黃蘭慧，陳禹蒙，黃偉，吳昌寧, , 3，翁力, ，劉科, , 3

1．南方科技大學(xué) 化學(xué)系，廣東 深圳 518055；2．南方科技大學(xué) 前沿與交叉科學(xué)研究院，清潔能源研究院，廣東 深圳 518055；3．南方科技大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院,深圳低質(zhì)煤綜合利用工程研究中心,廣東 深圳 518055

引言

根據(jù)微細(xì)顆粒表面親疏水性差異將目標(biāo)礦物和脈石分離的泡沫浮選是細(xì)粒煤分選最有效的方法[1-2]。在浮選礦漿中，氣泡作為疏水性顆粒的載體，在浮力的作用下將疏水性顆粒攜帶升浮至液面，形成浮選精煤泡沫層[3-4]。與熟知的泡沫不同，浮選精煤泡沫為氣-固-液三相泡沫體系，由于浮選過程中起泡劑的添加和微細(xì)顆粒在氣泡表面黏附，形成“裝甲”，導(dǎo)致精煤浮選泡沫層十分穩(wěn)定[5-9]。浮選精煤產(chǎn)物從浮選槽(柱)中排出后儲存于精煤罐，較長時(shí)間難以破裂[10]，尤其是浮選精煤中細(xì)粒含量越高，精煤泡沫越穩(wěn)定[11-12]。穩(wěn)定、黏稠、難消的三相泡沫會對后續(xù)工藝帶來諸多危害，例如：(1)泡沫含氣量大、密度小，同等生產(chǎn)量需要的精煤罐體積增大，占地面積增加，經(jīng)濟(jì)成本升高；(2)當(dāng)大量氣泡涌入，輸送泵會出現(xiàn)“氣蝕”，損害設(shè)備，增加廠區(qū)危險(xiǎn)性；(3)黏稠的泡沫降低管道運(yùn)輸效率；(4)含氣泡沫進(jìn)入脫水設(shè)備將降低其工作效率，增加能耗。因此，有必要研究浮選精煤泡沫的消除[13-15]。

目前消泡方法主要有兩類：物理消泡法和化學(xué)消泡法[16]。物理消泡法通過改變泡沫的物理狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)消泡，具體方法有靜置、減壓、升溫、機(jī)械攪拌[17]、水噴淋、超聲等。化學(xué)消泡法是在泡沫體系中加入與起泡劑表面性質(zhì)相反或能使起泡劑失效的表面活性劑，即消泡劑，來實(shí)現(xiàn)消泡[18]。上述方法在氣液兩相泡沫中已得到廣泛研究，但鮮有文獻(xiàn)研究三相泡沫的消除。吳倫等人[18]對浮選精煤泡沫采用物理消泡法的試驗(yàn)結(jié)果表明，靜置法和機(jī)械攪拌法消泡效果不理想；升溫法消泡快，但能耗高；噴水法耗水量大，但消泡效果較理想。任利勤等人[10]提出在較低真空度(0.02 MPa)下，浮選精煤泡沫在較短時(shí)間(30 s)內(nèi)有較好消泡效果，但在廠區(qū)實(shí)現(xiàn)精煤真空儲運(yùn)需要較大投入，進(jìn)行已有設(shè)備改造也較復(fù)雜。由已有研究成果可知，噴水法是消泡效果好且易實(shí)現(xiàn)的消泡方法，其耗水量大的問題可通過水的循環(huán)利用來解決。此外，李明等人[19]發(fā)現(xiàn)，在細(xì)粒煤浮選時(shí)若加入高濃度的柴油捕收劑，浮選精煤泡沫穩(wěn)定性降低，表明在浮選過程中柴油具有一定消泡作用。而消泡劑，如柴油，直接加入浮選精煤泡沫中的消泡效果有待研究；結(jié)合化學(xué)法和物理法，如以加入消泡劑為噴淋水的噴水法的消泡效果有待驗(yàn)證。

本文針對浮選精煤泡沫難以消除的問題，以實(shí)現(xiàn)浮選工藝的連續(xù)性為目的，對浮選精煤泡沫進(jìn)行消泡試驗(yàn)，考察消泡劑添加方式、消泡劑的種類和消泡劑的用量對消泡效果的影響，并探求消泡劑在循環(huán)水中的殘留對浮選的影響。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)試劑與儀器

試驗(yàn)所用煤樣為來自山東某地選煤廠的煤泥。

試劑：煤油(麥克林，CAS：8008-20-6)、2號油(湖北荊州選礦藥劑有限公司，CAS：8002-09-3)、硅油消泡劑(麥克林，CAS：NONE6712，透明黏稠狀液體)、乳化烴類油消泡劑(紹興市上虞區(qū)鼎欣科技發(fā)展有限公司，CAS：8042-47-5，乳白色黏稠狀液體)

儀器與設(shè)備：秒表、1 L量筒、洗瓶、5 mL注射器、噴淋器(噴壺)和自制帶刻度高量筒、真空抽濾機(jī)、電子秤、烘箱(DHG-9246A，上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司)、250 μL和 100 μL平口微量進(jìn)樣器(貨號02027399和02026709，上海研恬生物科技有限公司)、高強(qiáng)度攪拌器(VM00198，上海登捷機(jī)械設(shè)備有限公司)、單槽浮選機(jī)(XFD-Ⅲ-3L，紹興偉邦礦機(jī)制造有限公司)、全自動工業(yè)分析儀(5E-MAG6700Ⅱ，長沙開元儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 消泡試驗(yàn)

在攪拌器中依次加入煤樣、水、捕收劑和起泡劑，蓋上蓋密封，高強(qiáng)度攪拌 1 min，充分混合起泡后，將攪拌器中的精煤泡沫轉(zhuǎn)移至自制高量筒，加入消泡劑(或不加)后觀察泡沫層厚度隨時(shí)間的變化。每次試驗(yàn)煤樣用量 150 g，煤漿濃度 100 g/L，捕收劑為煤油，起泡劑為 2 號油，用量分別為 600 和 300 g/t。

泡沫轉(zhuǎn)移至高量筒后，采用兩種方式加入消泡劑：(1)滴加(DJ)，在泡沫層上方用注射器逐滴加入消泡劑；(2)噴淋(PL)，在噴淋器中加入消泡劑和固定量的水并充分混勻，消泡劑以噴淋水形式在泡沫層上方加入，噴淋過程中噴淋速率恒定且在2 min內(nèi)完成。

考察的兩種消泡劑為硅油消泡劑(G)和乳化烴類油消泡劑(R)，三個(gè)用量水平為 0、20和 100 mg/L。

1.2.2 浮選試驗(yàn)

浮選采用XFD 3 L單槽浮選機(jī)，浮選入料 300 g，礦漿轉(zhuǎn)速1 800 r/min，充氣量0.2 m3/h，煤樣、礦漿濃度和浮選藥劑及其用量與消泡試驗(yàn)一致。根據(jù)GB/T 4757—2013《煤粉(泥)實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)方法》[20]規(guī)定，具體浮選流程如圖 1所示。浮選產(chǎn)物過濾烘干后測重，研磨后用全自動工業(yè)分析儀測量灰分。

圖1 浮選試驗(yàn)流程

2 結(jié)果與討論2.1 消泡試驗(yàn)

2.1.1 消泡劑加入方式的影響

為了研究消泡劑添加方式對消泡效果的影響，分別在消泡劑以滴加和噴淋加入的條件下，進(jìn)行了浮選精煤泡沫的消泡試驗(yàn)，圖 2為消泡試驗(yàn)過程中泡沫層高度隨時(shí)間的變化圖。

圖2 消泡劑不同加入方式下泡沫層高度隨時(shí)間的變化(ZJ：靜置；DJ：以滴加方式加入消泡劑；PL：以噴淋方式加入消泡劑；G：硅油消泡劑；R：乳化烴類油消泡劑；2020 mg/L的消泡劑；100100 mg/L的消泡劑)

由曲線 1 可知，在不加消泡劑、僅靜置條件下，隨著時(shí)間的延長，泡沫層高度先略有降低后不再變化。結(jié)果表明，靜置消泡法很難使這樣穩(wěn)定的泡沫消除，這與前人的試驗(yàn)結(jié)果一致[6, 15, 18]。泡沫的消除主要由重力排液、奧斯特瓦爾德熟化、界面力驅(qū)動液膜薄化和自發(fā)的磨破裂共同起作用，相較于有界面驅(qū)動力的液膜薄化重力排液要慢得多[21]，因此僅靜置很難消除穩(wěn)定的三相泡沫。曲線～36 為消泡劑采用滴加方式加入的消泡結(jié)果，在不同用量下，兩種消泡劑加入后泡沫層隨時(shí)間的變化規(guī)律與靜置時(shí)相同，最終泡沫層減少的厚度與靜置無顯著差異，可知以滴加方式加入消泡劑無明顯消泡效果。胡楠等人[22]在新型消泡劑對兩相泡沫的消泡性能研究時(shí)得出，用滴管滴加消泡劑后泡沫能快速消除，這里得到不同的結(jié)果或許是因?yàn)槿嗯菽酿ざ容^大，消泡劑加入后無法提高較遠(yuǎn)處泡沫液膜的排液速度，因此在量筒外側(cè)無法明顯觀察到泡沫的消除。對消泡劑加入位置觀察發(fā)現(xiàn)滴入位置周圍的泡沫被消除，在泡沫層表面形成“坑”狀，說明消泡劑有一定消泡作用，但滴加無法有效展現(xiàn)消泡劑的消泡效果。

由圖 2中曲線2可知，當(dāng)采用噴淋方式加入消泡劑(硅油消泡劑，20 mg/L)，在噴淋水加入后的前2 min內(nèi)泡沫被快速消除，其厚度從 11 cm降至 8 cm，噴淋結(jié)束后，與靜置時(shí)現(xiàn)象相同，泡沫層略微減少后穩(wěn)定不變，最終泡沫層可減少 3.9 cm。相較于靜置和消泡劑滴加，以噴淋的方式加入消泡劑能夠顯著提高消泡的速率和消泡程度。當(dāng)以滴加方式加入，消泡劑得不到分散，只消除滴入位置周圍的部分泡沫；當(dāng)消泡劑以噴淋方式加入，消泡劑可分散成小液滴，均勻淋在泡沫層表面，快速消除泡沫。加入的消泡劑接觸到精煤泡沫，起到消泡效果后會立即被已破裂的黏稠液膜液體包裹[15]，無法接觸其他泡沫繼續(xù)消泡，因此噴淋結(jié)束后，與靜置時(shí)現(xiàn)象相同。

2.1.2 消泡劑種類和用量的影響

為了研究消泡劑種類和用量對消泡效果的影響，在噴淋條件下，選用硅油消泡劑和乳化烴類油消泡劑，在三個(gè)用量水平下(0、20和 100 mg/L)進(jìn)行了消泡試驗(yàn)。硅油消泡劑表面張力小、熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定性好、消泡能力強(qiáng)，在極少用量下有極佳消泡效果，為應(yīng)用十分廣泛的消泡劑，但其在三相泡沫中的消泡效果未知，此外，鮮有對乳化烴類油消泡劑的研究，其消泡效果未知。因此選用這兩種消泡劑，研究它們對浮選精煤三相泡沫的消泡效果，同時(shí)研究消泡劑在較低劑量20 mg/L和較高劑量100 mg/L下的消泡效果。圖 3為具體消泡情況，表 1為具體消泡率值。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，消泡劑用量相同時(shí)，硅油消泡劑的消泡效果優(yōu)于乳化烴類油消泡劑。當(dāng)消泡劑用量為 20 mg/L時(shí)，硅油消泡劑消泡率比乳化烴類油消泡劑高 7.3百分點(diǎn)；用量為 100 mg/L時(shí)，高出 16.4百分點(diǎn)。這是因?yàn)橄噍^于其他礦物類和脂肪醇類消泡劑，在水體系中硅油消泡劑被認(rèn)為是高效消泡劑[23]。硅油消泡劑表面張力低，在氣泡上易鋪展，當(dāng)硅油小液滴落到氣泡上，落點(diǎn)的表面張力能被有效降低，變成氣泡上的一個(gè)薄弱點(diǎn)，原有的穩(wěn)定狀態(tài)被打破從而引起氣泡破裂[6, 24-25]。而乳化烴類油消泡劑被噴淋到泡沫表面后需進(jìn)入泡沫液膜，在分子力的作用下加速排液，使液膜薄化，形成油滴架橋現(xiàn)象后使氣泡破裂[19, 23, 26]。在這里的三相浮選精煤泡沫體系中，硅油消泡劑更能展現(xiàn)良好的消泡性能。

對于同一消泡劑，隨著用量的增加，消泡效果越好，尤其是硅油消泡劑，消泡率從未用消泡劑時(shí)的 12.7%增加到用量為 20 mg/L時(shí)的 35.4%，用量為 100 mg/L時(shí)，消泡率更是達(dá)到了 59.1%，這與陳更等人[27]的研究結(jié)果一致，各種消泡劑，隨著用量的減少，消泡率會降低，因此需要在保證消泡率的前提下盡可能少地使用消泡劑。綜合不同條件下的消泡結(jié)果可以得出，在此體系中，消泡劑加入方式對消泡效果影響最大，其次是消泡劑用量，最后是消泡劑種類。

圖3 不同消泡劑種類和用量下泡沫層高度隨時(shí)間變化圖(PL：以噴淋方式加入消泡劑；G：硅油消泡劑；R：乳化烴類油消泡劑；0：無消泡劑，僅噴淋水；2020 mg/L的消泡劑；100100 mg/L的消泡劑)

表1 不同條件下的消泡率

2.2 浮選試驗(yàn)

浮選精煤在脫水過程中產(chǎn)生的水會作為循環(huán)水被閉路循環(huán)使用，為此，進(jìn)行精煤罐中加入消泡劑后在循環(huán)水中的殘留對浮選影響的試驗(yàn)。表 2為在浮選過程中不加消泡劑和引入較低殘留量消泡劑(10 mg/L)、較高殘留量消泡劑(100 mg/L)后的浮選結(jié)果。在消泡劑殘留量較低時(shí)，加硅油消泡劑浮選得到精尾煤產(chǎn)率和灰分(Aad)與未加消泡劑時(shí)一致，加入乳化烴類油消泡劑后，浮選精煤產(chǎn)率和灰分略微增加，但整體相差不大，說明較低量消泡劑的殘留對浮選影響較小。當(dāng)殘留的消泡劑增加，即在浮選中引入100 mg/L硅油和乳化烴類油消泡劑后，前者浮選精煤的產(chǎn)率從 31.4%跌至 10.42%，精煤灰分升至 18.73%，后者使浮選精煤產(chǎn)率提升至41.8%，精煤灰分也增加了 3.3百分點(diǎn)，兩種消泡劑對浮選表現(xiàn)出了相反的影響。硅油消泡劑不僅能使精煤泡沫快速破裂消除，而且能夠抑制泡沫的生成[28]，這也是常規(guī)消泡劑另一方面的消泡性能。因此，在加入較大量硅油消泡劑后，浮選過程中上方泡沫層厚度顯著降低，致使浮選精煤產(chǎn)率下降，同時(shí)使浮選選擇性降低。在精煤收率顯著降低的情況下，精煤灰分反而增加，說明較高殘留量硅油消泡劑能惡化浮選，對浮選有不利影響。較大量乳化烴類油消泡劑的引入，表現(xiàn)出的不再是一般消泡劑的抑泡作用，而與增加烴類油捕收劑的效果類似[8, 29-30]，烴類油為疏水性物質(zhì)，乳化后被分散為微小油滴，與煤顆粒碰撞概率增加，在煤顆粒表面吸附，提高了煤顆粒的可浮性，因此能在略微增加精煤灰分的同時(shí)大大提高精煤產(chǎn)率，在一定程度上促進(jìn)浮選，對浮選有利。

表2 浮選結(jié)果

為了研究消泡劑的添加方式、種類和用量對浮選精煤消泡效果的影響以及消泡劑殘留于循環(huán)水對浮選流程的影響，分別進(jìn)行了消泡試驗(yàn)和浮選試驗(yàn)。綜合試驗(yàn)結(jié)果可知，若在不影響浮選的提前下實(shí)現(xiàn)良好的消泡效果，可以考慮采用低用量的乳化烴類油消泡劑，同時(shí)適當(dāng)降低浮選捕收劑用量，使乳化烴類油消泡劑在精煤罐中起消泡作用，在浮選中起捕收劑作用，解決消泡難題的同時(shí)有效節(jié)約成本。

3 結(jié)論

通過消泡試驗(yàn)可知，在此三相浮選精煤泡沫體系中，隨著消泡劑用量的增加，消泡效果越好，且硅油消泡劑的消泡效果優(yōu)于乳化烴類油消泡劑。消泡劑加入方式對消泡效果影響最大，其次是消泡劑用量，最后是消泡劑種類。采用滴加的方式加入消泡劑不改變浮選精煤的消泡效果，噴淋方式加入消泡劑能增加消泡速率和消泡程度。

浮選試驗(yàn)結(jié)果可知，循環(huán)水中較低劑量的消泡劑殘留對浮選影響較小。當(dāng)殘留量較大時(shí)，硅油消泡劑能大大減少精煤產(chǎn)率，增加精煤灰分，降低浮選選擇性，抑制浮選；乳化烴類油消泡劑能增加浮選產(chǎn)率，在一定程度上促進(jìn)浮選，同時(shí)精煤灰分也有所增加。