復(fù)配起泡劑強(qiáng)化低階煤浮選的試驗(yàn)研究

郭芳余，黃露露，何 琳，徐夢迪，邢耀文，桂夏輝

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤層開采難度的加大和重介質(zhì)旋流器的廣泛使用，低階煤泥的產(chǎn)量迅速增加且細(xì)粒煤泥含量較高[1-2]。煤泥浮選依據(jù)煤與矸石表面物化性質(zhì)差異實(shí)現(xiàn)礦物分選，是處理細(xì)粒級物料最有效的方法之一。然而，低階煤表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，有大量的裂隙和孔隙，疏水性較差，導(dǎo)致藥劑消耗量大，浮選效率低[3-4]。

起泡劑在浮選中起著至關(guān)重要的作用，其性能的優(yōu)劣可直接影響浮選指標(biāo)。近年來的研究表明，兩種或兩種以上的起泡劑復(fù)配使用可以增強(qiáng)起泡性能[5-6]。GUPTA[7]等考察了不同類型起泡劑的混合對表面張力的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：醇類起泡劑與聚乙二醇類起泡劑混合相比于醇類與酮類以及醇類與醛類起泡劑混合，具有更大的表面活性，同時(shí)降低氣-液界面表面張力的能力也更強(qiáng)。TAN等[8]發(fā)現(xiàn)，低分子量和高分子量的聚丙烯醇類混合物比單一的聚丙烯醇具有更好的起泡性能。這是由于混合表面活性劑減緩了液膜的排液速率，從而抑制了氣泡的兼并，提高了泡沫的穩(wěn)定性。AHMED[9]研究了較低濃度聚乙二醇(F150)和正戊醇混合使用時(shí)氣泡索特爾平均直徑與氣泡兼并時(shí)間隨正戊醇濃度的變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)正戊醇的濃度低于其臨界兼并濃度時(shí)，加入F150有利于降低氣泡的索特爾平均直徑，且降幅和 F150的濃度呈正相關(guān)，但當(dāng)正戊醇的濃度高于其臨界兼并濃度時(shí)，加入F150則會(huì)增加氣泡的索特爾平均直徑。此外，相比于 F150和正戊醇單獨(dú)使用，二者混合后的氣泡兼并時(shí)間一般高于正戊醇，但又低于 F150。LASKOWSKI 等[10]在研究非離子型表面活性劑 Dowforth 與 MIBC混合起泡劑的泡沫特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，即：混合起泡劑的泡沫特性優(yōu)于 MIBC，但又弱于 Dowforth。

目前國內(nèi)外學(xué)者的研究都集中在混合起泡劑對泡沫穩(wěn)定性的影響方面[11-14]，但有關(guān)不同種類混合起泡劑對低階煤浮選的影響卻鮮有報(bào)道。基于此，選用不同鏈長的醇類起泡劑與聚乙二醇復(fù)配進(jìn)行浮選試驗(yàn)，采用表面張力與泡沫穩(wěn)定性測試，以探索復(fù)配起泡劑對低階煤泥浮選的影響。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)所用煤樣取自兗州煤業(yè)股份有限公司轉(zhuǎn)龍灣煤礦的低階煤，原煤經(jīng)過破碎篩分制備<0.5 mm細(xì)粒級樣品。按照GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》[15]和GB/T 31391—2015《煤的元素分析》[16]的規(guī)定，對樣品進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，結(jié)果見表1。由表1可知：原煤水分、灰分、揮發(fā)分分別為9.43%、15.64%、27.16%，碳、氫、氧、氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為79.01%、4.68%、14.84%、0.99%。

表1 原煤工業(yè)分析和元素分析

1.2 煤泥浮選動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

浮選動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)在XFD-0.5 L單槽浮選機(jī)內(nèi)進(jìn)行，礦漿濃度為80 g/L，葉輪攪拌速度為1 800 r/min，充氣量為0.8 L/min。捕收劑為柴油，用量恒定為4 kg/t；起泡劑種類見表2，用量分別為250、500、1 000、1 500 g/t。起泡劑復(fù)配時(shí)，按照短鏈醇∶PEG分別為9∶1、8∶2、7∶3進(jìn)行復(fù)配。

表2 起泡劑種類及性質(zhì)

浮選動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)步驟描述如下：首先將40 g煤樣充分潤濕攪拌調(diào)漿120 s，加入柴油繼續(xù)攪拌120 s，隨后加入起泡劑調(diào)漿30 s，打開進(jìn)氣閥開始充氣并計(jì)時(shí)，依次收集10、20、40、60、120 s的精煤和尾煤。對各個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行過濾、烘干、稱重、制樣和燒灰，每組試驗(yàn)重復(fù)兩次。試驗(yàn)采用經(jīng)典一級動(dòng)力學(xué)模型擬合浮選試驗(yàn)結(jié)果：

ε=ε∞(1-e-kt)，

(1)

式中：ε∞為最大可燃體回收率；k為浮選速率常數(shù)；t為浮選時(shí)間。使用Origin 9.0軟件對采用不同起泡劑時(shí)的浮選時(shí)間和可燃體回收率關(guān)系進(jìn)行擬合，所得相關(guān)系數(shù)(R2)越大表明結(jié)果越可靠。

1.3 表面張力試驗(yàn)

采用德國Kruss-K100表面張力儀，分別測定不同濃度下單一及復(fù)配起泡劑的表面張力。試驗(yàn)溫度恒定為20 °C，室溫下測得去離子水表面張力為72.42 mN/m。每組試驗(yàn)重復(fù)三次，取平均值。

1.4 泡沫穩(wěn)定性試驗(yàn)

在φ50 mm浮選柱中注入60 mL不同起泡劑溶液，固定充氣量為0.04 m3/h，充氣2 min后，泡沫高度達(dá)到穩(wěn)定值，測量氣-液界面與泡沫頂端的距離，記錄為最大泡沫層高度。停止充氣后，記錄泡沫高度衰變到一半時(shí)所用的時(shí)間作為半衰期。每組試驗(yàn)重復(fù)三次，保證誤差在合理范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選試驗(yàn)結(jié)果分析

單一起泡劑條件下，起泡劑用量對浮選精煤產(chǎn)率和灰分的影響如圖1所示。由圖1可以看出：隨著起泡劑用量從250 g/t增加至1 000 g/t，精煤產(chǎn)率增加，精煤灰分基本保持不變；用量繼續(xù)增加至1 500 g/t時(shí)，精煤產(chǎn)率趨于穩(wěn)定。在用量為250 g/t和500 g/t時(shí)，三種短鏈醇的產(chǎn)率高于PEG，但當(dāng)用量增加至1 000 g/t和1 500 g/t時(shí)，PEG的產(chǎn)率顯著高于短鏈醇。從浮選動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果可以看出，當(dāng)起泡劑用量為1 000 g/t時(shí)，PEG浮選速率最快，正戊醇最慢。起泡劑單獨(dú)使用時(shí)，浮選效果由好到壞依次為PEG>仲辛醇>MIBC>正戊醇。

圖1 單一起泡劑煤泥浮選試驗(yàn)結(jié)果

固定起泡劑用量為1 000 g/t，探究復(fù)配起泡劑對浮選結(jié)果的影響。三種短鏈醇與PEG按不同比例復(fù)配后煤泥浮選結(jié)果如圖2—圖4所示。由圖2—圖4可知：隨著復(fù)配起泡劑中PEG用量的增加，精煤產(chǎn)率顯著增加，精煤灰分變化不明顯。復(fù)配起泡劑浮選精煤產(chǎn)率優(yōu)于短鏈醇，但又弱于PEG。其中，正戊醇和PEG復(fù)配后浮選精煤產(chǎn)率明顯高于MIBC、仲辛醇與PEG復(fù)配。浮選動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果表明，浮選速率隨著PEG含量的增加而增加，其中，正戊醇和PEG復(fù)配后浮選速率最快。

圖2 正戊醇與PEG復(fù)配起泡劑煤泥浮選試驗(yàn)結(jié)果

圖3 MIBC與PEG復(fù)配起泡劑煤泥浮選試驗(yàn)結(jié)果

圖4 仲辛醇與PEG復(fù)配起泡劑煤泥浮選試驗(yàn)結(jié)果

2.2 表面張力結(jié)果分析

起泡劑濃度對表面張力的影響如圖5所示。由圖5可知：隨著起泡劑濃度的增加，表面張力降低，但降低幅度不同。PEG表面張力下降最明顯，其次是仲辛醇，MIBC和正戊醇下降幅度最小，這表明四種起泡劑的表面活性大小依次為PEG>仲辛醇>MIBC>正戊醇，這符合表面張力的Traube[17-18]規(guī)律，即對于具有相似結(jié)構(gòu)的醇類起泡劑，烴鏈的增長有利于降低表面張力。

圖5 起泡劑濃度對表面張力的影響

不同種類復(fù)配起泡劑濃度對表面張力的影響如圖6所示。由圖6可知：隨著濃度增加，復(fù)配起泡劑表面張力均降低，且隨著復(fù)配比例中PEG組分的增加，表面張力下降幅度變大。復(fù)配起泡劑表面張力低于短鏈醇，略高于PEG。三種比例復(fù)配下混合溶液的表面張力更接近于PEG，表明混合溶液中PEG的性能占主導(dǎo)。比較三種短鏈醇和PEG復(fù)配后溶液表面張力大小可知，正戊醇和PEG復(fù)配后，溶液表面張力下降幅度明顯大于MIBC、仲辛醇與PEG復(fù)配，這表明烴鏈越短，與PEG復(fù)配后表面活性越大，降低表面張力的能力越強(qiáng)。

圖6 復(fù)配起泡劑濃度對表面張力的影響

2.3 泡沫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

不同起泡劑最大泡沫層高度、半衰期與濃度的關(guān)系如圖7所示。由圖7(a)可知，最大泡沫層高度隨著起泡劑濃度的增加而增加。PEG在較低濃度下即可達(dá)到較大的泡沫層高度。PEG的泡沫層高度最大，仲辛醇次之，再次是MIBC，正戊醇最小，這說明PEG的起泡能力最強(qiáng)。泡沫的穩(wěn)定性采用半衰期來表征。從圖7(b)可知，隨著起泡劑用量的增加，泡沫半衰期逐漸增大，正戊醇的泡沫衰變時(shí)間最短，MIBC次之，再次是仲辛醇，PEG衰變時(shí)間最長，表明PEG泡沫穩(wěn)定性最強(qiáng)。

圖7 不同起泡劑最大泡沫層高度、半衰期與濃度的關(guān)系

選取起泡劑用量為1 000 g/t，按不同比例將短鏈醇與PEG進(jìn)行復(fù)配。不同種類復(fù)配起泡劑最大泡沫層高度、半衰期隨濃度的變化如圖8所示。由圖8可知，隨著復(fù)配起泡劑中PEG含量的增加，最大泡沫層高度逐漸增加，復(fù)配起泡劑最大泡沫層高度大于短鏈醇但小于PEG。三種短鏈醇單獨(dú)使用時(shí)，仲辛醇的泡沫層高度最大，正戊醇最小，但按不同比例復(fù)配后，正戊醇和PEG復(fù)配泡沫高度明顯大于MIBC、仲辛醇與PEG復(fù)配。泡沫半衰期也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，這是由于正戊醇碳鏈最短，與PEG長鏈復(fù)配后產(chǎn)生了協(xié)同吸附，可以在氣-液界面形成緊密結(jié)合的吸附層，增強(qiáng)了Gibbs-Marangoni效應(yīng)，增大了氣-液界面的膜的彈性，從而提高了泡沫穩(wěn)定性[19]。

圖8 復(fù)配起泡劑最大泡沫層、半衰期與濃度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)四種起泡劑單獨(dú)使用時(shí)，低階煤浮選精煤產(chǎn)率隨著起泡劑用量的增加而增加，精煤灰分變化不明顯；PEG浮選精煤產(chǎn)率最高，浮選速率最快，正戊醇浮選精煤產(chǎn)率最低。三種短鏈醇和PEG復(fù)配后，浮選精煤產(chǎn)率隨著PEG用量的增加而增加，其中正戊醇與PEG復(fù)配效果最好。

(2)測試不同起泡劑表面張力可知，起泡劑單獨(dú)使用時(shí)，PEG表面活性最大，表面張力降低幅度最大。起泡劑復(fù)配后，表面張力隨著復(fù)配比例中PEG含量的增加而降低。復(fù)配起泡劑表面張力小于短鏈醇，略高于PEG。正戊醇和PEG復(fù)配后，溶液表面張力下降幅度最大，這表明烴鏈越短和PEG復(fù)配后表面活性越大，降低表面張力的能力越強(qiáng)。

(3)泡沫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，起泡劑單獨(dú)使用時(shí)，PEG起泡能力和穩(wěn)泡能力最強(qiáng)，正戊醇最弱。起泡劑復(fù)配時(shí)后，正戊醇與PEG復(fù)配泡沫穩(wěn)定性最強(qiáng)。這是由于正戊醇碳鏈最短，與PEG長鏈復(fù)配后產(chǎn)生了協(xié)同吸附，增強(qiáng)了Gibbs-Marangoni效應(yīng)，提高了泡沫穩(wěn)定性。