陳 陽，解維偉，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

煤炭開采、運(yùn)輸及存貯過程中會發(fā)生不同程度的氧化[1-4]。氧化形成的親水性含氧官能團(tuán)，極易與水分子形成氫鍵，使傳統(tǒng)捕收劑無法在煤粒表面有效鋪展，從而增加浮選難度[5-10]。針對氧化煤的浮選問題，目前主要從煤泥浮選前預(yù)處理、新型浮選藥劑研發(fā)、礦漿電性調(diào)節(jié)等方面提高氧化煤的表面疏水性和可浮性。

在氧化煤浮選藥劑研究方面，Tao D等[11]發(fā)現(xiàn)，通過對煤粒表面改性或增強(qiáng)藥劑與煤粒間的相互作用，可明顯改善氧化煤浮選效果；康文澤等[12]利用表面活性劑的雙親性制備AO型捕收劑，浮選效果優(yōu)于柴油捕收劑；吳廣玲等[13]將不同的油酸基表面活性劑與煤油復(fù)配作為氧化煤浮選的捕收劑，提高了氧化煤表面的疏水性；王海棠[14]利用表面活性劑對氧化煤進(jìn)行預(yù)處理，使氧化煤表面的含氧官能團(tuán)被有效覆蓋；崔廣文等[15]研究發(fā)現(xiàn)脂肪醇可通過氫鍵吸附于氧化煤表面，使氧化煤的可浮性得以改善。本文根據(jù)氧化煤性質(zhì)，采用酯類表面活性劑和Span80等制備藥劑C-1，研究C-1對氧化煤浮選效果的影響，并通過紅外光譜及潤濕熱分析其作用機(jī)理。研究結(jié)果證明，藥劑C-1對氧化煤的捕收性能優(yōu)于柴油，可顯著提高其浮選效果。

1 試驗(yàn)方法

1.1 儀器設(shè)備及藥劑

1)試驗(yàn)設(shè)備：傅里葉紅外光譜儀；C80微量熱儀；XFDIV-1.0L型實(shí)驗(yàn)室用單槽浮選機(jī)，葉輪轉(zhuǎn)速在0～30r/min之間，調(diào)漿轉(zhuǎn)速在0～2600r/min之間；磁力攪拌器；標(biāo)準(zhǔn)套篩。

2)試驗(yàn)藥劑：失水山梨醇單油酸酯(Span80)、酯類表面活性劑、單餾程非極性烴類油(200～230℃)、柴油、仲辛醇。

1.2 煤質(zhì)分析

試驗(yàn)煤樣為長期堆置的氧化煤，按照《煤樣的制備方法》(GB 474—2008)對煤粒進(jìn)行混勻與縮分，制備用于煤質(zhì)分析及浮選試驗(yàn)所需的煤樣。煤樣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣的工業(yè)分析與元素分析 %

由工業(yè)分析可知，煤樣灰分Ad=20.52%，為中灰分煤，在浮選過程中需要降低精煤灰分，干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf=28.98%，為中等變質(zhì)程度煤樣，該變質(zhì)程度煤中含氧量應(yīng)在5%左右。由元素分析可知，煤樣中氧含量達(dá)到12.79%，遠(yuǎn)高于中等變質(zhì)程度煤樣的平均含氧量，說明煤樣在長期堆放過程中發(fā)生了氧化現(xiàn)象。

1.3 煤樣粒度組成

根據(jù)國標(biāo)《煤炭篩分試驗(yàn)方法》(GB/T 477—2008)的規(guī)定，分別采用0.5、0.25、0.125、0.074和0.045mm的標(biāo)準(zhǔn)套篩于振篩機(jī)上對200g氧化煤樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，重復(fù)三次，取平均結(jié)果。

1.4 浮選試驗(yàn)

1)制備藥劑C-1。在氧化煤浮選試驗(yàn)中，Span80、酯類表面活性劑可增加捕收劑在浮選礦漿中的溶解度和分散度，減少浮選藥劑用量，并得到較好的浮選效果。將表面活性劑(酯類表面活性劑、Span80)和單餾程非極性烴類油按照不同比例在磁力攪拌器中攪拌15min，攪拌強(qiáng)度為750r/min。使用不同配比的復(fù)合藥劑進(jìn)行常規(guī)浮選試驗(yàn)，確定藥劑C-1的配比。

2)浮選采用XFDIV-1.0L型實(shí)驗(yàn)室用單槽浮選機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速為1900r/min，充氣量為0.25m3/(m2·min)，浮選入料濃度為100g/L。根據(jù)《煤粉(泥)浮選試驗(yàn)》(GB/T 30046—2013)，以藥劑C-1、柴油與仲辛醇為浮選藥劑進(jìn)行浮選試驗(yàn)，以精煤產(chǎn)率、精煤灰分、精煤可燃體回收率及浮選完善指標(biāo)作為評定浮選試驗(yàn)效果的指標(biāo)。

1.5 紅外光譜

利用紅外光譜可以推測氧化煤表面含氧能團(tuán)的種類及其所處的化學(xué)環(huán)境。稱取50g煤樣并配置成入料濃度為50g/L的礦漿，放于浮選機(jī)中預(yù)攪拌2min后加入藥劑C-1繼續(xù)攪拌5min后過濾，在30℃下恒溫干燥2h，制得測試分析煤樣。稱取1mg煤樣與光譜純KBr 100mg混合研磨及壓片，對煤粒表面的特征官能團(tuán)進(jìn)行紅外光譜分析。氧化煤原煤也需進(jìn)行同樣的分析，用作對比。

1.6 潤濕熱測定

稱取一定質(zhì)量的干燥煤樣置于C80微量熱儀的產(chǎn)品池中，在混合池上加入2mL待測藥劑，待微量熱儀完全穩(wěn)定后刺破藥劑與煤樣間的薄膜，使兩者充分混合，測定煤樣與藥劑作用后的潤濕熱值。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度組成分析

氧化煤粒度組成見表2。由表2可知，該氧化煤泥的灰分為22.05，-0.074mm粒級產(chǎn)率25.96%，灰分25.42%，其中-0.045mm粒級產(chǎn)率為17.77%。

表2 氧化煤粒度組成 %

2.2 氧化煤泥浮選試驗(yàn)

2.2.1 不同藥劑配比對氧化煤浮選的影響

將表面活性劑(酯類表面活性劑、Span80)和單餾程非極性烴類油按照質(zhì)量比3%、4%、5%、6%、7%混合成捕收劑進(jìn)行浮選試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同藥劑配比浮氧化煤浮選的影響

由圖1可知，相同藥劑用量下，當(dāng)表面活性劑與單餾程非極性烴類油按照5%比例混合所得的捕收劑對氧化煤的浮選效果最佳，此時浮選完善指標(biāo)為28.71%，將按照該比例制備藥劑C-1進(jìn)行后續(xù)浮選試驗(yàn)與測試分析。

2.2.2 氧化煤浮選對比試驗(yàn)

分別以柴油和藥劑C-1為捕收劑，仲辛醇為起泡劑進(jìn)行浮選試驗(yàn)，其中起泡劑用量為100g/t，結(jié)果見表3，不同捕收劑作用下精煤可燃體回收率變化，如圖2所示。

表3 不同捕收劑作用下的浮選試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同捕收劑作用下的精煤可燃體回收率

由表3可以看出，隨著捕收劑用量的增加，浮選精煤產(chǎn)率均有所增加。柴油用量1400g/t時，精煤產(chǎn)率67.24%，但精煤灰分高達(dá)15.73%；柴油用量1200g/t時，精煤灰分最低(12.58%)，此時精煤產(chǎn)率為60.97%。由此可見，通過增加柴油用量可提高精煤產(chǎn)率，但會造成浮選選擇性下降，精煤灰分明顯升高。當(dāng)藥劑C-1為捕收劑時，C-1用量1200g/t時，精煤灰分為12.02%，達(dá)到最低，與柴油捕收劑相比，其精煤灰分下降了0.46個百分點(diǎn)，此時浮選完善指標(biāo)最高為36.35%。隨著藥劑量的增加，精煤產(chǎn)率逐漸提高，在相同藥劑量下，C-1作為捕收劑時，浮選效果更優(yōu)。

由圖2可知，當(dāng)藥劑C-1為捕收劑時的精煤可燃體回收率均高于柴油作用后的回收率，當(dāng)捕收劑用量為1400g/t時，藥劑C-1的可燃體回收率達(dá)到66.64%，比柴油提高1.64%，由此可見，C-1為捕收劑的作用性能優(yōu)于柴油為捕收劑。

2.2.3 藥劑C-1最佳浮選條件的確定

藥劑使用制度對煤泥浮選的效果有重要影響。將藥劑C-1和仲辛醇組合進(jìn)行藥劑量探索試驗(yàn)。固定藥劑C-1用量為1200g/t，改變仲辛醇的單位用量進(jìn)行浮選試驗(yàn)，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著仲辛醇用量的增加，精煤產(chǎn)率均有小幅度提升，精煤灰分呈先下降后上升的趨勢。仲辛醇用量150g/t時，精煤產(chǎn)率為64.51%，精煤灰分達(dá)到最低值11.96%，浮選完善指標(biāo)達(dá)到最大值37.87%，此時精煤質(zhì)量最佳。因此當(dāng)藥劑C-1用量為1200g/t，仲辛醇用量為150g/t時，氧化煤的浮選效果最佳。

表4 不同仲辛醇用量下的氧化煤浮選結(jié)果

2.3 藥劑C-1的作用機(jī)理分析

2.3.1 紅外光譜分析

氧化煤表面含有大量的含氧官能團(tuán)，如羥基、醛基、羧基等，采用Bruker Vertex 70型傅里葉變換紅外光譜儀對原煤與藥劑C-1作用前后的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3所示。

圖3 原煤和藥劑C-1作用前后的紅外光譜圖

與原煤相比，在1034cm-1處的醚鍵吸收峰峰面積明顯變小，峰強(qiáng)變?nèi)?，說明藥劑C-1可與煤粒表面的烷基醚相互作用，形成化學(xué)吸附，使疏水基團(tuán)朝外，增強(qiáng)煤粒表面的疏水性。在540cm-1處的Si—O振動峰峰面積明顯變小，這是因?yàn)樗巹〤-1吸附在煤粒表面，改變了煤泥表面的潤濕性進(jìn)而增強(qiáng)煤粒的可浮性，使煤粒與高嶺石等無機(jī)礦物得以分離。說明藥劑C-1做捕收劑的浮選效果更佳，與氧化煤浮選結(jié)果一致。

2.3.2 潤濕熱分析

潤濕熱值代表煤樣與藥劑作用時所釋放的熱量，值越大，放出的熱量越多，反應(yīng)越容易進(jìn)行。氧化煤與不同捕收劑作用后的潤濕熱見表5。由表5可知，相比于柴油，藥劑C-1與氧化煤作用的潤濕熱更大，對煤粒的吸附能力更強(qiáng)，對煤粒的捕收活性更大，與氧化煤浮選結(jié)果一致。

表5 氧化煤的潤濕熱分析

3 結(jié) 論

1)將表面活性劑(酯類表面活性劑、Span80)和單餾程非極性烴類油按照質(zhì)量比為5%混合時，制備所得的藥劑C-1對氧化煤的浮選作用效果最佳。

2)利用藥劑C-1為捕收劑進(jìn)行浮選試驗(yàn)，當(dāng)藥劑C-1用量為1200g/t時，浮選效果最佳，此時得到的精煤產(chǎn)率為62.29%，相較于柴油的作用效果，精煤灰分降低0.46%，可燃體回收率提高1.64%，浮選完善指標(biāo)提高2.76%，可明顯改善氧化煤的浮選效果。

3)藥劑C-1可與煤粒表面的含氧官能團(tuán)形成化學(xué)吸附，覆蓋煤粒表面的部分醚鍵，疏水基團(tuán)朝外，提高煤粒疏水性，明顯增大氧化煤表面的潤濕熱，進(jìn)而提高煤粒的可浮性。