煤泥表面张力与浮选效果关系的研究

周丫舒，董宪姝

(太原理工大学，山西 太原 030024)

煤泥表面张力与浮选效果关系的研究

周丫舒，董宪姝

(太原理工大学，山西 太原 030024)

摘要：随着高灰细泥浮选入料的逐渐增高，煤泥分选效果恶化的问题越来越突出，添加浮选药剂改善煤炭的浮选效果是最重要的途径。本文分别选用煤油和柴油为捕收剂、仲辛醇和QPJ为起泡剂，测定添加浮选药剂后煤浆的表面张力，再使用煤油做捕收剂、仲辛醇做起泡剂，进行实验室浮选试验，从而探索了浮选药剂对煤浆表面张力和浮选效果影响的变化规律。结果表明：浮选过程中煤浆表面张力与浮选效果的关系密切，随着捕收剂或起泡剂用量的增加，煤浆表面张力有10 mN/m左右的降低，可燃体回收率增加15%左右，并且表面张力最低时可燃体回收率是最高的。

关键词：表面张力；煤泥浮选；可燃体回收率；精煤灰分

煤泥浮选是煤炭分选中的重要环节，而浮选药剂选用又是煤泥浮选中的焦点。传统的浮选药剂确定方法为：先进行实验室系统浮选实验，根据实验结果初步拟定浮选药剂制度，再进行工业试验，最终确定浮选药剂制度[1-3]。实验室浮选环节实验量较大、实验周期较长、实验样品消耗量较大。

研究表明，表面张力在浮选过程中起到了较为重要的作用[4-6]。向煤浆中添加一定量的浮选药剂可以增强煤粒表面的疏水性，从而获得更好的浮选效果[7]。在实际应用中，对浮选过程中煤颗粒的表面张力测量不便，对煤浆的表面张力测定比较容易。因此，本文对浮选药剂剂量与煤浆表面张力的变化规律进行了探究，并对其规律与浮选效果的关系进行了研究，以期利用煤浆表面张力指导煤泥浮选。

1试验样品与方法

1.1试验样品

试验样品为马兰2#煤泥(-0.5 mm)，煤样灰分为24.93%，水分为0.96%，见表1。

1.2试验设备与药剂

试验采用吉林省探矿机械厂生产的XFDⅢ 型实验室用单槽浮选机，表面张力测定采用上海中晨数字技术设备有限公司生产的JK99C 型表面张力测定仪。

浮选药剂有煤油、柴油、仲辛醇和QPJ，其基本性质及用途见表2。

表2　浮选药剂明细表

1.3试验方法

试验分为试验Ⅰ和试验Ⅱ两部分。在试验Ⅰ中，先后改变捕收剂和起泡剂用量，对添加浮选药剂后煤浆的表面张力进行测定，以研究浮选药剂用量对煤浆表面张力影响的规律。在试验Ⅱ中选用煤油/仲辛醇做捕收剂/起泡剂，先后改变煤油和仲辛醇的用量，按照《GB/T 4757-2013 煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法》对马兰2#煤泥进行浮选试验，并在浮选充气前对煤浆同步进行表面张力的测定，进一步对浮选过程中浮选药剂量、煤浆表面张力及浮选效果之间的关系进行探索。试验控制煤浆浓度为100 g/L，温度为22±0.2℃；使用一次去离子水(pH值为7.0±0.2)。试验技术路线见图1。

评定煤泥浮选效果的指标[4]有浮选精煤产率(γj)、浮选精煤灰分(Aj)、可燃体回收率(E)等。其中，可燃体回收率是评定浮选效果的重要技术指标，指煤泥中除去废弃矿物质以外的有用物质，可用式(1)计算。

(1)

式中：E为浮选精煤可燃体回收率，%；γj为浮选精煤产率，%；Aj为浮选精煤灰分，%；Ay为计算入料灰分，%。

2试验结果及分析

2.1浮选药剂用量对煤浆表面张力的影响

试验分别使用煤油-仲辛醇、煤油-QPJ、柴油-仲辛醇以及柴油-QPJ 4种药剂组合，进行浮选药剂用量对煤浆表面张力影响的规律研究，其中煤油和柴油为捕收剂，仲辛醇和QPJ为起泡剂。

固定起泡剂用量为200 g/t，改变捕收剂用量进行试验，结果见图2。

图1　浮选试验技术路线图

图2　捕收剂用量与煤浆表面张力的关系

由图2可以看出，随着捕收剂药剂用量的增加，煤浆的表面张力降低。使用仲辛醇做起泡剂时，煤浆表面张力在煤油用量为1000 g/t时达到最低值，在煤油用量超过1200 g/t后开始明显回升；煤浆表面张力在柴油用量达到1200 g/t时达到最低值，在超过1400 g/t后开始回升。

使用QPJ做起泡剂时，煤浆表面张力在煤油用量为1000 g/t时达到最低值，在煤油用量超过1400 g/t后开始明显回升；煤浆表面张力在柴油用量达到1200 g/t时达到最低值，在超过1400 g/t后开始回升。由此可见，捕收剂对煤浆的表面张力有着较为显著的影响。

固定捕收剂用量为1000 g/t，改变起泡剂用量进行试验，结果见图3。

由图3可以看出，随着起泡剂药剂用量的增加，煤浆的表面张力降低。使用煤油做捕收剂时，煤浆表面张力在仲辛醇用量为160 g/t时达到最低值，在仲辛醇用量超过200 g/t后开始明显回升；煤浆表面张力在QPJ用量达到160 g/t时达到最低值，在超过200 g/t后开始明显回升。

使用柴油做捕收剂时，煤浆表面张力在仲辛醇用量为160 g/t时达到最低值，在超过200 g/t后明显回升；煤浆表面张力在QPJ用量达到160 g/t时达到最低值，在超过160 g/t后回升。由此可见，起泡剂对煤浆的表面张力有着较为显著的影响。

图3　起泡剂用量与煤浆表面张力的关系

2.2浮选药剂用量、煤浆表面张力与浮选效果关系

固定仲辛醇(起泡剂)用量为200 g/t，改变煤油(捕收剂)用量，同步进行浮选和表面张力试验，结果见表3。

对表3中煤油用量、煤浆表面张力、可燃体回收率和精煤灰分四个指标的数据利用绘图软件Origin 7.5进行曲线拟合，拟合结果见图4、图5。

表3　煤油对浮选和表面张力的影响试验结果表

图4　煤油用量与煤浆表面张力、可燃体回收率的关系

图5　煤油用量与煤浆表面张力、精煤灰分的关系

由图4、图5可以看出，煤油的加入降低了煤浆的表面张力，同时提高了煤样的可燃体回收率和精煤产率；随着煤油用量的增加，煤浆的表面张力大幅下降，同时煤样的可燃体回收率和精煤产率大幅上升；在煤油用量达到800 g/t后，继续增加煤油用量，可燃体回收率和精煤产率变化幅度变小，将该点定义为α捕；煤油用量达到1000 g/t时，煤浆表面张力达到最低点，继续增加煤油用量，煤浆表面张力有一定程度的回升，同时浮选效果有一定程度的恶化，将该点定义为β捕。

固定煤油(捕收剂)用量为800g/t，改变仲辛醇(起泡剂)用量，进行浮选、表面张力试验，结果见表4。

表4　仲辛醇对浮选和表面张力的影响试验结果

对表4中仲辛醇用量、煤浆表面张力、可燃体回收率和精煤灰分四个指标的数据利用绘图软件Origin 7.5进行曲线拟合，拟合结果见图6、图7。

图6　仲辛醇用量与煤浆表面张力、可燃体回收率的关系

图7　仲辛醇用量与煤浆表面张力、精煤灰分的关系

由图6、图7可以看出，少量仲辛醇的加入降低了煤浆的表面张力，同时提高了煤样的可燃体回收率和精煤产率；在仲辛醇用量达到80 g/t后，继续增加仲辛醇用量，可燃体回收率和精煤产率变化幅度变小，将该点定义为α起；仲辛醇用量达到160 g/t时，煤浆表面张力达到最低点，继续增加煤油用量，煤浆表面张力有一定程度的回升，同时浮选效果有一定程度的恶化，将该点定义为β起。

提取表3、表4中煤浆表面张力与可燃体回收率的相关数据，利用绘图软件Origin 7.5进行曲线及公式拟合，结果见图8。

图8　煤浆表面张力与可燃体回收率的关系

从图8中可以看出在煤浆表面张力较低时可以获得较高的可燃体回收率，即有较好的浮选效果；煤浆表面张力越高，浮选效果越差。煤浆表面张力(x)与可燃体回收率(y)之间的关系大致符合式(2)。

y=0.0012x4-0.2947x3+27.277x2-1121.5x+17383

R2=0.9993

(2)

式中：y为可燃体回收率，%；x为煤浆表面张力值；R2为方差。

以上研究表明煤浆表面张力同可燃体回收率和精煤灰分有着极为密切的关系，这对于利用煤浆表面张力测定来指导浮选精煤灰分有着极为重要的意义。

2.3浮选药剂降低表面张力的机理分析

在浮选过程中，煤油作为捕收剂能与煤颗粒作用，影响煤颗粒的润湿或疏水性；仲辛醇作为起泡剂，能够在气—液界面吸附浓集，降低气—液界面的表面能，生成直径较小的气泡，起到起泡作用；煤油和仲辛醇共同使用时，两种药剂在气—液界面有联合作用，产生共吸附现象[4]。

当捕收剂/起泡剂用量适当，即不超过α捕/起点时，煤油分子部分吸附于精煤颗粒的极性面，从而降低了精煤颗粒极性部位的润湿性，增强了疏水性，使得在该区间内煤样的可燃体回收率随着药剂用量的增大而提高。随着药剂用量的增大，气—液界面吸附的捕收剂分子增多，矿粒极性面上吸附的捕收剂分子逐渐饱和，煤浆表面张力降低到临界值，可燃体回收率也提高到临界点。之后继续增加药剂用量，不再会对煤浆表面张力及可燃体回收率的改变起到明显效果。到达β捕/起点后，药剂量继续加大，煤浆中的药剂分子增多，一部分药剂分子转而以非极性基吸附于煤颗粒的非极性面上，极性基朝向水溶液，从而部分减弱了非极性面的天然疏水性，使得可燃体回收率下降。随着用量进一步增加，不仅非极性面上吸附的药剂分子越来越多，亲水性迅速增强。而且，在极性面上还将发生二层吸附，使得极性面重新亲水，当用量超过时，煤颗粒的非极性面由于吸附了较多的药剂分子(润湿性大大增强)而变得亲水了，从而恶化了浮选过程。

3结论

1)在煤浆中添加浮选药剂，可以降低煤浆的表面张力，最大降低幅度约10mN/m。

2)不同的浮选药剂对煤浆表面张力的影响不同，当捕收剂(煤油、柴油)用量小于900 g/t时，使用煤油比使用同等药剂量柴油的煤浆表面张力低约2mN/m；当捕收剂用量超过900g/t时，使用煤油和柴油的煤浆表面张力值相近，约为58.5mN/m。

3)在煤泥浮选过程中，随着浮选药剂用量的增加，煤浆的表面张力大幅降低，浮选可燃体回收率显著提升；当用量达到α捕/起点后，药剂量对煤浆表面张力及浮选可燃体回收率的影响变小；当用量超过β捕/起点后，药剂量继续增加，煤浆的表面张力回升，浮选可燃体回收率下降，浮选过程恶化。

参考文献

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Relationship between flotation result and surface tension of coal slime

ZHOU Ya-shu，DONG Xian-shu

(Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract:Flotation efficiency has a significant impact on higher content of fine coal in coal separation.Flotation effect can be improved prominently by the addition of flotation reagents.We selected kerosene and diesel oil as collectors，sec-octyl alcohol and QPJ as frothers to measure the surface tension of coal slurry contained flotation reagents，and selected kerosene as collectors，sec-octyl alcohol as frothers to carry out the laboratory flotation experiments.With these tests we explored the influence of flotation reagents for coal slurry surface tension and flotation effect.The results show that there is a relatively close relationship between the surface tension of coal slurry and the flotation effect.With the increase of the dose of collecting agent or foaming agent，the surface tension of coal slurry reduces 10 mN/m while the recovery of combustibles increases 15%.The recovery of combustibles comes to the peak when the surface tension is the lowest.

Key words：surface tension；coal slime flotation；recovery of combustibles；clean coal ash content

收稿日期：2015-06-03

基金项目：山西省科技攻关项目资助(编号：20130313001-2)；山西省研究生优秀创新项目资助(编号：20123041)

作者简介：周丫舒(1988-)，女，河北衡水人，硕士研究生，研究方向为矿物加工工程。E-mail：zhou.yashu@163.com。 通讯作者：董宪姝(1964-)，女，教授，主要从事矿物加工的科研与教学工作。E-mail：dxshu520@163.com。

中图分类号：TD94

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)02-0105-05