種效應(yīng)疊加后導(dǎo)致的結(jié)果,具體有以下幾個(gè)原因造成:在較低葉輪轉(zhuǎn)速下,捕收劑油滴與煤顆粒間的碰撞速率較低,油滴始終無(wú)法靠近煤表面和排開(kāi)其表面的水化膜,因而無(wú)法完成吸附過(guò)程(圖12),低轉(zhuǎn)速下的浮選精煤產(chǎn)率不高;隨著葉輪轉(zhuǎn)速增加,捕收劑油滴受到的剪切作用加強(qiáng),分散性變好,油滴與煤顆粒的碰撞概率顯著增加,體現(xiàn)在浮選精煤產(chǎn)率逐漸增加;油滴粒度的持續(xù)減小,造成油滴與粗顆粒間碰撞時(shí)的繞流現(xiàn)象明顯,油滴無(wú)法吸附在粗顆粒表面,且油滴與煤泥顆粒碰撞后主要發(fā)生物理吸附,相互作用力較弱,捕收劑可能會(huì)從粗顆粒表面脫落,在二者的共同作用下,致使粗顆粒的浮選產(chǎn)率逐漸下降;高轉(zhuǎn)速下,捕收劑油滴與細(xì)粒煤間的碰撞速率顯著增大,使油滴具有足夠的能量來(lái)靠近煤表面并排開(kāi)其表面的水化膜,從而吸附在煤表面(圖11),因此,在高轉(zhuǎn)速情況下,細(xì)粒煤產(chǎn)率隨葉輪轉(zhuǎn)速增加而迅速增加。

4 結(jié) 論

1)高剪切調(diào)漿可顯著提高正十二烷在粒度<0.045 mm低階煤表面的吸附量,葉輪轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 r/min時(shí),吸附量增幅逐漸降低,最終吸附量趨于穩(wěn)定。

2)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明,正十二烷油滴與低階煤表面的初始吸附距離對(duì)吸附結(jié)果有重要的影響,初始吸附距離為0.2 nm時(shí),油滴可以在煤表面吸附并鋪展,而初始距離為2 nm時(shí),油滴無(wú)法吸附在煤顆粒表面。

3)浮選試驗(yàn)結(jié)果表明,高剪切調(diào)漿可顯著強(qiáng)化低階煤的浮選效果,調(diào)漿葉輪轉(zhuǎn)速由800 r/min增至2 000 r/min,浮選精煤產(chǎn)率增加近13%,而灰分基本保持不變。