李明明, 李文成, 郭怡凱

(1.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院, 哈爾濱 150022; 2.山西工學院 能源產(chǎn)業(yè)學院, 山西 朔州 036000)

0 引 言

我國低階煤約占已探明儲量的1/3[1]。低階煤表面豐富的含氧官能團[2]會與水分子充分鍵合并形成較厚的水化膜,從而顯著降低煤樣疏水性,導致非極性捕收劑對低階煤浮選效果不理想[3]。強極性捕收劑是低階煤浮選過程中常用的高效捕收劑,對此類捕收劑的研究取得了一定的進展[4-7],尤其是在酸類[8- 10]和酯類捕收劑[11]方面。鑒于強極性捕收劑能夠增強低階煤的浮選效果,筆者以寧東低階煤為研究對象,選擇月桂酸甲酯與《煤粉(泥)浮選試驗》(GB/T30046.1—2013)中規(guī)定的捕收劑正十二烷進行對比。通過浮選動力學和紅外光譜分峰擬合方法,闡述了月桂酸甲酯強化低階煤浮選的作用機制,以期為低階煤浮選藥劑的開發(fā)提供一定參考。

1 實 驗

1.1 煤樣成分

實驗所用煤樣來自寧東某低階煤選煤廠,破碎后取-0.5 mm作為浮選入料。煤樣的工業(yè)分析、化學多元素分析和礦物組成分析結(jié)果見表1、2和圖1。

表1 煤樣工業(yè)分析

表2 煤樣化學多元素分析

圖1 煤樣X射線衍射Fig. 1 X-ray diffraction of coal sample

由表1可知,原煤灰分較高,必須通過分選才能獲取合格精煤;揮發(fā)分較高,屬于變質(zhì)程度較低的煤。由表2可知,煤樣中含有較多的硅元素和鋁元素,結(jié)合圖1的X射線衍射可知,樣品中含有較多的石英和高嶺石。

1.2 浮選實驗分析

浮選實驗在0.5 L的XFD系列浮選機中進行,捕收劑選擇正十二烷和月桂酸甲酯,起泡劑選擇仲辛醇。其他實驗條件如下:礦漿濃度100 g/L、葉輪轉(zhuǎn)速1 800 r/min、充氣量3 L/h,捕收劑用量2、4、6、8、10 kg/t,起泡劑用量500 g/t。將煤樣潤濕2 min后加入捕收劑,攪拌1 min后加入起泡劑,10 s后打開充氣閥和刮板開關(guān)并刮泡3 min,過濾、干燥并稱重,本實驗采用可燃體回收率作為評價指標。

1.3 浮選速度實驗與浮選動力學分析

浮選速度實驗流程如下:首先將煤樣充分潤濕120 s,加入8 kg/t的捕收劑后,繼續(xù)攪拌60 s,隨后加入500 g/t的起泡劑,繼續(xù)攪拌10 s后,打開刮板開關(guān)和充氣閥。分別收集浮選時間為30、60、90、120和180 s的浮選精煤產(chǎn)品,過濾、干燥并稱重。多次進行浮選速度實驗,保證數(shù)據(jù)的準確性。

浮選動力學最早是由化學反應動力學借鑒而來,它是指在浮選速率實驗的基礎上,借助經(jīng)典浮選動力學模型對其分析。其主要研究浮選速率常數(shù)k,即單位時間內(nèi)浮選速率的規(guī)律,可以反映浮選過程和浮選時間的關(guān)系。

1.4 紅外光譜分峰擬合分析

紅外光譜技術(shù)經(jīng)常被用來研究煤的結(jié)構(gòu),它可以通過定性或定量分析對比煤中的含氧官能團。為了獲得煤樣鍵合結(jié)構(gòu)的詳細信息,并解決煤樣復雜性導致的紅外光譜重疊問題,將兩種樣品分別與溴化鉀按1∶150的比例混合研磨后再進行測試,測試范圍4 000～400 cm-1,對紅外光譜圖分峰擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選實驗

按照1.2節(jié)確定的浮選操作參數(shù),以正十二烷和月桂酸甲酯作為捕收劑進行常規(guī)浮選實驗,捕收劑用量對低階煤浮選指標的影響,如圖2所示。其中,ε為可燃體回收率。

由圖2可知,正十二烷和月桂酸甲酯對低階煤浮選的精煤產(chǎn)率、可燃體回收率均隨著藥劑用量的增加先升高后趨于平穩(wěn);正十二烷和月桂酸甲酯對低階煤浮選的精煤灰分隨著藥劑用量的增加先降低后升高,且在捕收劑用量為8 kg/t時有最小值,這可能是由于隨著捕收劑用量的提升,煤樣中低灰粗粒煤上浮。月桂酸甲酯的精煤產(chǎn)率和可燃體回收率均高于正十二烷,精煤灰分低于正十二烷。在藥劑用量8 kg/t時,正十二烷的精煤產(chǎn)率、灰分和可燃體回收率分別為54.69%、17.01%和66.80%;月桂酸甲酯的精煤產(chǎn)率、灰分和可燃體回收率分別為58.01%、14.43%和72.72%。通過比較可知,月桂酸甲酯在精煤產(chǎn)率和可燃體回收率方面比正十二烷提升了5.92%和3.32%;其在精煤灰分方面比正十二烷降低了2.71%?？梢?月桂酸甲酯對低階煤的浮選效果優(yōu)于正十二烷。

圖2 捕收劑用量對浮選指標的影響Fig. 2 Influence of collector dosage on flotation index

2.2 浮選速度實驗與浮選動力學

按照1.3節(jié)確定浮選速度實驗操作參數(shù),以正十二烷和月桂酸甲酯作為捕收劑進行浮選速度實驗,實驗結(jié)果如表3所示。其中,ε0為累計可燃體回收率。

由表3可知,月桂酸甲酯的每個精煤產(chǎn)品的產(chǎn)率和可燃體回收率均高于正十二烷;其精煤灰分均低于正十二烷。隨著浮選時間的增加,兩種捕收劑的浮選速度規(guī)律大致相同,具體表現(xiàn)為浮選前30 s的產(chǎn)率最大并且精煤灰分最低,此時精煤產(chǎn)率約占總產(chǎn)率的50%;浮選30～60 s的精煤產(chǎn)率迅速下降,精煤灰分大幅上升;浮選60～90 s和90～120 s的精煤產(chǎn)率緩慢下降,精煤灰分緩慢升高;浮選120～180 s后,因浮選時間延長,精煤產(chǎn)率有所提升,精煤灰分也達到最高。

表3 正十二烷和月桂酸甲酯對低階煤浮選速率實驗結(jié)果

在浮選速度實驗的基礎上,分別選用經(jīng)典一級動力學模型(模型1)、經(jīng)典二級動力學模型(模型2)、改進的氣固黏附模型(模型3)[12],利用統(tǒng)計分析軟件,對表3中的數(shù)據(jù)進行分析,進而得到累計可燃體回收率與時間的擬合圖,擬合結(jié)果如表4和圖3所示。

模型1ε0=ε∞[1-exp(-kt)],

(1)

(2)

(3)

式中:ε0——累計可燃體回收率,%;

ε∞——理論可燃體回收率,%;

k——浮選速率常數(shù),s-1;

t——浮選時間,s。

表4 兩種捕收劑對低階煤浮選的非線性擬合回歸參數(shù)

圖3 兩種捕收劑動力學擬合Fig. 3 Kinetic fitting of two collectors

由表4和圖3可知,三種模型的相關(guān)系數(shù)R2均在97%以上,模型2和模型3的擬合效果高于模型1,其中模型2的擬合度高達99.98%,其相關(guān)系數(shù)R2更接近1,說明擬合程度較高。因此,兩種捕收劑對低階煤的浮選過程更接近于經(jīng)典二級動力學模型;模型2中月桂酸甲酯的ε∞值和k值比正十二烷分別高出10.01%和1.84%,這說明月桂酸甲酯作用于浮選過程中不僅可以提升最大可燃體回收率,還可以提升浮選速率。

2.3 紅外光譜分峰擬合

正十二烷和月桂酸甲酯與煤樣作用后的紅外光譜如圖4所示。為了獲得煤樣鍵合結(jié)構(gòu)的詳細信息并解決煤樣復雜性導致的紅外光譜重疊問題,結(jié)合參考文獻[13-15]中的擬合參數(shù),再利用分峰擬合軟件定量計算峰面積S,通過比較峰面積來判斷煤樣親疏水性。以月桂酸甲酯處理后的煤樣為例對分峰擬合過程進行闡述,處理后浮選精煤分峰擬合參數(shù)見表5。其中,h為峰高。另一煤樣的峰中心與其峰中心相差在8 cm-1以內(nèi),故后續(xù)不作贅述。

根據(jù)文獻[16],將紅外光譜圖分為5個波數(shù)帶,分別對應煤的兩種官能團結(jié)。極性官能團結(jié)構(gòu)波數(shù)帶:3 720～3 000 cm-1和1 200～950 cm-1;非極性官能團結(jié)構(gòu)波數(shù)帶:2 990～2 800 cm-1、1 700～1 350 cm-1和820-680 cm-1。其中,由于波數(shù)帶3 720～3 000 cm-1的跨度較大,為提高其擬合準確性,采取分段擬合的方式。具體擬合分峰結(jié)果如圖5、6和表6所示。

表5 月桂酸甲酯處理后的煤樣紅外光譜分峰擬合參數(shù)

由圖4可知,兩種樣品紅外光譜圖的形狀大致相同且峰的位置未發(fā)生明顯變化,其主要集中于3 682、3 417、2 880、1 624、1 072、1 035和753 cm-1處。

圖5 極性官能團擬合Fig. 5 Polar functional group fitting

圖6 非極性官能團擬合Fig. 6 Non polar functional group fitting

表6 月桂酸甲酯處理后煤樣紅外光譜分峰擬合參數(shù)

由圖5、6和表6可知,各波數(shù)的擬合相關(guān)系數(shù)均大于99%,表明擬合程度較高。其中脂肪族和芳香族結(jié)構(gòu)的峰面積占總面積的29.32%;極性官能團結(jié)構(gòu)的峰面積占總面積的70.68%。

為進一步比較兩種藥劑對煤樣官能團的影響,采用相同的方式對正十二烷作用后的煤樣進行擬合,擬合結(jié)果如表7所示。

表7 正十二烷處理后煤樣紅外光譜分峰擬合參數(shù)

由表7可知,正十二烷處理后的煤樣各波數(shù)段擬合相關(guān)系數(shù)均大于99%,表明擬合程度較高。其中脂肪族和芳香族結(jié)構(gòu)的峰面積占總面積的20.63%,極性官能團結(jié)構(gòu)的峰面積占總面積的79.37%。

3 結(jié) 論

(1)采用正十二烷和月桂酸甲酯作為捕收劑,在相同藥劑量下,月桂酸甲酯得到的可燃體回收率更高。

(2)浮選速度實驗和動力學分析顯示,浮選速度實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)典二級動力學模型擬合度最高。與正十二烷相比,月桂酸甲酯處理后煤樣的理論最大累計可燃體回收率和浮選速率常數(shù)分別提升了10.01%和1.84%