捕收劑和起泡劑對浮選精煤三相泡沫穩定性的影響

韓來兵，付曉恒，趙海銘，李夢杰，趙 靜，王 鶴，馮致遠

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

捕收劑和起泡劑對浮選精煤三相泡沫穩定性的影響

韓來兵，付曉恒，趙海銘，李夢杰，趙 靜，王 鶴，馮致遠

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

為考察捕收劑和起泡劑對三相泡沫穩定性的影響，以山西龐龐塔選煤廠9號煤樣的原生煤泥為研究對象，選用4種捕收劑和4種起泡劑進行了浮選試驗，并采用振蕩法測定了三相泡沫的穩定性。對比試驗表明，隨著捕收劑、起泡劑濃度的增加，泡沫穩定性逐漸增大；當藥劑達到一定濃度時，泡沫穩定性到達最大值；此后，繼續增大藥劑濃度，泡沫穩定性有下降趨勢。試驗還表明，起泡劑與捕收劑的交互作用對泡沫穩定性產生了更加復雜的影響。

浮選；捕收劑；起泡劑，三相泡沫；泡沫穩定性

在目前的煤泥浮選工藝條件下，在煤泥浮選過程中需要產生大量穩定的氣泡來達到分選的目的，但是在浮選階段完成之后的精煤礦漿運輸與處理階段則希望泡沫[1]盡快破滅，以提高選煤廠精煤輸送能力，降低精煤損失，提高濃縮池及壓濾機的利用效率，減少環境污染，否則將嚴重影響浮選精礦的后期處理[2]。浮選精煤三相泡沫與其他工業生產過程中所遇到的三相泡沫有很大的差別，浮選精煤三相泡沫是一種比較特殊的泡沫，其固體顆粒粒度范圍跨度大，起泡劑與捕收劑交互影響泡沫的穩定性，因此對浮選精礦三相泡沫進行進一步地研究，找出捕收劑與起泡劑對于浮選精煤三相泡沫穩定性影響的特點，對于研究和開發消除浮選精煤三相泡沫的有效消泡劑與消泡方法具有重要的現實意義[3]。

1 煤樣性質

1.1 煤質資料

試驗煤樣采自山西龐龐塔選煤廠9號煤樣的原生煤泥。稱取6份煤樣，分別進行煤質檢測[4]，煤質分析結果如表1所示。

表1 試驗煤樣煤質資料Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal sample

1.2 小篩分試驗

按照GB/T447—2008《煤炭篩分試驗方法》[5]對煤樣進行小篩分試驗，試驗結果見表2。由表2可知，隨著粒度的減小，煤樣灰分總體呈增加趨勢，說明煤泥中矸石易碎；煤樣中<0.125 mm粒級產率為40.56%，較多的細粒組成有利于形成大量三相泡沫[6]，為試驗創造了有利條件。

表2 試驗煤樣小篩分試驗結果表Table 2 Sieve test results of coal sample %

2 試驗條件

2.1 試驗方法

用于測量泡沫穩定性的方法包括氣流法[7]、攪拌法[8]、振蕩法[9]及近紅外掃描儀法等方法。選煤廠浮選精煤泡沫在管道運輸過程中，微泡與懸浮的礦粒混雜在一起，受湍流的作用發生無規則的位移、振動、旋轉和翻滾等隨機的復雜運動[10]，為盡可能模擬選煤生產中浮選精煤泡沫在管道運輸時的狀態，采用了流體運動特性與其相似的振蕩法來定量測定泡沫的穩定性。

試驗采用浮選機對煤泥進行浮選操作，得到精煤三相泡沫，然后將泡沫收集于振蕩瓶(900 mL)中，并記錄初始泡沫體積V1；隨后，將振蕩瓶置于回旋振蕩器中，以固定速度(150轉/min)振蕩5 min，記錄振蕩后的泡沫體積V2。定義剩余泡沫與初始泡沫的體積百分比為泡沫存活率S，以泡沫存活率S來表征浮選精煤三相泡沫的穩定性。泡沫存活率S的表達式為：

S=V2/V1×100%。

為減少試驗誤差，試驗結果采用多次測量求平均值的方法確定。

2.2 試驗材料

試驗用捕收劑分別為柴油(-10#)、煤油、正十二烷(分析純)及自制的捕收劑F15，起泡劑為仲辛醇(分析純)、MIBC(分析純)、GF油(取自現場)、雜醇油(取自現場)

試驗設備有XFD型單槽式浮選機和HY-5回旋振蕩器。

3 試驗結果與分析

3.1 起泡劑對泡沫穩定性的影響

選用柴油為捕收劑，用量為30 μL，起泡劑分別采用仲辛醇、MIBC、GF油和雜醇油。在不同的起泡劑用量條件下，分別進行浮選試驗，采用振蕩法測定泡沫存活率，試驗結果如圖1所示。

圖1 起泡劑用量對泡沫穩定性的影響Fig.1 Effect of dosage of frothing agent on stability of froth

圖1中的四條曲線是定量的柴油分別與不同濃度的仲辛醇、MIBC、GF油、雜醇油配合時三相泡沫穩定性的變化規律。從圖1可見，隨著起泡劑用量的增加，浮選精煤三相泡沫的穩定性呈現不同程度地增強；但隨著起泡劑用量的進一步增加，泡沫穩定性出現下降趨勢。這說明在一定用量范圍內，四種起泡劑皆具有增強三相泡沫穩定性的作用。

Y·S·楚等人的研究結果很好地解釋了這一現象[11]：當起泡劑濃度高于臨界膠束濃度[11]時，隨著起泡劑濃度的增加，雖然溶液的表面張力不再減小，甚至會稍微增大，但起泡劑分子在溶液表面富集，形成致密的表面膜，液膜表面強度增加，鄰近液膜的排液受阻，延緩了液膜破裂時間，因而增加了泡沫的穩定性[13]；但當起泡劑濃度增加到一定程度時，形成的泡沫含液量減少，“剛性”增加，泡沫反而會變得不穩定[14]。

3.2 捕收劑對泡沫穩定性的影響

選用仲辛醇為起泡劑，用量為9 μL，捕收劑分別采用柴油、煤油、正十二烷和F15，捕收劑用量從10～60 μL設置6個梯度，分別進行浮選試驗，采用振蕩法測定泡沫存活率，試驗結果如圖2所示。

圖2 捕收劑用量對泡沫穩定性的影響Fig.2 Effect of dosage of collecting agent on stability of froth

圖2結果表明，隨著捕收劑用量(即捕收劑濃度)的增加，浮選精煤三相泡沫存活率逐漸增大，在捕收劑用量為一定值時，泡沫存活率達最大值；之后，再進一步增大捕收劑用量，泡沫存活率(即穩定性)不再發生變化或呈現輕微下降。不同種類的捕收劑對泡沫穩定性的影響程度不同，在F15作為煤泥浮選捕收劑時，三相泡沫穩定性最大。

捕收劑對氣泡穩定性的影響主要體現為以下兩種情況：一是當捕收劑用量合適時，少量的捕收劑分子與起泡劑分子的非極性端相吸附，從而增強了起泡劑分子非極性端的疏水能力，使之更易附著在氣液界面上，有利于氣泡穩定性的提高；另一種情況是當捕收劑用量過多時，較多的捕收劑分子吸附在氣液界面上，反而對起泡劑分子在氣-液界面上的吸附產生了排擠作用，使起泡劑分子疏離氣液界面，致使氣泡表面水化層厚度減薄，氣泡穩定性下降，氣泡易兼并或破滅[15]。

3.3 捕收劑和起泡劑的交互作用對泡沫穩定性影響

考慮到煤泥的浮選過程是在捕收劑與起泡劑的共同作用下而進行的礦物分離富集過程，進而設計本試驗來探究捕收劑與起泡劑的交互作用對泡沫穩定的影響。捕收劑選用柴油、正十二烷、F15，起泡劑選用仲辛醇、MIBC、雜醇油，在任意兩種捕收劑與起泡劑組合的油比為5∶1的條件下進行浮選試驗，采用振蕩法測定浮選精煤三相泡沫的存活率，試驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 起泡劑與多種捕收劑作用試驗結果Fig.3 Results of interaction test between frothing agent and various collecting agent

圖4 捕收劑與多種起泡劑作用試驗結果Fig.4 Results of interaction test between collecting agent and various frothing agent

從圖3可以看出，當三種捕收劑分別與仲辛醇作用時，三相泡沫穩定性的強弱關系為F15>正十二烷>柴油；當三種捕收劑分別與MIBC作用時，三相泡沫穩定性的強弱關系為F15>柴油>正十二烷；當三種捕收劑分別與雜醇油作用時，三項泡沫穩定性的強弱關系為十二烷>F15>柴油。

從圖4可以看出，當三種起泡劑分別與柴油作用時，三相泡沫的穩定性強弱關系為雜醇油>仲辛醇>MIBC；當三種起泡劑分別與正十二烷作用時，三相泡沫的穩定性強弱關系為雜醇油>仲辛醇>MIBC；當三種起泡劑分別與F15作用時，三相泡沫的穩定性強弱關系大體相當，差異并不明顯。

由此可見，浮選藥劑對泡沫穩定性的影響還和與之配合的藥劑有關，其原因主要是捕收劑和起泡劑復雜的交互作用，即捕收劑對泡沫穩定性的影響，起泡劑對礦物表面疏水性的影響以及起泡劑對捕收劑的乳化作用。

4 結論

通過以上研究，可以得出如下結論：

(1)起泡劑對浮選精煤三相泡沫穩定性有很大的影響。隨著起泡劑濃度的增加,泡沫存活率逐漸增大，當起泡劑達到一定濃度時，泡沫存活率到達最大值；此后，起泡劑濃度繼續增大，泡沫存活率有下降趨勢。

(2)捕收劑對浮選精煤三相泡沫穩定性的影響呈現出與起泡劑相同的規律，隨著捕收劑濃度的增加，泡沫穩定性先升高后下降。

(3)不同捕收劑或起泡劑對泡沫穩定性影響的強弱順序并不是一成不變的，取決于與之相配合的起泡劑或捕收劑的種類，即起泡劑與捕收劑的交互作用對泡沫穩定性產生了更為復雜的影響。

[1] 趙國璽,朱步瑤.表面活性劑作用原理[M].北京:中國輕工業出版社,2003.

[2] 吳連城.鉀鹽浮選精礦消泡劑的研究[J].化工礦山技術,1992 (3): 16 -27.

[3] 李秉軒.煤泥浮選過程泡沫穩定性及消泡方法研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2010.

[4] GB/T212-2008 煤的工業分析方法[S].

[5] GB/T447-2008 煤炭篩分試驗方法[S].

[6] Z·阿克塔斯.顆粒粒度、氣流速率和調漿時間對泡沫動態穩定性的影響[J].國外金屬礦選礦，2008(11)：30-35.

[7] 王 琦.泡沫性能評價方法及穩定性影響因素綜述[J]. 化學工業與工程技術，2007，28(2)：25-30.

[8] Barigou M， Deshpande N S，Wiggers F N. An enhanced electrical resistance technique for foam drainage measurement[J].Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects,2001，189(1)：237-246．

[9] 李曉明，蒲曉林，羅興樹．一種分析泡沫轉井液穩定性的新方法[J]．西南石油學院學報，2004，26(2)：47.

[10] 郭夢熊.從流體力學觀點研究兩種浮選機的效能[J]. 中國礦業學院學報，1983(3)：53-65.

[11] Y·S·楚.浮選起泡劑對氣泡大小和泡沫穩定性的影響[J].國外金屬礦選礦，2009(9)：17-21.

[12] 張 銳，王瑞和，邱正松，等.利用光散射原理評價泡沫鉆井液的穩定性[J].石油學報，2005，26(1)：105-108.

[13] Nguyen A V,Harvey P A,Jameson G J.Influence of gas flow rate and frothers on water recovery in a froth column[J].Minerals Engineering,2003,16:1143-1147.

[14] Barbian N,Hadler K,Medina E V. The froth stability column: linking froth stability and flotation performance[J].Minerals Engineering,2005,18:317-324.

[15] 沈笑君，劉元暉. 浮選捕收劑與起泡劑的相互作用研究[J].潔凈煤技術，2009，15(1)：14-16.

Effect of collecting agent and frothing agent on stability of three-phase clean coal froth in flotation

HAN Lai-bing,FU Xiao-heng,ZHAO Hai-ming,LI Meng-jie,ZHAO Jing,WANG He,FENG Zhi-yuan

(School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

In order to understand effect of collecting agent and frothing agent on stability of three-phase clean coal froth in flotation,the primary slime of No.9 coal sample from Shanxi Pangpangta coal preparation plant is studied by flotation test using four kinds of collecting agents and four kinds frothing agents,then the stability is determined by shaking method. The result shows that the stability is gradually improved as the concentration of collecting agent or frothing agent increases and will reach its maximum when agent concentration goes up to cut point,while the concentration continues to increase,it shows decline in stability. Moreover,interaction between collecting agent and frothing agent has a more complicated influence on stability of froth.

flotation；collecting agent；frothing agent；three-phase froth; stability of froth

1001-3571(2015)02-0004-04

TD943

A

2015-03-13

10.16447/j.cnki.cpt.2015.02.002

韓來兵(1988—)，男，山東省德州市人，碩士研究生，從事礦物加工浮選方面的研究。

E-mail：hlb200@126.com Tel：15101142584