疏水引力在煤泥浮选过程中的作用机理及应用

2020-09-03王成勇陈鹏潘东蒋文军

矿产综合利用 2020年3期

王成勇，陈鹏，潘东，蒋文军

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州六盘水 553004）

煤泥浮选过程中，细泥会通过罩盖影响浮选效果。细泥罩盖指的是微米级的细粒附着在煤泥表面以及进入到表面的孔隙或裂隙中[1]。细泥罩盖的影响主要有两个方面。其一，影响煤泥中粗颗粒与浮选药剂和气泡等的作用过程；其二，细泥进入孔隙或裂缝中，随煤粒上浮进入泡沫层[2]。

煤泥颗粒间及颗粒与气泡间的相互作用有范德华力作用、静电作用、疏水作用及水化作用等。目前，根据EDLVO 理论，即扩展的DLVO 理论，能够较好的解释煤泥浮选体系中的细泥罩盖行为。但是，疏水作用的产生原因还不明确。本文通过试验和理论分析，对疏水作用的产生机理进行探讨。

1 浮选试验

1.1 试验样品

以汪家寨选煤厂进入浮选作业的煤泥为试验煤样，粒度组成见表1，其中细粒级灰分含量高，属于高灰难选煤泥。将+0.074 mm 粒级筛出作为粗粒煤泥A，其灰分为30.36%。

表1 试验煤泥粒度组成Table 1 Size composition of experimental slime

对汪家寨入洗原煤进行浮沉试验，得到1.3 ～1.4 g/cm3、1.5 ～ 1.6 g/cm3、+1.8 g/cm3三个密度级产品，灰分分别为15.79%、22.37%和72.45%，并磨细到0.074 mm 以下作为细粒煤泥，得到细粒煤泥D(1.3 ～1.4 g/cm3密度级细粒煤泥)、Z(1.5 ～ 1.6 g/cm3密度级细粒煤泥)和G(+1.8 g/cm3密度级细粒煤泥)。

1.2 试验方法

将三个密度级的细粒煤泥按照1: 9 的比例分别加入到粗粒煤泥中，得到混合煤泥AD（粗粒煤泥A 中混入1.3 ～ 1.4g/cm3密度级细粒煤泥D）、AZ（粗粒煤泥A 中混入1.5 ～ 1.6g/cm3密度级细粒煤泥Z）和AG（粗粒煤泥A 中混入+1.8g/cm3密度级细粒煤泥G），以混合煤泥进行浮选试验，所用浮选机为CTFX-63 型单槽浮选机，具体参数为：浮选槽容量为1.5 L，叶轮转速为1910 r/min，叶轮直径为60 mm，主轴额定功率为120 W，充气量为0.2 m3/（m2·min）。按照GB/T 4757-2001《煤粉（泥）实验室单元浮选试验方法》进行试验，煤泥水浓度为100 g/L，药剂制度为：柴油200 g/t，仲辛醇70 g/t。收集不同时间下的精煤产品，时间间隔分别为：(0.5、0.5、2、2.5 和3) min。

1.3 试验结果

绘制可燃体回收率-浮选时间曲线，结果见图1，在浮选前期，约2.5 min 之前，混合煤泥AD的可燃体回收率高于混合煤泥AZ，之后混合煤泥AZ 的可燃体回收率高于混合煤泥AD，在整个浮选过程中，混合煤泥AG 的可燃体回收率均高于混合煤泥AD 和AZ。

图1 不同混合煤泥的浮选试验曲线Fig. 1 Flotation test curves of different mixed slimes

1.3 ～ 1.4 g/cm3密度级细粒煤泥的表面疏水性较好，在疏水引力的作用下容易在粗粒精煤表面疏水部分形成罩盖，降低了粗粒精煤与药剂接触的机会；并且1.3 ～ 1.4 g/cm3密度级细粒煤泥容易吸附药剂和附着气泡，与粗粒精煤形成药剂和气泡的争夺，使后续粗粒精煤药剂不足。所以，混合煤泥AD 在浮选刚开始有大量细粒精煤浮出，可燃体回收率较高，而后一部分粗粒精煤损失到尾煤中，可燃体回收率低于混合煤泥AZ。

1.5 ～ 1.6 g/cm3密度级细粒煤泥表面疏水性较差，在粗粒精煤表面疏水部分形成的罩盖较弱，所以，混合煤泥AZ 虽然在浮选前期其可燃体回收率低于混合煤泥AD，但在中后期可燃体回收率较高。

+1.8 g/cm3密度级细粒煤泥表面疏水性最差，在粗粒精煤表面疏水部分不会形成罩盖，对粗粒精煤的浮出影响较小，所以在整个浮选过程中，混合煤泥AG 的可燃体回收率均高于混合煤泥AD和AZ。

2 机理分析及应用

2.1 EDLVO 理论分析

（1）范德华作用能

煤泥水中两个颗粒之间的范德华作用能为：

式中：EA-范德华作用能，J；H-颗粒间距离，m；R1和R2-分别为两颗粒的半径，m；A132-煤粒在水介质中的有效哈马克常数；A11-煤粒在真空中的哈马克常数，6.07×10-20J；A33-水在真空中的哈马克常数，4.84×10-20J。

（2）静电作用能

煤泥水中两个颗粒之间的范德华作用能为：

式中：EE-范德华作用能，J；εa-分散介质绝对介电常数，F/m；ε0-为真空中的绝对介电常数，8.85×10-12F/m；εr-分散介质相对介电常数，F/m，分散介质为水时，εa=8.85×10-12×78.50 F/m；Φ1和Φ2-分别为两个颗粒的表面电位，计算时常以ζ电位代替，V；κ-Debye 常数，在煤泥水体系中为3×10-7。

（3）疏水作用能

疏水矿粒间的疏水作用能可利用界面极性相互作用能的计算方法进行计算[3]。因此煤泥水中两个煤粒之间的疏水作用能为：

式中，EH-疏水作用能，J；h0-衰减长度，取1 ～ 10 nm，颗粒间疏水作用越强，h0取值越大；H0-两颗粒平衡接触距离，m，在煤泥水体系中为0.2×10-9m；疏水作用常数；r+1、r+2和-分别为颗粒1、颗粒2 和介质3 的电子接受体表面能分量，J/m2；-分别为颗粒1、颗粒2 和介质3 的电子给予体表面能分量，J/m2。

颗粒的电子接受体表面能分量和电子给予体表面能分量的计算公式为：

式中：θ-固体表面接触角；rL-液体的表面能，J/m2；和-分别为颗粒和液体的表面能的疏水性分量，J/m2。

（4）相互作用总势能

在煤泥水体系中，根据DLVO 理论，颗粒间的相互作用总势能为范德华作用能和静电作用能之和；根据EDLVO 理论，颗粒间的相互作用总势能为范德华作用能、静电作用能和疏水作用能之和[4-6]。

由表1 试验煤泥粒度组成可得，粗粒煤泥和细粒煤泥的加权算术平均粒度分别为187.11 μm和35.61 μm。在计算混合煤泥AD 中粗粒煤泥与细粒煤泥的相互作用总势能时，为了使计算条件更接近浮选入料，粗粒煤泥与细粒煤泥的当量直径可分别取187.11 和35.61 μm。pH 为7 时，粗粒煤泥A 和细粒煤泥D 的ζ 电位分别为-24.7和-28.8 mV。将粗粒煤泥A 和细粒煤泥D 压片后测定接触角，其与水、丙三醇和甲醛的接触角分别为100.7°、96.5°和34.6°；110.5°、100.2°和27.8°；三种液体的表面能参数见表2；衰减长度h0 取10nm。混合煤泥AD 中粗粒煤泥与细粒煤泥相互作用的DLVO 和EDLVO 势能曲线见图2。

表2 液体表面能参数10-3/(J·m-2)Table 2 Some liquids surface energy parameters

在整个颗粒间距上，范德华作用能和疏水作用能小于0，表现为吸引势能；静电作用能大于0，表现为排斥势能。由图2 可以看出，当量直径为187.11 μm的粗粒煤泥和当量直径为35.61 μm的细粒煤泥相互接近时，依据DLVO 理论，ED T 表现为排斥势能，且随着颗粒间距的减小而增大，因此细粒煤泥难以罩盖于粗粒煤泥表面；依据EDLVO 理论，EED T 表现为吸引势能，且随着颗粒间距的减小而迅速增大。DLVO 理论中，静电作用能起主导作用，比范德华作用能大约2 个数量级，在分析煤粒间的作用关系时DLVO 理论忽略了疏水作用，不够全面，难以解释浮选试验中出现的罩盖现象；EDLVO 理论中，疏水作用能比范德华作用能和静电作用能大约4 ～ 6 个数量级，疏水作用起主导作用，当颗粒表面的疏水性越强，表现为吸引势能的疏水作用能越大。

图2 煤粒间相互作用的DLVO 及EDLVO 势能曲线（pH=7）Fig. 2 DLVO and EDLVO potential energy curves of coal particle interaction (pH=7)

2.2 疏水引力成因分析

疏水作用的产生是由于疏水性表面相互接触时存在疏水引力，疏水引力的产生可分为三个步骤，见图3。

图 3 疏水引力的产生过程Fig. 3 The generation process of hydrophobic attraction

（1）当疏水表面浸没于水中时，由于表面的疏水性，破坏了表面周围水分子间的氢键，在表面形成水密度较低的疏松层，此时疏松层内气体密度增加，而疏松层外沿气体密度减小，水密度增加；溶解于水中的气体分子与疏水表面接触并被吸附，气体的吸附量大于气体的逃逸量，随着气体吸附量的增加，气体占据了疏松层，形成富气层[7-8]。

（2）疏松层外沿水分子与气体分子N2 和CO2 等形成氢键O-H…N 和O-H…C 等，在疏松层外沿形成气液耦合层，同时富气层中气体发生积聚使得体密度不均匀，在气液耦合层表面张力的作用下富气层形成有弧度的纳米气泡，气泡弧度不断增加，最后达到平衡[9-11]。纳米气泡生成后可以长时间存在，具有一定的稳定性，一是由于气液耦合层抑制了纳米气泡内气体分子的扩散，二是由于Brenner-Lohse 动态平衡，即纳米气泡内的气体分子从顶部逸出，同时有气体分子从气泡底部三相接触线向纳米气泡内涌入，两者相互平衡；纳米气泡的形成过程为自发过程，系统的自由能呈下降趋势[12-13]。

（3）当两个疏水表面相互接近，间距小到一定程度时，表面的纳米气泡会相互联通形成纳米气泡桥，纳米气泡桥在能量最低原理的作用驱使下产生使两界面相互靠拢的引力，以使两界面间势能降低，因此产生了疏水引力[14-18]。

2.3 调浆强度试验

以汪家寨选煤厂入浮煤泥为试验煤样，煤泥水浓度为100 g/L，药剂制度为：柴油200 g/t，仲辛醇70 g/t，调浆时长为3 min，经过不同调浆强度搅拌后进行浮选试验，浮选槽容量为1.5 L，叶轮直径为60 mm，主轴额定功率为120 W，充气量为0.2 m3/（m2·min）。

试验结果见图4。

图 4 不同调浆强度的浮选试验曲线Fig. 4 Flotation test curves with different pulp conditioning

随着调浆强度的增加，可燃体回收率先增加后减小，在2400 r/min 时达到最大值。在调浆搅拌过程中，当调浆强度较低时，调浆产生的剪切力及颗粒之间的碰撞摩擦产生的力不足以破坏疏水颗粒间的疏水引力，细粒煤泥大量罩盖于粗粒煤泥表面，在浮选过程中产生药剂及气泡的竞争；当调浆强度过高时，会使已经吸附于气泡上的煤泥脱落。煤泥与气泡的吸附也是源于纳米气泡桥产生的疏水引力，但其大小强于煤泥颗粒间的疏水引力。因此调浆强度应该适中，一方面破坏颗粒间的疏水引力，减弱细泥罩盖；另一方面又不会使煤泥从气泡上脱落。