毛玉強(qiáng)，夏文成，卜祥寧，陳昱冉，王天威，彭耀麗

(中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

超聲波強(qiáng)化褐煤浮選及其作用機(jī)制探討

毛玉強(qiáng)，夏文成，卜祥寧，陳昱冉，王天威，彭耀麗

(中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為強(qiáng)化褐煤浮選，提出了在浮選礦漿中引入超聲波的新型浮選方式，結(jié)果表明:超聲浮選精煤產(chǎn)率比常規(guī)浮選精煤產(chǎn)率增加了20.31%，灰分降低了7.94%，其中-0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率增加了近2倍。采用篩分、掃描電鏡、X射線光電子能譜、誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)定儀等方法研究了超聲波對(duì)煤泥粒度組成和表面性質(zhì)的影響，并重點(diǎn)探討了超聲波強(qiáng)化褐煤浮選的回收機(jī)理。超聲波對(duì)煤粒表面的清洗和破碎作用使顆粒表面細(xì)泥黏附減少,但并未改變煤粒表面疏水性與親水性官能團(tuán)含量。超聲波可在浮選礦漿中產(chǎn)生大量微泡，既可吸附于褐煤表面增強(qiáng)其疏水性，又增加煤粒與氣泡的碰撞/黏附效率。超聲波產(chǎn)生的空化作用在一定程度上可使煤表面的水化膜變薄-不穩(wěn)定-易破裂，進(jìn)一步強(qiáng)化了褐煤的浮選回收。

超聲波;褐煤;浮選;疏水性;水化膜

我國褐煤資源豐富，根據(jù)1999年第3次全國煤炭資源調(diào)查，已探明褐煤保有儲(chǔ)量為1 311.42 億t，約占煤炭保有儲(chǔ)量的13%[1]，其中，內(nèi)蒙古東部褐煤占全國褐煤總資源量的77.55%，云南褐煤占全國褐煤總量的11.88%[2]。因而，褐煤資源的合理加工利用具有重大意義。

褐煤含有較多羥基、羧基和羰基等親水性基團(tuán)，孔隙率高，可浮性差[3]。因此，常規(guī)浮選工藝和浮選藥劑難以使細(xì)粒褐煤得到有效回收，需通過預(yù)處理、選擇特定浮選藥劑等方式來提高其浮選效果[4-5]。CEBECI等[6]分別選擇煤油、煤油+乳化劑和煤油+乳化劑+表面活性劑(陰離子、陽離子和非離子)對(duì)Yozgat Ayridam褐煤進(jìn)行浮選試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤油+乳化劑+非離子表面活性劑作為捕收劑時(shí)精煤灰分較低，綜合效果最好。VAMVUKA等[7]研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用煤油或表面活性劑(陽離子型:十二胺，陰離子型:SDS，非離子型:TTAB)來浮選褐煤時(shí)既不能增大回收率也不能降低灰分，當(dāng)煤油和十二胺聯(lián)合使用時(shí)浮選效果最好。羅道成等[8]提出了造粒浮選的方法，用NaOH溶液對(duì)褐煤預(yù)處理后，加入極少量非離子表面活性劑甲基二乙醇酰胺進(jìn)行表面改質(zhì)，再加入少量重油對(duì)改質(zhì)褐煤進(jìn)行造粒，可有效改變褐煤表面潤(rùn)濕性，提高褐煤的可浮性。

超聲波波長(zhǎng)很短，具有高輻射強(qiáng)度，容易集中能量，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)及對(duì)介質(zhì)的空化，在液體中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生聲空化現(xiàn)象，每個(gè)空化氣泡都是一個(gè)“熱點(diǎn)”，氣泡中心會(huì)產(chǎn)生接近5 000 K的高溫，壓力超過50 MPa，持續(xù)很短一段時(shí)間，隨后“熱點(diǎn)”迅速冷卻，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，沖擊波和微射流會(huì)在界面之間形成強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌效應(yīng)[9]。浮選中引入超聲波的目的是利用超聲的能量來改變礦物的性質(zhì)和浮選體系中的氣相特性[10-11]。康文澤等[12]引入超聲波對(duì)稀缺難浮煤的礦漿進(jìn)行預(yù)處理，當(dāng)超聲波頻率為40 kHz，預(yù)處理4 min后進(jìn)行浮選，在精煤灰分大致相同時(shí)，精煤產(chǎn)率、浮選完善指標(biāo)和可燃體回收率分別比未經(jīng)預(yù)處理的提高了19.47%,18.80%和24.14%。CELIK等[13]研究了超聲波預(yù)處理對(duì)煤可浮性的影響，發(fā)現(xiàn)浮選前對(duì)用氧化劑和還原劑處理過的煤進(jìn)行超聲處理能提高其疏水性;利用超聲波除掉煤粒表面的細(xì)泥后，再加捕收劑，比未經(jīng)超聲處理煤的回收率顯著提高。GUNGOREN等[14]研究了超聲波作用下礦漿溫度變化對(duì)石英礦浮選的影響，發(fā)現(xiàn)石英礦浮選回收率的提高與超聲波作用下礦漿溫度的升高具有一定相關(guān)性。TORAMAN等[15]對(duì)超聲波預(yù)處理方解石進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)超聲波預(yù)處理可使方解石粒度大幅度減小。

本文以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗褐煤為研究對(duì)象，開展了超聲波強(qiáng)化其浮選回收的研究，并進(jìn)而探討了超聲波強(qiáng)化褐煤浮選的機(jī)理，有望為褐煤的浮選回收提供理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)煤樣

煤樣采自內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗某礦井選煤廠壓濾煤泥，該廠無浮選環(huán)節(jié)。根據(jù)《GBT 212—2008 煤的工業(yè)分析方法》對(duì)煤樣性質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。類似這樣的高灰粉煤在低階煤選煤廠很常見，如不進(jìn)行提質(zhì)加工不能直接使用，必然造成資源浪費(fèi)。

表1煤樣的工業(yè)分析
Table1Proximateanalysisofcoalsamples%

MadAdVdafFCad2.6848.6848.9524.83

采用濕法振篩儀，按照《GBT 477—2008 煤炭篩分試驗(yàn)方法》對(duì)煤樣進(jìn)行粒度組成分析，結(jié)果見表2。煤樣高灰細(xì)顆粒含量大，其中<0.045 mm粒級(jí)含量達(dá)到76.41%，灰分為59.90%，遠(yuǎn)高于>0.045 mm粒級(jí)的累計(jì)灰分，符合褐煤易碎易泥化的典型特征。大量高灰細(xì)顆粒的存在將對(duì)浮選過程造成很大影響。

表2煤樣小篩分試驗(yàn)結(jié)果
Table2Coalsamplesmallscreeningtestresults

粒級(jí)/mm產(chǎn)率/%灰分/%篩上累計(jì)產(chǎn)率/%灰分/%+0.50.136.460.136.460.5～0.252.584.602.714.690.25～0.1256.215.548.925.280.125～0.0747.738.3416.656.700.074～0.0456.9425.8223.5912.33-0.04576.4159.9010048.68合計(jì)10048.68

根據(jù)《GBT 478—2008 煤炭浮沉試驗(yàn)方法》進(jìn)行小浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見表3。該煤樣主導(dǎo)密度級(jí)為+1.8 kg/L，占本級(jí)產(chǎn)率72.87%，灰分為60.70%，進(jìn)一步說明煤樣高灰細(xì)泥含量很高。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1浮選試驗(yàn)

選用美國SONICS VCX 800 型超聲波破碎儀，其操作參數(shù)為功率800 W、頻率為20 kHz、無脈沖、處理時(shí)間為3 min。

表3煤樣小浮沉試驗(yàn)結(jié)果
Table3Coalsamplesmallfloatandsinktestresults

密度/(kg·L-1)產(chǎn)率/%灰分/%浮物累計(jì)產(chǎn)率/%灰分/%沉物累計(jì)產(chǎn)率/%灰分/%-1.34.495.614.495.6110048.681.3～1.44.218.308.716.9195.5150.711.4～1.56.2411.5614.958.8591.2952.661.5～1.63.9317.4018.8810.6385.0555.681.6～1.73.8024.4922.6812.9581.1257.541.7～1.84.4533.9327.1316.3977.3259.16+1.872.8760.7010048.6872.8760.70合計(jì)10048.68

試驗(yàn)所用浮選機(jī)為RK/FD 型單槽浮選機(jī)，槽容積1.5 L，葉輪轉(zhuǎn)速1 900 r/min，充氣量為0.25 m3/min，礦漿濃度為60 g/L。使用仲辛醇為起泡劑，煤油為捕收劑，經(jīng)前期探索試驗(yàn)確定捕收劑與起泡劑用量之比為3∶1，總用量為4 000 g/t。

(1)常規(guī)浮選:稱量90 g煤樣，預(yù)先濕潤(rùn)，倒入浮選槽中，調(diào)漿攪拌3 min后向煤漿液面下加入煤油，2 min后再向煤漿液面下加入仲辛醇，30 s后開始刮泡，刮泡時(shí)間為3 min。

(2)超聲浮選:前期預(yù)處理與常規(guī)浮選一致。調(diào)漿結(jié)束開始刮泡時(shí)，迅速將超聲波探頭置于浮選槽中的礦漿區(qū)，邊超聲處理邊刮泡，刮泡時(shí)間3 min。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test equipment diagram

1.2.2SEM測(cè)定

取浮選精煤中的+0.125 mm粒級(jí)顆粒，用美國FEI公司Quanta 250 型掃描電子顯微鏡在高真空模式下，觀察放大5 000倍時(shí)煤粒表面黏附的微細(xì)顆粒狀況。

1.2.3XPS測(cè)定

1.2.4誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)定

Induction 2015EZ 型誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)定儀(Induction Timer)用于測(cè)定氣泡與煤樣顆粒黏附的誘導(dǎo)時(shí)間，主要由主控驅(qū)動(dòng)器、控制箱、攝像系統(tǒng)冷光源、樣品平臺(tái)，單個(gè)氣泡發(fā)生裝置和基座組成。

測(cè)試之前應(yīng)在氣泡位置定位頁面中，用綠色矩形框來固定每次測(cè)試的氣泡大小，紅線來標(biāo)識(shí)煤粒床面相對(duì)位置，每次測(cè)試保證兩者不變。測(cè)試時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)精確地給定驅(qū)動(dòng)器一個(gè)時(shí)間脈沖，該脈沖經(jīng)放大后使得驅(qū)動(dòng)器從設(shè)定的位置向下行駛一個(gè)預(yù)先設(shè)定好大小的位移，帶動(dòng)連在驅(qū)動(dòng)器上面的毛細(xì)管，將毛細(xì)管另一端上的單個(gè)氣泡向下壓到固體顆粒床層表面，并在其上保持一個(gè)預(yù)先設(shè)定的脈沖時(shí)間，脈沖結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)恢復(fù)原位，同時(shí)也帶動(dòng)毛細(xì)管和氣泡上移，當(dāng)設(shè)定的脈沖時(shí)間大于誘導(dǎo)時(shí)間，就會(huì)觀察到有固體顆粒黏附到氣泡上，否則不會(huì)有固體顆粒的黏附，固體顆粒黏附到氣泡上所需要的最短脈沖時(shí)間(接觸時(shí)間)被定義為誘導(dǎo)時(shí)間。

取XPS測(cè)試所用樣品，將其均勻平鋪在矩形玻璃器皿中，加入適量水，每個(gè)樣品測(cè)試5～10次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選試驗(yàn)結(jié)果

表4為常規(guī)浮選與超聲浮選試驗(yàn)結(jié)果。

表4常規(guī)浮選與超聲浮選試驗(yàn)結(jié)果
Table4Conventionalflotationandultrasonicflotationtestresults%

試驗(yàn)方案精煤產(chǎn)率灰分尾煤產(chǎn)率灰分浮選完善指標(biāo)可燃體回收率常規(guī)浮選17.8329.1882.1753.6514.3424.89超聲浮選38.1421.2461.8666.2942.5359.03

由表4可知，超聲浮選精煤指標(biāo)明顯優(yōu)于常規(guī)浮選，精煤產(chǎn)率比常規(guī)浮選高20.31%，灰分降低7.94%，浮選完善指標(biāo)、可燃體回收率分別提高了28.19%,34.14%?？梢姡暡▽?duì)于強(qiáng)化褐煤浮選回收具有很好的效果。

2.2 浮選產(chǎn)物的粒度組成

將常規(guī)浮選、超聲浮選所得精煤、尾煤分別進(jìn)行濕篩，與浮選前原煤樣粒度組成進(jìn)行對(duì)比，分析各粒級(jí)的差異。由于浮選精煤產(chǎn)率不高，采取常規(guī)浮選、超聲浮選分別開展6組平行試驗(yàn)，獲得兩種條件下的綜合精煤和綜合尾煤，然后再進(jìn)行濕法篩分。因煤樣中+0.125 mm的粗顆粒含量較少，濕篩只分為+0.125 mm,0.125～0.074 mm,0.074～0.045 mm,-0.045 mm四個(gè)粒級(jí)。常規(guī)浮選產(chǎn)物與超聲浮選產(chǎn)物篩分結(jié)果見表5。

由表5可知，與煤樣小篩分試驗(yàn)結(jié)果相比，常規(guī)浮選后+0.125 mm,0.125～0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率分別降低了0.31%,2.54%，而超聲浮選后+0.125 mm,0.125～0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率分別降低了1.53%,2.97%。表明在浮選過程中煤炭顆粒有破碎現(xiàn)象，但超聲波對(duì)煤炭顆粒的破碎更明顯，尤其是對(duì)粗顆粒的破碎，這是由于粗顆粒的破碎所需超聲波的能量較低，這與張紅喜等[16]的研究結(jié)論一致。

表5常規(guī)浮選與超聲浮選產(chǎn)物篩分結(jié)果對(duì)比
Table5Comparisonofscreeningresultsbetweenconventionalflotationandultrasonicflotation

粒級(jí)/mm常規(guī)浮選精煤產(chǎn)率/%灰分/%精煤+尾煤產(chǎn)率/%灰分/%超聲浮選精煤產(chǎn)率/%灰分/%精煤+尾煤產(chǎn)率/%灰分/%原煤小篩分產(chǎn)率/%灰分/%+0.1251.105.518.614.953.295.117.394.848.925.280.125～0.0741.226.325.198.262.846.624.768.377.738.340.074～0.0451.707.387.7820.856.096.659.6118.416.9425.82-0.04513.8135.7778.4158.9225.9328.3278.2458.9976.4159.90合計(jì)17.8329.1810048.6838.1421.2410048.6810048.68

對(duì)于0.074～0.045 mm,-0.045 mm兩個(gè)粒級(jí)而言，超聲浮選后的精煤+尾煤合計(jì)灰分比原煤分別降低了7.41%,0.91%，降幅均高于常規(guī)浮選。原煤中+0.074 mm粒級(jí)灰分較低，超聲波將其部分顆粒破碎而成為0.074～0.045 mm,-0.045 mm粒級(jí)的產(chǎn)物，從而使這兩粒級(jí)灰分降低，超聲浮選后的0.074～0.045 mm,-0.045 mm兩粒級(jí)精煤產(chǎn)率增加尤為明顯。與常規(guī)浮選相比，超聲浮選精煤中-0.045 mm粒級(jí)灰分降低了7.45%，其他各粒級(jí)灰分與常規(guī)浮選精煤差別不大。這主要?dú)w因于超聲波對(duì)低灰粗粒煤有破碎作用，使細(xì)煤粒中低灰顆粒的含量增加，同時(shí)超聲過程強(qiáng)的振動(dòng)能量使細(xì)泥不易黏附到氣泡表面，提高了-0.045 mm粒級(jí)細(xì)泥的選擇性。超聲波同樣對(duì)微細(xì)顆粒有破碎作用，因研究手段限制，未能對(duì)細(xì)粒級(jí)進(jìn)行細(xì)分。某種程度上，疏水性越差的煤粒，粒度的減小，可增加其浮選回收率[17-18]。

2.3 超聲波對(duì)煤顆粒的清洗作用

分別取常規(guī)浮選和超聲浮選的+0.125 mm精煤，用掃描電子顯微鏡觀察煤粒表面的吸附狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 掃描電鏡下的+0.125 mm精煤煤粒形貌Fig.2 Morphology of +0.125 mm clean coal particles under scanning electron microscope

由圖2(a),(b)對(duì)比可知，超聲浮選后精煤+0.125 mm煤粒表面吸附的微細(xì)顆粒量明顯減少，表明超聲波對(duì)褐煤表面具有很強(qiáng)的清洗作用。超聲波在浮選體系中產(chǎn)生的表面清洗作用是由空化能量引起的，在清洗過程中會(huì)伴隨局部溫度和壓力增加。

結(jié)合表5可知，與常規(guī)浮選相比，超聲浮選+0.125 mm精煤灰分降低了0.40%、產(chǎn)率提高了2.19%，也從側(cè)面說明了超聲波對(duì)煤粒表面具有較強(qiáng)的清洗作用，使細(xì)泥罩蓋減少。同時(shí)，除+0.125 mm粒級(jí)外，其他粒級(jí)精煤產(chǎn)率均有提高、灰分有所降低，特別是-0.045 mm粒級(jí)精煤產(chǎn)率和灰分變化幅度最大。超聲波清洗礦粒表面，并在礦粒表面產(chǎn)生高能中心，有利于捕收劑分子的吸附，提高浮選產(chǎn)率;伴隨氣泡核的形成，超聲波促進(jìn)空化氣泡在顆粒上吸附，提高煤粒表面疏水性。微泡優(yōu)先選擇吸附在疏水、低灰的煤粒上，能夠提高煤粒表面疏水性，增強(qiáng)與浮選氣泡碰撞/黏附的效率，從而提高浮選回收率[19-21]。

誘導(dǎo)時(shí)間是顆粒能否與氣泡發(fā)生黏附-礦化的一個(gè)重要標(biāo)志，只有當(dāng)誘導(dǎo)時(shí)間小于接觸時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)顆粒在氣泡上附著并完成礦化，誘導(dǎo)時(shí)間這一參數(shù)可以對(duì)顆粒-氣泡的黏附效率作定量的表征[22-24]。為進(jìn)一步驗(yàn)證煤粒表面細(xì)泥含量減少有利于煤粒表面與氣泡的黏附作用，對(duì)+0.125 mm粒級(jí)精煤進(jìn)行誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 +0.125 mm精煤粗顆粒誘導(dǎo)時(shí)間Fig.3 +0.125 mm coarse clean coal particle induction time

通過誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試可知，+0.125 mm粒級(jí)常規(guī)浮選精煤和超聲浮選精煤與氣泡的誘導(dǎo)時(shí)間分別為80 ms和45 ms，超聲浮選精煤誘導(dǎo)時(shí)間變小，更有利于煤粒表面與氣泡的黏附，這其實(shí)歸因于煤粒表面細(xì)泥含量減少，進(jìn)一步證實(shí)了超聲波對(duì)粗顆粒表面具有一定的清洗作用，從而增強(qiáng)了粗顆粒疏水性，提高了粗顆?；厥章省?/p>

2.4 超聲波對(duì)煤粒表面特性的影響

分別取原煤樣和單獨(dú)超聲處理后煤樣中+0.074 mm粒級(jí)，進(jìn)行XPS檢測(cè)，寬譜掃描結(jié)果如圖4和表6所示，C元素窄譜掃描結(jié)果如圖5和表7所示。

分析表6可知，經(jīng)超聲處理后，褐煤表面C相對(duì)含量從33.77%增加到56.22%，反之，O相對(duì)含量從57.46%降低到39.20%;N,Si,Al等均有所降低，這說明經(jīng)過超聲處理后褐煤表面罩蓋的高灰細(xì)泥有所減少，這與SEM測(cè)試結(jié)果相一致，高灰細(xì)泥的減少提高了褐煤表面的疏水性，提高浮選效果。

圖4 煤樣XPS寬掃能譜Fig.4 XPS wide scanning spectrum diagram of coal sample

元素原煤樣Area(P)CPS/eV相對(duì)含量/%超聲處理煤樣Area(P)CPS/eV相對(duì)含量/%相對(duì)含量差值/%C322319.1233.77482228.1556.2222.45O548457.5757.46336209.5239.20-18.26N21562.612.2619012.072.22-0.04Si45552.194.7713161.311.53-3.24Al16550.501.737066.530.82-0.91合計(jì)954441.99100857677.58100

圖5 原煤樣和超聲處理煤樣C元素XPS窄掃分析結(jié)果Fig.5 Analysis of C element XPS narrow scanning results of raw coal sample and ultrasonic treatment coal sample

參數(shù)Lorentzian-Gaussian/%FWHM官能團(tuán)原煤樣Area占比/%超聲處理煤樣Area占比/%差值/%201.3C—CC—H18031.290077.5326452.910077.16-0.37201.5C—O2814.014012.104901.071014.302.20201.5COO—C—O2048.63608.812579.48007.52-1.28201.5COOH362.30591.56348.10551.02-0.54合計(jì)23256.250010034281.5700100

2.5 超聲波的空化作用

當(dāng)超聲波的能量足夠高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“超聲空化”現(xiàn)象。超聲波是一種縱波，在液體中傳播時(shí)交替產(chǎn)生壓縮相和稀疏相，稀疏相所形成的高負(fù)壓可使液體中的氣體過飽和而析出，產(chǎn)生大量的微泡，當(dāng)有固體顆粒存在時(shí)可形成顆粒-微泡聯(lián)合體，同時(shí)，微泡和細(xì)小顆粒還可以形成氣絮團(tuán)[25]。唐超[26]的研究驗(yàn)證了超聲波可產(chǎn)生微泡和亞微泡，亞微泡可穩(wěn)定附著在疏水表面。PETRIER等的研究表明:附著在粗粒表面的微泡，因浮力不夠，不能直接將粗粒浮出，但微泡可以成為顆粒和大氣泡之間附著的橋梁，促使他們之間的附著[27]。

本文通過拍照，觀察超聲波的空化作用。取1 325 mL清水加入到浮選槽中，將超聲使用與否作為考察因素，觀察有無起泡劑(與浮選時(shí)用量一致)時(shí)浮選槽內(nèi)的氣泡及泡沫層狀態(tài)，如圖6,7所示。

圖6 有起泡劑時(shí)的氣泡及泡沫層狀態(tài)Fig.6 Bubble and foam layer state with frother

圖7 無起泡劑時(shí)的氣泡及泡沫層狀態(tài)Fig.7 Bubble and foam layer state without frother

分析圖6，在添加起泡劑時(shí)，不充氣、不攪拌、加超聲可產(chǎn)生大量微氣泡，也可明顯觀察到較厚的泡沫層。對(duì)比圖7，在不添加仲辛醇的條件下，引入超聲波可以在水中產(chǎn)生一些零碎空化氣泡，但氣泡極其不穩(wěn)定。原因在于:超聲波在水中產(chǎn)生的氣泡，在無起泡劑條件下，氣泡不穩(wěn)定，易兼并-破裂-再次溶解，且氣泡尺寸明顯大于有起泡劑條件下的氣泡尺寸;當(dāng)添加起泡劑時(shí)，超聲波產(chǎn)生的空化氣泡，表面會(huì)被起泡劑覆蓋，致使氣泡變得穩(wěn)定，不宜兼并-破裂-溶解，因而體現(xiàn)為水中呈現(xiàn)霧沫狀小氣泡;除此之外，無起泡劑時(shí)，浮選槽液面觀察不到任何泡沫層，而添加起泡劑時(shí)，浮選槽液面可見顯著的泡沫層，進(jìn)一步說明起泡劑對(duì)于氣泡的穩(wěn)固作用，也從側(cè)面證實(shí)了超聲波的空化作用。

高能量超聲波能產(chǎn)生空化作用，有煤粒存在時(shí)，超聲波會(huì)使礦漿中氣泡析出的同時(shí)，形成顆粒-氣泡聯(lián)合體，從而有利于煤粒礦化，提高了褐煤的回收率。但由于在煤粒存在的條件下，礦漿體現(xiàn)為黑色，無法采用照相技術(shù)體現(xiàn)差異，故而本文僅采用氣-液兩相條件下的圖像來驗(yàn)證超聲波的空化作用。

2.6 超聲波對(duì)水化膜的可能影響

褐煤表面的含氧官能團(tuán)使其表面親水性強(qiáng)，易與水分子發(fā)生氫鍵鍵合，形成較穩(wěn)定的水化膜，阻礙煤粒和氣泡的有效碰撞與黏附。浮選過程中，超聲波大能量的輸入勢(shì)必對(duì)褐煤潤(rùn)濕后形成的水化膜造成一定影響，使水化膜變薄，不穩(wěn)定，易破裂，從而增加疏水性，提高浮選效果。水化膜的測(cè)量一直是個(gè)難題，目前已有的測(cè)量方法均針對(duì)光滑礦物平面，而煤炭的表面粗糙，目前還沒有好的手段去表征其表面水化膜的特征參數(shù)，本文未對(duì)超聲波對(duì)褐煤表面的水化膜的改變進(jìn)行表征。

3 結(jié) 論

(1)浮選過程在礦漿區(qū)引入超聲波可顯著提高細(xì)粒褐煤的浮選回收。超聲浮選精煤產(chǎn)率比常規(guī)浮選高20.31%，其中-0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率提高了近2倍，灰分降低7.94%，浮選完善指標(biāo)、可燃體回收率分別提高了28.19%,34.14%。

(2)超聲波對(duì)粗顆粒表面具有較強(qiáng)的破碎和清洗作用，減小煤粒粒度的同時(shí)也減少顆粒表面高灰細(xì)泥罩蓋，從而增強(qiáng)煤粒表面疏水性。超聲處理并未改變褐煤表面疏水性與親水性官能團(tuán)含量。

(3)超聲波的空化作用能產(chǎn)生大量微泡，微泡可吸附于煤粒表面，增強(qiáng)煤粒與氣泡的碰撞/黏附效率，從而有利于煤粒礦化，提高褐煤回收率。

[1] 尹立群.我國褐煤資源及其利用前景[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004,32(8):12-14.

YIN Liqun.Lignite resources and utilization outlook in China[J].Coal Science and Technology,2004,32(8):12-14.

[2] 毛節(jié)華,許惠龍.中國煤炭資源分布現(xiàn)狀和遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)[J].煤田地質(zhì)與勘探,1999,27(3):1-4.

MAO Jiehua,XU Huilong.China coal resource distribution and perspective prediction[J].Coal Geology & Exploration,1999,27(3):1-4.

[3] BENESLEY C N,NICOL S K.The effect of mechanical variables on the flotation of coarse coal[J].Coal Preparation,1985(1):189-205.

[4] SHAHBAZI B,CHELGANI S C.Modeling of fine coal flotation separation based on particle characteristics and hydrodynamic conditions[J].International Journal of Coal Science & Technology,2016,3(4):429-439.

[5] 康文澤,王光耀.不同分子結(jié)構(gòu)藥劑的煤泥浮選效果[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,24(4):375-378,392.

KANG Wenze,WANG Guangyao.Effect of reagents of different molecular structure on coal flotation[J].Journal of Heilongjiang University of Science & Technology,2014,24(4):375-378,392.

[6] YAKUP C.The investigation of floatability improvement of Yozgat Ayridam lignite using various collectors[J].Fuel,2002,81:281-289.

[7] VAMVUKA D,AGRIDIOTIS V.The effect of chemical reagents on lignite flotation[J].International Journal of Mineral Processing,2001,61(3):209-224.

[8] 羅道成,易平貴,陳安國,等.提高細(xì)粒褐煤造粒浮選效果的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2002,27(4):406-409.

LUO Daocheng,Yi Pinggui,CHEN Guoan,et al.Experimental study on improving effect of pelleting and flotation of fine grained lignite[J].Journal of China Coal Society,2002,27(4):406-409.

[9] 荀海鑫.超聲強(qiáng)化稀缺難浮煤泥浮選研究[D].哈爾濱:黑龍江科技學(xué)院,2009:10-13.

XUN Haixin.Experimental study on ultrasonic enhancing the flotation of the scarce difficult-to-float fine coals[D].Harbin:Heilongjiang Institute of Science and Technology,2009:10-13.

[10] 康文澤,呂玉庭.超聲波處理對(duì)煤泥特性的影響研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35(6):783-786.

KANG Wenze,Lü Yuting.Effect of ultrasonic treatment on slime characteristics[J].Journal of China University of Mining & Technology,2006,35(6):783-786.

[11] 康文澤,丁淑芳,胡軍.超聲波對(duì)煤泥浮選的影響[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,20(3):183-188.

KANG Wenze,DING Shufang,HU Jun.Effect of ultrasonic treatment on slime flotation[J].Journal of Heilongjiang University of Science and Technology,2010,20(3):183-188.

[12] 康文澤,荀海鑫,李明明.超聲波預(yù)處理對(duì)稀缺難浮煤浮選的作用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,42(4):625-630.

KANG Wenze,XUN Haixin,LI Mingming.The effect of ultrasonic pretreatment on the flotation of scarce difficult-to-float coals[J].Journal of China University of Mining & Tecnolgy,2013,42(4):625-630.

[13] CELIK M S.Effect of ultrasonic treatment on the floatability of coal and galena[J].Separation Science and Technology,1989,24(14):1159-1166.

[14] CAN G,ORHAN O,SAFAK G O.Effects of temperature during ultrasonic conditioning in quartz-amine flotation[J].Physicochemical Problems of Mineral Processing,2017,53(2):687-698.

[15] ONER Y T.Experimental investigations of preparation of calcite particles by ultrasonic treatment[J].Physicochemical Problems of Mineral Processing,2017,53(2):859-868.

[16] 張紅喜,董憲姝,王志忠.超聲波在煤浮選中的應(yīng)用研究[J].選煤技術(shù),2008(2):17-20.

ZHANG Hongxi,DONG Xianshu,WANG Zhizhong.The research and application of ultrasound on coal flotation[J].Coal Preparation Technology,2008(2):17-20.

[17] XIA W,XIE G,LIANG C,et al.Flotation behavior of different size fractions of fresh and oxidized coals[J].Powder Technology,2014,267:80-85.

[18] 夏文成,楊建國,朱賓,等.磨礦對(duì)氧化煤浮選效果的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(12):2087-2091.

XIA Wencheng,YANG Jianguo,ZHU Bin,et al.Effect of grinding on the flotation of oxidized coal[J].Journal of China Coal Society,2012,37(12):2087-2091.

[19] WU J,NYBORG W L.Ultrasound,cavitation bubbles and their interaction with cells[J].Advanced Drug Delivery Reviews,2008,60(10):1103-1116.

[20] KYLL?NEN H,PIRKONEN P,HINTIKKA V,et al.Ultrasonically aided mineral processing technique for remediation of soil contaminated by heavy metals[J].Ultrasonics Sonochemistry,2004,11(3-4):211-216.

[21] MISRA M,RAICHUR A M,LAN A P.Improved flotation of arsenopyrite by ultrasonic pretreatment[J].Minerals & Metallurgical Processing,2003,20(2):93-97.

[22] 陳泉源,張涇生,王淀佐.氣泡與顆粒作用研究新進(jìn)展[J].國外金屬礦選礦,2001(2):17-19,24.

CHEN Quanyuan,ZHANG Jingsheng,WANG Dianzuo.Advances in the study of interaction between bubbles and particles[J].Metallic Ore Dressing Abroad,2001(2):17-19,24.

[23] 陳松降,陶秀祥,何環(huán),等.油泡-低階煤顆粒間的黏附特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(3):745-752.

CHEN Songjiang,TAO Xiuxiang,HE Huan,et al.Attachment charateristics between oily bubbles and low rank coal particles[J].Journal of China Coal Society,2017,42(3):745-752.

[24] 陳松降,陶秀祥,楊彥成,等.神東低階煤浮選誘導(dǎo)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭技術(shù),2016,35(7):319-321.

CHEN Songjiang,TAO Xiuxiang,YANG Yancheng,et al.Experimental study on induction time of shendong low rank coal[J].Coal Technology,2016,35(7):319-321.

[25] MOUSSATOV A,GRANGER C,DUBUS B.Cone-like bubble formation in ultrasonic cavitation field[J].Ultrasonics Sonochemistry,2003,10(4-5):191-195.

[26] 唐超.超聲預(yù)處理對(duì)煤泥浮選過程的強(qiáng)化作用研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2014:70-71.

TANG Chao.Research on ultrasonic pretreatment enhancing the flotation process of coal slime[D].Xuzhou:China University of Mining & Technology,2014:70-71.

[27] PETRIER C,JIANG Y,LAMY M F.Ultrasound and environment:

Sonochemical destruction of chloroaromatic derivatives[J].Environmental Science & Technology,1998,32(9):1316-1318.

Discussiononultrasonicenhancedligniteflotationanditsactionmechanism

MAO Yuqiang,XIA Wencheng,BU Xiangning,CHEN Yuran,WANG Tianwei,PENG Yaoli

(SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

For enhancing the flotation of lignite,a new flotation method for the introduction of ultrasonic wave in flotation pulp was proposed.The results show that the yield of ultrasonic flotation clean coal is 20.31% higher than that of the conventional flotation clean coal,the ash content is reduced by about 7.94%,and the yield of -0.045 mm is increased by nearly 2 times.Using screening,scanning electron microscopy,X-ray photoelectron spectroscopy,induction time measuring instrument to study the influence of ultrasonic treatment on slime particle size and surface properties,the mechanism of ultrasonic enhanced lignite flotation was investigated.The effect of ultrasonic cleaning and breaking on the surface of coal particles decreases the adhesion of fine particles on the surface of the particles,but does not change the surface hydrophobic and hydrophilic functional groups.Ultrasonic waves can produce a large number of microbubbles in the flotation pulp,which can be adsorbed on the lignite surface to enhance its hydrophobicity and increase the collisions/adhesion efficiency of coal particles and bubbles.To a certain extent the cavitation of the ultrasonic waves causes the hydration film on the surface of the coal to become thinner-unstable-easy to rupture,further enhancing the flotation recovery of lignite.

ultrasonic;lignite;flotation;hydrophobicity;hydration film

毛玉強(qiáng)，夏文成，卜祥寧，等.超聲波強(qiáng)化褐煤浮選及其作用機(jī)制探討[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(11):3006-1013.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0623

MAO Yuqiang,XIA Wencheng,BU Xiangning,et al.Discussion on ultrasonic enhanced lignite flotation and its action mechanism[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):3006-3013.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0623

TD923

A

0253-9993(2017)11-3006-08

2017-05-08

2017-07-16責(zé)任編輯許書閣

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374205，51604272);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(SZBF2011-6-B35)

毛玉強(qiáng)(1993—)，男，河南鄭州人，碩士研究生。E-mail:549789780@qq.com。

彭耀麗(1971—)，男，河南平頂山人，副教授。Tel:0516-83995486，E-mail:peng_yaoli@163.com