對煤炭行業(yè)中表面活性劑應用的探究

高英杰 王世冠

（山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東 青島，266590）

煤炭資源是能源礦產資源之一，同時煤炭也是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源，煤炭作為重要的戰(zhàn)略資源，廣泛應用于鋼鐵、電力、化工等工業(yè)生產及居民生活領域。我國作為煤炭資源最多的國家之一，如何清潔高效地利用煤炭資源顯得至關重要。而在煤炭的開采、加工與燃燒利用中，合理地使用表面活性劑，不僅可減少煤炭在開采、加工、燃燒中產生的環(huán)境污染，更重要的是，還大大提高了煤炭的利用率和經濟效益，契合了發(fā)展?jié)崈裘旱闹饕獞?zhàn)略。本文就以下幾個方面，對煤炭行業(yè)中表面活性劑的應用進行探究。

1 煤炭洗選中的應用

煤炭洗選一般是指從煤炭中去除矸石或其他雜質的過程。煤炭洗選一般是利用煤與矸石的物理性質不同來進行的，在不同密度或特性的介質中使煤與矸石（雜質）分開。目前，我國約80%的煤炭未經處理直接利用，因此，造成了大量CO、NOx的排放，對環(huán)境造成了嚴重的污染。而對煤炭進行洗選后再燃燒利用，則可脫除煤中絕大部分的黃鐵硫礦，以提高選煤產品的質量，同時又起到綜合回收有價元素，充分、合理、經濟地利用煤炭資源。表面活性劑是由親油基和親水基組成，決定了其界面性質的特殊性，因此在煤炭洗選中意義重大[1]。

1.1 浮選

在細粒煤分選中，浮選是最有效和常用的礦物分離方法。 浮選的效率取決于煤表面的親水性、疏水性以及浮選中氣泡的狀態(tài)等因素。表面活性劑的應用，使任意兩相之間的性質，尤其是可以改變煤炭表面的親水性、疏水性，因此，它是煤炭浮選中不可缺少的物質。為了改變精煤與矸石之間表面性質的差異，常常向煤漿中添加一定的表面活性劑，以進一步對浮選的程度進行控制。同時，對于非極性的物質是不可以直接進行浮選的，需要加入表面活性劑將表面親水性變?yōu)槭杷浴?/p>

起泡劑作為表面活性劑的一種，在浮選中發(fā)揮至關重要的作用。在浮選過程中使用起泡劑，可以使煤漿中產生大量的氣泡，進一步使泡沫層更加穩(wěn)定，降低氣泡的運動速度，使氣泡在煤漿中的停留時間延長[2]。同時，浮選過程中要求泡沫量多的同時，對于泡沫的大小以及分布還有嚴格的要求，它更青睞與韌性適中，黏度較低，且無毒性及刺激性氣體的氣泡。經過研究表明：對浮游選煤比較有效且泡沫也比較適中的是C6～C10醇類產品。小于C6的醇其泡沫太脆，強度不夠。大于C10的醇其泡沫強度大，泡沫不易碎，但選擇性差。除醇類外，酮、 醛和酸也有起泡性，酮和醛的泡沫一般比較脆，選擇性也比較好，生產酮的副產品也可做起泡劑。

浮選添加劑是通過對增大煤粒與氣泡的接觸，使得煤粒表面形成一層膜，從而將煤炭表面的性質改為疏水性，浮選促進劑可能是活化劑、絮凝劑中的一種。浮選活化劑可作為浮選藥劑中的調整劑之一，用以通過改變礦物表面的化學組成，消除抑制劑作用，使之易于吸附捕收劑。如磷酸乙二胺、磷酸丙二胺、二甲苯、氟硅酸鈉、硫酸銨、氯化銨、硫酸亞鐵、氫氧化銨等。活性劑分無機和有機兩類。無機活性劑主要是金屬氧化物，以氧化鋅和活性氧化鋅最為重要。有機活性劑則以硬脂酸為代表。脂肪酸用量大時會降低硫化速度，但可使硫化比較充分，并能得到耐熱性能好的交聯(lián)結構。

表面活性劑在煤泥過濾的脫水階段同樣也發(fā)揮著重要的作用，毛細壓力的存在使濾餅的毛細通道中貯留了大量的毛細水。加入表面活性劑，可以降低毛細壓力，促進毛細水的排出，從而降低濾餅水分。不同類型的表面活性劑對溶液表面張力的作用趨勢大致相同。在一定限度內，溶液表面張力隨著藥劑用量的增加而顯著降低，超過這一限度，藥劑對溶液表面活性劑的影響減弱[3]。

1.2 脫水助劑

絮凝劑作為脫水助劑的一種，目前適用于超細粒的分選，其作用原理是將浮選精煤絮凝，以減緩精煤礦漿中煤的分層速度，提高濾餅的滲透性和脫餅率。由于絮團中包裹水分，絮凝劑很難大幅度降低濾餅水分，但可以提高過濾機處理量一倍以上。該法對細粒和超細粒煤的分選取得了較好的效果，得到的精煤灰分低于2%，同時也是制備超純煤的有效途徑[4]。

表面活性劑作為脫水助劑的一種，作用在煤表面并對煤表面的疏水性和親水性進行改善，從而大大提高了脫水效果。另外，金屬陽離子作為表面活性劑的一種，可以對煤表面的負電荷進行中和，維持煤的等電點，增強其脫水效果。

目前，很多國家應用表面活性劑型的脫水助劑，加強了離心機和過濾機的脫水效果。反觀國內，由于表面活性劑的價格昂貴，目前仍處于研發(fā)階段，例如中國礦業(yè)大學此方面的研究，使水分降低了2%～4%，藥劑用量達0.3～1.4kg/t干煤 。用作脫水助劑的表面活性劑包括滲透劑OT、有機聚硅氧烷、聚氧乙烯和季銨鹽類等。這些表面活性劑適用性比較差，不同的煤種要求不同的表面活性劑，也限制了應用。

2 煤炭開采和貯裝運過程中的應用

煤在開采、運輸、粉碎等過程中產生大量煤塵，對人體危害極大的同時，還會嚴重污染環(huán)境。同時，在煤的運輸過程中，由于煤塵的產生，對于煤量的損失極大，在我國，由于煤塵的原因造成的煤炭資源的浪費約占2%。

2.1 防塵、 降塵

一直到70年代，我國對于防塵的處理仍然處在噴水除塵這一階段，但伴隨著我國工業(yè)實力的增強，以及大規(guī)模機械化程度的普及，對于降低煤塵濃度的要求逐漸提高，以保證工作環(huán)境的清潔和安全性，我國開始逐步對防沉劑進行研究及應用。伴隨著防沉劑的實用，大大減少了煤塵對環(huán)境的污染，更減少了煤在運輸過程中的損失，意義重大。防沉劑實際上是一些混合潤濕劑，在水中溶解后，表面活力降低，增強了水的霧化，增強了煤表面的疏水，進一步使煤與水的親和力變差，此表面活性劑的使用，通過促進水霧在煤表面的潤濕作用，大大降低了煤塵的產生，使煤的防塵、降塵問題得到了解決。

表面活性劑的使用，通過對煤粒潤濕性的改善，實現(xiàn)了煤在開采、運輸過程中煤粉塵的控制問題。目前，我國常使用非離子表面活性劑，如鄰二甲苯烷基磺酸鈉[5]。

經前人的研究證明：潤濕速率試驗測定的潤濕速率主要受溫度、煤塵的尺寸以及所用特殊表面活性劑的濃度和分子結構的影響。在1～4℃，潤濕速率隨溫度的升高而增加，大致呈線性關系。同樣，在特定溫度下，潤濕速率隨煤塵平均粒度的增加而增加，也呈線性關系[6]。

2.2 防凍劑

我國的煤炭資源總體趨勢是北方多于南方。在北方的冬季，煤炭在露天開采以及運輸過程中，常伴隨凍車的現(xiàn)象，這是因為原煤的含水量較高，一般在10%左右[7]。因此，為了解決這一問題，防凍劑得到了發(fā)展與應用，其作用就是通過改變水的結晶性，使其凍化強度降低，以此阻礙水分子彼此凍結。防凍劑主要是一種由多羥基醇和表面活性劑的混合物。有些防凍劑還會加入一些無機鹽類幫助降低凍車現(xiàn)象的發(fā)生。防凍劑的應用進一步降低了煤炭在開采、運輸過程中的資源、人力的浪費，減少了環(huán)境污染，降低了運輸成本。

3 水煤漿添加劑

近代，潔凈煤技術的提出，進一步對煤炭的清潔使用提出了要求。水煤漿作為一種低污染、高效率、可管道輸送的代油、煤的流體燃料。它改變了煤的傳統(tǒng)燃燒方式，顯示出了巨大的環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢。尤其是近幾年來，采用廢物資源化的技術路線后，研制成功的環(huán)保水煤漿，可以在不增加費用的前提下，大大提高了水煤漿的環(huán)保效益。在我國豐富煤炭資源的保障下，水煤漿也已成為替代油、氣等能源的最基礎、最經濟的潔凈能源。

表面活性劑在水煤漿制備中使用廣泛，多分為陰離子和非離子表面活性劑，可以使煤粉更加穩(wěn)定地分散在水中，并且提高了煤的含量。同時，水煤漿的黏度還對能耗、運輸工藝等成本有著較大影響，通過使用表面活性劑，提高了煤漿濃度，加速了煤水混合物的流動，降低了泵送難度，節(jié)約了成本。隨著煤的變質程度的不同，作為添加劑的表面活性劑的性能也有所不同。因此，選用合適的表面活性劑，直接決定了制備水煤漿的濃度、穩(wěn)定性、性能以及成本，通常客戶對于高濃度、高穩(wěn)定性、高流動性、高燃燒性的水煤漿接受性更高。

目前，我國的主要油田已進入產出液超高含水期，尋求一種高效、廉價的驅油劑來達到控水穩(wěn)油的目的，從而改善水煤漿的流變性、穩(wěn)定性和燃燒性，是石油產業(yè)亟待解決的重大課題。隨著聚合物驅和熱力驅技術的快速發(fā)展，研究者們發(fā)現(xiàn)了一種主成分為石油磺酸鹽的超級表面活性劑。這種超級表面活性劑的應用，大幅降低了水油兩相的表面張力，減少了巖層吸附，同時還兼有增溶 、抗鹽 、耐溫的效果，對于我國石油產量的提高意義重大[8]。

4 總結

綜上，對表面活性劑在煤炭洗選、運輸加工、水煤漿的制備等方面進行了分析，表明表面活性劑在煤炭行業(yè)中扮演著不可替代的重要作用。隨著潔凈煤技術的推行以及環(huán)境保護觀念的深入人心，對于表面活性劑的研究與應用至關重要，表面活性劑的應用，不僅降低了成本，還大大減少了煤炭燃燒時的環(huán)境污染。因此，研究更加高效、低廉的表面活性劑對煤炭行業(yè)的發(fā)展意義重大。