超聲波預處理加強浮選性能研究

呂青川

（山西霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦白龍洗煤廠，山西 霍州 031400）

0 引言

隨著煤礦自動化、機械化開采技術的發展，產生極多的細粒煤使得浮選效率下降，其中有一部分細粒煤滿足精煤產品質量因浮選效果不佳而隨尾煤售賣，造成了極大的經濟損失和資源浪費。如何在保證產品質量的前提下提高浮選產率成為煤炭洗選加工領域一項重要課題，目前極大多數礦業集團采用對浮選入料進行預處理來提高浮選效率。本文從煤漿超聲波預處理著手，通過改變超聲波功率、超聲波預處理時間和超聲波預處理的工藝順序，研究浮選效率變化確定最佳預處理方案，并對其具體作用機理進行分析。

1 樣品制備及藥劑準備

本文使用的煤樣是白龍選煤廠浮選入料，對其進行工業分析，結果見表1。

表1 樣品工業分析

如圖1所示，浮選入料主要來自高頻篩下水以及離心機離心液，煤炭粒度為-0.5 mm。

圖1 浮選流程圖

本文所使用的起泡劑（仲辛醇）、捕收劑（煤油）均來自此選煤廠使用的浮選藥劑。

2 試驗研究方法

2.1 超聲波預處理試驗

本文主要是通過超聲波對浮選入料煤漿預處理影響浮選精煤產率進行研究。試驗過程中通過改變超聲波功率（65、85、105、125、145 W）、預處理時間（2.5、5、10、15、20 min）及3種預處理工藝順序（如圖2所示）對浮選精煤產率的影響，得出最佳浮選結果的試驗條件。

圖2 超聲波預處理工藝流程圖

2.2 浮選試驗

本文試驗選用1L的XFD-II3L型單槽浮選機，具體浮選試驗參數見表2，試驗操作按照單元浮選試驗方法GB4757-2013標準進行，使用相同煤樣不經過超聲波預處理進行浮選試驗，作為空白試驗對照。

表2 浮選試驗參數表

3 試驗結果與分析

3.1 煤樣表征結果與分析

3.1.1 礦物組成分析

由圖3所示，是否經過超聲波預處理浮選精煤煤樣主要礦物組成并沒有發生明顯變化，均為方解石（CaCO3）、高嶺石（Al2O3·2SiO2·2H2O）、蒙脫石（NaO3（Al,Mg）2[Si4O10](OH)2·8H2O）、伊利石（KAl2[（SiAl）4O10].（OH）2.nH2O）和石英（SiO2），煤樣的002峰結構特征明顯，特征衍射峰均相對較弱，符合精煤特征。從圖2種煤樣XRD曲線對比可以看出，超聲波預處理后浮精相較于未處理浮精主要礦物的特征衍射峰均有所減弱，說明經過各礦物含量均有所下降。

圖3 不同預處理方式浮選精煤XRD圖

3.1.2 煤樣接觸角分析煤樣表面潤濕性的差異是浮選分離的基礎條件，差異性越大煤樣更易與其余物質進行分離，而接觸角的大小通常能夠表示煤樣潤濕性的差異。對預處理前后煤樣進行接觸角試驗，結果如圖4所示，經過超聲波預處理的煤樣接觸角為60.5°，明顯大于未經過預處理煤樣接觸角，說明經過超聲波處理能夠使得煤樣潤濕性有所增強。煤樣所含礦物質中方解石和石英等具有較強的親水性，經過超聲波預處理使其與煤樣進行有效分離，使得煤樣與液面接觸面積增大，接觸角增加，具有更強的疏水性，可以有效增加浮選產率。

圖4 煤樣預處理前后接觸角表征圖

3.1.3 紅外光譜分析

由圖5所示，經不同強度、不同時間的超聲波預處理后煤樣的紅外圖譜總體走勢相似，只有一部分官能團的強弱發生了變化。紅外分析結果對比來看，3 350 cm-1對應-OH的特征峰，在1 650 cm-1處對應羰基（>C=O）的特征峰，1 100～1 330 cm-1對應C-O的特征峰。在874 cm-1對應芳香環中氫的特征峰。對比交過來看，經過超聲波處理煤樣在幾處峰值均有所降低，說明官能團有所減少，與XRD表征結果相映證；減少的含氧官能團為親水集團，使得超聲波預處理后煤樣疏水性增強，與接觸角表征結果相映證。

圖5 超聲波預處理煤樣FT-IR分析結果

3.2 調整超聲波功率及預處理時間對浮選試驗結果影響

調整超聲波參數對浮選試驗影響結果如圖6所示，當超聲波功率為125 W、預處理時間為10 min時，浮選效率最佳，浮選精煤產率為78.3%，相較與未經過預處理浮選產率有著明顯提升。試驗結果基本呈現同一規律，先升高后下降，這可能是因為超聲波在預處理過程中起到分散顆粒的作用，去除煤粒表面富集的礦物質和煤泥，使得煤樣更多表面暴露，同時能夠使得煤粒絮凝，增強其可浮性；但10 min后隨著時間的增加浮選產率反而下降，這可能是因為對煤樣進行長時間超聲波處理會導致煤粒自身破碎，導致煤樣泥化嚴重，降低浮選效率。

圖6 超聲波預處理煤漿浮選試驗結果圖

對超聲波預處理煤樣進行灰分測定，結果見表3。在超聲波參數設定為125 W、10 min時浮選精煤灰分最佳，達到6.75%，與未經過超聲波處理浮選精煤灰分（9.58%）相比有了明顯降低，說明預處理后精煤品質有著明顯提升。這可能是因為超聲波對煤樣造成一定脫附作用，使得原煤煤樣上附著的高灰細煤與高灰礦物質產生有效的分離，使得產品精煤品質有所提高。

表3 超聲波預處理浮選試驗結果表

3.3 調整超聲預處理工藝對浮選試驗結果影響

在不同工藝流程進行超聲波預處理浮選試驗，結果如圖7、表3所示，在加入捕收劑后進行超聲波預處理然后加入起泡劑的浮選工藝效果最好，浮選精煤產率達到83.5%，精煤灰分為6.13%。這可能是因為超聲波能夠促進藥劑乳化，同時也能夠影響到重晶石、方解石吸附藥劑的能力，使得浮選效果有著明顯提升。

圖7 不同工藝流程浮選試驗結果圖

表4 不同工藝流程浮選試驗結果表

4 結論

1）超聲波預處理能夠使煤樣中主要礦物含量減少，可浮性增大，疏水性增強。

2）超聲波對煤樣預處理最佳功率為125 W，最佳時間為10 min，最佳工藝為加入捕收劑后進行超聲波預處理然后加入起泡劑的浮選流程。

3）在實驗室條件下，經過超聲波預處理后，浮選產率由53%提高至83.5%，精煤灰分由9.58%降低至6.13%，浮選效果有著明顯提升。