煤泥選擇性絮凝研究

譚晴晴 張浩 武文雙 張錦瑞

摘 要：介紹了細粒級煤泥的特征，選擇性絮凝過程中常用的分散方法以及分散過程的影響因素，同時介紹了絮凝劑的分類、影響因素及絮凝作用機理；介紹了國內外煤泥選擇性絮凝研究現(xiàn)狀；探討了選擇性絮凝技術亟待解決的問題。

關鍵詞：細粒級煤泥 分散 絮凝 研究現(xiàn)狀

中圖分類號：TD946 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（a）-0000-00

第一作者：譚晴晴（1989-），女，河北保定，碩士研究生，研究方向：煤泥選擇性絮凝。

煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源，也是重要的戰(zhàn)略資源。我國是世界煤炭資源大國，也是煤炭生產(chǎn)、消費大國。能源的消耗促進了選煤工業(yè)的快速發(fā)展。煤泥是煤炭洗選加工過程中的主要副產(chǎn)品，隨著我國選煤機械化程度的提高和原煤開采量的加大，其產(chǎn)量也在逐年增加。很多地區(qū)的煤泥由于含水量較大，雜質多，發(fā)熱量較低、處理成本高等原因不能得到充分利用。大量煤泥資源只能堆砌或外排，不僅造成了資源的浪費而且造成了環(huán)境的污染。因此，如何利用好不可再生的煤炭資源，使煤泥資源變廢為寶，已成為煤泥綜合利用迫切需要解決的問題。

1細粒級煤泥的特征

目前我國煤泥的特點為灰分高、有用組分嵌布粒度細、煤種多、含水量大。對于極細粒級煤泥上述特點更為突出，采用常規(guī)的浮選方法很難達到滿意的指標。有用組分在選別過程中很難回收，有用礦物流失嚴重。極細粒級煤泥的基本特征為：1）礦物顆粒的質量小。小質量的顆粒產(chǎn)生的動量小，從而使礦物顆粒在流體力場中與介質的碰撞幾率降低。2）礦粒比表面積大。礦物顆粒比表面積大使礦物顆粒具有較大表面能，同時礦物中存在的晶格缺陷、裂隙等因素會使礦物的選別更加困難。3）礦物顆粒含泥量大。粒度越細，含泥量越大，灰分越大，使得分選更容易受到細泥干擾。因此，為了充分地利用我國煤泥資源，應重點發(fā)展高灰、高硫及難選煤的極細粒煤分選技術。

2 細粒級顆粒分散行為的研究

2.1 常見的分散方法

為了有效地實現(xiàn)極細礦粒的選擇性絮凝，首先要使礦物顆粒在礦漿中達到充分分散的狀態(tài)，或者選擇性分散效果，因此要預先對礦漿進行分散處理。常見的分散方法有物理分散法和化學分散法。物理分散法主要包括超聲波處理、機械攪拌、改變溫度等方法，使煤炭表面發(fā)生物理化學變化。選擇性絮凝研究中應用化學分散法較多，主要是通過加入電解質或表面改性劑，使礦物顆粒的表面發(fā)生物理化學變化，如改變了顆粒的潤濕性，表面動電位，空間位阻等，進而改變了顆粒與顆粒、顆粒與懸浮液間的相互作用[1]，從而達到分散效果。

2.2分散效果的影響因素

影響分散效果的因素主要包括：礦漿pH值、表面活性劑的種類及用量、攪拌強度等。1）pH及動電位的影響。親水性物質的分散效果受懸浮液pH影響較大，顆粒表面動電位絕對值越大，分散效果越好，且團聚pH值與它們的零電點相吻合[2]。2）表面活性劑的種類及用量。對于不同的分散劑，其作用機理有區(qū)別，同時分散效果也不同。對于同一分散劑來說，作用效果與分散劑用量息息相關。在用量較低時，分散系統(tǒng)的穩(wěn)定性隨藥量的增加而變好，當用量達到一定值后，分散穩(wěn)定性趨于一定而體系穩(wěn)定，當用量進一步加大時，分散穩(wěn)定性急劇降低，懸浮液的穩(wěn)定性變差。3）攪拌強度。對于不同的懸浮顆粒要想達到最佳的分散效果需要的外力是不同的，當攪拌強度較小時，不能克服顆粒間的作用力使其不能達到較好的分散果，當攪拌強度較大時，又使礦物顆粒處于過分散狀態(tài)，增加了無效的能耗，所以適當?shù)臄嚢鑿姸葘τ诘V物的分散很重要。

3絮凝行為的研究

3.1絮凝劑的分類

絮凝劑按照其化學成分總體可分為無機絮凝劑、有機絮凝劑兩大類，其中無機絮凝劑又包括無機凝聚劑和無機高分子絮凝；有機絮凝劑又包括合成有機高分子絮凝劑、天然有機高分子絮凝劑和微生物絮凝劑。在選煤行業(yè)中應用較多的為有機高分子絮凝劑和無機電解質凝聚劑。1）無機絮凝劑。無機絮凝劑包括鋁鹽鐵鹽等凝聚劑，還有一些鋁鹽鐵鹽形成的無機聚合物絮凝劑。2）有機絮凝劑。有機高分子絮凝劑有天然高分子和合成高分子兩大類。天然高分子型絮凝劑是指天然產(chǎn)出的，如淀粉、糊精等。隨著工業(yè)的發(fā)展，合成高分子絮凝劑應運而生，常見的有磺化聚乙烯苯、聚丙烯酰胺等系列。

3.2絮凝效果的影響因素

影響絮凝效果的因素是多方面的，主要有絮凝劑的種類、濃度、用量、攪拌狀況、pH值、溫度及其變化等。1）絮凝劑的用量。絮凝劑的用量與絮凝效果息息相關，當用量較少時，很多顆?？赡芪讲坏剿巹┒鸩坏阶饔?，用量較大時，顆粒間由于物理化學作用可能會產(chǎn)生排斥作用。同時不同礦物顆粒對絮凝劑的用量具有選擇性，即每種顆粒達到最佳絮凝條件時絮凝劑的用量不同以達到選擇性絮凝效果。2）絮凝劑的種類。不同種類的絮凝劑其作用機理不同，無機絮凝劑主要靠提供大量離子壓縮顆粒雙電層降低動電位使膠體由相斥變?yōu)橄辔?，顆粒逐漸增大進而沉降。對于有機高分子絮凝劑，其絮凝效果主要由絮凝劑的官能團決定。3）攪拌與反應時間的影響。絮凝劑加入懸浮液后應當快速均勻地擴散到水中。通常利用機械攪拌作用，攪拌時間一定要適當，如果攪拌時間過短，絮凝劑不能與溶液中的固體懸浮物充分作用，相反如果攪拌時間過長，已經(jīng)聚集形成的絮團會被破壞，從而削弱了高分子鏈的架橋及吸附能力。4）pH值。對于每一種絮凝劑來說，都有一個最佳的pH值范圍，超出了這一范圍，絮凝劑的絮凝效果就會明顯變差。

3.3絮凝劑的作用機理

在均勻的分散體系中加入合適的絮凝劑后，原有的懸浮液膠體失去穩(wěn)定性，會產(chǎn)生很多極小顆粒，而這些均勻分散的極小顆粒再聚集形成顆粒半徑較大的絮團，快速在液體底部沉淀，整個過程被稱為凝聚[14]。絮凝過程中，溶液中的絮凝劑首先會發(fā)生某些化學反應，生成水解的產(chǎn)物，然后它再與水中的顆粒產(chǎn)生靜電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕等作用，最后聚集成粗大的絮團，在重力的作用下，快速沉降，在整個絮凝過程中，以上幾種作用可能同時發(fā)生，但在不同的試驗條件下，主導因素可能是其中的某一種作用。

4 國內外煤泥顆粒的凝聚與分散行為研究現(xiàn)狀

選擇性絮凝法的優(yōu)點在于投資較少，除雜率較高，且適用于微細粒分選。國內外許多研究結果表明通過此法生產(chǎn)超純煤、脫灰、脫硫的效果較好。

4.1國外煤泥顆粒的凝聚與分散行為研究現(xiàn)狀

選擇性絮凝法最初是由選礦領域拓展到選煤領域。近年來國外對煤泥選擇性絮凝方法進行了諸多報道。Dassen Parsons對高嶺土懸浮液的絮凝沉降特性、顆粒間的相互作用及其聚合結構進行了研究。Sabah研究了粘土礦物懸浮液體系的流變性和電動電位，對選煤廠浮選尾煤的絮凝沉降處理進行了試驗研究。隨著研究的深入，學者主要開始從微觀出發(fā)研究選擇性絮凝，對煤泥水中的高嶺石、蒙脫石、氧化硅等礦物顆粒在溶液中的荷電特性以及溶液中離子在這些礦物顆粒表面的吸附和解吸機理方面進行了研究。

R.Q.Honaker利用擴展的DLVO理論計算煤與礦物體系之間的總能量，計算結果表明在浮選溶液中煤與高嶺石之間的能量為負值，蒙脫石與煤之間的能量為正值。

C.W.Angle研究了無機電解質的種類、濃度大小對礦物顆粒動電位及其相互作用的影響。

Audrey Beaussart研究了羧甲基纖維素在疏水性礦物表面的吸附及其對礦物基面形貌的影響，考察了聚合物濃度和離子濃度對吸附層的影響。

4.2國內煤泥顆粒的凝聚與分散行為研究現(xiàn)狀

目前國內煤泥方面的選擇性絮凝研究較少，且大多數(shù)沒有進行工業(yè)應用，只停留在試驗室階段，主要對煤泥水處理方面絮凝法應用較多。其研究主要側重于兩方面，一放面一些學者通過選擇性絮凝或選擇性絮凝浮選工藝制得了超純煤和低灰精煤，另一方面，進行了煤與粘土礦物絮凝過程中的機理研究。

蔡璋，蔣榮立對八一、大武口、大屯等礦區(qū)進行了極細粒煤泥的選擇性絮凝研究，試驗中為使懸浮液充分分散加入了兩種分散劑和一種絮凝劑，經(jīng)分選得到精煤灰分12%，最低為5%，可燃體回收率達90%以上[3]，與常規(guī)浮選比較，當精煤灰分相當時，采用選擇性絮凝法得到的精煤產(chǎn)率比浮選高，灰分低。

施秀屏，余樟清[4]對選擇性絮凝過程進行了表面化學分析，對加入藥劑后煤和高嶺石對藥劑的吸附量進行測穩(wěn)定，以此表征絮凝劑絮凝效果的好壞，通過試驗，得出選擇六偏磷酸鈉作為分散劑時效果最好，選擇陰離子型聚丙烯酰胺作為選擇性絮凝劑效果較好。

鄒文杰[5]對煤和高嶺石的選擇性絮凝進行了試驗研究，以煤和高嶺石對藥劑的吸附量和形成絮團的表觀粒徑為評價指標，試驗表明，不同型號的聚丙烯酰胺對煤和高嶺石的吸附量是不同的，形成的絮團大小也有所差別。

蔣善勇，張軍華[6]對細粒太西煤進行了選擇性絮凝研究，采用分散劑、絮凝劑和礦漿濃度三水平進行正交試驗，以浮選的方法來分離絮團，以精煤灰分、產(chǎn)率和浮選完善率為評價指標，最終得到最低灰分為1.29%，產(chǎn)率為41.26%的精煤。

5 待解決的關鍵問題

1）選擇性絮凝的關鍵是找到具有高效選擇性絮凝藥劑。2）掌握不同煤種不同脈石礦物之間的影響規(guī)律。3）解決固液分離問題。

參考文獻

[1]楊玉國， 沙建萍， 劉為霞. 表面改性SiC納米顆粒在電鍍溶液中的分散研究[J]. 北京交通大學學報， 2007（03）：94-96.

[2]丁治英. 機械球磨黃鐵礦在非水環(huán)境中的界面行為研究[D]. 長沙：中南大學， 2007.

[3]蔡璋， 蔣榮立， 羅時磊， 等. 極細粒煤泥分選新方法——選擇性絮凝[J]. 中國礦業(yè)大學學報， 1993（01）：57-64.

[4]施秀屏， 余樟清. 表面化學在煤的選擇性絮凝中的應用[J]. 煤炭學報， 1995（02）：201-204.

[5]鄒文杰， 曹亦俊， 李維娜， 劉炯天， 王永田. 煤及高嶺石的選擇性絮凝[J]. 煤炭學報， 2013（08）：1448-1453.

[6]蔣善勇， 張軍華， 章新喜， 等. 細粒太西煤選擇性絮凝分選技術[J]. 煤， 2007（03）：7-9.