環保型煤泥浮選起泡劑的研發與應用

董婷婷，張家軒，康 睿，張晉維

(中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083)

礦物顆粒與氣泡的碰撞、黏附以及脫附構成了浮選微觀模型中的3個獨立過程。在該過程中，產生適量的、大小合適的氣泡是起泡劑在礦物浮選過程中最基本的作用，但同時起泡劑的種類和用量還影響著礦物顆粒之間的接觸以及泡沫層中是否能促使黏附在氣泡中的疏水性礦粒和親水性礦粒分離等過程[1-3]。因此，起泡劑性能的優劣如同捕收劑一樣，將直接影響浮選指標。然而，在很長一段時間內，科研工作者將更多的注意力放在捕收劑的研究上，而忽略了對起泡劑的研究；同時在實際生產中因捕收劑可供選擇的種類較多，技術人員也常常忽略起泡劑的作用。長期以來，我國選煤廠所用的煤泥浮選起泡劑大多是化工副產品起泡劑，臨渙選煤廠也是如此。此類煤泥浮選起泡劑技術含量低、腐蝕性強、氣味刺鼻，會對煤泥浮選車間甚至整個主廠房的工作環境造成污染，嚴重影響到操作工人的身體健康[4-5]。在當前大力提倡環保、綠色發展的大環境下，開發安全、綠色環保的煤泥浮選劑已成為大勢所趨，也是企業急需解決的問題之一。

臨渙選煤廠有6種不同煤種(肥煤孫疃礦、肥煤許疃礦、肥煤袁一礦、1/3焦煤臨渙礦、肥煤青東礦、1/3焦煤童亭礦)，礦井原煤煤質變化大，且大部分入浮煤樣細泥含量較高，浮選過程中藥耗較大，因此使用高選擇性的起泡劑才能有效降低高灰細泥對浮選的影響[6-7]。本研究結合臨渙選煤廠的煤泥特點，研發了性價比較高的、環保型的KD-1Q煤泥浮選起泡劑。

1 試驗部分

1.1 試驗試劑與儀器

戊醇(C5H12O)，仲辛醇(C8H18O)，天津市北聯精細化學品開發有限公司，分析純；參比樣：烷基醇酰胺起泡劑。

單槽浮選機(XFD1.0-1L)，吉林省探礦機械廠; 界面張力儀，法國泰克利斯公司；量熱儀，華星能源儀器有限公司。

1.2 KD-1Q型起泡劑的研發

醇類起泡劑是煤炭浮選常用的一類起泡劑。醇類起泡劑中以戊醇、己醇、庚醇和辛醇(即C5、C6、C7和C8)起泡能力最大。本課題根據臨渙選煤廠的煤質情況，在極性基均為羥基的情況下，優化非極性基的長度和結構，選擇了戊醇C5和仲辛醇C8的混合物作為本項目的醇類起泡劑[8]。通過實驗室單因素和均勻浮選試驗，比較浮選效果，確定戊醇和仲辛醇的摩爾比為1∶3，利用戊醇和仲辛醇的互溶性質攪拌混合成環保型KD-1Q混合醇類起泡劑。

1.3 試驗方法

1.3.1表面張力的測定

利用懸滴法測量氣液表面張力，具體過程如下：首先用微量加藥器分別取一定量的KD-1Q或烷基醇酰胺起泡劑，加入盛有100 mL水的燒杯中，配制成質量濃度分別為20、30、50、100、200、300 mg/L 的起泡劑待測液，然后用移液管取待測液 10 mL注入儀器的樣品皿中。為了消除溫度對表面張力的影響，減少測試誤差，樣品皿應置于恒溫水浴中，保持水浴溫度在 25.5 ℃。然后打開軟件，測出KD-1Q和烷基醇酰胺起泡劑在不同質量濃度下的表面張力。

1.3.2泡沫高度的測定

泡沫高度與起泡劑含量的關系采用氣流法測定。以一定流速的氣體通過玻璃砂濾板，濾板上盛有一定量的測試溶液，于是在有刻度的容器中形成泡沫層。固定氣體的流速，用流動平衡時泡沫的高度h作為起泡能力的量度[9]。試驗溫度為20±2℃，空氣流量為0.1 m3/h，調節KD-1Q和其他廠家生產的烷基醇酰胺起泡劑在水中的質量濃度分別為20、30、40、80、100 mg/L的條件下，觀察泡沫高度與起泡劑含量的關系。

1.3.3半衰期的測定

測試方法同1.3.2氣流法，試驗溫度為20±2℃，空氣流量為0.1 m3/h，用停止充氣后泡沫的高度衰減至一半時所需要的時間作為泡沫的半衰期(t)，KD-1Q和烷基醇酰胺起泡劑在水中的質量濃度分別為30、40、70、100、150 mg/L的條件下觀察半衰期與起泡劑含量的關系。

1.3.4潤濕熱的測定

采用混合反應量熱儀進行潤濕熱的測定。將50 g樣品置于研缽中研磨，過100目篩后，取10 g過篩煤樣裝袋備用。為保證煤樣與液體放出的熱量不受測試溫度的影響，控制測量溫度保持在25℃恒定。每次稱取煤樣120 mg。試驗煤樣置于樣品池下室，再取3 mL起泡劑裝入上室作為潤濕液。參比池僅在上室裝入同樣的起泡劑液體。樣品池和參比池放置完畢并等待兩池的熱液平衡后捅破錫箔，此時上室液體進入下室，起泡劑液體與煤樣混合放熱，潤濕熱數據通過計算機監測。

2 結果與討論

2.1 KD-1Q型起泡劑的環保指標

根據青島科標檢測研究院有限公司、寧波出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心、深圳市匯立豐檢測技術有限公司的檢驗結果，混合醇類KD-1Q型起泡劑的部分理化指標和職業健康參數如表1所示。

由表1的檢測結果可知，該KD-1Q型起泡劑無刺激性氣味、低毒、對皮膚無腐蝕性，且不含多環芳烴致癌性成分，符合環保要求和職業健康要求。

表1 KD-1Q的理化指標和職業健康參數Table 1 Physicochemical indexes and occupational health parameters of KD-1Q

2.2 KD-1Q兩相泡沫性質檢測試驗

為了更好地說明KD-1Q 環保起泡劑的起泡能力及其在臨渙選煤廠煤泥浮選中的性能，將KD-1Q與其他廠家生產的烷基醇酰胺環保起泡劑進行了對比。兩相泡沫性質檢測主要從表面張力與起泡劑含量的關系、泡沫層高度與起泡劑含量的關系、半衰期與起泡劑含量的關系進行考察。

2.2.1表面張力與起泡劑含量的關系

起泡劑的表面張力是評價起泡劑起泡性能的重要指標，表面張力小，起泡性能強。兩類起泡劑的表面張力與其在水中質量濃度之間的關系如圖1所示。由該圖可知，烷基醇酰胺起泡劑的表面張力低于KD-1Q，說明烷基醇酰胺起泡劑的起泡能力強于KD-1Q。

圖1 起泡劑表面張力與質量濃度的關系Fig.1 Relation between surface tension and mass concentration of flothers

2.2.2泡沫高度與起泡劑含量的關系

兩類起泡劑的泡沫高度與其在水中質量濃度之間的關系如圖2所示。由圖2可知，烷基醇酰胺起泡劑的表面張力小于混合醇，故其泡沫高度大于KD-1Q起泡劑。

圖2 起泡劑的泡沫高度與質量濃度的關系Fig.2 Relation between the foam height and mass concentration of flothers

2.2.3半衰期與起泡劑含量的關系

兩類起泡劑的半衰期與其在水中質量濃度之間的關系如圖3所示。由圖3可知，當起泡劑的質量濃度相同時，KD-1Q起泡劑的半衰期更短，說明KD-1Q起泡劑在浮選機中形成的泡沫層流動性好，刮出的精礦泡沫更脆、更不穩定，也有利于過濾。

圖3 起泡劑的半衰期與質量濃度的關系Fig.3 Relation between half-life and mass concentration of flothers

2.3 KD-1Q對煤表面潤濕熱三相泡沫檢測試驗

在進行起泡劑對煤表面潤濕熱三相泡沫檢測試驗時，同樣是將KD-1Q與烷基醇酰胺環保起泡劑進行對比，兩種起泡劑對不同原煤潤濕熱的測定結果如表2所示。

表2 兩種起泡劑對不同原煤潤濕熱測定結果
Table 2 Test results of wetting heat of two flothers on different raw coals

起泡劑潤濕熱/(J·g-1)袁一許疃孫疃青東臨渙童亭KD-1Q1.6641.7751.8211.7921.3871.572烷基醇酰胺1.2111.2241.5741.5581.2161.345

由表2可知，KD-1Q起泡劑對煤樣的潤濕熱均高于烷基醇酰胺起泡劑，說明KD-1Q起泡劑更容易吸附在煤顆粒表面。因此，雖然烷基醇酰胺起泡劑表面張力小于KD-1Q起泡劑，容易形成更豐富、更穩定的泡沫層，但對煤顆粒的礦化效果不如混合醇起泡劑，所以其用量要大于KD-1Q起泡劑。

3 工業試驗

3.1 浮選效果

KD-1Q和烷基醇酰胺起泡劑的現場對比試驗結果見表3，其中精煤產率及可燃體回收率的計算公式如下：

(1)

(2)

式中：η為浮選精煤可燃體回收率；γj為浮選精煤產率；w(Aw)為浮選尾礦灰分，%；w(Aj)為浮選精煤灰分，%；w(A入)為浮選入料分，%。

表3 兩種起泡劑現場試驗數據Table 3 Field test data of two flothers

由表3可知，當浮選精煤灰分都滿足生產要求(10.5%～11.0%)時，烷基醇酰胺的30 s藥耗量(47.5 mL)接近KD-1Q藥耗量(21.67 mL)的2倍以上，但烷基醇酰胺的精煤產率和可燃體回收率連KD-1Q的2倍都不到，也就是說要想達到和KD-1Q相同的浮選效果，烷基醇酰胺的藥耗量更大。

3.2 經濟效益

該選煤廠現場入洗原煤量為410 t/h，KD-1Q起泡劑密度為0.86 g/cm3，烷基醇酰胺起泡劑密度為1.016 9 g/cm3，可計算出每小時KD-1Q起泡劑(密度0.86 g/cm3)的用量：

每小時烷基醇酰胺起泡劑(密度1.016 9 g/cm3)的用量：

KD-1Q起泡劑價格為7 940元/t(不含稅)，烷基醇酰胺起泡劑價格為11 947元/t(不含稅)，計算出使用KD-1Q起泡劑洗選每噸原煤的藥劑成本為：

使用烷基醇酰胺起泡劑洗選每噸原煤的藥劑成本為：

由此可知，本研究研發的KD-1Q環保起泡劑相對于其他廠家生產的烷基醇酰胺環保起泡劑節約藥劑成本0.507-0.13=0.377元/(h·t)。

4 結論

1)針對臨渙選煤廠現用的起泡劑存在腐蝕性強、氣味刺鼻、污染環境、傷害工人健康等問題，研發了混合醇(KD-1Q)環保型的煤泥浮選起泡劑。混合醇浮選起泡劑除了具有微量刺激性氣味，其他環保指標和職業健康指標均為優良。

2)KD-1Q起泡劑表面張力大于其他廠家生產的烷基醇酰胺環保起泡劑，起泡能力相比烷基醇酰胺環保起泡劑略差，但其與臨渙選煤廠的6種焦、肥煤樣潤濕熱大于烷基醇酰胺環保起泡劑，即KD-1Q起泡劑對臨渙選煤廠煤顆粒的礦化效果強于后者，所以KD-1Q起泡劑更適用于臨渙選煤廠煤泥浮選。

3)通過工業試驗分析可知， KD-1Q環保起泡劑在臨渙選煤廠的應用相對于其他廠家生產的烷基醇酰胺環保起泡劑每小時每噸節約藥劑成本0.377元。