低阶煤浮选捕收剂及其作用机理研究进展.pdf

Series No.566August 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第566 期2023 年第 8 期收稿日期 2023-05-28基金项目 国家自然科学基金项目(编号:52004212);陕西省自然科学基础研究计划项目(编号:2019JQ-310);西安科技大学大学生创新创业训练计划项目(编号:S202210704079)。作者简介 屈进州(1987),男,博士(后),硕士研究生导师。低阶煤浮选捕收剂及其作用机理研究进展屈进州1,2 罗 畅1 李朋玉1 朱红霖1 周启文1 李欣怡1朱张磊1,2 李 振1,2 苗佳雨1(1.西安科技大学化学与化工学院,陕西 西安 710054;2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西 西安 710021)摘 要 低阶煤约占我国主体能源煤炭的 57%,其洁净高效加工利用对煤炭行业落实国家“双碳”目标具有重要意义。浮选是处理细粒(-0.5 mm)低阶煤最为有效的方法。但因低阶煤天然可浮性差、浮选捕收剂消耗量大等难题,其工业化至今未能实现。为了降低低阶煤浮选捕收剂消耗量,提高其浮选性能,综述了非离子型、离子型和复配型表面活性剂类捕收剂,探讨并总结了其与煤表面的作用机理。表面活性剂类捕收剂主要通过氢键作用、静电吸附等与煤粒表面作用。非离子表面活性剂类捕收剂中苯环的存在有助于其极性基团中极性氧原子在低阶煤表面的吸附;离子表面活性剂类捕收剂对煤表面酚羟基的掩蔽作用强于羧基;复配表面活性剂类捕收剂的吸附是由表面活性剂与煤表面之间的静电与氢键作用、药剂长链对煤表面极性基团的覆盖作用、不同捕收剂之间的协同作用共同实现的。捕收剂的乳化有助于提高药剂的分散效果,复配表面活性剂形成的活性油泡可作用于煤表面的特定部位(疏水和亲水位点),明显提高药剂的选择性和黏附强度,降低低阶煤浮选药剂消耗量。关键词 低阶煤 浮选 捕收剂 表面活性剂 协同作用 中图分类号TD923 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-08-028-08DOI 10.19614/ki.jsks.202308003Advances in Flotation Collectors of Low-rank Coal and Its Interaction MechanismQU Jinzhou1,2 LUO Chang1 LI Pengyu1 ZHU Honglin1 ZHOU Qiwen1 LI Xinyi1 ZHU Zhanglei1,2LI Zhen1,2 MIAO Jiayu1(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,Ministry of Natural Resources,Xian 710021,China)Abstract It is of great significance for the coal industry to implement the Chinese strategic goals of the Carbon Peak and Carbon Neutrality by cleanly and efficiently separating low-rank coal,which accounting for about 57%of Chinas coal reserves.Flotation is the most effective method for treating fine-grained(-0.5 mm)low-rank coal.However,due to the poor natural floatability of low-rank coal and the high consumption of flotation collectors,its industrialization has not yet been achieved.In order to reduce the consumption of flotation collectors of low-rank coal and improve their flotation performance,the non-ionic,ionic,and composite surfactants were reviewed.The interaction mechanisms between coal surfaces and reagents were explored and summarized.Surfactants mainly interact with the surface of coal particles through hydrogen bonding,electrostatic adsorp-tion,etc.The adsorption of polar oxygen atoms in their polar groups on the surface of low-rank coal is facilitated in the presence of benzene rings for non-ionic surfactants.For ionic surfactants,a stronger masking effect on phenolic hydroxyl groups on coal surface is existed than carboxyl groups.The adsorption of composite surfactants is achieved by the electrostatic and hydrogen bonding interactions between surfactants and coal surfaces,the covering effect of long chain reagents on polar groups on coal surfaces,and the synergistic effect between different collectors.The emulsification of the collector helps to improve the disper-sion of the reagents.The reactive oily bubbles formed by the composite surfactant can interact on specific parts of the coal sur-face(hydrophobic and hydrophilic sites).Then,the selectivity of collectors and the adhesion strength of the reagents is im-proved significantly,and the consumption of collectors for low-rank coal is also reduced.Keywords low-rank coal,flotation,collector,surfactant,synergistic effect82 我国低阶煤(褐煤、长焰煤、弱煤和不黏煤等)资源十分丰富,约占我国煤炭资源储量的 57%左右1,其绿色低碳开发和清洁高效加工利用已成为了煤炭行业落实国家“双碳”目标的重点之一2-3。浮选是微细粒低阶煤处理时最常用、最高效的方法。由于低阶煤变质程度较低,其表面含氧基团(羟基、羧基、羰基等)多、天然可浮性差4,浮选过程中,其表面某些极性含氧基团易与水分子作用,在煤表面形成稳定的水化膜,阻碍煤粒与气泡的有效碰撞和黏附,极大地降低了低阶煤的可浮性5-8。低阶煤难浮的原因有两个方面,即常见油性捕收剂难以吸附在低阶煤表面亲水位点上,煤表面多孔结构需要消耗大量捕收剂9。因此,低阶煤很难使用普通药剂和常规方法进行浮选,其研究已成为煤炭行业关注的热点。需要选用既能改变低阶煤的疏水性,同时也能改善气泡表面活性的新药剂,以增强气泡-低阶煤聚集体的稳定性10-13。与常规的浮选与捕收剂添加方法不同,活性油泡(被含有捕收剂的油质薄层所包覆的气泡)作为浮选载体14,在油膜与颗粒吸附的同时,活性油泡也与颗粒黏附在一起,一步完成了气泡与矿物颗粒的相互作用。合理调整活性油泡表层油膜中的捕收剂(表面活性剂)的种类和浓度,可灵活调控活性油泡表面性质,提高油泡浮选的选择性15。目前,国内外学者利用非离子型、离子型、复配型表面活性剂研究了低阶煤的浮选性能,对所选药剂的吸附行为进行了解释,但对涉及的药剂种类及其作用机理还缺乏较为详细的归纳和总结。本文主要综述了非离子型、离子型和复配型表面活性剂类捕收剂,总结了其与煤表面的作用机理,通过分析,指出复配捕收剂与油泡浮选方法相结合将更有利于低阶煤的高选择性、低药剂消耗浮选。1 非离子表面活性剂类捕收剂非离子表面活性剂类捕收剂在水中不电离,依靠与水形成氢键而溶于水中,因而分子中多含氧原子。其类型主要有:聚氧乙烯醚型 RO(CH2CH2O)nH和多元醇型 RCOOCH2C(CH2OH)3等。聚氧乙烯醚类表面活性剂中最常见的是 TritonX-100(简写为TX-100)。XU 等16利用 TX-100 处理未燃碳,由于TX-100 中的含氧官能团与未燃碳表面的氧官能团之间形成氢键,使得预处理的未燃碳疏水性提高,同时 TX-100 与仲辛醇的组合提高了起泡性和泡沫稳定性。刘 玉 涛17选 用 十 二 烷 基 醇 聚 氧 乙 烯 醚(C12EOn)浮选褐煤,含有聚氧乙烯醚亲水基团的C12EOn通过氢键和疏水键合作用吸附在褐煤表面,因伴随着亲水的聚氧乙烯醚基团在煤表面的覆盖,对褐煤表面疏水改性呈现中等作用效果。栗褒18研究了 C12EOn对 低 阶 煤 的 浮 选,不 同EO(CH2CH2O)单元数的 C12EOn(C12EO7、C12EO15、C12EO23)均能在浮选中获得相似的最大精煤产率;EO 单元数的增加在减少表面活性剂用量的同时也增加了其对精煤的选择性,在相同精煤产率条件下,C12EOn的 EO 单元数越大,浮选精煤灰分越低。由晓芳19选用壬基酚聚氧乙烯醚(NPEO-8、NPEO-10 和NPEO-12)对神东长焰煤表面润湿性的研究与分子模拟表明,NPEO 与长焰煤表面作用可能是由于NPEO 中醚氧原子和末端羟基氧原子分别与煤表面的酚羟基中的氢原子形成氢键所致。ZHANG 等20认为氢键是吸附在亲水固体上的主要驱动力,正十二烷基-D-麦芽糖苷(C12G2)中乙氧基的醚键与煤表面OH 可形成氢键,并促进 C12G2的吸附。GUO等21比较了 C12G2与十二烷基庚二醇(C12E7)对褐煤的浮选结果,由于褐煤表面含氧基团更易被 C12E7覆盖,故而 C12E7疏水性更好,即直链型聚氧乙烯表面活性剂(C12E7)的疏水性较醚类较多羟基表面活性剂(C12G2)更强。VILAS-CADRE 等22选用 3-苯基-1-丙醇作为捕收剂浮选低品位碳质矿物中的煤粒,捕收剂中亲水性的醇羟基与煤表面氧化基团相互作用,捕收剂中的氧原子通过氢键与煤表面上的氢化基团相互作用,脂肪链与煤的非氧化部分以碳链发生疏水相互作用,而捕收剂中苯环的 电子云将与煤表面的芳香部分相互作用。LI 等23选用 NPEO 和C12EO 非离子表面活性剂研究了苯环对低阶煤可浮性的影响,由于非离子表面活性剂中存在 键促进了其在较高变质