司班80表面活性剂预处理改善褐煤的浮选研究

唐晓燕

(中国矿业大学应用技术学院，江苏省徐州市，221008)

1 引言

浮选是分离细粒煤的最有效的手段之一，尤其适合于粒度小于0.1mm的细粒煤泥。从褐煤、烟煤到无烟煤，烟煤的可浮性最好。因此，烟煤的浮选分离效果最佳，需要的药剂消耗也最低。但是，对于低变质程度的褐煤而言，其表面往往含有大量的含氧官能团，其亲水性强、可浮性差，采用常规的油性药剂 (柴油、煤油等)很难有效地进行浮选。

相关专家采用各种方法以改善褐煤可浮性，例如将沥青和低阶煤干法共磨后进行浮选的方式显著提高了低阶煤的可燃体回收率；采用加热预处理的方式改善褐煤的可浮性，将煤样在105℃下预加热4h可以显著改善褐煤的可浮性，预加热可以降低褐煤的含水量；采用微波预处理的方式改善褐煤的可浮性，微波预处理可以降低褐煤的水分，对褐煤表面进行快速干燥，从而提高褐煤的疏水性。除此之外，其他预处理手段，如超声波、高速调浆等手段同样可以提高褐煤的浮选回收率。

表面活性剂作为一种表面改性剂一直以来都很受关注，表面活性剂早已被用于改善褐煤的疏水性。司班作为一种表面活性剂，在水煤浆制浆领域应用广泛，但很少被用于煤炭浮选领域。司班可以在煤粒表面产生覆盖，从而在某种程度上也许可以作为煤粒表面疏水性的改善剂。

本文采用XPS对褐煤表面官能团进行表征，以期得到褐煤表面的官能团特性。浮选试验采用司班80作为表面活性剂对褐煤矿浆进行预处理，探索不同浓度的表面活性剂对褐煤浮选的影响。通过本文的研究，可以为褐煤的有效浮选提供一种新的途径。

2 试验及试验步骤

2.1 煤样分析

试验煤样来源于内蒙地区，其水分含量为10.13%、挥发分为20.50%、固定碳为39.32%、灰分为30.05%、硫分为1.68%，褐煤由于多孔隙结构，因而含水量大。煤样预先采用棒磨机进行干法磨矿，将褐煤粒度磨至200目以下。

2.2 XPS表征

采用ESCALAB 250Xi型数字化多功能光电子能谱仪对煤样进行XPS测试，单色化Al靶为激发源，束斑尺寸为900μm，系统工作真空优于3×1013MPa。宽扫通过能为100eV，步长为1eV，停留时间为50ms，窄扫通过能为20eV，步长为0.05eV，停留时间为100ms，采用Cls 284.6eV对谱峰进行荷电校正。

2.3 浮选试验

使用司班80作为表面活性剂，柴油作为捕收剂，仲辛醇作为起泡剂。首先将煤样置于浮选槽内搅拌1min后，再加入司班80表面活性剂搅拌5min，然后加入柴油捕收剂继续搅拌3min，最后加入仲辛醇搅拌1min后开启充气，收集精煤泡沫产品，将所得精煤产品进行过滤、烘干、称重和烧灰，得到精煤可燃体回收率、精煤灰分和浮选完善指标。

司班80的用量分别为0%、0.5%、1%、1.5%和2%，每次浮选采用100g煤样，即表面活性剂用量分别为0g、0.5g、1g、1.5g和2g。

3 试验结果及讨论

3.1 XPS分析结果及讨论

通过拟合计算，可以得到各个官能团的含量，对XPS的C1s碳峰进行分峰拟合见图1。

由图 1 可 见，结 合 能 位 于 284.6eV、286.1eV、287.6eV和289.1eV处分别对应的化学基团为C-C或C-H、C-O、C＝O和O＝C-O。C-C和C-H官能团的含量为5.64%，C-O官能团的含量为60.75%，C＝O官能团的含量为25.65%，O＝C-O官能团的含量为7.96%。这些官能团中，C-H和C-C为主要疏水性碳氢官能团，C-O、C＝O和O＝C-O为主要亲水性含氧官能团。褐煤表面的这些含氧类官能团，在浮选溶液中极易与水分子形成氢键作用，导致褐煤表面被厚的水化膜覆盖。水化膜阻碍捕收剂分子与褐煤表面的吸附，并且阻碍气泡与褐煤煤粒的有效粘附，从而导致褐煤难以浮选。解决褐煤浮选的关键在于提高褐煤表面的疏水性，因此寻找可靠的表面活性剂对褐煤表面进行表面涂层或覆盖成为本研究的重点。

图1 褐煤的C1s碳峰

3.2 浮选结果及讨论

褐煤的浮选试验结果见图2。

图2 褐煤浮选实验结果

由图2可见，浮选精煤可燃体回收率随着司班80表面活性剂用量的增加先增加后减小，浮选完善指标与精煤可燃体回收率的增加趋势一致。精煤灰分随着司班80表面活性剂用量的增加先略有降低，而后开始增加。

司班80表面活性可以在褐煤表面形成涂层覆盖，从而在一定程度上提高了褐煤的疏水性。当司班80表面活性剂用量为1%时，精煤可燃体回收率和浮选完善指标达到最大值，表面活性剂分子在褐煤表面可能形成的是单层覆盖，含氧类官能团与褐煤表面的含氧类官能团通过氢键作用而相吸，表面活性剂分子的碳氢疏水基团指向矿浆溶液，从而褐煤表面疏水性下降，易于和柴油捕收剂分子作用产生有效吸附，从而提高褐煤的浮选回收。

但当司班80表面活性剂用量继续增加时，精煤可燃体回收率和浮选完善指标急剧下降，一方面，表面活性剂分子属于高分子物质，过量的加入表面活性剂，矿浆的粘度增加，从而精煤产率下降；另一方面，表面活性剂分子可能在褐煤表面形成二次吸附，表面活性剂分子的碳氢疏水基团与已经吸附在褐煤表面的表面活性剂分子的碳氢疏水基团形成物理吸附，从而第二层的表面活性剂分子的含氧基团再次指向矿浆，导致褐煤表面的疏水性再次下降。

4 结论

本文采用XPS研究了褐煤表面的官能团特征，采用司班80作为表面活性剂改善褐煤的浮选效果，主要结论如下:

(1)XPS结果表明，褐煤表面含有大量的含氧官能团，但仅含有极少的碳氢官能团。大量的含氧官能团与矿浆中的水分子形成氢键作用，褐煤表面被水化膜覆盖，从而褐煤疏水性差。

(2)低浓度的司班80表面活性剂用量可以增加褐煤表面的疏水性，提高褐煤的浮选回收率，但是过量的表面活性剂用量又会恶化褐煤的浮选效果，本次试验中发现最佳司班80表面活性剂用量为1%。

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