王 暉，李志紅，樊民強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

浮選是目前細(xì)粒煤提質(zhì)加工最有效的技術(shù)手段[1].我國(guó)低階煤儲(chǔ)量豐富，但表面含氧官能團(tuán)多、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、疏水性差，浮選困難，使用煤油、柴油等常規(guī)捕收劑浮選低階煤時(shí)，存在分選效率低、藥劑消耗量大、生產(chǎn)成本高等問題[2-5].探尋高效捕收劑對(duì)低階煤的浮選及分質(zhì)利用具有重要意義。

為改善低階煤的浮選效果，許多研究者致力于不同藥劑間的復(fù)配效果研究。沈笑君等[6-7]以雜醇油與0#柴油按一定比例配制了BM煤泥浮選捕收劑，其分選效果優(yōu)于0#柴油。他們認(rèn)為復(fù)合藥劑可與煤表面含氧基團(tuán)形成化學(xué)吸附，同時(shí)也可與煤粒表面形成氫鍵，有利于浮選效果的提高。徐亞男[8]通過調(diào)整藥劑配比，研制出3種復(fù)合型浮選藥劑CH-1、CH-2、CH-3，其中CH-3能夠提高浮選速度和尾礦灰分，與選煤廠原藥劑相比，精礦灰分提高1.19%，標(biāo)準(zhǔn)精煤產(chǎn)率提高3.27%，尾礦灰分提高6.70%.任聰?shù)萚9]使用煤油與酯類或非離子表面活性劑按一定比例配制4種復(fù)配藥劑，并對(duì)葫蘆素不黏煤進(jìn)行了浮選試驗(yàn)。研究結(jié)果顯示，復(fù)配藥劑的分散粒徑均小于煤油，在礦漿中更易分散；潤(rùn)濕熱均大于煤油，在煤表面吸附作用更強(qiáng)，使煤表面疏水性進(jìn)一步增大。相同藥劑用量下，4種復(fù)配藥劑作用下的浮選精煤產(chǎn)率均高于煤油；精煤產(chǎn)率相近時(shí)，復(fù)配藥劑的用量至少比煤油節(jié)省50%.Renhe Jia等[10]研究發(fā)現(xiàn)THF同系物是低階/氧化煤浮選的有效捕收劑。THF同系物對(duì)低階煤的浮選指標(biāo)均好于柴油，且藥耗低。王永田等[11]研發(fā)了新型復(fù)配藥劑FO系列，相同藥劑用量下可獲得高于柴油20%左右的精煤可燃體回收率，加快了浮選速度且藥劑成本低，有利于低階煤浮選。鄭云婷[12]研究了不同捕收劑對(duì)低階煤的浮選作用，發(fā)現(xiàn)捕收劑的不飽和脂肪酸和不飽和鍵C=C的活性較高時(shí)，可與低階煤表面的含氧基團(tuán)形成弱氫鍵吸附，提高低階煤的疏水性和可浮性。

基于不同藥劑協(xié)同作用的藥劑復(fù)配是改善低階煤浮選效果的重要手段。藥劑配伍與煤泥性質(zhì)密切相關(guān)，以朔州某選煤廠-0.5 mm煤泥為對(duì)象，基于煤泥性質(zhì)研究，將正十二酸與柴油捕收劑按不同質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配，通過實(shí)驗(yàn)室浮選試驗(yàn)，探究正十二酸對(duì)低階煤浮選的促進(jìn)作用，以期為高效藥劑研發(fā)及低階煤提質(zhì)利用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣及其性質(zhì)

1.1.1煤樣基本性質(zhì)

該試驗(yàn)所用煤樣采自朔州某選煤廠-0.5 mm原生煤泥。煤樣的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果見表1.

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析表

試驗(yàn)煤樣屬于弱黏煤，變質(zhì)程度較低。由表1數(shù)據(jù)可知，試樣平均灰分為24.39%，屬中等灰分；元素組成中氧含量較高，達(dá)到9.54%.煤樣表面存在較多含氧基團(tuán)，使其具有較強(qiáng)的親水性。

依據(jù)GB/T 477-2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》對(duì)煤樣進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見表2.

表2 煤樣的粒度組成表

由表2可以看出，試驗(yàn)煤樣中適合浮選的0.25～0.074 mm粒級(jí)累計(jì)產(chǎn)率為50.13%；粒度相對(duì)較粗的0.5～0.25 mm粒級(jí)含量為22.19%，灰分19.28%，浮選中應(yīng)選擇捕收能力較強(qiáng)的藥劑加強(qiáng)對(duì)粗顆粒的回收。另一方面，試樣中的-0.045 mm微細(xì)粒含量也比較高，為20.88%，由于其粒度細(xì)、表面能高，浮選中容易黏附于煤顆粒表面或孔隙中，難以與煤的有機(jī)組分分離，影響分選效果。

1.1.2煤樣的XRD分析

X射線衍射儀(XRD)采用單色X射線為衍射源，一般可以穿透物體，驗(yàn)證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，獲得礦物的成分。煤炭分選中常用其分析煤中的礦物質(zhì)組成，試驗(yàn)煤樣的XRD譜圖見圖1.

圖1 試驗(yàn)煤樣的XRD譜圖

由圖1可知，試驗(yàn)煤樣中的礦物質(zhì)類型主要是方解石和高嶺石，這些礦物具有較強(qiáng)親水性，特別是高嶺石，屬黏土類礦物，遇水極易泥化，形成粒度細(xì)小的微粒，極易在煤粒表面吸附而降低煤泥可浮性，使其浮選困難。

1.1.3煤樣的XPS分析

為了解試驗(yàn)煤樣表面氧的賦存狀態(tài)，采用X射線光電子能譜(XPS)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，其中C1s譜的分峰擬合結(jié)果見圖2.由圖2可以看出，試驗(yàn)煤樣表面的氧主要以C-O形式存在，此外有C=O-和COO-，后兩者極性強(qiáng)、水化作用大，浮選過程中會(huì)影響烴類油藥劑與煤表面的作用。

圖2 試驗(yàn)煤樣的C1s分峰擬合曲線圖

1.2 浮選試驗(yàn)

浮選試驗(yàn)所用儀器為 XFDⅢ-15L單槽浮選機(jī)、多功能真空過濾機(jī)、馬弗爐、干燥箱、分析天平、標(biāo)準(zhǔn)篩等。因正十二酸常溫下為固態(tài)，故捕收劑采用柴油及柴油與正十二酸的復(fù)配藥劑，起泡劑采用仲辛醇。

試樣加水配置濃度為100 g/L的礦漿，調(diào)漿攪拌2 min后加入捕收劑，再攪拌2 min后加入起泡劑，10 s后打開進(jìn)氣閥門開始刮泡，刮泡時(shí)間為3 min.試驗(yàn)結(jié)束后，以精煤可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)評(píng)定浮選效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)藥劑浮選試驗(yàn)結(jié)果

以柴油為捕收劑、仲辛醇為起泡劑，不同藥劑用量下的煤泥浮選試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 常規(guī)浮選試驗(yàn)結(jié)果表

由表3可以看出，捕收劑用量一定時(shí)，浮選效果隨起泡劑用量的增加而顯著提高。仲辛醇用量由30 g/t提高至100 g/t，浮選精煤產(chǎn)率增加較大，可燃體回收率和浮選完善指標(biāo)均有明顯改善。同樣，起泡劑用量一定時(shí)，精煤產(chǎn)率隨捕收劑用量的增加而增加。捕收劑和起泡劑用量分別為1 500 g/t和100 g/t時(shí)，浮選精煤產(chǎn)率為27.39%，精煤灰分11.22%，尾煤灰分僅27.42%.

綜合來看，試驗(yàn)煤樣的可浮性較差，常規(guī)藥劑用量下的浮選精煤產(chǎn)率和可燃體回收率低，浮選效果不理想。

2.2 復(fù)配藥劑浮選試驗(yàn)結(jié)果

為改進(jìn)試驗(yàn)煤泥的浮選效果，采用正十二酸與柴油以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制復(fù)配藥劑。以復(fù)配藥劑為捕收劑(1 000 g/t)，仲辛醇為起泡劑(100 g/t)進(jìn)行浮選試驗(yàn)，結(jié)果見圖3.

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下浮選的各項(xiàng)指標(biāo)圖

由圖3可知，以正十二酸不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制的復(fù)配捕收劑，對(duì)試驗(yàn)煤樣浮選的各項(xiàng)指標(biāo)均高于柴油單獨(dú)作用的結(jié)果。而且，隨著正十二酸所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，浮選效果呈先提高后降低趨勢(shì)。正十二酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，試驗(yàn)煤樣的浮選效果最好，精煤產(chǎn)率達(dá)到61.66%，與單獨(dú)使用柴油相比提高30多個(gè)百分點(diǎn)，尾煤灰分達(dá)到37.99%，同時(shí)，精煤可燃體回收率達(dá)到最高，浮選完善指標(biāo)也較柴油單獨(dú)使用時(shí)有明顯上升。之后，繼續(xù)增大正十二酸所占比例，浮選精煤產(chǎn)率、可燃體回收率以及浮選完善指標(biāo)均下降?？梢?，隨正十二酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，浮選效果呈現(xiàn)兩端低，中間高的特點(diǎn)，復(fù)配藥劑中正十二酸的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%.

2.3 復(fù)配藥劑作用機(jī)理分析

2.3.1正十二酸對(duì)煤泥表面疏水性的影響

捕收劑柴油及其與正十二酸復(fù)配藥劑，對(duì)試驗(yàn)煤樣表面接觸角的作用見圖4.

圖4 正十二酸對(duì)煤泥表面接觸角的影響圖

由圖4可知，正十二酸與柴油復(fù)配，有利于提高低階煤泥顆粒的表面疏水性，其接觸角均較柴油單獨(dú)作用時(shí)有明顯提高。正十二酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，試驗(yàn)煤樣的接觸角達(dá)到最大，為72.6°，對(duì)應(yīng)浮選效果最好。之后，繼續(xù)增大正十二酸含量，并不能持續(xù)改進(jìn)浮選效果。

2.3.2正十二酸對(duì)藥劑分散性的影響

采用激光粒度分析儀對(duì)柴油及其與正十二酸復(fù)配藥劑的粒徑分布進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見圖5，6.

圖5 粒度累計(jì)曲線圖

由圖5可得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下粒度的d50值，柴油(d50=72.39 μm)，16.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)(d50=52.77 μm),25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)(d50=40.11 μm)，35%質(zhì)量分?jǐn)?shù)(d50=48.20 μm)，45%質(zhì)量分?jǐn)?shù)(d50=44.16 μm).

由圖6可以看出，添加正十二酸后，捕收劑的分散性能明顯改善。隨正十二酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，藥劑粒徑分布曲線向左移動(dòng)，說明藥劑粒度減小，分散性提高。其中，當(dāng)正十二酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，粒徑小且粒度分布集中，浮選效果最好。當(dāng)正十二酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.6%、35%、45%時(shí)，其粒徑也遠(yuǎn)小于柴油，浮選效果也均好于柴油。這表明捕收劑在礦漿中的分散粒徑與其捕收能力密切相關(guān)，捕收劑的分散性越好，在礦漿中分散的微小粒子越多，就會(huì)增加藥劑與顆粒的碰撞概率，提升浮選效果。

圖6 正十二酸對(duì)復(fù)配藥劑分散性能的影響圖

3 結(jié) 論

1)低階煤表面含有較多含氧基團(tuán)，親水性強(qiáng)，常規(guī)浮選效果差。添加正十二酸對(duì)低階煤泥浮選有促進(jìn)作用，相同藥劑用量下，復(fù)配藥劑作用的浮選指標(biāo)顯著優(yōu)于柴油單獨(dú)作用的效果。

2)正十二酸與柴油復(fù)配，可促進(jìn)柴油在礦漿中分散成小油滴。相同藥劑用量下，油滴數(shù)量多，與顆粒附著機(jī)會(huì)多。同時(shí)，正十二酸可與煤表面含氧基團(tuán)作用形成氫鍵作用，改善煤泥可浮性，提高浮選效果。

3)隨復(fù)配藥劑中正十二酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試樣浮選效果呈現(xiàn)兩端低、中間高的特點(diǎn)。正十二酸占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，浮選效果最佳，精煤產(chǎn)率由柴油單獨(dú)作用時(shí)的22.8%提高到61.66%，增幅達(dá)到38.86個(gè)百分點(diǎn)，作用效果顯著。