梁 龍，李 強(qiáng)，胡鵬飛，謝廣元

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤炭開(kāi)采機(jī)械化程度的提高以及煤層中矸石含量的升高，原煤中細(xì)粒級(jí)的煤炭和脈石礦物增加，原煤質(zhì)量變差，給煤泥的浮選帶來(lái)很大的困難，提高低品質(zhì)煤炭的分選精度迫在眉睫。在浮選過(guò)程中，細(xì)粒脈石顆粒黏附在煤炭表面的現(xiàn)象稱為細(xì)泥罩蓋。細(xì)泥罩蓋會(huì)降低煤炭的疏水性，阻礙煤炭與氣泡的黏附，導(dǎo)致精煤回收率降低，同時(shí)脈石會(huì)隨著煤炭進(jìn)入泡沫產(chǎn)品中污染浮選精煤[1-2]。石英、高嶺石、伊利石作為3種煤泥中常見(jiàn)的脈石礦物，在實(shí)際浮選過(guò)程中，會(huì)通過(guò)細(xì)泥罩蓋和水流夾帶等方式污染浮選精煤[3-4]，對(duì)精煤的回收率和灰分均造成不利的影響[5-6]。于躍先等[7]的研究表明，高灰細(xì)泥的水流夾帶和細(xì)泥罩蓋是造成精煤污染的主要原因，細(xì)泥罩蓋同時(shí)會(huì)導(dǎo)致煤炭的可浮性下降，造成低灰精煤損失在尾煤中，使浮選精煤的可燃體回收率降低。

目前抑制細(xì)泥罩蓋的方法主要是通過(guò)界面調(diào)控，調(diào)節(jié)溶液環(huán)境，如調(diào)節(jié)pH、鹽離子濃度以及加入分散劑等[8-11];引入納米氣泡[11]、選前超聲處理[12-13]也可以起到抑制細(xì)泥罩蓋的作用。也有學(xué)者提出，當(dāng)細(xì)泥罩蓋非常嚴(yán)重時(shí)，可以在煤炭浮選前通過(guò)分級(jí)脫除細(xì)粒煤泥，有利于提高浮選精煤回收率[14-15]。此外，在調(diào)漿過(guò)程中使用高速攪拌，增大黏土礦物與目的礦物之間的剪切作用，也可以降低礦物表面的細(xì)泥罩蓋，提高浮選回收率。研究表明，在高嶺石存在下，輕度攪拌會(huì)增強(qiáng)高嶺石在煤表面的罩蓋，而高強(qiáng)度攪拌會(huì)抑制高嶺石的罩蓋，提高精煤可燃體回收率[16]。YU等[17]的研究結(jié)果顯示，高強(qiáng)度調(diào)漿是提高浮選性能的有效途徑，無(wú)論有無(wú)捕收劑，高強(qiáng)度調(diào)漿都能減少煤表面的細(xì)泥罩蓋，顯著改善煤表面的疏水性，從而增強(qiáng)煤與捕收劑之間的黏附性，提高可燃體回收率。因此在浮選前進(jìn)行高強(qiáng)度調(diào)漿是緩解細(xì)泥罩蓋的有效手段。

在細(xì)泥罩蓋的研究中，通常將煤與脈石按照一定的比例混合，將人工混合礦物用水潤(rùn)濕后進(jìn)行調(diào)漿，然后立即進(jìn)行浮選試驗(yàn)。這種方法與實(shí)際的煤泥分選過(guò)程存在一定的差異。在實(shí)際的煤炭分選過(guò)程中，煤泥在煤炭的開(kāi)采和分選過(guò)程中不斷產(chǎn)生，煤與脈石的碰撞接觸時(shí)間非常長(zhǎng)，會(huì)使大量脈石穩(wěn)定地罩蓋在煤顆粒表面。短時(shí)間的混合潤(rùn)濕過(guò)程難以模擬整個(gè)細(xì)泥罩蓋過(guò)程，因此通過(guò)一段時(shí)間的預(yù)先潤(rùn)濕處理，使細(xì)泥罩蓋發(fā)生，再進(jìn)行調(diào)漿、浮選更貼近工業(yè)實(shí)際。筆者將煤炭與3種脈石礦物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪拌混合后再通過(guò)單氣泡負(fù)載實(shí)驗(yàn)探究脈石礦物種類和流體剪切速率對(duì)細(xì)泥罩蓋和煤炭可浮性的影響規(guī)律，并分析了浮選過(guò)程中的煤炭回收率和脈石回收率。探討了高速剪切作用抑制煤炭浮選中細(xì)泥污染的可行性，為降低煤泥浮選過(guò)程的細(xì)泥污染、提高浮選精煤回收率提供理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

單氣泡負(fù)載實(shí)驗(yàn)使用的煤取自山東棗莊濱湖煤礦的重選精煤，經(jīng)過(guò)篩分后粒度為0.250～0.125 mm。此煤種屬于肥煤，表面含氧官能團(tuán)較少，且灰分低，天然疏水性好，排除了礦物雜質(zhì)、含氧官能團(tuán)等因素的影響，有利于進(jìn)行煤炭可浮性的理論研究。浮選實(shí)驗(yàn)所選用的煤炭為河南神火某煤礦的浮選精煤，經(jīng)過(guò)篩分取0.500～0.045 mm煤樣進(jìn)行試驗(yàn)。此煤種屬于貧瘦煤，灰分以及變質(zhì)程度相對(duì)較高，疏水性中等，更符合實(shí)際煤泥浮選的情況。2種煤樣的工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Proximate analysis of the coal samples %

實(shí)驗(yàn)中所使用的水均為電導(dǎo)率為18.2×104Ω·m的去離子水。試驗(yàn)所選用的石英購(gòu)買自華潤(rùn)有限公司，所用的高嶺石和伊利石購(gòu)買自星海高科有限公司。對(duì)3種礦物取樣進(jìn)行XRD分析，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1～3所示。對(duì)3種礦物取樣使用GSL-1000激光粒度分析儀(遼寧儀表研究所)進(jìn)行粒度分布測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。3種礦物的XRF分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 石英的X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of quartz

表2 3種脈石礦物的X射線熒光光譜分析Table 2 X-ray fluorescence spectroscopic analysis of three gangue minerals

由圖1和表2可知，石英的純度達(dá)到98%以上，幾乎不含雜質(zhì)。從圖2可以看出，高嶺石的純度很高，其中只存在少量的云母。根據(jù)圖3可知，伊利石的純度很高，僅存在少量的石英。3種脈石礦物的純度符合實(shí)驗(yàn)要求。由圖4可知，石英樣品的D50(累計(jì)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒直徑)為12.0 μm，高嶺石樣品的D50為9.4 μm，伊利石樣品的D50為10.2 μm。3種脈石礦物的粒度均在10 μm左右，粒度差異小，基本可以排除粒度變化對(duì)細(xì)泥罩蓋的影響。

圖2 高嶺石的X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction pattern of kaolinite

圖3 伊利石的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction pattern of illite of illite

圖4 3種脈石礦物粒度分布曲線Fig.4 Particle size distribution curves of three gangue minerals

1.2 單氣泡負(fù)載試驗(yàn)

單氣泡負(fù)載試驗(yàn)過(guò)程及裝置如圖5所示。

圖5 氣泡負(fù)載量測(cè)試過(guò)程及系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic of the bubble loading test process

配制質(zhì)量濃度為10 g/L的煤和2.0 g/L的脈石礦物添加到500 mL濃度為0.1 mmol/L的NaCl溶液中。使用NaCl溶液是為了便于結(jié)合DLVO理論計(jì)算顆粒間的界作用力。通過(guò)機(jī)械攪拌使煤與脈石礦物混合，機(jī)械攪拌的強(qiáng)度可以由攪拌器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，在攪拌器上安裝了扭矩傳感器，可以在不同轉(zhuǎn)速下實(shí)時(shí)顯示扭矩?cái)?shù)據(jù)，用于計(jì)算流體剪切速率，如式(1)，(2)所示:

(1)

(2)

式中，ε為單位體積能量輸入，W/m3;M為扭矩，N·m;v為攪拌速度，r/min;V為懸浮液體積，m3;G為剪切速率，s-1;μ為礦漿動(dòng)力黏度，Pa·s。

M通過(guò)扭矩傳感器直接讀數(shù)獲得，v通過(guò)人工調(diào)節(jié)為某一數(shù)值，V為固定值500 mL，μ通過(guò)旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)得，試驗(yàn)懸浮液的動(dòng)力黏度為1.01 mPa·s。攪拌10 min后，取70 mL懸浮液倒入透明的方形有機(jī)玻璃槽內(nèi)靜置1 min，使煤炭顆粒沉降到有機(jī)玻璃槽底部。然后使用大容量注射器將煤顆粒床層上方的懸浮液緩慢抽出，并重新注入70 mL相同濃度的NaCl溶液。這一步驟的目的在于減弱分散在懸浮液中的微小脈石顆粒對(duì)后續(xù)測(cè)試中氣泡照片拍攝及圖像分析的影響。將有機(jī)玻璃槽放置于磁力攪拌器上，通過(guò)一個(gè)固定在槽體上方的微量注射器在液面下方2 cm處產(chǎn)生一個(gè)半徑為1.9 mm的氣泡。調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的高度，使氣泡處于相機(jī)視野的中央。打開(kāi)磁力攪拌器，將磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速固定在200 r/min，使有機(jī)玻璃槽中的顆粒均勻分散，并與氣泡碰撞。攪拌40 s后關(guān)閉磁力攪拌器，大部分煤炭顆粒會(huì)再次沉降到有機(jī)玻璃槽底部，而一部分煤炭顆粒會(huì)黏附到氣泡表面。將穩(wěn)定黏附煤顆粒的氣泡照片用ImageJ軟件進(jìn)行分析，計(jì)算氣泡上負(fù)載顆粒的截面積以表征氣泡的負(fù)載量。其中研究脈石種類對(duì)煤炭可浮性影響時(shí)在固定轉(zhuǎn)速300 r/min下進(jìn)行(流體剪切速率為32 s-1)。研究剪切速率對(duì)煤炭可浮性的影響時(shí)分別在300，500，700，1 000 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行(流體剪切速率分別為32，58，85，116 s-1)。

1.3 冷凍掃描電鏡試驗(yàn)

使用COXEM冷凍掃描電鏡分別觀察低流體剪切速率和高流體剪切速率下3種脈石礦物對(duì)煤的罩蓋情況。首先將10 g/L的煤和2.0 g/L的脈石礦物顆粒添加到500 mL濃度為0.1 mmol/L的NaCl溶液中，控制攪拌器轉(zhuǎn)速為300 r/min(剪切速率為32 s-1)和1 000 r/min(剪切速率為116 s-1)，攪拌10 min后，在攪拌狀態(tài)下用滴管在溶液下方約2 cm處吸取約1 mL懸浮液，滴入冷凍臺(tái)對(duì)溶液進(jìn)行冷凍后，將樣品推入樣品倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行掃描電鏡觀察。

1.4 zeta電位測(cè)試

使用Brookhaven的zeta電位儀對(duì)煤炭和脈石的zeta電位進(jìn)行測(cè)量。首先將樣品在瑪瑙研磨機(jī)中研磨2 h，稱取0.1 g樣品放于1.0 L濃度為0.1 mmol/L的NaCl溶液中。使用磁力攪拌器攪拌使樣品分散均勻后，用滴管從中吸取2 mL懸浮液轉(zhuǎn)移到比色皿中，插入電極，在“PALS zeta Potential Measurement”模式下進(jìn)行測(cè)試。

1.5 浮選試驗(yàn)

分別稱取30 g煤和脈石混合均勻后作為浮選試驗(yàn)樣品，浮選礦漿濃度為60 g/L。將混合好的樣品放入攪拌槽內(nèi)，加入1 L去離子水，使用如圖5所示的葉輪攪拌裝置進(jìn)行調(diào)漿。控制葉輪攪拌裝置的轉(zhuǎn)速為300 r/min，以保證顆粒在礦漿中分散均勻。在此轉(zhuǎn)速下攪拌40 min，使煤與脈石發(fā)生充分的碰撞接觸。然后將攪拌器轉(zhuǎn)速分別調(diào)節(jié)至500，700，900，1 100 r/min(剪切速率分別為35，56，80，101 s-1)下進(jìn)行調(diào)漿，并加入藥劑。捕收劑使用煤油，用量為100 g/t;起泡劑使用仲辛醇，用量為50 g/t。調(diào)漿10 min后，將礦漿倒入浮選槽內(nèi)進(jìn)行浮選，浮選實(shí)驗(yàn)采用掛槽式浮選機(jī)，浮選機(jī)充氣量為0.10 m3/(m2·min)，浮選槽容積為1 L，葉輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。為方便計(jì)算水回收率，浮選過(guò)程中不添加補(bǔ)水。每隔10 s刮泡一次，浮選時(shí)間為2 min。收取精煤泡沫至專門容器內(nèi)，同時(shí)將尾煤倒入尾煤容器中。分別將浮選精煤和尾煤用44 μm(325目)泰勒篩篩分后，將得到的篩下脈石產(chǎn)品分別過(guò)濾烘干后稱重，質(zhì)量記為J1和W1。收集篩上物放入燒杯中加入300 mL去離子水，加入分散劑六偏磷酸鈉高速攪拌5 min后，再次用325目泰勒篩進(jìn)行篩分，得到篩下脈石產(chǎn)品分別過(guò)濾烘干后稱重，質(zhì)量記為J2和W2。J1，J2之和即為脈石的回收量，將所有篩下產(chǎn)品質(zhì)量相加(J1，J2，W1，W2)即為總的脈石質(zhì)量，脈石回收量與脈石總質(zhì)量的比值即為脈石回收率。最后將篩上精煤和尾煤分別過(guò)濾，得到精煤和尾煤產(chǎn)品。將所得產(chǎn)品放入80 ℃恒溫干燥箱中烘干至質(zhì)量恒定，冷卻至空氣干燥狀態(tài)后分別稱量，計(jì)算精煤回收率，并測(cè)定精煤灰分。

1.6 礦漿黏度測(cè)量

礦漿黏度使用美國(guó)TA公司的DHR-2旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試過(guò)程中使用的平板轉(zhuǎn)子直徑為40 mm。打開(kāi)空氣凈化裝置與溫度控制器，溫度定為25 ℃。測(cè)試前對(duì)設(shè)備進(jìn)行主機(jī)慣量校準(zhǔn)、內(nèi)阻校準(zhǔn)和溫度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后將配置好的礦漿放入測(cè)試裝置內(nèi)，設(shè)置開(kāi)始測(cè)試時(shí)兩平板之間的距離d=50 μm。在流動(dòng)掃描模式下測(cè)量剪切應(yīng)力在不同剪切速率下的變化情況，從而計(jì)算出礦漿的黏度。其中剪切速率的變化設(shè)置在1～1 000 s-1。當(dāng)?shù)V漿中有粗煤顆粒存在時(shí)，由于煤顆粒沉降速度較快，黏度測(cè)量過(guò)程中煤炭顆粒與轉(zhuǎn)子之間發(fā)生碰撞、摩擦引起較大的測(cè)量誤差。由于大顆粒樣品的比表面積較小，顆粒與水溶液之間的相互作用力較低，對(duì)黏度影響較小。因此，在使用式(2)計(jì)算礦漿的剪切速率時(shí)，煤炭與脈石混合礦漿的動(dòng)力黏度使用脈石礦漿的黏度代替。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 脈石種類對(duì)煤炭可浮性的影響

通過(guò)ImageJ軟件對(duì)獲得的單氣泡負(fù)載圖片進(jìn)行處理。首先根據(jù)氣泡半徑確定氣泡占據(jù)的完整范圍，氣泡下方即為黏附煤炭顆粒的截面部分。根據(jù)拍攝照片的放大倍數(shù)確定圖片中氣泡和黏附顆粒的尺寸，借助ImageJ軟件可以計(jì)算出黏附煤炭顆粒的截面積，從而反映煤炭的可浮性。不同脈石礦物種類對(duì)煤炭的氣泡負(fù)載量的影響規(guī)律如圖6所示(圖6中混合攪拌時(shí)間是指單氣泡負(fù)載試驗(yàn)前煤與脈石混合攪拌的時(shí)間)。從圖6可以看出，添加脈石礦物后的煤顆粒氣泡負(fù)載量相比于無(wú)脈石時(shí)明顯降低，說(shuō)明3種脈石礦物都會(huì)在煤表面發(fā)生細(xì)泥罩蓋，且對(duì)煤的可浮性造成不利影響。由于煤炭表面被脈石礦物罩蓋，其表面疏水性降低，從而抑制了煤炭與氣泡黏附，惡化煤炭的浮選過(guò)程。氣泡負(fù)載量隨著氣泡負(fù)載試驗(yàn)前煤與脈石混合攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)不斷下降，且下降的速度隨攪拌時(shí)間呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，在40 min后負(fù)載量變化不大，并趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明脈石在煤顆粒表面的細(xì)泥罩蓋速率一開(kāi)始較快(前10 min)，之后逐漸降低，一定時(shí)間后罩蓋量達(dá)到最大值，不再發(fā)生明顯變化。從圖6中可以看出，對(duì)于添加脈石礦物的試驗(yàn)，添加石英時(shí)的氣泡負(fù)載量最大，高嶺石次之，伊利石最小。說(shuō)明石英對(duì)煤炭的可浮性影響最小，高嶺石次之，伊利石的影響最大。需要注意的是，在不添加任何脈石礦物的條件下，煤顆粒的負(fù)載量也會(huì)隨著混合攪拌時(shí)間的增加而降低。這可能是因?yàn)槊罕砻娴臉O性官能團(tuán)(羥基、羧基等)會(huì)與水分子發(fā)生氫鍵鍵合作用，形成水化膜。煤顆粒在水中的時(shí)間越長(zhǎng)，煤表面形成的水化膜越穩(wěn)定，氣泡與顆粒發(fā)生碰撞時(shí)水化膜的破裂越困難，從而導(dǎo)致煤的可浮性降低[18]。

圖6 添加不同脈石礦物后煤顆粒負(fù)載量隨攪拌時(shí)間的變化Fig.6 Variation of bubble loading of coal particles versus mixing time after adding different gangue minerals

煤炭與脈石混合攪拌50 min后的氣泡負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以得出，在不添加脈石礦物的空白試驗(yàn)中，氣泡上黏附的煤炭顆粒最多，氣泡負(fù)載顆粒截面積達(dá)到1.274 mm2。添加石英后，氣泡上負(fù)載的煤顆粒截面積為0.906 mm2，相比較于空白試驗(yàn)減少了28.88%。添加高嶺石后，負(fù)載的煤顆粒截面積為0.623 mm2，相比較于空白試驗(yàn)減少了51.10%。伊利石的添加對(duì)負(fù)載煤顆粒量的影響最為顯著，負(fù)載顆粒的截面積下降到0.505 mm2，相比較于空白試驗(yàn)減少了60.36%。這說(shuō)明了3種脈石礦物對(duì)煤炭顆?？筛⌒缘挠绊懸?guī)律，即石英對(duì)煤炭顆粒的可浮性影響最小，高嶺石次之，伊利石的影響最大。

圖7 混合攪拌50 min時(shí)不同脈石礦物對(duì)煤顆粒負(fù)載量 的影響Fig.7 Influence of different gangue minerals on the bubble loading of coal particles after mixing of 50 min

從圖8的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果可以看出，煤炭表面存在很多細(xì)粒脈石顆粒，3種脈石礦物都在煤顆粒表面發(fā)生了細(xì)泥罩蓋。由圖8(a)可知，石英顆粒在煤表面所占面積不大，并以散點(diǎn)狀分布，大部分潔凈的煤表面暴露在空氣中。從圖8(b),(c)中能清晰觀察到高嶺石和伊利石的層狀結(jié)構(gòu)，這兩種黏土礦物覆蓋了煤表面的大部分區(qū)域，并在煤顆粒表面形成了一層緊密的罩蓋層，暴露在外的潔凈煤表面變得很有限，因此煤顆粒難以與氣泡發(fā)生黏附，使氣泡的負(fù)載量降低。掃描電鏡圖片結(jié)果與單氣泡負(fù)載煤顆粒測(cè)試結(jié)果一致，進(jìn)一步證明脈石礦物能夠罩蓋在煤表面，導(dǎo)致煤炭與氣泡的黏附作用減弱，降低煤炭的可浮性。

圖8 與脈石攪拌混合后煤顆粒的冷凍掃描電鏡圖(流體剪切速率32 s-1)Fig.8 Cryo-SEM image analysis of coal after mixing with gangue at fluid shear rate 32 s-1

結(jié)合pH=7時(shí)3種脈石礦物與煤的Zeta電位測(cè)試結(jié)果以及DLVO理論，按照式(3)和(4)對(duì)煤炭與3種脈石顆粒間的范德華作用能進(jìn)行計(jì)算，按照式(5)對(duì)煤炭與3種脈石顆粒間的雙電層作用能進(jìn)行計(jì)算，并將2者加和得到總作用能。

(3)

(4)

(5)

式中，Evdw為顆粒間范德華作用能;Eedl為顆粒間雙電層作用能;A132為Hamaker常數(shù);R1和R2分別為煤和脈石礦物顆粒的半徑;h為顆粒間的距離;kB為Boltzmann常數(shù)，取1.381×10-23J/K;T為溫度(本實(shí)驗(yàn)溫度為293.15 K);h1為Planck常數(shù)，取6.626×10-34J·s;ω為紫外區(qū)的特征弛豫頻率，取2.068×1016rad/s;n1，n2和n3分別為煤、脈石和水的折射率，煤的折射率取1.70，石英、高嶺石、伊利石的折射率分別取1.55，1.55和1.53，水的折射率取1.33;ε為0.1 mmol/L NaCl溶液的相對(duì)介電常數(shù)，取78.5 C2·m/J;ε0為真空中的介電常數(shù)，取8.854×10-12C2·m/J;ψ1和ψ2為煤和脈石礦物的表面電位，由測(cè)量的zeta電位值替代(表3)；κ為Debye長(zhǎng)度，在0.1 mmol/L NaCl溶液中取30.4 nm。

表3 煤與脈石顆粒Zeta電位測(cè)試結(jié)果Table 3 Zeta potential measurement results of coal and gangue particles

由圖9(a)可知，煤與3種脈石礦物的范德華作用能都為負(fù)值，且差別不大，在作用距離內(nèi)均為吸引力，主要是雙電層作用力的差別造成了界面作用力的不同。伊利石帶有很強(qiáng)的負(fù)電，與煤之間的雙電層吸引力最大，其次是高嶺石。而石英與煤顆粒之間存在雙電層斥力，雖然范德華吸引力能克服此雙電層斥力，使得總作用力表現(xiàn)為吸引力，但相比于伊利石和高嶺石吸引力較小，在試驗(yàn)條件下伊利石很容易罩蓋在煤表面，降低其可浮性。脈石和煤顆粒間的作用能曲線可以解釋3種脈石礦物在煤表面的罩蓋行為，這也與單氣泡負(fù)載試驗(yàn)的結(jié)果一致。

圖9 脈石和煤炭顆粒間的作用勢(shì)能曲線Fig.9 Interaction energy curves of gangue and coal particles

2.2 流體剪切速率對(duì)煤炭可浮性的影響

不同剪切速率下石英對(duì)煤顆粒負(fù)載量的影響如圖10所示。隨著混合攪拌轉(zhuǎn)速的提高，煤顆粒的負(fù)載量逐漸升高。由于在500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)氣泡負(fù)載顆粒的截面積已經(jīng)與不添加石英時(shí)幾乎不存在差異，因此沒(méi)有進(jìn)行轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的試驗(yàn)。在葉輪轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，相比于不添加任何脈石礦物的空白試驗(yàn)，石英的添加明顯降低了氣泡上煤顆粒的負(fù)載量。當(dāng)葉輪的轉(zhuǎn)速增加到500 r/min和700 r/min時(shí)，氣泡上負(fù)載煤顆粒的截面積隨攪拌時(shí)間的變化曲線與空白試驗(yàn)結(jié)果的曲線基本重合。這說(shuō)明提高剪切速率后，石英難以罩蓋在煤表面，細(xì)泥罩蓋的得到有效抑制，煤炭的可浮性得到提高。

圖10 不同剪切速率下石英對(duì)煤顆粒負(fù)載量的影響Fig.10 Effect of quartz on bubble loading under different shear rates

由圖11的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著流場(chǎng)強(qiáng)度的增加，煤顆粒在氣泡上的負(fù)載量有所增加，即高嶺石對(duì)煤顆粒的負(fù)載量影響減小，表明高嶺石與煤顆粒的細(xì)泥罩蓋程度減弱了。在葉輪轉(zhuǎn)速為300 r/min混合攪拌50 min后單氣泡負(fù)載的煤顆粒截面積為0.623 mm2，相比于不添加脈石礦物時(shí)的1.274 mm2，負(fù)載煤顆粒的截面積下降了51.09%。隨著葉輪轉(zhuǎn)速升高到500，700，1 000 r/min，負(fù)載煤顆粒的截面積分別升高到了0.789，0.957，0.997 mm2。但在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的高強(qiáng)度流場(chǎng)下，相比較于空白試驗(yàn)條件，氣泡負(fù)載煤顆粒的截面積仍然下降了21.74%。這說(shuō)明在高剪切速率下，高嶺石仍然會(huì)在煤炭表面形成明顯的細(xì)泥罩蓋，煤炭的可浮性仍然較差。

圖11 不同剪切速率下高嶺石對(duì)煤顆粒負(fù)載量的影響Fig.11 Effect of kaolinite on bubble loading under different shear rates

由圖12的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著剪切速率的增加，伊利石對(duì)煤顆粒的負(fù)載量影響變小，即剪切速率的增加減弱了伊利石在煤顆粒表面的細(xì)泥罩蓋。相比于石英和高嶺石，伊利石對(duì)煤顆粒在氣泡上的負(fù)載量的影響更為顯著。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為300 r/min和500 r/min時(shí)，攪拌50 min后單氣泡負(fù)載煤顆粒的截面積分別為0.505 mm2和0.647 mm2，相比于不添加脈石礦物時(shí)下降了60.36%和49.22%。此時(shí)伊利石對(duì)煤炭可浮性的抑制比較嚴(yán)重。隨著葉輪轉(zhuǎn)速升高到700 r/min和1 000 r/min，負(fù)載煤顆粒的截面積分別升高到0.901，0.987 mm2，負(fù)載煤顆粒的截面積相比于無(wú)脈石時(shí)分別下降了29.28%和22.53%，說(shuō)明提高剪切速率可以抑制伊利石在煤炭表面的細(xì)泥罩蓋，提高煤炭的可浮性，但相比于不添加脈石礦物時(shí)的可浮性仍然很低。

圖12 不同剪切速率下伊利石對(duì)煤顆粒負(fù)載量的影響Fig.12 Effect of illite on bubble loading under different shear rates

綜上試驗(yàn)結(jié)果可知，高剪切速率可以完全抑制石英在煤顆粒表面的細(xì)泥罩蓋，而對(duì)于高嶺石和伊利石兩種黏土礦物，高剪切速率能夠在一定程度上降低細(xì)泥罩蓋程度，卻不能完全消除，仍有一部分脈石礦物能穩(wěn)定罩蓋在煤顆粒表面，并阻礙了煤顆粒與氣泡的黏附?？梢钥闯?，石英對(duì)煤炭可浮性的抑制可通過(guò)高速剪切消除，而高嶺石和伊利石對(duì)煤炭可浮性的抑制作用很強(qiáng)，難以通過(guò)高速剪切消除。這主要受到礦物顆粒間界面作用力的影響，當(dāng)?shù)V物間的吸引力相對(duì)弱時(shí)，高強(qiáng)度流場(chǎng)對(duì)于抑制細(xì)泥罩蓋有很明顯的效果，而當(dāng)?shù)V物間的吸引力相對(duì)強(qiáng)時(shí)，高剪切速率難以對(duì)礦物表面罩蓋的脈石顆粒達(dá)到“清洗”效果，不能徹底抑制細(xì)泥罩蓋的發(fā)生。通過(guò)冷凍掃描電鏡的結(jié)果也可以得到驗(yàn)證。圖13為3種脈石礦物與煤在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min混合攪拌后的冷凍掃描電鏡圖片，從圖13(a)可以看出，經(jīng)過(guò)高速流體剪切作用后，煤表面十分清潔，石英顆粒沒(méi)有在煤表面形成罩蓋。從圖13(b)，(c)可以看到，經(jīng)過(guò)高速流體剪切作用后，仍有一部分高嶺石和伊利石罩蓋的煤表面，但相比于在低轉(zhuǎn)速下的細(xì)泥罩蓋量有所降低，這說(shuō)明高速剪切作用使罩蓋在煤表面的脈石礦物減少，有利于提高煤炭的可浮性，但不能完全消除高嶺石、伊利石等黏土礦物的細(xì)泥罩蓋。

圖13 與脈石攪拌混合后煤顆粒的冷凍掃描電鏡圖片(流體剪切速率116 s-1)Fig.13 Cryo-SEM image analysis of coal after mixing with gangue at fluid shear rate 116 s-1

2.3 高速剪切調(diào)漿對(duì)煤炭浮選的影響

由于在實(shí)際浮選過(guò)程中都會(huì)存在脈石礦物，只用低灰精煤進(jìn)行浮選實(shí)驗(yàn)與實(shí)際浮選過(guò)程差異較大，因此不再進(jìn)行無(wú)脈石的空白實(shí)驗(yàn)。將煤炭分別與3種脈石礦物在不同剪切速率下混合調(diào)漿后的浮選結(jié)果如圖14所示。從圖14可以看出，浮選精煤的回收率隨調(diào)漿轉(zhuǎn)速的增加而升高。在調(diào)漿轉(zhuǎn)速為500 r/min(剪切速率為35 s-1)時(shí)，添加石英的浮選精煤回收率為50.95%，此時(shí)添加高嶺石和伊利石的精煤回收率分別為63.02%和72.64%。說(shuō)明在低調(diào)漿轉(zhuǎn)速下石英對(duì)煤炭浮選的抑制最嚴(yán)重，高嶺石次之，伊利石最弱。當(dāng)調(diào)漿轉(zhuǎn)速增加到700 r/min(剪切速率為56 s-1)時(shí)，添加石英后的精煤回收率達(dá)到60.42%，相比于500 r/min時(shí)增加了18.59%。繼續(xù)增加調(diào)漿轉(zhuǎn)速至900 r/min和1 100 r/min(剪切速率為80 s-1和101 s-1)，浮選精煤的回收率分別增加到63.92%和67.55%，浮選精煤的灰分隨調(diào)漿轉(zhuǎn)速的增加略有提高。添加高嶺石后，調(diào)漿轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min提高至700 r/min時(shí)，精煤回收率增加了9.58%，繼續(xù)增加調(diào)漿轉(zhuǎn)速精煤的回收率雖然略有提升，但整體變化不大，浮選精煤的灰分隨調(diào)漿轉(zhuǎn)速的增加而升高。添加伊利石以后，浮選精煤的回收率在調(diào)漿轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)相比于500 r/min僅增加1.44%，而當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到900 r/min和1 100 r/min時(shí)，回收率分別增加4.48%和7.93%，浮選精煤的灰分隨調(diào)漿轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

圖14 不同調(diào)漿剪切速率時(shí)脈石對(duì)煤浮選效果的影響Fig.14 Effect of gangue on coal floatation under different conditioning shear rates

圖15為在不同調(diào)漿剪切速率下的水回收率與脈石回收率結(jié)果。從圖15可以看出，脈石回收率與水回收率沒(méi)有直接的線性關(guān)系，說(shuō)明回收的脈石不僅僅是通過(guò)水流夾帶進(jìn)入浮選精煤中的，還有一部分脈石顆粒罩蓋在煤顆粒表面，從而隨精煤帶出。在不同調(diào)漿轉(zhuǎn)速下，添加3種脈石礦物后的水回收率基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明調(diào)漿強(qiáng)度不會(huì)對(duì)水回收率造成顯著影響。與高嶺石混合后的水回收率最高，伊利石次之，石英最少。在低調(diào)漿轉(zhuǎn)速下，高嶺石和伊利石的回收率基本相同，明顯高于石英，而當(dāng)調(diào)漿轉(zhuǎn)速增加至900 r/min后，高嶺石和伊利石回收率降低，且高嶺石的降低速率更大，但仍高于石英回收率。

圖15 不同調(diào)漿剪切速率時(shí)水回收率與脈石回收率Fig.15 Effect of gangue on water recovery and gangue recovery under different conditioning shear rates

添加石英后，增加調(diào)漿轉(zhuǎn)速可以降低石英在煤炭表面的細(xì)泥罩蓋，煤炭的可浮性提高，浮選效果得到明顯改善。添加石英后浮選精煤的灰分隨調(diào)漿轉(zhuǎn)速的提高略有升高，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)高速調(diào)漿后，一部分疏水性較差的煤炭也進(jìn)入到了泡沫產(chǎn)品中，導(dǎo)致精煤灰分提高。水回收率在一定程度上與浮選泡沫中顆粒的粒度相關(guān)，泡沫中細(xì)顆粒越多，水回收率越高[19]。石英的回收率隨調(diào)漿強(qiáng)度的增加而略有增加，這是由于調(diào)漿強(qiáng)度的增加，細(xì)泥罩蓋量減少，分散在礦漿體系中的石英增加，會(huì)有一部分石英通過(guò)水流夾帶的方式進(jìn)入浮選精煤，此時(shí)石英回收率的變化主要是受到水流夾帶的影響。添加高嶺石后，精煤回收率在調(diào)漿轉(zhuǎn)速升高到700 r/min后，繼續(xù)增加調(diào)漿轉(zhuǎn)速精煤回收率變化較小，這可能是由于高嶺石存在自身團(tuán)聚現(xiàn)象。高嶺石的鋁氧八面體表面的等電點(diǎn)在6～8，而高嶺石的硅氧四面體表面的等電點(diǎn)<4，因此在此次試驗(yàn)條件下，高嶺石會(huì)發(fā)生自身團(tuán)聚[20]。隨著剪切速率的升高，與煤炭表面作用力比較弱的高嶺石被清洗掉，而與煤之間相互作用比較強(qiáng)的高嶺石很容易罩蓋在煤顆粒表面，靠流場(chǎng)作用很難將這部分高嶺石去除。在流場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，分散在礦漿中的高嶺石碰撞概率增加，更容易團(tuán)聚形成絮團(tuán)，粒度增大，難以進(jìn)入浮選泡沫中，因此隨水流夾帶的高嶺石量也有所降低，導(dǎo)致高嶺石的回收率降低。添加伊利石后的精煤回收率隨攪拌強(qiáng)度的增加而增加，這主要是由于伊利石很容易在煤表面形成穩(wěn)定的罩蓋，流體剪切作用會(huì)抑制細(xì)泥罩蓋現(xiàn)象，罩蓋在煤表面的伊利石數(shù)量減少，使精煤回收率提高。但由于浮選泡沫在實(shí)驗(yàn)條件下已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，伊利石回收率基本保持穩(wěn)定，隨水流夾帶的量基本不變，但是細(xì)泥罩蓋量降低，導(dǎo)致伊利石回收率降低。

從圖14可以看出，添加伊利石后浮選精煤的回收率最高，添加高嶺石時(shí)的精煤回收率次之，添加石英的精煤回收率最低。這與單氣泡負(fù)載實(shí)驗(yàn)中3種脈石礦物對(duì)煤炭可浮性的影響規(guī)律相反，這可能是由于煤炭浮選效果影響除了與煤炭可浮性影響有關(guān)，還與其他因素如泡沫穩(wěn)定性、脈石礦物形狀等有關(guān)。研究表明，相比于球形顆粒，針狀或者片狀顆粒更有利于提高泡沫的穩(wěn)定性[21]。如圖16所示，石英顆粒接近球形的不規(guī)則狀，高嶺石和伊利石為層片狀結(jié)構(gòu)，因此高嶺石和伊利石的浮選泡沫更加穩(wěn)定，有利于浮選精煤的回收。并且石英的粒度相較于后兩者偏大，因此添加石英進(jìn)行浮選的泡沫穩(wěn)定性相對(duì)較差。這就導(dǎo)致了添加高嶺石和伊利石的精煤回收率明顯高于添加石英后的精煤回收率。此外，顆粒形狀會(huì)對(duì)細(xì)泥夾帶產(chǎn)生影響。研究表明，隨著脈石顆粒長(zhǎng)徑比增加，脈石的水流夾帶會(huì)加劇[22]，因此石英的水流夾帶量要低于高嶺石和伊利石。從圖15中可以看出，伊利石的回收率要高于高嶺石，而高速調(diào)漿使細(xì)泥罩蓋量減少，隨水流夾帶的伊利石量增加。伊利石在礦漿中的分散性更好，因此伊利石的泡沫穩(wěn)定性更強(qiáng)，更有利于浮選精煤的回收。添加3種脈石礦物后的浮選精煤灰分不完全相同，并且呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。這主要與煤的不均質(zhì)性和浮選精煤中的脈石回收量有關(guān)。石英和高嶺石的浮選精煤灰分隨調(diào)漿強(qiáng)度的增加略有增加，這是由于高速調(diào)漿使煤表面罩蓋的脈石量減少，灰分相對(duì)較高的煤也被浮出，造成浮選精煤灰分的提高。而添加伊利石后浮選精煤的灰分在調(diào)漿轉(zhuǎn)速為900 r/min之前變化不大，這主要是由于伊利石在實(shí)驗(yàn)條件下的泡沫穩(wěn)定性一直很強(qiáng)，因此精煤灰分沒(méi)有較大變化。而在調(diào)漿轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，煤炭表面的伊利石罩蓋量顯著降低，使本身被脈石罩蓋的低灰精煤得以與氣泡黏附，從而使精煤灰分降低。

圖16 不同調(diào)漿剪切速率時(shí)泡沫示意Fig.16 Froth schematic diagram under different conditioning shear rates

添加不同脈石浮選時(shí)精煤的回收率和細(xì)泥罩蓋情況以及泡沫中脈石的水流夾帶情況隨調(diào)漿剪切速率的變化規(guī)律如圖16所示。針對(duì)3種脈石礦物在煤表面的細(xì)泥罩蓋現(xiàn)象，在調(diào)漿過(guò)程中提高剪切速率可以提高精煤的回收率，減少細(xì)泥罩蓋的發(fā)生。針對(duì)石英而言，高速剪切對(duì)精煤回收率的提高幅度最大，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致脈石回收率增加，這主要是由于高速剪切提高了石英的分散性，使石英的水流夾帶加劇。對(duì)于伊利石和高嶺石，提高剪切速率對(duì)精煤回收率的提升幅度較小，但可以降低脈石的回收率，有利于提高浮選精煤品質(zhì)。綜合來(lái)說(shuō)，僅通過(guò)高速剪切調(diào)漿并不能使浮選效果達(dá)到最佳狀態(tài)，需要結(jié)合其他手段，如調(diào)節(jié)泡沫高度、加入噴淋水、調(diào)節(jié)電解質(zhì)等手段，在抑制細(xì)泥罩蓋的同時(shí)，避免脈石的水流夾帶加劇，從而全面改善浮選效果，在提高浮選精煤回收率的同時(shí)，降低精煤灰分。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)單氣泡負(fù)載實(shí)驗(yàn)中氣泡負(fù)載煤顆粒的數(shù)量，可以定量分析3種脈石礦物對(duì)煤可浮性的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，石英對(duì)煤炭可浮性的影響最小，高嶺石次之，伊利石對(duì)可浮性的影響最大，這與冷凍掃描電鏡的觀測(cè)結(jié)果和顆粒間界面作用力的計(jì)算結(jié)果一致。

(2)在低剪切速率下，3種脈石礦物的細(xì)泥罩蓋程度較大，嚴(yán)重影響煤炭的可浮性。流體剪切速率增加會(huì)降低3種脈石礦物在煤炭表面的罩蓋，提高煤炭的可浮性。其中石英對(duì)煤可浮性的抑制作用在剪切速率達(dá)到58 s-1后幾乎可以消除，高嶺石和伊利石在煤炭表面的細(xì)泥罩蓋都會(huì)隨剪切速率的升高而減小，但在剪切速率達(dá)到118 s-1時(shí)細(xì)泥罩蓋仍無(wú)法完全消除，這與掃描電鏡的觀測(cè)結(jié)果一致。

(3)高速剪切調(diào)漿會(huì)降低3種脈石礦物在煤炭表面的細(xì)泥罩蓋并提高精煤的回收率。與石英混合的精煤回收率提高幅度最大，高嶺石和伊利石的精煤回收率提高幅度均較小。除了細(xì)泥罩蓋，水流夾帶也會(huì)對(duì)浮選回收率產(chǎn)生較大的影響，需要綜合考慮各種因素的作用，達(dá)到減少細(xì)泥污染的目的。