硅酸钠对高灰煤泥浮选影响研究

朱志波 徐东方 陈慧昀 张晨曦 朱书全

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083)



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硅酸钠对高灰煤泥浮选影响研究

朱志波 徐东方 陈慧昀 张晨曦 朱书全

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083)

通过浮选试验、接触角测定和Zeta电位测试等手段，研究了硅酸钠在煤泥浮选中的降灰效果以及对细泥的抑制机理。试验结果表明：在硅酸钠用量为1000 g/t时，对细泥的抑制和分散效果最好，精煤中细泥含量最少，精煤灰分降低了 1.91个百分点；接触角测定结果显示，浮选中添加了硅酸钠后，浮选精煤的接触角增大，达到108.84°，显著提高了浮选精煤的疏水性；Zeta电位检测结果表明，pH值为中性时，与硅酸钠作用后，低灰煤泥和高灰细泥表面电位分别降低了7 mV和16.9 mV，增大了两者间的静电斥力，有效减弱了高灰细泥在低灰煤颗粒表面的吸附。

硅酸钠 高灰细泥 浮选 抑制

浮选是处理细粒煤泥最有效的分选方法之一，随着采煤机械化程度的加大，入浮煤泥粒度呈微细化且高灰细泥含量大，严重影响浮选效果；细泥比表面积大，药剂消耗高；易以机械夹带或者细泥罩盖途径进入泡沫产品，造成精煤灰分高。

为了降低高灰细泥对煤泥浮选的影响，众多学者做了大量的试验研究。有专家通过振荡浮选、选择性絮凝、选择性团聚等方法抑制了细泥浮选，提高了煤泥浮选的选择性；还有专家研究表明，对细粒煤含量高的煤泥进行先反浮选后正浮选的两段浮选试验，能得到合格产率的低灰精煤；另有专家基于分级旋流器组对浮选入料进行粗、细煤泥分级，对细煤泥采用新型旋流微泡浮选柱浮选，有效降低了精煤灰分；由于硅酸钠对石英和硅酸盐等脉石矿物有良好的抑制效果，有专家发现硅酸钠与矿物作用后，萤石和方解石的Zeta电位明显负移，在萤石和方解石表面发生了强烈的化学吸附，从而抑制萤石和方解石的浮选；还有专家研究发现在油酸钠浮选分离萤石白钨矿体系中，硅酸钠在萤石表面选择性地生成硅酸钙沉淀，使萤石和白钨矿有效分离。

硅酸钠作为抑制剂在金属矿浮选中的应用较多，而在煤泥浮选领域的研究较少。本文针对高灰难选煤泥，采用硅酸钠为抑制剂，通过浮选试验和接触角测定，研究硅酸钠对煤泥浮选的影响；借助Zeta电位测试分析了硅酸钠对高灰细泥的抑制机理。以上研究对高灰难浮煤泥降灰提质具有借鉴意义。

1 试验

1.1 样品分析

试验煤样来源于赵各庄矿业分公司选煤厂入浮煤泥，煤种为肥煤，属于难选煤泥。通过对煤样进行X-射线衍射分析，原煤的XRD衍射图谱如图1所示。

图1 原煤的XRD衍射图谱

由图1可以看出，煤样的主要脉石矿物为高岭石和石英石，其中高岭石含量较多，在矿物成分中占主要地位，由于高岭石质地柔软、易碎裂、粒度较细且遇水易泥化而污染浮选精煤。煤泥粒度分析数据见表1。

表1 煤泥粒度分析数据

由表1可以看出，原煤灰分和各粒级灰分都较高，其中原煤灰分为32.81%，各粒度级灰分随着粒径的减小而逐渐增大，-0.074 mm粒级的灰分达到38.45%，比+0.074 mm煤泥平均灰分高6.86%，说明有大量的异质细泥混杂在细粒级中，此部分细泥易通过机械夹带和细泥罩盖进入浮选精煤，恶化浮选效果。煤样密度分析数据见表2。

表2 煤样密度分析数据

由表2可以看出，-1.40 g/cm3为主导密度级，该密度级为低灰精煤，灰分为7.80%，产率仅为32.63%；+1.80 g/cm3密度级的产率为30.51%，灰分为70.68%，说明该密度级为大量已解离的矸石矿物，矸石较为纯净；若以1.50 g/cm3为分选密度，邻近物密度含量为28.49%，可选性为较难选，说明该煤样不易获得高产率的低灰精煤。

1.2 试验方法

1.2.1 浮选试验

每次试验称取100 g煤样，加入适量去离子水充分润湿，置于浮选槽内搅拌3 min，加入柴油搅拌2 min，再加入硅酸钠搅拌2 min，加入仲辛醇搅拌10 s，浮选刮泡3 min。泡沫产品和尾煤经抽滤机过滤，75℃条件下烘干，称重。浮选设备采用XFDⅢ型充气搅拌式浮选机，捕收剂柴油用量为300 g/t，起泡剂仲辛醇用量为150 g/t，浮选入料矿浆质量浓度为100 g/L，浮选机叶轮转速为1880 r/min。

1.2.2 接触角测定

取一定量的空气干燥状态下的浮选精煤和浮选尾煤的煤泥样，将煤样粉碎使其全部通过200目筛网；分别从煤样中取1.0 g，在1.0×105N的压力下对所取煤样压片，将微小去离子水液滴滴落在煤样上，截取煤样与液滴正好处于平衡状态下的瞬间图像，测量得到表观接触角。样品的压片采用上海山岳科学仪器有限公司YP-2型压片机，接触角测量采用德国Kruss公司生产的光学接触角测量仪DSA100。

1.2.3 Zeta电位测定

取适量-1.40 g/cm3密度级和+1.80 g/cm3密度级的入浮煤泥，在玛瑙研钵中磨细至粒径小于2 μm，用去离子水分别配置成固体含量为0.01%的悬浮液，调节悬浮液的pH值，加入硅酸钠溶液，搅拌5 min使矿浆充分分散后进行测试。测量所用仪器为JS94G+电位仪，测试温度为(25±0.5℃)。样品测量3次取平均值，误差范围在5%以内。

2 结果与讨论

2.1 浮选试验结果

浮选试验中，硅酸钠用量对精煤产率和精煤灰分的影响如图2所示。

由图2可以看出，无硅酸钠作用时，精煤产率为52.80%，精煤灰分为16.71%。加入硅酸钠后，精煤产率和灰分均有不同程度的降低，说明硅酸钠抑制细泥浮选的同时也抑制了煤泥浮选。随着硅酸钠用量的增加，精煤产率和精煤灰分呈现先下降再上升的趋势，当硅酸钠用量为500 g/t时，精煤的产率和灰分分别是45.82%和15.41%；当硅酸钠用量达到1000 g/t时，精煤的产率和灰分均达到最小值，分别为43.03%和14.80%，与未加硅酸钠相比，精煤的产率和灰分分别下降了9.77个百分点和1.91个百分点，此时，虽然硅酸钠对精煤产率造成一定影响，但对煤样中异质细泥具有显著的抑制效果，达到了良好的降灰效果；当硅酸钠用量为1500 g/t和2000 g/t时，精煤产率分别为48.44%和49.07%，精煤灰分分别为16.34%和16.44%，此时硅酸钠失去对异质细泥的抑制和分散作用。由此可见，在精煤产率相当的情况下，硅酸钠用量在1000 g/t时，有利于试验煤样的脱泥降灰。

图2 硅酸钠用量对精煤产率和精煤灰分的影响

另外，由粒度分析可知，-0.074 mm粒级中含有大量的异质细泥，本文在浮选试验的基础上，对得到的精煤产品进行粒度分析，考察了添加硅酸钠后精煤中各粒级产率的变化，硅酸钠用量对精煤中各粒级产率的影响结果如图3所示。

图3 硅酸钠用量对精煤中各粒级产率的影响

由图3可以看出，未添加硅酸钠时，-0.074 mm粒级的细煤泥在精煤含量为20.03%。添加硅酸钠后，-0.074 mm的细泥在精煤中的产率有不同程度的降低，当硅酸钠用量为500 g/t时，-0.074 mm的细泥在精煤中的含量为18.78%；当硅酸钠用量为1000 g/t时，-0.074 mm的煤泥在精煤中的含量达到最小值，为17.71%，与未加硅酸钠相比，含量下降了2.32%，此时硅酸钠对煤样中高灰细泥具有较好的抑制效果，能有效降低精煤灰分；当硅酸钠用量超过1000 g/t时，-0.074 mm的煤泥在精煤中的含量开始增加，1500 g/t和2000 g/t时，-0.074 mm煤泥在精煤中含量分别达到19.42%和19.56%，说明高用量的硅酸钠对高灰细泥的抑制效果较差。

2.2 接触角测定结果

为了进一步证明硅酸钠对高灰细泥的抑制效果，考察了硅酸钠与煤样作用前后浮选精煤和尾煤接触角的变化情况，结果如图4所示。

图4 硅酸钠用量对精煤和尾煤接触角的影响

由图4可以看出，未与硅酸钠作用前，浮选精煤的接触角为102.28°。随着硅酸钠添加量的增加，浮选精煤的接触角先升高后降低，表明浮选精煤的疏水性先增强后降低。当硅酸钠添加量为500 g/t时，浮选精煤的接触角为105.24°；当硅酸钠添加量为1000 g/t时，浮选精煤的接触角达到最大值，为108.84°，此时精煤的疏水性最强，这可能是由于进入精煤泡沫中的异质高灰细泥含量减少所致，这与浮选精煤中-0.074 mm粒级细泥含量分析结果一致；当硅酸钠添加量为1500 g/t时，精煤的接触角下降到104.31°，说明精煤的疏水性下降。值得注意的是，硅酸钠添加量是1000 g/t时，浮选尾煤的接触角是50.15°，与未添加硅酸钠时浮选尾煤的接触角相比，增大了19.70°，这是由于大量精煤损失在尾煤中，导致尾煤的接触角变大，此结果与浮选试验结果一致。

2.3 硅酸钠对矿物表面电性的影响

分别以-1.40 g/cm3密度级和+1.80 g/cm3密度级煤泥代表纯净的煤和异质细泥，测定添加硅酸钠前后两者表面电位的变化情况，pH值对低灰煤泥和高灰煤泥表面电位的影响如图5所示。

图5 pH值对低灰煤泥和高灰煤泥表面电位的影响

由图5可以看出，添加硅酸钠前，-1.40 g/cm3密度级和+1.80 g/cm3密度级煤泥表面在pH范围内荷负电，Zeta电位随pH值升高不断降低，未出现零电点；添加硅酸钠后-1.40 g/cm3密度级低灰煤泥和+1.80 g/cm3密度级高灰细泥的表面电位均发生负移，此时两者表面均显负电性，在静电斥力的作用下，低灰煤泥和高灰细泥处于分散状态，此时夹杂在精煤中的异质细泥进入泡沫产品的概率降低，有助于降低精煤灰分。 值得注意的是，加入硅酸钠后高灰细泥电位负移的程度大于低灰煤泥，这说明硅酸钠在高灰细泥表面的吸附量大于在低灰煤泥表面的吸附量。

3 结论

(1)综合浮选试验结果和浮选产品粒度分析表明，硅酸钠用量为1000 g/t时对煤样中的高灰细泥有较好的抑制效果，能有效降低精煤灰分。此时浮选精煤中-0.074 mm细泥产率达到最小值17.71%，可使精煤灰分降低1.91个百分点。当硅酸钠用量继续增大时，硅酸钠对细泥的抑制、分散效果减弱，精煤中的细泥含量开始升高，导致精煤灰分增加。

(2)接触角测定结果表明，随着硅酸钠添加量的增加，浮选精煤的接触角先升高后降低。当硅酸钠用量达1000 g/t时，浮选精煤的接触角最大，为108.84°，此时精煤的疏水性最强，说明此时精煤中亲水的细泥含量最少；此时浮选尾煤的接触角是50.15°，与未添加硅酸钠时浮选尾煤的接触角相比，增大了19.70°，这是由于精煤损失在尾煤中造成的，与浮选试验结果相一致。

(3)硅酸钠会增大低灰煤泥和高灰细泥表面电位的绝对值，增强两者之间的静电斥力，有效减弱了高灰细泥在低灰煤颗粒表面的吸附，并且高灰细泥表面电位负移程度大于低灰煤粒表面；当硅酸钠用量为1000 g/t且pH值为7时，硅酸钠使低煤煤泥和高灰煤泥的表面电位分别从-25.4 mV、-29.5 mV负移至-32.4 mV、-46.4 mV。综上可知，硅酸钠可吸附在高灰细泥表面，能抑制细泥浮选，有效降低精煤灰分。

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(责任编辑 王雅琴)

Influence of sodium silicate on high-ash coal slime flotation

Zhu Zhibo， Xu Dongfang， Chen Huiyun， Zhang Chenxi， Zhu Shuquan

(School of Chemical & Environmental Engineering， China University of Mining and Technology，Beijing， Haidian， Beijing 100083， China )

The effect of sodium silicate on ash reducing in coal slime flotation and the inhibition mechanism of fine mud were investigated by flotation test, contact angle test and Zeta potential test. The experiment results show that the inhibition of fine mud, dispersion effect is the best, the content of fine mud in clean coal is the least and the ash content reduced by 1.91 percentage points with 1000 g/t Na2SiO3.the results of contact angle test show that the contact angle of clean coal increases to 108.84° with sodium silicate, the hydrophobic of clean coal have been improved significantly. According to the results of Zeta potential test, the surface potential of low-ash coal slime and high-ash fine mud decreases 7 mV and 16.9 mV in presence of sodium silicate with neutral pH. The electrostatic repulsion between the two minerals increase and high-ash fine mud adsorbed on the surface at low-ash coal reduce effectively.

sodium silicate， high-ash fine mud， flotation， inhibition

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB214901)

朱志波，徐东方，陈慧昀等. 硅酸钠对高灰煤泥浮选影响研究[J].中国煤炭，2017，43(5)，94-98. Zhu Zhibo，Xu Dongfang，Chen Huiyun，et al. Influence of sodium silicate on high-ash coal slime flotation[J].China Coal，2017，43(5)，94-98.

TD94

A

朱志波(1994-)，男，安徽六安人，在读硕士研究生，主要从事洁净煤技术及细粒煤浮选等方面的研究。