聚二甲基硅氧烷對煤泥浮選泡沫的強制消泡研究

趙 輝，崔廣文

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.山東科技大學 化學與環境工程學院，山東 青島 266590)

0 引 言

浮選是目前分選細粒煤泥(<0.5 mm)普遍采用的方法，根據煤炭與矸石表面疏水性的差異，使疏水的煤炭黏附在氣泡表面，并隨氣泡上升，從而與親水的脈石分離。浮選過程中會產生泡沫，泡沫中同時含有氣泡、水、顆粒以及浮選藥劑，具有較強的穩定性。目前，一些選煤廠出現浮選精煤泡沫過于穩定的情況[1-2]，導致浮選精礦桶時常溢料，嚴重影響浮選精煤的脫水效率，制約選煤廠的正常生產。

浮選精煤泡沫的消泡方法可分為物理消泡和化學消泡2種方式。其中物理消泡方法包括：靜置法、噴淋法、升溫法、機械攪拌法和真空消泡法[3-4]。其中靜置法和噴淋法是大多數選煤廠采用的方法，即將浮選精煤泡沫打入浮選精礦桶中，使其中的泡沫自然靜置消泡，若泡沫難以消除，則在泡沫層上方設置噴淋水進行強制消泡。升溫法、機械攪拌法、真空消泡法由于成本較高，且操作復雜，很少在現場應用[4]。化學消泡法是通過添加消泡劑增加泡沫的表面張力，加速泡沫中氣泡的兼并和排液，是一種較高效的消泡方法[5]。

目前常用的消泡劑包括有機硅類、聚醚類、脂肪酰胺類和磷酸酯類4種[6]，其中有機硅消泡劑具有優良的消泡活性和環境友好性，在化工、石油、造紙、醫藥等領域具有廣泛的應用[7]。有學者將有機硅消泡劑用于處理鋁土礦[8]、赤鐵礦[9]、膠磷礦[10-11]的浮選泡沫中，取得了較好的消泡效果。筆者將有機硅消泡劑用于具有天然疏水性的煤泥浮選泡沫，系統研究在不同水質硬度的條件下浮選精煤泡沫的穩定性、礦漿黏度和溶液表面張力，探究了有機硅消泡劑的消泡機理，為煤泥浮選泡沫的高效消泡提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用煤泥取自山西某選煤廠，該煤泥的粒度和密度組成見表1和表2。由表1可知，該煤泥中主導粒級為<0.045 mm的細泥，其產率和灰分都明顯高于其他粒級。由表2可知，該煤泥中主導密度級為1.50～1.60 g/cm3，產率為68.41%，灰分為22.18%，說明煤泥中疏水性中等的連生體顆粒較多。

表1 煤泥篩分試驗結果

表2 煤泥浮沉試驗結果

試驗所用的消泡劑為聚二甲基硅氧烷，采購自山東大易化工有限公司。消泡劑分子式為(CH3)3SiO[(CH3)3SiO]n-Si(CH3)3，其封端為甲基，分子量為5 800，黏度為100 mPa·s，在常溫下將其配制成質量濃度10 g/L的溶液備用，即在1 L去離子水中加入10 g聚二甲基硅氧烷，用磁力攪拌器攪拌10 min，使其分散均勻。按照水的硬度k(mmol/L)計算公式(式(1))，在750 mL去離子水中添加一定質量CaCl2和MgCl2固體，配制不同硬度的水溶液(表3)。添加煤泥，并加入捕收劑(煤油，用量1 kg/t)和起泡劑(甲基異丁基甲醇，0.2 kg/t)進行三相泡沫穩定性測試和礦漿黏度測試。溶液表面張力測試在不同硬度的水溶液中進行。

表3 不同硬度的水溶液配制

(1)

式中，n為離子物質的量濃度。

1.2 試驗方法

1.2.1三相泡沫穩定性試驗

利用無溢流浮選柱進行浮選精煤氣-液-固三相泡沫穩定性測試，試驗裝置如圖1所示。用XFD-1.5 L單槽浮選機調漿，將750 mL水與45 g煤泥混合后加入浮選槽中攪拌，葉輪轉速為1 900 r/min，攪拌2 min后，加入1 kg/t煤油繼續攪拌2 min，之后加入0.2 kg/t甲基異丁基甲醇，再攪拌30 s，完成調漿過程。將調漿后的煤泥加入無溢流浮選柱中開始充氣，充氣量為0.42 m3/(m2·min)。充氣后產生三相泡沫并不斷上升，但泡沫始終低于柱體高度，無法通過溢流排出。5 min后停止充氣，泡沫開始衰變，在浮選泡沫層上方用接有分散噴頭的注射器(容積50 mL)加入一定濃度的消泡劑溶液。泡沫衰變過程中，每10 s測量一次泡沫高度。采用泡沫高度下降的速度和半衰期表征三相泡沫的穩定性。每個條件下進行2次平行試驗。

圖1 三相泡沫穩定性測試裝置

1.2.2礦漿黏度測定

使用ViscoQC旋轉黏度計測試不同條件下礦漿的黏度，所用的礦漿與測試三相泡沫穩定性的礦漿相同。測試時葉輪轉速為100 r/min，溫度為25 ℃，每個條件下進行2次平行試驗。

1.2.3溶液表面張力測定

使用POWEREACH JK99D型全自動張力儀測量溶液表面張力，每一組試驗之前測定去離子水的表面張力對儀器進行校正。分別在不加起泡劑和起泡劑濃度為0.2 kg/t的情況下，配制不同濃度的消泡劑溶液，測定其表面張力，每個條件下進行2次平行試驗。

2 結果與討論

2.1 消泡劑對三相泡沫穩定性的影響

浮選精煤三相泡沫的高度在不同條件下隨時間的變化曲線如圖2所示。圖2結果表明，在試驗所選取的水的硬度范圍內(2～50 mmol/L)，三相泡沫高度在未加消泡劑時降低最慢，在水硬度為2、10和50 mmol/L時，在300 s內均未衰變至起始高度的一半，最終泡沫層高度分別為13.2、13.8和17.2 cm。而在消泡劑質量濃度為0.1 g/L時三相泡沫衰變最快，在水的硬度為2 mmol/L和10 mmol/L時，最終泡沫層高度基本為0，說明泡沫在300 s內可完全消除，而在水的硬度為50 mmol/L時，最終泡沫層高度為9.4 cm，說明水質較硬時，即使添加消泡劑也無法在短時間內使泡沫完全消除。隨著消泡劑濃度繼續升高，三相泡沫的衰變速度逐漸變慢。這說明消泡劑濃度較低時具有更好的消泡效果，消泡劑用量過大并不利于消泡[5,9,11]，這一規律與相關文獻的結果一致。對比不同水質硬度條件下的三相泡沫高度的變化情況可知，在低硬度條件下(2 mmol/L)，泡沫的衰變更快，而在高硬度條件下(50 mmol/L)，泡沫的衰變變慢，這主要是由于溶液中的Ca2+和Mg2+吸附到氣泡表面后會使氣泡的水化膜變厚，使氣泡間的水合斥力增強，從而阻止氣泡兼并，使氣泡和泡沫的穩定性增強，泡沫的衰變受到抑制[12]。因此消泡劑在水的硬度較低時消泡效果更為顯著。

表4列出了不同條件下浮選精煤泡沫的半衰期，即泡沫高度降低到泡沫起始高度一半時的時間。在未添加消泡劑時，浮選精煤泡沫的半衰期均大于300 s，這說明對于本次研究所選用的煤泥，在浮選時易出現泡沫過于穩定難以消除的問題，這與選煤廠現場實際情況吻合。而添加消泡劑后，泡沫的半衰期顯著下降，尤其是在消泡劑用量為0.1 g/L時，泡沫的半衰期在水的硬度為2、10、50 mmol/L時分別降低至55、42和90 s。隨著消泡劑用量的繼續增加，浮選精煤泡沫的半衰期逐漸升高，尤其是在水的硬度為50 mmol/L，消泡劑用量大于0.3 g/L時，泡沫的半衰期均大于300 s，與未添加消泡劑的結果相似。這說明，當水質硬度較低時，聚二甲基硅氧烷消泡劑的消泡效果十分明顯，能顯著降低煤泥浮選泡

表4 不同消泡劑用量下浮選精煤泡沫的半衰期

沫的高度并減小泡沫半衰期，隨著水質硬度的提高，消泡劑的消泡效果逐漸減弱。

2.2 有機硅消泡劑對礦漿黏度的影響

浮選泡沫是復雜的氣-液-固三相體系，影響泡沫穩定性的因素很多，包括氣泡尺寸與穩定性、泡沫排液速率、泡沫中固體顆粒性質等。其中礦漿黏度是影響泡沫排液速率的重要因素[13]。礦漿黏度主要取決于礦漿中不溶于水的油相液滴和顆粒的尺寸和數量，微小尺寸的油滴和顆粒的數量越多，礦漿黏度越大。在浮選泡沫中，氣泡之間的間隙中充填有礦漿，其中非選擇性地夾帶了一些微細顆粒，即通常所說的高灰細泥的水流夾帶污染。當礦漿黏度較大時，氣泡內部的氣體向外擴散的速度變慢，氣泡難以破裂。同時氣泡間隙中的礦漿向下運動所受的阻力很大，泡沫的排液受到抑制[14]。因此泡沫的衰變將十分緩慢，從宏觀上表現為泡沫難以消泡。因此對不同消泡劑用量下礦漿的表觀黏度進行了測試，結果如圖3所示。由圖3可知，隨著消泡劑用量的增加，礦漿表觀黏度逐漸下降，在消泡劑用量為0.1 g/L時下降幅度最大，之后下降幅度很小。通過向浮選精煤泡沫中添加聚二甲基硅氧烷，可以降低礦漿的黏度，這可能有2方面的原因：一是中性的聚二甲基硅氧烷吸附到煤炭與礦物顆粒表面，降低了顆粒表面的電性，從而使顆粒間的靜電排斥力減弱，顆粒由分散變為團聚，從而使礦漿黏度降低[9]。另一方面，顆粒吸附聚二甲基硅氧烷后，表面的水化膜變薄，使顆粒運動所受的阻力減小，也會導致礦漿的黏度降低[15]。因此向浮選泡沫中加入聚二甲基硅氧烷后，加速了泡沫排液速率，同時使泡沫中夾帶的微細顆粒數量減少，泡沫的穩定性顯著降低。

圖3 消泡劑對礦漿表觀黏度的影響

隨著消泡劑用量的增加，礦漿黏度始終在降低，對消泡應該是有利的。但泡沫穩定性的測試結果表明，當消泡劑用量大于0.2 g/L時，最終泡沫層高度和泡沫的半衰期均有所升高，說明泡沫的穩定性有所增加。該變化可能是由于礦漿黏度之外的其他因素導致，因此后文對溶液的表面張力進行測試。

2.3 有機硅消泡劑對溶液表面張力的影響

溶液表面張力隨消泡劑用量的變化結果如圖4所示。由圖4可知，在未添加起泡劑的情況下，溶液表面張力隨消泡劑用量的增加先迅速降低，再保持平穩，在消泡劑質量濃度為0.1 g/L時達到最小值，在水的硬度為2、10和50 mmol/L時分別為41.0、53.0和44.2 mN/m，說明單獨添加消泡劑具有降低表面張力的作用。并且繼續增加消泡劑用量后，溶液表面張力基本不再變化，說明此時已經達到了聚二甲基硅氧烷的臨界膠束濃度，過量的消泡劑將在溶液中形成膠束，這也是礦漿的表觀黏度在消泡劑濃度超過0.1 g/L后降低幅度變小的原因。而在添加起泡劑且用量為0.2 kg/t的情況下，溶液的表面張力隨著消泡劑濃度的增加先升高后降低，在消泡劑質量濃度為0.1 g/L時表面張力達到最大值，在水的硬度為2、10和50 mmol/L時分別為45.0、46.1和40.0 mN/m，此時由于表面張力升高，氣泡更容易發生破裂和兼并，因此會促進消泡。綜合分析可知，起泡劑和消泡劑單獨使用時，都能起到表面活性劑的作用，降低溶液的表面張力。但是在添加起泡劑之后再加入消泡劑，能夠使溶液的表面張力升高，從而達到消泡的作用。

圖4 消泡劑對溶液表面張力的影響

已有研究發現，氣泡表面液膜變薄的速率與表面張力、溶液黏度[16]具有如下關系：

(2)

其中，h為氣泡表面液膜厚度；t為時間；μ為溶液的動力黏度；σ為溶液的表面張力；R為液膜半徑；Rb為氣泡半徑；Π為分離壓。由式(2)可知，在氣泡尺寸和分離壓一定的情況下，氣泡表面液膜厚度的變化主要受到表面張力和黏度的影響。黏度減小和表面張力增大，都會使液膜的排液速率?h/?t加快，從而促進氣泡兼并及破裂，宏觀上表現為泡沫穩定性降低、泡沫衰變加速。在存在起泡劑且消泡劑用量為0.1 g/L時，礦漿的黏度顯著降低，且溶液的表面張力升高。表面張力的升高主要是由于聚二甲基硅氧烷與起泡劑(甲基異丁基甲醇)分子之間具有較強的氫鍵作用，因此氣-液界面上的起泡劑分子濃度降低，這與XU等[17]所提出的柴油對浮選泡沫穩定性的抑制作用的研究結果一致。柴油和聚二甲基硅氧烷均會使氣泡表面的起泡劑濃度降低，導致液膜排液加快，氣泡破裂加劇，從而起到消泡作用。在低消泡劑用量時，礦漿黏度與表面張力的雙重作用導致氣泡的排液速率顯著加快，消泡效果十分顯著。而隨著消泡劑濃度繼續升高，溶液的表面張力開始逐漸降低，這是由于聚二甲基硅氧烷與起泡劑分子的互溶后共同吸附于氣泡表面，導致消泡劑的消泡效果減弱。因此，在使用聚二甲基硅氧烷作為煤泥浮選泡沫的消泡劑時，應嚴格控制消泡劑用量，從而達到最佳的消泡效果，同時減少藥劑成本。

3 結 論

1)聚二甲基硅氧烷作為消泡劑時能夠顯著降低煤泥浮選三相泡沫的穩定性，且在低用量(0.1 g/L)和水質硬度較低時效果更加顯著，在水的硬度為2 mmol/L和10 mmol/L時，三相泡沫的半衰期由大于300 s分別降低至55 s和42 s，當水的硬度升高至50 mmol/L時，消泡效果受到抑制。

2)聚二甲基硅氧烷可以降低煤泥浮選礦漿的表觀黏度，且在用量為0.1 g/L時降低幅度最大，隨著消泡劑濃度繼續升高，礦漿表觀黏度的降低幅度逐漸變小并趨于平穩。

3)聚二甲基硅氧烷單獨使用時會使溶液的表面張力降低，而在起泡劑存在的情況下，低用量的聚二甲基硅氧烷(0.1 g/L)會使溶液的表面張力升高，從而加速氣泡表面的液膜變薄，促進氣泡兼并和破裂，起到消泡作用，隨著聚二甲基硅氧烷用量繼續升高，溶液的表面張力又逐漸下降，聚二甲基硅氧烷的消泡作用逐漸減弱。