煤巖組分浮選捕收劑的優選試驗研究

趙世永，李 博，吳 陽，梁 效，周安寧

(西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054)

煤巖組分浮選捕收劑的優選試驗研究

趙世永，李 博，吳 陽，梁 效，周安寧

(西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054)

為了獲得煤巖組分分離的最佳藥劑制度，以神木王家溝煤為研究對象，分別采用調整劑HCl和NaOH 、AlCl3溶液調節煤巖單組分的表面電位，并添加不同捕收劑進行浮選試驗。試驗結果表明：當鏡質組與惰質組的表面電位相反，捕收劑用量分別為20、60 mg/L時，CTAB對煤巖單組份的分離效果最好；將某一煤巖組分表面電位調至零電點時，添加濃度為100 mg/L 的DTAB，可使鏡質組與惰質組的富集率分別達到77.71%和73.56%，實現二者的高效分離。

煤巖組分；調整劑；表面電位；浮選；離子型捕收劑

煤是有機化合物與無機礦物質組成的復雜混合物，其中的有機化合物形成了煤巖組分[1]?；诿簬r顯微組分在不同應用領域表現出的不同工藝性質，需要通過分離技術將具有不同性質的煤巖組分富集物分選出來并區別利用，進而為煤炭資源的深加工提供重要的技術途徑[2-3]?；诟鞣N煤巖組分表面性質的差異，許多研究者通過浮選技術對煤巖組分的富集與分離進行了研究。段旭琴等[4-6]采用不同的技術手段研究了神府煤煤巖顯微組分的可浮性，發現鏡質組和惰質組的化學成分、結構性質及物化性質相似，且鏡質組的疏水性低于惰質組。Honaker[7]利用浮選柱對伊利諾伊斯6#煤煤巖顯微組分進行分選，發現產物的顯微組成與礦漿酸堿度關系密切。趙偉等[8]在研究礦漿pH值對浮選效果的影響時發現，神府煤鏡質組和惰質組表面零電點的pH值在2～4之間；當鏡質組與惰質組表面電荷相反時，采用離子型藥劑分離效果較好。李華靜等[9]對神府煤煤巖組分表面電性研究時發現，調節酸堿度、添加表面活性劑或無機調整劑能夠增大鏡煤和絲炭表面Zeta電位的差異，調節礦漿酸堿度和添加十六烷基三甲基溴化銨對促進浮選效果有一定的協同作用。

截至目前，浮選藥劑的選擇一直是困擾煤巖組分有效分離的主要問題，為了解決現有捕收劑選擇性差的問題，通過添加不同離子型捕收劑對浮選分離煤巖組分的效果進行探索，以為煤炭資源的高效利用提供一定的理論借鑒。

1 試驗

1.1 儀器與試劑

(1)試驗儀器。RK/FD-1.5型單槽浮選機，葉輪轉速在0～2 600 r/min之間，浮選槽容積為1.5 L；MSP-Ⅱ型顯微鏡光度計，光譜范圍在300～900 nm之間，精準度優于0.5%；JS94H型電泳儀，分辨率為4 pixel/μm，適用于0.5～20 um的分散體系；PHS-3G型酸度計，量程為0～14pH，精度為±0.01pH；ALC-210.4型電子天平，稱量范圍在0～210 g之間，精度為±0.1 mg；RK/ZL-260/200型盤式真空過濾機，過濾盤規格為φ260×80 mm、φ200×80 mm，濾餅水分在10%～25%之間。

(2)試驗試劑。起泡劑固定為仲辛醇，捕收劑包括十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、油酸(OA)、十二烷基硫酸鈉(SDS)，調整劑選用0.1 mol/L的鹽酸(HCl)、0.1 mol/L的氫氧化鈉(NaOH)、0.1 mol/L的氯化鋁(AlCl3)等。

1.2 試樣性質

試樣為神木王家溝煤礦3號煤層原煤，將其制備成符合浮選要求(粒度<0.2 mm)的煤樣后進行浮選試驗。根據GB/T 16773—2008《煤巖分析樣品制備方法》規定制備粉煤光片，采用MSP-Ⅱ型顯微鏡光度計對其進行分析，結果見表1。

表1 神木煤的顯微組分組檢測結果

由表1可知：顯微組分組以鏡質組和惰質組為主，其含量分別為54.90%、42.08%，殼質組含量極少，僅為0.22%，礦物質含量較低，總含量為2.80%。

1.3 試驗方案

根據試驗需要設定儀器工作參數，保證礦漿濃度為100 g/L，藥劑與礦漿接觸時間為3 min；采用0.1 mol/L的HCl溶液將礦漿pH值分別調節成2.60、3.40，并添加不同離子型捕收劑進行浮選試驗；采用0.1 mol/L的NaOH溶液將礦漿pH值調節成6.20，通過添加AlCl3溶液將鏡質組和惰質組表面的Zeta電位調節成零電點，再添加不同離子型捕收劑進行浮選試驗。

在試驗過程中，仲辛醇用量固定為100 g/t；捕收劑DTAB、CTAB、油酸、SDS的用量根據預試驗初步確定，再根據最終試驗結果確定最佳用量。

1.4 評價指標

煤巖浮選綜合效率是評價浮選效果好壞的綜合指標，可以反映煤巖浮選分離程度和富集率。趙偉[10]提出了煤巖組分浮選分離中富集率的概念，并給出了煤巖浮選綜合效率計算式：

式中：Pv為浮物鏡質組富集率，%；P原,v為原煤鏡質組含量，%；Pi為沉物惰質組富集率，%；P原，i為原煤惰質組含量，%。

2 試驗結果與分析

2.1 不同礦漿pH值對藥劑作用效果的影響

2.1.1 陽離子捕收劑對分選效果的影響

在礦漿pH為2.60時，鏡質組表面電位為正電位，惰質組表面電位為負電位。以DTAB和CTAB作為捕收劑，捕收礦漿中的惰質組煤粒，試驗時DTAB和CTAB的濃度分別為20、60、100、140、180 mg/L。

浮選產物的產率與藥劑種類及其濃度關系如圖1所示。由圖1可知：在相同的藥劑濃度條件下，當礦漿pH為2.60，藥劑濃度大于20 mg/L時，CTAB作為捕收劑的浮物產率普遍大于DTAB作為捕收劑的。這是因為捕收劑的非極性基團碳鏈越長，捕收能力越強。在藥劑濃度較小時，其捕收能力不足，浮物產率較低，而藥劑濃度過大時，惰質組組分表面電位變為正電位，進而影響捕收劑的捕收能力，導致浮物產率降低。

圖1 藥劑濃度對浮選產物產率的影響

浮選產物的顯微煤巖組分富集率與藥劑種類及其濃度關系如圖2所示。由圖2可知：隨著藥劑濃度的增加，惰質組、鏡質組富集率均呈先增加后降低的趨勢。這是因為藥劑濃度較小時，其選擇性較好，浮物中的惰質組組分含量增高；隨著藥劑濃度的不斷增加，鏡質組組分和惰質組組分都趨向于正電性，陽離子捕收劑受到的靜電斥力增大，捕收能力和選擇性均降低，導致浮物產率降低。

圖2 藥劑濃度對煤巖顯微組分富集率的影響

2.1.2 陰離子捕收劑對分選效果的影響

將礦漿pH調整為3.40，分別以OA和SDS作為捕收劑，捕收礦漿中的鏡質組煤粒，試驗時OA和SDS的濃度均為20、60、100、140、180 mg/L。

通過浮選產物的產率與藥劑種類及其濃度關系(圖3)可知：在pH為3.40的條件下，就浮物產率來看，SDS作為捕收劑的明顯更好，這是因為SDS的極性基團極性強，捕收能力較強，隨著藥劑濃度的增加，浮物產率不斷升高。OA的極性基團極性相對較小，捕收能力較弱，隨著OA濃度的增加，鏡質組和惰質組的表面都顯負電性；由于靜電相斥作用，藥劑捕收能力降低，浮物產率降低。

圖3 藥劑濃度對浮選產物產率的影響

浮選產物顯微煤巖組分富集率與藥劑種類及其濃度關系如圖4所示。

圖4 藥劑濃度對煤巖顯微組分富集率的影響

由圖4(a)可知：當SDS濃度較小時，浮選過程有一定的富集作用；當其濃度較大時，浮物鏡質組含量與原煤鏡質組含量基本一致，即對鏡質組而言，浮選過程添加捕收劑并沒有起到富集作用。由圖4(b)可知：以SDS作為捕收劑時，惰質組富集率提高程度較大。這是因為隨著SDS的加入，鏡質組和惰質組的表面都顯負電，對于電負性更小的惰質組而言，由于靜電斥力的作用，藥劑捕收能力更弱，浮選時惰質組更易留在礦漿中，致使沉物惰質組富集率較高。

2.2 零電點對藥劑作用效果的影響

2.2.1 不同陽離子捕收劑的浮選效果

將礦漿pH調節為6.20，由于無機調整劑AlCl3能夠提高鏡質組與惰質組表面的潤濕性差異[11]，故采用154 mg/L的該溶液將鏡質組的表面電位調至零電點，此時惰質組顯負電。以DTAB、CTAB作為捕收劑時，鏡質組顯正電，惰質組顯負電。在DTAB、CTAB濃度分別為20、40、60、80、100、120 mg/L的條件下進行浮選試驗，浮選產物的產率與藥劑種類及其濃度的關系如圖5所示。

圖5 藥劑濃度對浮選產物產率的影響

由圖5可知：在相同的試驗條件下，就浮物產率來看，CTAB作為捕收劑的優于DTAB作為捕收劑的；隨著藥劑濃度的增加，浮物產率不斷升高。這可能是因為鏡質組和惰質組的電性沒有發生根本變化，隨著藥劑濃度的增加，捕收量隨之增加。

浮選產物顯微煤巖組分富集率與藥劑種類及其濃度關系如圖6所示。由圖6可知：隨著藥劑濃度的增加，鏡質組、惰質組的富集率均呈先增加后降低的趨勢，這說明濃度較低時藥劑選擇性較強，濃度過大時藥劑選擇性降低，礦物富集率隨其發生變化。在DTAB濃度為100 mg/L時，鏡質組富集率達到77.71%，惰質組富集率達到73.56%；在CTAB濃度為100 mg/L時，鏡質組富集率達到75.21%，惰質組富集率達到72.54%，這說明采用AlCl3調節煤粒表面Zeta電位時，將陽離子捕收劑的濃度控制在合適的范圍內，可以實現煤巖組分的高效分選。

圖6 藥劑濃度對煤巖顯微組分富集率的影響

2.2.2 不同陰離子捕收劑的浮選效果

當礦漿pH為6.20時，采用濃度為262 mg/L的AlCl3溶液將惰質組的表面電位調節到零電點，此時鏡質組表面顯示正電性。采用OA、SDS作為捕收劑，并控制其用量保證鏡質組顯正電性，惰質組顯負電性。在二者濃度均為40、60、80、100、120、140 mg/L的條件下進行浮選試驗，浮選產物的產率與藥劑種類及其濃度關系如圖7所示。

圖7 藥劑濃度對浮選產物產率的影響

由圖7可知：以OA作為捕收劑進行浮選試驗時，浮物產率不斷增加；以SDS作為捕收劑時，浮物產率呈先升高后降低的趨勢。這是因為隨著SDS的加入，礦漿表面的Zeta電位發生改變，致使鏡質組表面呈負電性，藥劑捕收率下降，浮物產率隨之降低。

浮選產物顯微煤巖組分富集率與藥劑種類及其濃度關系如圖8所示。

圖8 藥劑濃度對煤巖顯微組分富集率的影響

由圖8可知：隨著藥劑濃度的增加，鏡質組、惰質組的富集率均呈先增加后降低的趨勢，這說明陰離子捕收劑同樣存在一個最佳用量。在OA濃度為120 mg/L時，鏡質組富集率達到69.24%，惰質組富集率達到76.98%；在SDS濃度為100 mg/L時，鏡質組富集率達到67.74%，惰質組富集率達到77.93%。相對陽離子捕收劑而言，在浮選過程中添加陰離子捕收劑時惰質組的富集率高于鏡質組的富集率。

2.3 試驗結果對比分析

根據試驗結果計算不同試驗條件下的煤巖浮選綜合效率，浮選藥劑與煤巖浮選最大綜合效率的關系見表2。

表2 不同浮選藥劑下最大綜合效率對比結果

由表2可知：就煤巖浮選綜合效率來看，陽離子型捕收劑的高于陰離子捕收劑的。也就是說，在煤巖浮選時添加陽離子型捕收劑既能使鏡質組富集率較高，又能得到惰質組富集率較高的絲炭；在添加陰離子型捕收劑時，一般能得到惰質組富集率較高的絲炭，而鏡煤中鏡質組富集作用不明顯。

陽離子型捕收劑對煤巖顯微組分的浮選效果更好，這主要是因為酸性環境或添加陽離子的環境更適合煤巖分選，此時陽離子型捕收劑能夠較好地捕收絲炭，并使鏡煤留在礦漿中。而采用陰離子型捕收劑時，陰離子與氫離子或金屬陽離子易結合形成中性分子，影響其對鏡質組組分的捕收，進而影響藥劑的選擇性。

3 結論

(1)采用HCl溶液調節礦漿酸堿度時，添加不同陰陽離子捕收劑的煤巖組分浮選效果不同。在礦漿pH為2.60的條件下，當CTAB濃度為60 mg/L時，鏡質組富集率為76.89%；當CTAB濃度為20 mg/L時，惰質組富集率為78.59%；在礦漿pH為3.40的條件下，當SDS濃度為20 mg/L時，鏡質組富集率為73.52%；當OA濃度為60 mg/L時，惰質組富集率為73.48%。就浮選效果來看，CTAB優于其他捕收劑。

(2)采用AlCl3將鏡質組表面電位調節為零電點，添加濃度為100 mg/L的DTAB，可使鏡質組富集率達到77.71%，惰質組富集率達到73.56%，浮選效果均優于同等用量的CTAB。當將惰質組表面電位調節為零電點時，添加濃度為120 mg/L的OA，可使鏡質組富集率達到69.24%，惰質組富集率達到76.98%；當SDS濃度為100 mg/L時，鏡質組富集率達到67.74%，惰質組富集率達到77.93%。

(3)陽離子型捕收劑能同時實現鏡煤和絲炭的有效分離與富集，陰離子型捕收劑對絲炭的富集作用明顯，而對鏡煤的富集作用較差。

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Experimental study on optimum-seeking of collectors for separation of coal macerals through flotation

ZHAO Shi-yong, LI Bo, WU Yang, LIANG Xiao, ZHOU An-ning

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi710054, China)

In order to determine optimum regime of agents for better separation of petrographic components, flotation test is conducted with coal from Shenmu Wangjiagou Mine as the object of study. The test is made through adjustment of the surface potential of each component with HCl, NaOH and AlCl3solution respectively and using different kinds of collectors. Test result indicates that: when vitrinite and inertinite have opposite surface potentials, a best result of separation of these 2 maceral can be attained by using CTAB (cetyl trimethyl ammonium bromide) as the collector at dosage of 20 mg/L and 60 mg/L respectively; and when the surface potential of a certain maceral is adjusted to zero electrical point, the enrichment rates of vitrinite and inertinite can go up to 77.71% and 73.56% respectively with the use of DTAB (dodecyl trimethyl ammonium bromide) as collector at a dosage of 100 mg/L, making it possible for the 2 macerals to be effectively separated.

coal maceral; conditioning agent; surface potential; flotation; ionic collector

1001-3571(2016)05-0009-06

TD943+.13

A

2016-05-05

10.16447/j.cnki.cpt.2016.05.003

陜西省科技計劃經費資助項目(2015KTZDGY05-02)

趙世永(1973—)，男，陜西省咸陽市人，副教授，從事煤炭提質分選與綜合利用方面的研究。

E-mail：122619732@qq.com Tel:15877394635

趙世永，李 博，吳 陽，等.煤巖組分浮選捕收劑的優選試驗研究[J]. 選煤技術，2016(5)：9-14.