复配起泡剂强化低阶煤浮选的试验研究

郭芳余，黄露露，何 琳，徐梦迪，邢耀文，桂夏辉

(1.中国矿业大学 煤加工与洁净化工程技术研究中心，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

随着煤层开采难度的加大和重介质旋流器的广泛使用，低阶煤泥的产量迅速增加且细粒煤泥含量较高[1-2]。煤泥浮选依据煤与矸石表面物化性质差异实现矿物分选，是处理细粒级物料最有效的方法之一。然而，低阶煤表面含有丰富的含氧官能团，有大量的裂隙和孔隙，疏水性较差，导致药剂消耗量大，浮选效率低[3-4]。

起泡剂在浮选中起着至关重要的作用，其性能的优劣可直接影响浮选指标。近年来的研究表明，两种或两种以上的起泡剂复配使用可以增强起泡性能[5-6]。GUPTA[7]等考察了不同类型起泡剂的混合对表面张力的影响规律，结果发现：醇类起泡剂与聚乙二醇类起泡剂混合相比于醇类与酮类以及醇类与醛类起泡剂混合，具有更大的表面活性，同时降低气-液界面表面张力的能力也更强。TAN等[8]发现，低分子量和高分子量的聚丙烯醇类混合物比单一的聚丙烯醇具有更好的起泡性能。这是由于混合表面活性剂减缓了液膜的排液速率，从而抑制了气泡的兼并，提高了泡沫的稳定性。AHMED[9]研究了较低浓度聚乙二醇(F150)和正戊醇混合使用时气泡索特尔平均直径与气泡兼并时间随正戊醇浓度的变化规律，结果发现：当正戊醇的浓度低于其临界兼并浓度时，加入F150有利于降低气泡的索特尔平均直径，且降幅和 F150的浓度呈正相关，但当正戊醇的浓度高于其临界兼并浓度时，加入F150则会增加气泡的索特尔平均直径。此外，相比于 F150和正戊醇单独使用，二者混合后的气泡兼并时间一般高于正戊醇，但又低于 F150。LASKOWSKI 等[10]在研究非离子型表面活性剂 Dowforth 与 MIBC混合起泡剂的泡沫特性时也发现了类似的规律，即：混合起泡剂的泡沫特性优于 MIBC，但又弱于 Dowforth。

目前国内外学者的研究都集中在混合起泡剂对泡沫稳定性的影响方面[11-14]，但有关不同种类混合起泡剂对低阶煤浮选的影响却鲜有报道。基于此，选用不同链长的醇类起泡剂与聚乙二醇复配进行浮选试验，采用表面张力与泡沫稳定性测试，以探索复配起泡剂对低阶煤泥浮选的影响。

1 试验过程

1.1 试验煤样

试验所用煤样取自兖州煤业股份有限公司转龙湾煤矿的低阶煤，原煤经过破碎筛分制备<0.5 mm细粒级样品。按照GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》[15]和GB/T 31391—2015《煤的元素分析》[16]的规定，对样品进行工业分析和元素分析，结果见表1。由表1可知：原煤水分、灰分、挥发分分别为9.43%、15.64%、27.16%，碳、氢、氧、氮元素的质量分数分别为79.01%、4.68%、14.84%、0.99%。

表1 原煤工业分析和元素分析

1.2 煤泥浮选动力学试验

浮选动力学试验在XFD-0.5 L单槽浮选机内进行，矿浆浓度为80 g/L，叶轮搅拌速度为1 800 r/min，充气量为0.8 L/min。捕收剂为柴油，用量恒定为4 kg/t；起泡剂种类见表2，用量分别为250、500、1 000、1 500 g/t。起泡剂复配时，按照短链醇∶PEG分别为9∶1、8∶2、7∶3进行复配。

表2 起泡剂种类及性质

浮选动力学试验步骤描述如下：首先将40 g煤样充分润湿搅拌调浆120 s，加入柴油继续搅拌120 s，随后加入起泡剂调浆30 s，打开进气阀开始充气并计时，依次收集10、20、40、60、120 s的精煤和尾煤。对各个产品进行过滤、烘干、称重、制样和烧灰，每组试验重复两次。试验采用经典一级动力学模型拟合浮选试验结果：

ε=ε∞(1-e-kt)，

(1)

式中：ε∞为最大可燃体回收率；k为浮选速率常数；t为浮选时间。使用Origin 9.0软件对采用不同起泡剂时的浮选时间和可燃体回收率关系进行拟合，所得相关系数(R2)越大表明结果越可靠。

1.3 表面张力试验

采用德国Kruss-K100表面张力仪，分别测定不同浓度下单一及复配起泡剂的表面张力。试验温度恒定为20 °C，室温下测得去离子水表面张力为72.42 mN/m。每组试验重复三次，取平均值。

1.4 泡沫稳定性试验

在φ50 mm浮选柱中注入60 mL不同起泡剂溶液，固定充气量为0.04 m3/h，充气2 min后，泡沫高度达到稳定值，测量气-液界面与泡沫顶端的距离，记录为最大泡沫层高度。停止充气后，记录泡沫高度衰变到一半时所用的时间作为半衰期。每组试验重复三次，保证误差在合理范围内。

2 结果与讨论

2.1 浮选试验结果分析

单一起泡剂条件下，起泡剂用量对浮选精煤产率和灰分的影响如图1所示。由图1可以看出：随着起泡剂用量从250 g/t增加至1 000 g/t，精煤产率增加，精煤灰分基本保持不变；用量继续增加至1 500 g/t时，精煤产率趋于稳定。在用量为250 g/t和500 g/t时，三种短链醇的产率高于PEG，但当用量增加至1 000 g/t和1 500 g/t时，PEG的产率显著高于短链醇。从浮选动力学拟合结果可以看出，当起泡剂用量为1 000 g/t时，PEG浮选速率最快，正戊醇最慢。起泡剂单独使用时，浮选效果由好到坏依次为PEG>仲辛醇>MIBC>正戊醇。

图1 单一起泡剂煤泥浮选试验结果

固定起泡剂用量为1 000 g/t，探究复配起泡剂对浮选结果的影响。三种短链醇与PEG按不同比例复配后煤泥浮选结果如图2—图4所示。由图2—图4可知：随着复配起泡剂中PEG用量的增加，精煤产率显著增加，精煤灰分变化不明显。复配起泡剂浮选精煤产率优于短链醇，但又弱于PEG。其中，正戊醇和PEG复配后浮选精煤产率明显高于MIBC、仲辛醇与PEG复配。浮选动力学拟合结果表明，浮选速率随着PEG含量的增加而增加，其中，正戊醇和PEG复配后浮选速率最快。

图2 正戊醇与PEG复配起泡剂煤泥浮选试验结果

图3 MIBC与PEG复配起泡剂煤泥浮选试验结果

图4 仲辛醇与PEG复配起泡剂煤泥浮选试验结果

2.2 表面张力结果分析

起泡剂浓度对表面张力的影响如图5所示。由图5可知：随着起泡剂浓度的增加，表面张力降低，但降低幅度不同。PEG表面张力下降最明显，其次是仲辛醇，MIBC和正戊醇下降幅度最小，这表明四种起泡剂的表面活性大小依次为PEG>仲辛醇>MIBC>正戊醇，这符合表面张力的Traube[17-18]规律，即对于具有相似结构的醇类起泡剂，烃链的增长有利于降低表面张力。

图5 起泡剂浓度对表面张力的影响

不同种类复配起泡剂浓度对表面张力的影响如图6所示。由图6可知：随着浓度增加，复配起泡剂表面张力均降低，且随着复配比例中PEG组分的增加，表面张力下降幅度变大。复配起泡剂表面张力低于短链醇，略高于PEG。三种比例复配下混合溶液的表面张力更接近于PEG，表明混合溶液中PEG的性能占主导。比较三种短链醇和PEG复配后溶液表面张力大小可知，正戊醇和PEG复配后，溶液表面张力下降幅度明显大于MIBC、仲辛醇与PEG复配，这表明烃链越短，与PEG复配后表面活性越大，降低表面张力的能力越强。

图6 复配起泡剂浓度对表面张力的影响

2.3 泡沫稳定性试验结果

不同起泡剂最大泡沫层高度、半衰期与浓度的关系如图7所示。由图7(a)可知，最大泡沫层高度随着起泡剂浓度的增加而增加。PEG在较低浓度下即可达到较大的泡沫层高度。PEG的泡沫层高度最大，仲辛醇次之，再次是MIBC，正戊醇最小，这说明PEG的起泡能力最强。泡沫的稳定性采用半衰期来表征。从图7(b)可知，随着起泡剂用量的增加，泡沫半衰期逐渐增大，正戊醇的泡沫衰变时间最短，MIBC次之，再次是仲辛醇，PEG衰变时间最长，表明PEG泡沫稳定性最强。

图7 不同起泡剂最大泡沫层高度、半衰期与浓度的关系

选取起泡剂用量为1 000 g/t，按不同比例将短链醇与PEG进行复配。不同种类复配起泡剂最大泡沫层高度、半衰期随浓度的变化如图8所示。由图8可知，随着复配起泡剂中PEG含量的增加，最大泡沫层高度逐渐增加，复配起泡剂最大泡沫层高度大于短链醇但小于PEG。三种短链醇单独使用时，仲辛醇的泡沫层高度最大，正戊醇最小，但按不同比例复配后，正戊醇和PEG复配泡沫高度明显大于MIBC、仲辛醇与PEG复配。泡沫半衰期也呈现出相同的规律，这是由于正戊醇碳链最短，与PEG长链复配后产生了协同吸附，可以在气-液界面形成紧密结合的吸附层，增强了Gibbs-Marangoni效应，增大了气-液界面的膜的弹性，从而提高了泡沫稳定性[19]。

图8 复配起泡剂最大泡沫层、半衰期与浓度的关系

3 结论

(1)四种起泡剂单独使用时，低阶煤浮选精煤产率随着起泡剂用量的增加而增加，精煤灰分变化不明显；PEG浮选精煤产率最高，浮选速率最快，正戊醇浮选精煤产率最低。三种短链醇和PEG复配后，浮选精煤产率随着PEG用量的增加而增加，其中正戊醇与PEG复配效果最好。

(2)测试不同起泡剂表面张力可知，起泡剂单独使用时，PEG表面活性最大，表面张力降低幅度最大。起泡剂复配后，表面张力随着复配比例中PEG含量的增加而降低。复配起泡剂表面张力小于短链醇，略高于PEG。正戊醇和PEG复配后，溶液表面张力下降幅度最大，这表明烃链越短和PEG复配后表面活性越大，降低表面张力的能力越强。

(3)泡沫稳定性试验结果表明，起泡剂单独使用时，PEG起泡能力和稳泡能力最强，正戊醇最弱。起泡剂复配时后，正戊醇与PEG复配泡沫稳定性最强。这是由于正戊醇碳链最短，与PEG长链复配后产生了协同吸附，增强了Gibbs-Marangoni效应，提高了泡沫稳定性。