表面活性劑對浮選精煤脫水的助濾作用

任曉汾 李志紅 劉愛榮 樊民強

(太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024)

工業實踐中受物料粒度、礦物質組成以及過濾條件等因素制約，浮選精煤水分經常偏高，不僅造成無效運輸和冬季卸車困難，而且影響精煤的使用效率。添加化學助濾劑是降低微細顆粒物料水分的有效手段。高分子絮凝/凝聚劑型助濾劑的主要作用是使微細顆粒形成絮團，從而改變濾餅結構，提高過濾速度，但對降低濾餅水分作用有限。目前，以不同類型表面活性劑作為煤泥脫水助濾劑的研究較多。

有些專家以高分子量聚氧乙烯為浮精脫水助濾劑，能顯著降低濾餅比阻和過濾介質阻力，從而提高過濾速率，降低濾餅水分，800萬分子量的聚氧乙烯在用量20 g/t時可降低濾餅水分4%，助濾效果明顯優于聚丙烯酰胺類助濾劑；有些專家研究發現，在適宜的pH條件下添加離子型表面活性劑十二烷基磺酸鈉(SDS)和十二烷基溴化胺(DAB)均可使濾餅水分明顯降低；有些專家研究了TLT5149型表面活性劑對車集選煤廠浮選精煤脫水的助濾作用，當藥劑用量在3.5 kg/h時，可使壓濾時間由127.53 s縮短至87.20 s，平均降低濾餅水分2.74%；還有些專家采用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和咪唑啉助濾煤泥離心過濾脫水取得顯著效果，其中SDBS作用后的濾餅水分從24.36%降低至17.05%，降水幅度達到7.31個百分點；另有國外專家研究了陽離子、陰離子和非離子表面活性劑對精煤漿真空過濾的助濾作用。研究結果表明，所選用的表面活性劑均能使得濾餅水分顯著降低，其中最有效的表面活性劑是十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，可使濾餅水分從21.0%降低到11.7%。

表面活性劑種類繁多，不同藥劑具有不同的表面活性。實踐中，脫水助劑種類及用量的選擇需通過實驗加以確定。本文選擇3種不同類型表面活性劑，即非離子型脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)、陰離子型十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和陽離子型十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對柳灣選煤廠浮選精煤進行了脫水助濾試驗，并對藥劑作用機理進行了分析。

1 煤樣、藥劑與試驗方法

1.1 煤樣性質

試驗所用煤樣采自山西柳灣選煤廠浮選精煤，將煤樣充分混勻，實驗室內自然晾干后，密封保存，備用。煤樣工業分析及元素分析見表1。

表1 煤樣工業分析及元素分析 %

由表1可以看出，試驗煤樣為1/3焦煤。元素分析中的氧含量為1.94%，主要來自煤樣水分、煤表面含氧基團及所含無機礦物質，使煤樣表面具有一定的親水性。試驗煤樣的XRD譜圖如圖1所示。

圖1 試驗煤樣XRD譜圖

由圖1可以看出，柳灣選煤廠浮選精煤所含礦物質主要是高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)，及少量蒙脫石，二者均屬于黏土類礦物，親水性強且遇水極易泥化，不僅使煤漿的黏度增大，而且還增強了脫水過程中的毛細作用，可導致過濾速度降低、濾餅水分增加。依據《煤炭篩分試驗方法》(GB/T 477- 2008)對煤樣進行小篩分試驗，浮精試樣粒度組成見表2。

表2 浮精試樣粒度組成

由表2可以看出，試驗煤樣中微細粒含量較多，-0.074 mm粒級累計產率接近50%，特別是-0.038 mm粒級產率高達34.42%。物料粒度組成偏細，則比表面積相對較大，吸附的水分多且不易脫除；而且，過濾過程中微細顆粒容易充填在粗粒的孔隙中，造成濾餅間隙毛細作用增強，脫水阻力增大，從而導致濾餅水分增高。

1.2 藥劑性質

表面活性劑可以降低液體表面張力，通過前期探索性試驗，篩選出3種不同離子類型且助濾效果較好的表面活性劑用于本試驗研究，藥劑基本性質列于表3。

表3試驗藥劑性質

1.3 試驗方法

1.3.1 實驗室脫水試驗

煤樣加水配制成一定濃度的礦漿，添加定量表面活性劑溶液(質量濃度為1%)，用機械攪拌機攪拌10 min后，注入不銹鋼桶式過濾器的杯體內(杯底鋪有180網目濾布)；打開充氣閥門，壓力設定為0.2 MPa，壓濾120 s；脫水結束后，打開過濾器，按九點法采集取濾餅10～12 g置于水分瓶中，置于烘箱105℃下干燥2 h，測量濾餅水分。

實驗室加壓過濾脫水系統主要由空氣壓縮機、加壓過濾器和在線壓力監控裝置等組成，其系統示意圖如圖2所示。

1-濾網；2-不銹鋼桶式過濾器；3-物料入口；4、10-壓力表；5-傳感器；6、9-截止閥；7-濾液出口；8-壓力數字顯示器；11-空氣壓縮機圖2 實驗室加壓過濾脫水系統示意圖

1.3.2 XRD測試方法

采用日本理學MiniFlex600型 X 射線衍射儀對試樣進行礦物質定性分析。Cu靶Kα輻射，工作電流為15 mA，光管電壓為40 kV，掃面范圍為5°～85°，掃描速率為8°/min，步長為0.02°。將煤樣磨細至-0.074 mm，壓片進行測試。

1.3.3 接觸角和表面張力測試方法

濾餅接觸角及濾液表面張力測試均采用德國KRUSS公司生產的DSA100型光學接觸角測量儀。取適量烘干后濾餅，磨細至-0.074 mm，壓成薄片，然后使用座滴法測量接觸角。微升注射器吸入一定量待測濾液，計量液滴體積，并乘以0.8系數，然后按相應體積排出液滴，拍照，啟動軟件測量表面張力。同一種濾液測量5次，取平均值。

1.3.4 XPS測試方法

煤樣XPS分析采用島津集團Kratos公司生產的AXIS ULTRA DLD 型X射線光電子能譜儀。單色化Al靶，Al Kα hv=1486.6 eV，樣品分析區域為700×300 μm，全掃描透能為160 eV，步長為1 eV；窄掃描透過能為40 eV，步長為0.05 eV；基礎真空為10-8Pa，數據校正基準采用C1 s=284.8 ev。

2 結果與討論

2.1 濾餅水分

3種不同類型表面活性劑對柳灣浮選精煤的脫水助濾試驗結果如圖3所示。

圖3 不同類型表面活性劑對濾餅水分的影響

由圖3可以看出，3種表面活性劑對柳灣選煤廠浮選精煤脫水均有明顯的助濾作用，適宜的藥劑用量范圍為400～500 g/t，濾餅水分可降低2.8%～4.2%。其中，CTAB的助濾效果最好，用量為500 g/t時，濾餅水分僅為15.6%，相比空白試驗結果降低了4.2個百分點；其次為SDBS，相同藥劑用量下可使濾餅水分從19.8%降低至16.7%；AEO-9的最佳用量為400 g/t，可使濾餅水分從19.8%降低至17.0%，降水幅度為2.8個百分點。

2.2 成餅速率

顆粒的過濾過程一般分為兩個階段，即成餅階段和脫水階段。煤泥加壓過濾時，存在壓力突然下降并有大量水排出的時刻，對應壓力稱為擊穿壓力。從過濾開始到擊穿壓力形成的時間長短與物料成餅速率有關，時間越短，說明成餅速率越快。試驗系統中的在線壓力監控裝置可持續收集加壓杯體內的壓力數據，記錄不同藥劑用量下的擊穿壓力發生的時間，表面活性劑對成餅速率的影響結果如圖4所示。

圖4 表面活性劑對成餅速率的影響

由圖4可以看出， CTAB在不同用量下的擊穿壓力發生時間均高于空白試驗結果，SDBS僅在用量為100 g/t時的擊穿壓力發生時間低于空白值，其余均高于空白值，說明這2種表面活性劑對提高成餅速率收效甚微；AEO-9在用量為100～500 g/t時，擊穿壓力發生時間均有所降低，這說明AEO-9做助濾劑可以提高柳灣浮精的成餅速率，但其作用有限，當藥劑用量為500 g/t時，擊穿壓力發生時間降低值達到最大，由空白值31 s降低至23 s?？傮w而言，試驗選擇的3種表面活性劑在提高浮選精煤過濾速度方面作用不大。

2.3 助濾機理探討

2.3.1 溶液表面張力

在煤泥過濾的脫水階段，由于毛細壓力的存在，濾餅的毛細通道中貯留了大量的毛細水。降低液體表面張力可以降低毛細壓力，促進毛細水的排出，從而降低濾餅水分。3種不同類型表面活性劑對溶液表面張力的作用結果如圖5所示。

圖5 表面活性劑對溶液表面張力的影響

由圖5可以看出，3種不同類型表面活性劑對溶液表面張力的作用趨勢基本一致。隨藥劑用量的增加，溶液表面張力顯著降低，當藥劑用量達到500 g/t后，繼續增加藥劑用量，溶液表面張力降低的趨勢變緩。相同藥劑用量下，以AEO-9對表面張力的降低作用最大，其次是CTAB，SDBS對溶液表面張力的影響最弱。但是，溶液表面張力與濾餅水分之間并無一致的對應關系。

2.3.2 顆粒表面疏水性

顆粒的界面性質也是影響濾餅水分的重要因素，煤是一種多苯芳香核化合物，具有疏水性，但其分子結構中的含氧官能團側鏈和無機礦物雜質，使表面具有一定親水性。顆粒表面親水性越強，脫水越困難，濾餅水分也越高。氧是造成煤顆粒表面親水的最主要元素， X射線光電子能譜(XPS)對煤樣表面元素的分析結果見表3。

表3 試樣XPS分析及接觸角分析結果

由表3可以看出，添加不同類型表面活性劑后，煤樣表面的C含量均有所增大，而O含量減少。3種表面活性劑作用后的煤樣接觸角與原樣相比均有所增大，且與濾餅水分變化規律一致，說明表面活性劑的加入掩蔽了煤表面的含氧基團，使煤樣表面疏水性提高，濾餅水分降低。

綜上所述，作為柳灣選煤廠浮選精煤的壓濾脫水助濾劑，3種不同類型表面活性劑均可以降低溶液的表面張力和改善煤粒表面疏水性，起到隔離分散顆粒及降低毛細管壓力的作用，從而促進毛細水的排出，最終降低濾餅水分。

3 結論

(1)不同離子類型表面活性劑AEO-9、SDBS和CTAB對柳灣選煤廠浮選精煤脫水均有良好的助濾作用。

(2)不同表面活性劑對應不同的藥劑用量和助濾效果。當藥劑用量為500 g/t時，CTAB助濾柳灣浮選精煤脫水可使濾餅水分降低4.2%，SDBS可降低濾餅水分3.1%；當AEO-9用量為400 g/t時，可使浮精水分降低2.8%。

(3)表面活性劑的助濾作用主要表現為降低溶液表面張力和在顆粒表面形成氧掩蔽而改善其疏水性，最終降低濾餅水分，但對過濾速度基本沒有促進作用。

參考文獻：

[1] 張英杰，鞏冠群. 細精煤壓濾脫水影響因素研究[J].中國煤炭，2013 (2)

[2] 樊玉萍，董憲姝. 粒度組成特性對煤泥脫水效果影響的研究[J]. 中國煤炭，2015 (3)

[3] 胡筱敏，羅茜，王常任. 大分子表面活性劑的助濾行為與機理[J]. 礦冶，1996(1)

[4] A.S. Patra, D. Makhija, A.K. Mukherjee, et al. Improved dewatering of iron ore fines by the use of surfactants[J]. Powder Technology, 2016(1)

[5] 洪晨，邢奕，王志強等. 無機調理劑與表面活性劑聯合調理對污泥脫水性能的影響[J]. 化工學報，2014(3)

[6] 劉麗艷，吳飛飛，徐秋桐等. 顆粒性質對弱磁選鐵精礦過濾性能的影響[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2017 (3)

[7] 李志紅，杜兵，田毓仁等. 化學助濾劑對微細粒煤泥的助濾作用研究[J]. 選煤技術，2009(2)

[8] 劉杰，趙靜，鄒家運等. 聚合氯化鋁對貫屯煤泥的助路機理研究[J]. 煤炭技術，2017 (9)

[9] 莊劍鳴. 聚氧乙烯對細粒浮選精煤的助濾性能與機理[J]. 礦冶工程，1998 (2)

[10] 夏暢斌，黃念東，何緒文. 表面活性劑對細粒煤脫水的試驗研究[J]. 煤炭科學技術，2001(3)

[11] 祝學斌，劉剛. 助濾劑在浮選精煤脫水中的研究與應用[J]. 煤炭技術，2015 (8)

[12] 羅曉玲, 鄭國濤, 王雪偉. 表面活性劑對煤泥離心過濾脫水的助濾研究[J]. 煤炭加工與綜合利用, 2015 (9)

[13] Singh B P, Besra L, Reddy P S R, et al. Use of surfactants to aid the dewatering of fine clean coal[J]. Fuel, 1998(12)