月桂酸甲酯强化低阶煤浮选的作用机制

2024-03-11李明明李文成郭怡凯

黑龙江科技大学学报 2024年1期

李明明, 李文成, 郭怡凯

(1.黑龙江科技大学矿业工程学院, 哈尔滨 150022; 2.山西工学院能源产业学院, 山西朔州 036000)

0 引言

我国低阶煤约占已探明储量的1/3[1]。低阶煤表面丰富的含氧官能团[2]会与水分子充分键合并形成较厚的水化膜,从而显著降低煤样疏水性,导致非极性捕收剂对低阶煤浮选效果不理想[3]。强极性捕收剂是低阶煤浮选过程中常用的高效捕收剂,对此类捕收剂的研究取得了一定的进展[4-7],尤其是在酸类[8- 10]和酯类捕收剂[11]方面。鉴于强极性捕收剂能够增强低阶煤的浮选效果,笔者以宁东低阶煤为研究对象,选择月桂酸甲酯与《煤粉(泥)浮选试验》(GB/T30046.1—2013)中规定的捕收剂正十二烷进行对比。通过浮选动力学和红外光谱分峰拟合方法,阐述了月桂酸甲酯强化低阶煤浮选的作用机制,以期为低阶煤浮选药剂的开发提供一定参考。

1 实验

1.1 煤样成分

实验所用煤样来自宁东某低阶煤选煤厂,破碎后取-0.5 mm作为浮选入料。煤样的工业分析、化学多元素分析和矿物组成分析结果见表1、2和图1。

表1 煤样工业分析

表2 煤样化学多元素分析

图1 煤样X射线衍射Fig. 1 X-ray diffraction of coal sample

由表1可知,原煤灰分较高,必须通过分选才能获取合格精煤;挥发分较高,属于变质程度较低的煤。由表2可知,煤样中含有较多的硅元素和铝元素,结合图1的X射线衍射可知,样品中含有较多的石英和高岭石。

1.2 浮选实验分析

浮选实验在0.5 L的XFD系列浮选机中进行,捕收剂选择正十二烷和月桂酸甲酯,起泡剂选择仲辛醇。其他实验条件如下:矿浆浓度100 g/L、叶轮转速1 800 r/min、充气量3 L/h,捕收剂用量2、4、6、8、10 kg/t,起泡剂用量500 g/t。将煤样润湿2 min后加入捕收剂,搅拌1 min后加入起泡剂,10 s后打开充气阀和刮板开关并刮泡3 min,过滤、干燥并称重,本实验采用可燃体回收率作为评价指标。

1.3 浮选速度实验与浮选动力学分析

浮选速度实验流程如下:首先将煤样充分润湿120 s,加入8 kg/t的捕收剂后,继续搅拌60 s,随后加入500 g/t的起泡剂,继续搅拌10 s后,打开刮板开关和充气阀。分别收集浮选时间为30、60、90、120和180 s的浮选精煤产品,过滤、干燥并称重。多次进行浮选速度实验,保证数据的准确性。

浮选动力学最早是由化学反应动力学借鉴而来,它是指在浮选速率实验的基础上,借助经典浮选动力学模型对其分析。其主要研究浮选速率常数k,即单位时间内浮选速率的规律,可以反映浮选过程和浮选时间的关系。

1.4 红外光谱分峰拟合分析

红外光谱技术经常被用来研究煤的结构,它可以通过定性或定量分析对比煤中的含氧官能团。为了获得煤样键合结构的详细信息,并解决煤样复杂性导致的红外光谱重叠问题,将两种样品分别与溴化钾按1∶150的比例混合研磨后再进行测试,测试范围4 000～400 cm-1,对红外光谱图分峰拟合。

2 结果与讨论

2.1 浮选实验

按照1.2节确定的浮选操作参数,以正十二烷和月桂酸甲酯作为捕收剂进行常规浮选实验,捕收剂用量对低阶煤浮选指标的影响,如图2所示。其中,ε为可燃体回收率。

由图2可知,正十二烷和月桂酸甲酯对低阶煤浮选的精煤产率、可燃体回收率均随着药剂用量的增加先升高后趋于平稳;正十二烷和月桂酸甲酯对低阶煤浮选的精煤灰分随着药剂用量的增加先降低后升高,且在捕收剂用量为8 kg/t时有最小值,这可能是由于随着捕收剂用量的提升,煤样中低灰粗粒煤上浮。月桂酸甲酯的精煤产率和可燃体回收率均高于正十二烷,精煤灰分低于正十二烷。在药剂用量8 kg/t时,正十二烷的精煤产率、灰分和可燃体回收率分别为54.69%、17.01%和66.80%;月桂酸甲酯的精煤产率、灰分和可燃体回收率分别为58.01%、14.43%和72.72%。通过比较可知,月桂酸甲酯在精煤产率和可燃体回收率方面比正十二烷提升了5.92%和3.32%;其在精煤灰分方面比正十二烷降低了2.71%。可见,月桂酸甲酯对低阶煤的浮选效果优于正十二烷。

图2 捕收剂用量对浮选指标的影响Fig. 2 Influence of collector dosage on flotation index

2.2 浮选速度实验与浮选动力学

按照1.3节确定浮选速度实验操作参数,以正十二烷和月桂酸甲酯作为捕收剂进行浮选速度实验,实验结果如表3所示。其中,ε0为累计可燃体回收率。

由表3可知,月桂酸甲酯的每个精煤产品的产率和可燃体回收率均高于正十二烷;其精煤灰分均低于正十二烷。随着浮选时间的增加,两种捕收剂的浮选速度规律大致相同,具体表现为浮选前30 s的产率最大并且精煤灰分最低,此时精煤产率约占总产率的50%;浮选30～60 s的精煤产率迅速下降,精煤灰分大幅上升;浮选60～90 s和90～120 s的精煤产率缓慢下降,精煤灰分缓慢升高;浮选120～180 s后,因浮选时间延长,精煤产率有所提升,精煤灰分也达到最高。

表3 正十二烷和月桂酸甲酯对低阶煤浮选速率实验结果

在浮选速度实验的基础上,分别选用经典一级动力学模型(模型1)、经典二级动力学模型(模型2)、改进的气固黏附模型(模型3)[12],利用统计分析软件,对表3中的数据进行分析,进而得到累计可燃体回收率与时间的拟合图,拟合结果如表4和图3所示。

模型1ε0=ε∞[1-exp(-kt)],

(1)

(2)

(3)

式中:ε0——累计可燃体回收率,%;

ε∞——理论可燃体回收率,%;

k——浮选速率常数,s-1;

t——浮选时间,s。

表4 两种捕收剂对低阶煤浮选的非线性拟合回归参数

图3 两种捕收剂动力学拟合Fig. 3 Kinetic fitting of two collectors

由表4和图3可知,三种模型的相关系数R2均在97%以上,模型2和模型3的拟合效果高于模型1,其中模型2的拟合度高达99.98%,其相关系数R2更接近1,说明拟合程度较高。因此,两种捕收剂对低阶煤的浮选过程更接近于经典二级动力学模型;模型2中月桂酸甲酯的ε∞值和k值比正十二烷分别高出10.01%和1.84%,这说明月桂酸甲酯作用于浮选过程中不仅可以提升最大可燃体回收率,还可以提升浮选速率。

2.3 红外光谱分峰拟合

正十二烷和月桂酸甲酯与煤样作用后的红外光谱如图4所示。为了获得煤样键合结构的详细信息并解决煤样复杂性导致的红外光谱重叠问题,结合参考文献[13-15]中的拟合参数,再利用分峰拟合软件定量计算峰面积S,通过比较峰面积来判断煤样亲疏水性。以月桂酸甲酯处理后的煤样为例对分峰拟合过程进行阐述,处理后浮选精煤分峰拟合参数见表5。其中,h为峰高。另一煤样的峰中心与其峰中心相差在8 cm-1以内,故后续不作赘述。

根据文献[16],将红外光谱图分为5个波数带,分别对应煤的两种官能团结。极性官能团结构波数带:3 720～3 000 cm-1和1 200～950 cm-1;非极性官能团结构波数带:2 990～2 800 cm-1、1 700～1 350 cm-1和820-680 cm-1。其中,由于波数带3 720～3 000 cm-1的跨度较大,为提高其拟合准确性,采取分段拟合的方式。具体拟合分峰结果如图5、6和表6所示。