不同消泡劑對浮選精煤的消泡試驗及其對浮選的影響

黃蘭慧，陳禹蒙，黃偉，吳昌寧, , 3，翁力, ，劉科, , 3

1．南方科技大學 化學系，廣東 深圳 518055；2．南方科技大學 前沿與交叉科學研究院，清潔能源研究院，廣東 深圳 518055；3．南方科技大學 創新創業學院,深圳低質煤綜合利用工程研究中心,廣東 深圳 518055

引言

根據微細顆粒表面親疏水性差異將目標礦物和脈石分離的泡沫浮選是細粒煤分選最有效的方法[1-2]。在浮選礦漿中，氣泡作為疏水性顆粒的載體，在浮力的作用下將疏水性顆粒攜帶升浮至液面，形成浮選精煤泡沫層[3-4]。與熟知的泡沫不同，浮選精煤泡沫為氣-固-液三相泡沫體系，由于浮選過程中起泡劑的添加和微細顆粒在氣泡表面黏附，形成“裝甲”，導致精煤浮選泡沫層十分穩定[5-9]。浮選精煤產物從浮選槽(柱)中排出后儲存于精煤罐，較長時間難以破裂[10]，尤其是浮選精煤中細粒含量越高，精煤泡沫越穩定[11-12]。穩定、黏稠、難消的三相泡沫會對后續工藝帶來諸多危害，例如：(1)泡沫含氣量大、密度小，同等生產量需要的精煤罐體積增大，占地面積增加，經濟成本升高；(2)當大量氣泡涌入，輸送泵會出現“氣蝕”，損害設備，增加廠區危險性；(3)黏稠的泡沫降低管道運輸效率；(4)含氣泡沫進入脫水設備將降低其工作效率，增加能耗。因此，有必要研究浮選精煤泡沫的消除[13-15]。

目前消泡方法主要有兩類：物理消泡法和化學消泡法[16]。物理消泡法通過改變泡沫的物理狀態來實現消泡，具體方法有靜置、減壓、升溫、機械攪拌[17]、水噴淋、超聲等。化學消泡法是在泡沫體系中加入與起泡劑表面性質相反或能使起泡劑失效的表面活性劑，即消泡劑，來實現消泡[18]。上述方法在氣液兩相泡沫中已得到廣泛研究，但鮮有文獻研究三相泡沫的消除。吳倫等人[18]對浮選精煤泡沫采用物理消泡法的試驗結果表明，靜置法和機械攪拌法消泡效果不理想；升溫法消泡快，但能耗高；噴水法耗水量大，但消泡效果較理想。任利勤等人[10]提出在較低真空度(0.02 MPa)下，浮選精煤泡沫在較短時間(30 s)內有較好消泡效果，但在廠區實現精煤真空儲運需要較大投入，進行已有設備改造也較復雜。由已有研究成果可知，噴水法是消泡效果好且易實現的消泡方法，其耗水量大的問題可通過水的循環利用來解決。此外，李明等人[19]發現，在細粒煤浮選時若加入高濃度的柴油捕收劑，浮選精煤泡沫穩定性降低，表明在浮選過程中柴油具有一定消泡作用。而消泡劑，如柴油，直接加入浮選精煤泡沫中的消泡效果有待研究；結合化學法和物理法，如以加入消泡劑為噴淋水的噴水法的消泡效果有待驗證。

本文針對浮選精煤泡沫難以消除的問題，以實現浮選工藝的連續性為目的，對浮選精煤泡沫進行消泡試驗，考察消泡劑添加方式、消泡劑的種類和消泡劑的用量對消泡效果的影響，并探求消泡劑在循環水中的殘留對浮選的影響。

1 試驗與方法

1.1 試驗試劑與儀器

試驗所用煤樣為來自山東某地選煤廠的煤泥。

試劑：煤油(麥克林，CAS：8008-20-6)、2號油(湖北荊州選礦藥劑有限公司，CAS：8002-09-3)、硅油消泡劑(麥克林，CAS：NONE6712，透明黏稠狀液體)、乳化烴類油消泡劑(紹興市上虞區鼎欣科技發展有限公司，CAS：8042-47-5，乳白色黏稠狀液體)

儀器與設備：秒表、1 L量筒、洗瓶、5 mL注射器、噴淋器(噴壺)和自制帶刻度高量筒、真空抽濾機、電子秤、烘箱(DHG-9246A，上海精宏試驗設備有限公司)、250 μL和 100 μL平口微量進樣器(貨號02027399和02026709，上海研恬生物科技有限公司)、高強度攪拌器(VM00198，上海登捷機械設備有限公司)、單槽浮選機(XFD-Ⅲ-3L，紹興偉邦礦機制造有限公司)、全自動工業分析儀(5E-MAG6700Ⅱ，長沙開元儀器有限公司)。

1.2 試驗步驟

1.2.1 消泡試驗

在攪拌器中依次加入煤樣、水、捕收劑和起泡劑，蓋上蓋密封，高強度攪拌 1 min，充分混合起泡后，將攪拌器中的精煤泡沫轉移至自制高量筒，加入消泡劑(或不加)后觀察泡沫層厚度隨時間的變化。每次試驗煤樣用量 150 g，煤漿濃度 100 g/L，捕收劑為煤油，起泡劑為 2 號油，用量分別為 600 和 300 g/t。

泡沫轉移至高量筒后，采用兩種方式加入消泡劑：(1)滴加(DJ)，在泡沫層上方用注射器逐滴加入消泡劑；(2)噴淋(PL)，在噴淋器中加入消泡劑和固定量的水并充分混勻，消泡劑以噴淋水形式在泡沫層上方加入，噴淋過程中噴淋速率恒定且在2 min內完成。

考察的兩種消泡劑為硅油消泡劑(G)和乳化烴類油消泡劑(R)，三個用量水平為 0、20和 100 mg/L。

1.2.2 浮選試驗

浮選采用XFD 3 L單槽浮選機，浮選入料 300 g，礦漿轉速1 800 r/min，充氣量0.2 m3/h，煤樣、礦漿濃度和浮選藥劑及其用量與消泡試驗一致。根據GB/T 4757—2013《煤粉(泥)實驗室單元浮選試驗方法》[20]規定，具體浮選流程如圖 1所示。浮選產物過濾烘干后測重，研磨后用全自動工業分析儀測量灰分。

圖1 浮選試驗流程

2 結果與討論2.1 消泡試驗

2.1.1 消泡劑加入方式的影響

為了研究消泡劑添加方式對消泡效果的影響，分別在消泡劑以滴加和噴淋加入的條件下，進行了浮選精煤泡沫的消泡試驗，圖 2為消泡試驗過程中泡沫層高度隨時間的變化圖。

圖2 消泡劑不同加入方式下泡沫層高度隨時間的變化(ZJ：靜置；DJ：以滴加方式加入消泡劑；PL：以噴淋方式加入消泡劑；G：硅油消泡劑；R：乳化烴類油消泡劑；2020 mg/L的消泡劑；100100 mg/L的消泡劑)

由曲線 1 可知，在不加消泡劑、僅靜置條件下，隨著時間的延長，泡沫層高度先略有降低后不再變化。結果表明，靜置消泡法很難使這樣穩定的泡沫消除，這與前人的試驗結果一致[6, 15, 18]。泡沫的消除主要由重力排液、奧斯特瓦爾德熟化、界面力驅動液膜薄化和自發的磨破裂共同起作用，相較于有界面驅動力的液膜薄化重力排液要慢得多[21]，因此僅靜置很難消除穩定的三相泡沫。曲線～36 為消泡劑采用滴加方式加入的消泡結果，在不同用量下，兩種消泡劑加入后泡沫層隨時間的變化規律與靜置時相同，最終泡沫層減少的厚度與靜置無顯著差異，可知以滴加方式加入消泡劑無明顯消泡效果。胡楠等人[22]在新型消泡劑對兩相泡沫的消泡性能研究時得出，用滴管滴加消泡劑后泡沫能快速消除，這里得到不同的結果或許是因為三相泡沫的黏度較大，消泡劑加入后無法提高較遠處泡沫液膜的排液速度，因此在量筒外側無法明顯觀察到泡沫的消除。對消泡劑加入位置觀察發現滴入位置周圍的泡沫被消除，在泡沫層表面形成“坑”狀，說明消泡劑有一定消泡作用，但滴加無法有效展現消泡劑的消泡效果。

由圖 2中曲線2可知，當采用噴淋方式加入消泡劑(硅油消泡劑，20 mg/L)，在噴淋水加入后的前2 min內泡沫被快速消除，其厚度從 11 cm降至 8 cm，噴淋結束后，與靜置時現象相同，泡沫層略微減少后穩定不變，最終泡沫層可減少 3.9 cm。相較于靜置和消泡劑滴加，以噴淋的方式加入消泡劑能夠顯著提高消泡的速率和消泡程度。當以滴加方式加入，消泡劑得不到分散，只消除滴入位置周圍的部分泡沫；當消泡劑以噴淋方式加入，消泡劑可分散成小液滴，均勻淋在泡沫層表面，快速消除泡沫。加入的消泡劑接觸到精煤泡沫，起到消泡效果后會立即被已破裂的黏稠液膜液體包裹[15]，無法接觸其他泡沫繼續消泡，因此噴淋結束后，與靜置時現象相同。

2.1.2 消泡劑種類和用量的影響

為了研究消泡劑種類和用量對消泡效果的影響，在噴淋條件下，選用硅油消泡劑和乳化烴類油消泡劑，在三個用量水平下(0、20和 100 mg/L)進行了消泡試驗。硅油消泡劑表面張力小、熱穩定和化學穩定性好、消泡能力強，在極少用量下有極佳消泡效果，為應用十分廣泛的消泡劑，但其在三相泡沫中的消泡效果未知，此外，鮮有對乳化烴類油消泡劑的研究，其消泡效果未知。因此選用這兩種消泡劑，研究它們對浮選精煤三相泡沫的消泡效果，同時研究消泡劑在較低劑量20 mg/L和較高劑量100 mg/L下的消泡效果。圖 3為具體消泡情況，表 1為具體消泡率值。

從試驗結果可知，消泡劑用量相同時，硅油消泡劑的消泡效果優于乳化烴類油消泡劑。當消泡劑用量為 20 mg/L時，硅油消泡劑消泡率比乳化烴類油消泡劑高 7.3百分點；用量為 100 mg/L時，高出 16.4百分點。這是因為相較于其他礦物類和脂肪醇類消泡劑，在水體系中硅油消泡劑被認為是高效消泡劑[23]。硅油消泡劑表面張力低，在氣泡上易鋪展，當硅油小液滴落到氣泡上，落點的表面張力能被有效降低，變成氣泡上的一個薄弱點，原有的穩定狀態被打破從而引起氣泡破裂[6, 24-25]。而乳化烴類油消泡劑被噴淋到泡沫表面后需進入泡沫液膜，在分子力的作用下加速排液，使液膜薄化，形成油滴架橋現象后使氣泡破裂[19, 23, 26]。在這里的三相浮選精煤泡沫體系中，硅油消泡劑更能展現良好的消泡性能。

對于同一消泡劑，隨著用量的增加，消泡效果越好，尤其是硅油消泡劑，消泡率從未用消泡劑時的 12.7%增加到用量為 20 mg/L時的 35.4%，用量為 100 mg/L時，消泡率更是達到了 59.1%，這與陳更等人[27]的研究結果一致，各種消泡劑，隨著用量的減少，消泡率會降低，因此需要在保證消泡率的前提下盡可能少地使用消泡劑。綜合不同條件下的消泡結果可以得出，在此體系中，消泡劑加入方式對消泡效果影響最大，其次是消泡劑用量，最后是消泡劑種類。

圖3 不同消泡劑種類和用量下泡沫層高度隨時間變化圖(PL：以噴淋方式加入消泡劑；G：硅油消泡劑；R：乳化烴類油消泡劑；0：無消泡劑，僅噴淋水；2020 mg/L的消泡劑；100100 mg/L的消泡劑)

表1 不同條件下的消泡率

2.2 浮選試驗

浮選精煤在脫水過程中產生的水會作為循環水被閉路循環使用，為此，進行精煤罐中加入消泡劑后在循環水中的殘留對浮選影響的試驗。表 2為在浮選過程中不加消泡劑和引入較低殘留量消泡劑(10 mg/L)、較高殘留量消泡劑(100 mg/L)后的浮選結果。在消泡劑殘留量較低時，加硅油消泡劑浮選得到精尾煤產率和灰分(Aad)與未加消泡劑時一致，加入乳化烴類油消泡劑后，浮選精煤產率和灰分略微增加，但整體相差不大，說明較低量消泡劑的殘留對浮選影響較小。當殘留的消泡劑增加，即在浮選中引入100 mg/L硅油和乳化烴類油消泡劑后，前者浮選精煤的產率從 31.4%跌至 10.42%，精煤灰分升至 18.73%，后者使浮選精煤產率提升至41.8%，精煤灰分也增加了 3.3百分點，兩種消泡劑對浮選表現出了相反的影響。硅油消泡劑不僅能使精煤泡沫快速破裂消除，而且能夠抑制泡沫的生成[28]，這也是常規消泡劑另一方面的消泡性能。因此，在加入較大量硅油消泡劑后，浮選過程中上方泡沫層厚度顯著降低，致使浮選精煤產率下降，同時使浮選選擇性降低。在精煤收率顯著降低的情況下，精煤灰分反而增加，說明較高殘留量硅油消泡劑能惡化浮選，對浮選有不利影響。較大量乳化烴類油消泡劑的引入，表現出的不再是一般消泡劑的抑泡作用，而與增加烴類油捕收劑的效果類似[8, 29-30]，烴類油為疏水性物質，乳化后被分散為微小油滴，與煤顆粒碰撞概率增加，在煤顆粒表面吸附，提高了煤顆粒的可浮性，因此能在略微增加精煤灰分的同時大大提高精煤產率，在一定程度上促進浮選，對浮選有利。

表2 浮選結果

為了研究消泡劑的添加方式、種類和用量對浮選精煤消泡效果的影響以及消泡劑殘留于循環水對浮選流程的影響，分別進行了消泡試驗和浮選試驗。綜合試驗結果可知，若在不影響浮選的提前下實現良好的消泡效果，可以考慮采用低用量的乳化烴類油消泡劑，同時適當降低浮選捕收劑用量，使乳化烴類油消泡劑在精煤罐中起消泡作用，在浮選中起捕收劑作用，解決消泡難題的同時有效節約成本。

3 結論

通過消泡試驗可知，在此三相浮選精煤泡沫體系中，隨著消泡劑用量的增加，消泡效果越好，且硅油消泡劑的消泡效果優于乳化烴類油消泡劑。消泡劑加入方式對消泡效果影響最大，其次是消泡劑用量，最后是消泡劑種類。采用滴加的方式加入消泡劑不改變浮選精煤的消泡效果，噴淋方式加入消泡劑能增加消泡速率和消泡程度。

浮選試驗結果可知，循環水中較低劑量的消泡劑殘留對浮選影響較小。當殘留量較大時，硅油消泡劑能大大減少精煤產率，增加精煤灰分，降低浮選選擇性，抑制浮選；乳化烴類油消泡劑能增加浮選產率，在一定程度上促進浮選，同時精煤灰分也有所增加。