能量輸入對捕收劑-煤泥顆粒吸附率的影響研究

趙兵兵，何海陵，鄭繼洪，朱宏政

(1.中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120；2.安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

煤炭洗選是煤炭清潔高效利用的源頭技術，其過程產(chǎn)生大量難處理煤泥[1，2]。浮選是處理煤泥的有效方法，浮選前的調(diào)漿預處理過程將顯著影響浮選效率[3]。煤泥顆粒與藥劑的高效粘附是提高調(diào)漿性能的前提[4，5]，動能是捕收劑-煤泥顆粒有效黏附的關鍵影響因素。

呂玉庭[6]等發(fā)現(xiàn)將選煤油捕收劑制成乳化液使用，可以促進煤油在礦漿中的分散。表面活性劑非極性基吸附在煤粒表面，提高了煤表面親水區(qū)的疏水性，改善浮選選擇性，提高浮選速度。SAFARI[7]等在大量試驗的基礎上提出了一種附著-分離動力學模型，用于描述能量/功率輸入對浮選速率常數(shù)的影響。此模型可用以描述附著/分離速率常數(shù)與顆粒粒徑[8]、密度、氣泡尺寸、捕收劑劑量和能量輸入之間的關系。捕收劑的能量變化將直接影響其與礦物顆粒之間的吸附效果[9]。李吉輝[10]等利用臺式高速離心機和吐溫80將柴油捕收劑乳化后進行浮選試驗，結果表明，乳化后的捕收劑粒度分布集中在0.2～2.0 μm之間，在柴油用量相同的情況下，柴油乳化后的浮選效果明顯優(yōu)于單一使用柴油。鄔叢珊[11]等討論了油類捕收劑對煤泥顆粒與氣泡間碰撞的影響，文中指出不同種類捕收劑在氣液界面的鋪展速度不同，導致其與煤泥顆粒的脫附力不同，這主要是由粘度差異引起的，同時也從側面表明使用不同的油改性煤粒后與氣泡黏附時，油在煤粒與氣泡中間起重要媒介作用。有學者采用原子力顯微鏡單分子力譜測試(AFM-SMFS)，結合DLVO/EDLVO理論及密度泛函理論(DFT)等計算手段進一步分析了非極性烷基捕收劑/極性羧基捕收劑在低階煤/高階煤表面的粘/脫附力學及界面吸附行為[12，13]，并指出了捕收劑分子結構對二者的微觀粘附作用有顯著影響。此外，有學者提出了納米捕收劑的相關設想[14]，但納米粒子吸附的選擇性較差導致在非目的礦物表面也產(chǎn)生吸附，使得藥劑用量較大。

在前人研究的基礎上，本研究重點觀注煤泥調(diào)漿預處理中的能量輸入情況，揭示了能量輸入對捕收劑與煤泥顆粒間的碰撞吸附過程及浮選煤泥調(diào)漿過程的影響。采用單煤油液滴-煤泥顆粒碰撞吸附試驗系統(tǒng)與改進后的浮選機，結合紅外光譜分析技術，分別探究了捕收劑動能對煤泥吸附捕收劑的影響規(guī)律，探討了影響捕收劑動能的因素條件，優(yōu)化了煤泥調(diào)漿最佳捕收劑動能參數(shù)。旨在進一步解析煤泥調(diào)漿機理，為細粒煤浮選提質(zhì)提供理論參考。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

捕收劑單油滴-煤泥顆粒碰撞吸附試驗系統(tǒng)如圖1所示[15]。該試驗系統(tǒng)主要由以下4個部分組成：①用于盛裝去離子的長方體水槽(80 mm×80 mm×180 mm)；②記錄水槽中單油滴與煤塊碰撞過程的高速攝像儀(Olympus)；③用以勻速產(chǎn)生單油滴的微量注射泵(LSP02-2A型)；④為避免油滴受熱產(chǎn)生形變，試驗采用LED冷光源，以及使光源均勻分布的補光板。

圖1 單煤油液滴-煤泥顆粒碰撞吸附試驗系統(tǒng)Fig.1 Schematic of the adsorption test system for collision of single-droplet kerosene and coal slime particles

將毛細管固定于水槽的底部，毛細管上端距水槽底部1 cm，下端通過導管與微量注射泵連接。調(diào)節(jié)煤塊在水槽中的高度，從而調(diào)整煤塊與毛細管之間的距離L。利用微量注射泵以0.05 mm/s的注射速度產(chǎn)生捕收劑單油滴，油滴在去離子水中上升距離L后與煤塊發(fā)生碰撞，利用高速攝像儀記錄并觀察其與煤塊的碰撞過程，拍攝幀數(shù)為4000 f/s，利用控制臺對拍攝后的視頻進行后處理，在捕收劑油滴接觸煤塊的同時利用秒表計時器記錄油滴在煤塊表面的吸附時間。每組試驗測量3次，取3次試驗平均值作為最終結果。

單槽可變速浮選機結構如圖2所示，由轉速為1800 r/min的1.5 L浮選機經(jīng)變頻器調(diào)節(jié)頻率，三相異步電動機提供電壓改裝而成，實際轉速范圍為0～1500 r/min。利用該浮選機改變?nèi)~輪的攪拌時間與攪拌速度進行浮選驗證試驗，對捕收劑與煤泥的吸附情況進行進一步的考察。

圖2 改進浮選機示意Fig.2 Schematic of the improved flotation machine

1.2 試驗材料

試驗煤樣取自淮北某選煤廠浮選入料，煤樣進行工業(yè)分析結果見表1，表面官能團情況如圖3所示。由圖3可知，煤樣在950、1050 cm-1處的吸收峰，表明煤泥中有大量脈石礦物，在2830、2925、3400 cm-1處的吸收峰則表明煤泥中含有大量含氧親水基團，煤樣親水性較強。

表1 試驗煤樣的工業(yè)分析 %Table 1 Industrial analysis of the coal sample

圖3 測試煤樣紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of the coal sample

試驗所用藥劑見表2。其中仲辛醇與煤油分別作為煤泥浮選試驗中的起泡劑與捕收劑。采用吸光度衡量藥劑在煤泥顆粒表面的吸附效果，利用蘇丹紅1號染色劑對煤油進行染色處理。試驗進行前，稱取0.1 g蘇丹紅1號染色劑加入50 mL無水乙醇，利用磁力攪拌器(HSC-19T)攪拌3 min，使蘇丹紅均勻分散于無水乙醇中，混合分散完畢后，加入3 g煤油，配制成染色煤油試劑。利用紫外分光光度計(UV-5000)測量染色煤油試劑的吸光度，繪制煤油吸附標準曲線如圖4所示。

表2 試驗藥劑Table 2 Reagents used in the tests

圖4 煤油吸附標準曲線Fig.4 Standard curve of kerosene adsorption

1.3 單油滴-煤泥顆粒吸附試驗

采用單油滴-煤泥顆粒碰撞吸附試驗系統(tǒng)探究油滴尺寸、碰撞速度對煤泥顆粒-單油滴碰撞吸附效果的影響，單次試驗稱重10 g煤樣，在2000 kN的壓力作用下，制成4 mm×4 mm×2 mm的長方體煤塊。

依次更換型號分別為24(0.34 mm)、22(0.41 mm)、21(0.51 mm)、20(0.61 mm)、18(0.84 mm)、17(1.12 mm)和16(1.20 mm)的毛細管進行試驗，分別改變毛細管上端口與煤塊的距離為0.5、2、4、6、8和10 cm，記錄上升時間，計算油滴上升速度。高速攝像機的分辨率設置為60 mm/像素，視頻拍攝速度4000 f/s，試驗溫度為25±0.5 ℃，pH值為7，去離子水的電阻率為18.25 MΩ·cm。

油滴上升速度隨煤塊上升距離的變化如圖5所示。油滴的上升速度與碰撞高度呈指數(shù)型關系，隨著上升高度的增加，油滴的上升速度也逐漸增大，但其增加速率逐漸減小，當高度達到一定值過后，油滴的上升速度將保持不變。

圖5 油滴上升速度隨碰撞高度變化趨勢Fig.5 Trend of oil droplet rising speed with collision height variation

吸附率測試試驗采用前文所示的1.5 L可變速改進浮選機進行，試驗時在浮選槽中加入試驗煤樣與去離子水，攪拌120 s進行預潤濕，加入捕收劑(煤油)繼續(xù)攪拌10 s，在浮選槽深度20 cm的水平面上選取三個不同位置采集5 mL樣品，將樣品以10000 r/min的轉速離心5 min后，取其上清液，在最大吸收波長為478 nm下測其吸光度，每組試驗進行3次，取其平均值作為最終結果。

2 能量輸入對捕收劑-煤泥吸附的影響

2.1 捕收劑用量

油滴尺寸隨毛細管內(nèi)徑的變化如圖6所示。隨著毛細管內(nèi)徑增大，油滴的寬度和高度都逐漸增大，但由于高度的變化速率大于寬度，因此油滴的寬縱比逐漸減小。

圖6 毛細管內(nèi)徑與油滴尺寸的關系Fig.6 Relationship between capillary inner diameter and oil droplet size

煤油液滴與煤泥顆粒的吸附本質(zhì)上是能量交換的過程[16]，在此過程中，煤油液滴本身具有的表面能發(fā)揮著至關重要的作用，根據(jù)吉布斯吸附公式將油滴直徑與能量輸入建立數(shù)學關系，由式(1)計算油滴的表面能：

G=πd2γ

(1)

式中，d為煤油滴直徑，mm；γ為油水界面表面張力，在25±1 ℃下，其值γ=40 mN/m。

計算結果如圖7所示。煤油滴的表面能隨其直徑線性增加，即油水表面張力不變時，隨煤油滴直徑的增加，表面能也增大，當煤油滴直徑從3.4 mm增加到4.6 mm時，其表面能從1.45×10-6N·m增加到2.66×10-6N·m。

圖7 不同尺寸油滴的表面能Fig.7 Surface energy of oil droplets with different sizes

浮選調(diào)漿過程中，煤油的用量決定了油滴的表面能[17]，通過改變煤油用量控制總體添加煤油的能量，探究其對吸附效率的影響，分析數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，能量輸入與單個油滴表面能之間并不呈線性關系，當煤油用量逐漸增加時，總能量輸入增大，但單個油滴尺寸逐漸減小。這是由于隨著煤油量的增加，油水比逐漸增大，油-水界面張力逐漸減小，導致單個油滴的表面能逐漸減小，但隨著油滴數(shù)量增多，其能量輸入總體呈現(xiàn)增加趨勢。

表3 煤油用量對能量輸入的影響Table 3 Impact of kerosene usage on energy input

煤油量對煤油在煤泥顆粒表面吸附率的影響如圖8所示。由圖8可知，吸附率隨煤油用量的增加先增大后減小，煤油量為1.55 μL/g時吸附率達到最大值，為79.82%，煤油量為2.07 μL/g時吸附率最小，為61.47%。該變化趨勢的原因在于，隨著煤油量的增加，煤顆粒表面的疏水能持續(xù)增加，使得煤油更容易吸附到顆粒表面，逐漸達到飽和狀態(tài)。此時若持續(xù)增大煤油量，煤顆粒表面吸附的煤油吸附達到飽和狀態(tài)，新的煤油液滴與煤顆粒碰撞吸附的概率逐漸降低，使得吸附率逐漸降低。

圖8 煤油用量對吸附率的影響Fig.8 Adsorption rate versus kerosene dosage

2.2 捕收劑攪拌時間

在試驗過程中，攪拌時間同樣會改變煤油液滴所具有的能量[18，19]，依據(jù)式(2)—(6)建立攪拌轉速與能量輸入的數(shù)學關系：

V1=nd2πR

(2)

F=1450VbV1

(3)

M=FR

(4)

W=Pt

(6)

式中，V1為葉輪攪拌的線速度，m/s；nd為葉輪的轉速，r/min；R為葉輪半徑，m；F為力，N；Vv為葉輪旋轉一周的圓柱體積，m3；M為扭矩，N·m；P為功率，W；W為能量，J。

計算結果如圖9所示。隨著轉速的增加，能量輸入逐漸增大。當轉速從500 r/min增加到1000 r/min時，輸入能量從0.06 J增加到0.23 J。利用攪拌轉速與能量輸入的數(shù)學關系，構建攪拌時間與能量輸入之間的數(shù)學關系，在相同的消耗功率下，延長其攪拌時間，增加浮選輸入能量，其計算結果如圖10所示，隨著攪拌時間的增加，能量輸入逐漸增加，當攪拌時間從20 s增加到60 s時，輸入能量從0.06 J增加到0.17 J。

圖9 不同葉輪轉速對應的能量輸入Fig.9 Energy inputversus impeller speed

圖10 不同攪拌時間對應的能量輸入Fig.10 Energy input versus stirring duration

礦漿攪拌時間對煤油在煤泥顆粒表面吸附率的影響如圖11所示。吸附率隨攪拌時間的增加先增大后減小，最大值出現(xiàn)在攪拌時間為40 s時，為79.82%，而攪拌時間60 s時吸附率達到最小值，為74.99%。隨著攪拌時間的增加，能量輸入持續(xù)增多，煤油與煤泥顆粒碰撞概率不斷增大，吸附逐漸趨于飽和，逐漸達到飽和狀態(tài)。但煤油與顆粒之間的吸附作用屬于物理吸附，作用力較小。隨著能量不斷輸入，過多的能量會導致煤油在煤表面解吸，當吸附與解吸的動態(tài)平衡被打破，繼續(xù)輸入能量會使煤油脫附速率超過其吸附速率，吸附率逐漸減小。

圖11 攪拌時間對吸附率的影響Fig.11 Adsorption rate versus stirring time

2.3 捕收劑動能

煤泥顆粒與油滴吸附的本質(zhì)是由碰撞引起的能量傳遞與轉化，因此二者的碰撞效率直接反映了顆粒與油滴之間的碰撞吸附效果，油滴尺寸和速度越大，碰撞效率越低。過高的油滴速度不利于煤油粘附到顆粒上。因此在浮選試驗中，要通過葉輪轉速改變油滴的大小和速度，找到合適的轉速及攪拌時間。這一過程的本質(zhì)即調(diào)控捕收劑油滴的動能，采用單位面積能量(Ep)來描述碰撞前油滴單位表面積所具有的能量：

式中，Etp為油滴碰撞前的總能量，J；up為油滴碰撞前的速度，m/s。

碰撞前油滴的單位面積能量與碰撞效率關系如圖12所示。碰撞效率隨單位面積能量的下降速度逐漸減緩，由于油滴單位面積具有的能量大于煤的表面自由能，因此油滴在與顆粒粘附之前需要耗散多余的能量，二者通過碰撞將能量傳遞到顆粒上和水中，這一過程會進一步增大顆粒的動能，使得油滴和顆粒的方向發(fā)生明顯改變，從而降低油滴與顆粒之間的碰撞效率。

圖12 單位面積能量與碰撞效率轉化關系Fig.12 Conversion relationship between energy per unit area and collision efficiency

當碰撞效率達到最大值97.06%時，油滴的單位面積能量為42.5 mJ/m2，大于煤的表面自由能39.25 mJ/m2。因此葉輪轉速在實際浮選過程中主要起到兩方面的作用：一方面，將大油滴分散成小油滴，降低大油滴的單位表面能；另一方面，給微細油滴提速，促使其克服煤的表面能壘完成吸附，減少藥劑損耗。

根據(jù)動能定理構建油滴碰撞速度與動能的數(shù)學關系，可由式(8)計算油滴的碰撞動能，其計算結果如圖13所示。

圖13 不同碰撞速度下油滴對應的輸入能量Fig.13 Energy input of oil droplets versus collision velocity

式中，W為油滴輸入的動能，J；M為油滴的質(zhì)量，g；V為油滴的碰撞速度，m/s。

由圖13可知，當油滴的碰撞速度從3.3 cm/s增加到10.1 cm/s時，輸入動能從3.18×10-4J增加到2.98×10-3J。油滴的能量輸入主要來自浮選機葉輪，因此進一步將能量輸入轉化為葉輪轉速，其對煤油在煤泥顆粒表面吸附率的影響如圖14所示。

圖14 葉輪轉速對吸附率的影響Fig.14 Adsorption rate versus impeller speed

由圖14可知，當轉速從500 r/min增大至700 r/min時，煤油的吸附率由78.11%增大至79.82%，這主要是由于隨著轉速增大，能量輸入逐漸增大，浮選槽中的流體運動也逐漸加劇，顆粒和藥劑的應變速率增加，形成的渦尺度逐漸變小，逐漸增大的顆粒和藥劑分散度，提高了碰撞概率，從而提高了吸附率。當轉速繼續(xù)增大到1000 r/min，煤油的吸附率減小至74.84%，這主要是由于煤油吸附在顆粒表面主要是物理吸附，吸附力比較小，隨著能量的逐漸增大，煤油在顆粒表面容易發(fā)生解粘附，導致吸附率逐漸降低。

3 結 論

1)捕收劑-煤泥吸附率隨煤油用量的增多先增大后減小，煤油量為1.55 μL/g時吸附率達到最大值，為79.82%，煤油量為2.07 μL/g時吸附率最小，為61.47%。

2)隨著攪拌時間的增加，能量輸入持續(xù)增多，煤油與煤泥顆粒碰撞概率不斷增大，吸附逐漸趨于飽和，捕收劑-煤泥吸附率先隨攪拌時間的增加而增大，到達最大值后減小，最大吸附率為79.82%，對應攪拌時間為40 s。

3)捕收劑與煤油的吸附逐漸達到飽和狀態(tài)，但煤油與顆粒之間的吸附作用屬于物理吸附，作用力較小，隨著能量不斷輸入，吸附與解吸的動態(tài)平衡被打破，繼續(xù)輸入的能量會導致已吸附的油滴發(fā)生脫附，從而導致吸附率逐漸減小。

4)隨著轉速的增大，能量輸入逐漸增大，顆粒和藥劑的分散度逐漸增大，碰撞概率隨之增大，吸附率提高，當轉速從500 r/min增大至700 r/min時，捕收劑-煤泥吸附率由78.11%增大至79.82%。