赵世永，李 博，吴 阳，梁 效，周安宁

(西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054)

煤岩组分浮选捕收剂的优选试验研究

赵世永，李 博，吴 阳，梁 效，周安宁

(西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054)

为了获得煤岩组分分离的最佳药剂制度，以神木王家沟煤为研究对象，分别采用调整剂HCl和NaOH 、AlCl3溶液调节煤岩单组分的表面电位，并添加不同捕收剂进行浮选试验。试验结果表明：当镜质组与惰质组的表面电位相反，捕收剂用量分别为20、60 mg/L时，CTAB对煤岩单组份的分离效果最好；将某一煤岩组分表面电位调至零电点时，添加浓度为100 mg/L 的DTAB，可使镜质组与惰质组的富集率分别达到77.71%和73.56%，实现二者的高效分离。

煤岩组分；调整剂；表面电位；浮选；离子型捕收剂

煤是有机化合物与无机矿物质组成的复杂混合物，其中的有机化合物形成了煤岩组分[1]。基于煤岩显微组分在不同应用领域表现出的不同工艺性质，需要通过分离技术将具有不同性质的煤岩组分富集物分选出来并区别利用，进而为煤炭资源的深加工提供重要的技术途径[2-3]。基于各种煤岩组分表面性质的差异，许多研究者通过浮选技术对煤岩组分的富集与分离进行了研究。段旭琴等[4-6]采用不同的技术手段研究了神府煤煤岩显微组分的可浮性，发现镜质组和惰质组的化学成分、结构性质及物化性质相似，且镜质组的疏水性低于惰质组。Honaker[7]利用浮选柱对伊利诺伊斯6#煤煤岩显微组分进行分选，发现产物的显微组成与矿浆酸碱度关系密切。赵伟等[8]在研究矿浆pH值对浮选效果的影响时发现，神府煤镜质组和惰质组表面零电点的pH值在2～4之间；当镜质组与惰质组表面电荷相反时，采用离子型药剂分离效果较好。李华静等[9]对神府煤煤岩组分表面电性研究时发现，调节酸碱度、添加表面活性剂或无机调整剂能够增大镜煤和丝炭表面Zeta电位的差异，调节矿浆酸碱度和添加十六烷基三甲基溴化铵对促进浮选效果有一定的协同作用。

截至目前，浮选药剂的选择一直是困扰煤岩组分有效分离的主要问题，为了解决现有捕收剂选择性差的问题，通过添加不同离子型捕收剂对浮选分离煤岩组分的效果进行探索，以为煤炭资源的高效利用提供一定的理论借鉴。

1 试验

1.1 仪器与试剂

(1)试验仪器。RK/FD-1.5型单槽浮选机，叶轮转速在0～2 600 r/min之间，浮选槽容积为1.5 L；MSP-Ⅱ型显微镜光度计，光谱范围在300～900 nm之间，精准度优于0.5%；JS94H型电泳仪，分辨率为4 pixel/μm，适用于0.5～20 um的分散体系；PHS-3G型酸度计，量程为0～14pH，精度为±0.01pH；ALC-210.4型电子天平，称量范围在0～210 g之间，精度为±0.1 mg；RK/ZL-260/200型盘式真空过滤机，过滤盘规格为φ260×80 mm、φ200×80 mm，滤饼水分在10%～25%之间。

(2)试验试剂。起泡剂固定为仲辛醇，捕收剂包括十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、油酸(OA)、十二烷基硫酸钠(SDS)，调整剂选用0.1 mol/L的盐酸(HCl)、0.1 mol/L的氢氧化钠(NaOH)、0.1 mol/L的氯化铝(AlCl3)等。

1.2 试样性质

试样为神木王家沟煤矿3号煤层原煤，将其制备成符合浮选要求(粒度<0.2 mm)的煤样后进行浮选试验。根据GB/T 16773—2008《煤岩分析样品制备方法》规定制备粉煤光片，采用MSP-Ⅱ型显微镜光度计对其进行分析，结果见表1。

表1 神木煤的显微组分组检测结果

由表1可知：显微组分组以镜质组和惰质组为主，其含量分别为54.90%、42.08%，壳质组含量极少，仅为0.22%，矿物质含量较低，总含量为2.80%。

1.3 试验方案

根据试验需要设定仪器工作参数，保证矿浆浓度为100 g/L，药剂与矿浆接触时间为3 min；采用0.1 mol/L的HCl溶液将矿浆pH值分别调节成2.60、3.40，并添加不同离子型捕收剂进行浮选试验；采用0.1 mol/L的NaOH溶液将矿浆pH值调节成6.20，通过添加AlCl3溶液将镜质组和惰质组表面的Zeta电位调节成零电点，再添加不同离子型捕收剂进行浮选试验。

在试验过程中，仲辛醇用量固定为100 g/t；捕收剂DTAB、CTAB、油酸、SDS的用量根据预试验初步确定，再根据最终试验结果确定最佳用量。

1.4 评价指标

煤岩浮选综合效率是评价浮选效果好坏的综合指标，可以反映煤岩浮选分离程度和富集率。赵伟[10]提出了煤岩组分浮选分离中富集率的概念，并给出了煤岩浮选综合效率计算式：

式中：Pv为浮物镜质组富集率，%；P原,v为原煤镜质组含量，%；Pi为沉物惰质组富集率，%；P原，i为原煤惰质组含量，%。

2 试验结果与分析

2.1 不同矿浆pH值对药剂作用效果的影响

2.1.1 阳离子捕收剂对分选效果的影响

在矿浆pH为2.60时，镜质组表面电位为正电位，惰质组表面电位为负电位。以DTAB和CTAB作为捕收剂，捕收矿浆中的惰质组煤粒，试验时DTAB和CTAB的浓度分别为20、60、100、140、180 mg/L。

浮选产物的产率与药剂种类及其浓度关系如图1所示。由图1可知：在相同的药剂浓度条件下，当矿浆pH为2.60，药剂浓度大于20 mg/L时，CTAB作为捕收剂的浮物产率普遍大于DTAB作为捕收剂的。这是因为捕收剂的非极性基团碳链越长，捕收能力越强。在药剂浓度较小时，其捕收能力不足，浮物产率较低，而药剂浓度过大时，惰质组组分表面电位变为正电位，进而影响捕收剂的捕收能力，导致浮物产率降低。

图1 药剂浓度对浮选产物产率的影响

浮选产物的显微煤岩组分富集率与药剂种类及其浓度关系如图2所示。由图2可知：随着药剂浓度的增加，惰质组、镜质组富集率均呈先增加后降低的趋势。这是因为药剂浓度较小时，其选择性较好，浮物中的惰质组组分含量增高；随着药剂浓度的不断增加，镜质组组分和惰质组组分都趋向于正电性，阳离子捕收剂受到的静电斥力增大，捕收能力和选择性均降低，导致浮物产率降低。

图2 药剂浓度对煤岩显微组分富集率的影响

2.1.2 阴离子捕收剂对分选效果的影响

将矿浆pH调整为3.40，分别以OA和SDS作为捕收剂，捕收矿浆中的镜质组煤粒，试验时OA和SDS的浓度均为20、60、100、140、180 mg/L。

通过浮选产物的产率与药剂种类及其浓度关系(图3)可知：在pH为3.40的条件下，就浮物产率来看，SDS作为捕收剂的明显更好，这是因为SDS的极性基团极性强，捕收能力较强，随着药剂浓度的增加，浮物产率不断升高。OA的极性基团极性相对较小，捕收能力较弱，随着OA浓度的增加，镜质组和惰质组的表面都显负电性；由于静电相斥作用，药剂捕收能力降低，浮物产率降低。

图3 药剂浓度对浮选产物产率的影响

浮选产物显微煤岩组分富集率与药剂种类及其浓度关系如图4所示。

图4 药剂浓度对煤岩显微组分富集率的影响

由图4(a)可知：当SDS浓度较小时，浮选过程有一定的富集作用；当其浓度较大时，浮物镜质组含量与原煤镜质组含量基本一致，即对镜质组而言，浮选过程添加捕收剂并没有起到富集作用。由图4(b)可知：以SDS作为捕收剂时，惰质组富集率提高程度较大。这是因为随着SDS的加入，镜质组和惰质组的表面都显负电，对于电负性更小的惰质组而言，由于静电斥力的作用，药剂捕收能力更弱，浮选时惰质组更易留在矿浆中，致使沉物惰质组富集率较高。

2.2 零电点对药剂作用效果的影响

2.2.1 不同阳离子捕收剂的浮选效果

将矿浆pH调节为6.20，由于无机调整剂AlCl3能够提高镜质组与惰质组表面的润湿性差异[11]，故采用154 mg/L的该溶液将镜质组的表面电位调至零电点，此时惰质组显负电。以DTAB、CTAB作为捕收剂时，镜质组显正电，惰质组显负电。在DTAB、CTAB浓度分别为20、40、60、80、100、120 mg/L的条件下进行浮选试验，浮选产物的产率与药剂种类及其浓度的关系如图5所示。

图5 药剂浓度对浮选产物产率的影响

由图5可知：在相同的试验条件下，就浮物产率来看，CTAB作为捕收剂的优于DTAB作为捕收剂的；随着药剂浓度的增加，浮物产率不断升高。这可能是因为镜质组和惰质组的电性没有发生根本变化，随着药剂浓度的增加，捕收量随之增加。

浮选产物显微煤岩组分富集率与药剂种类及其浓度关系如图6所示。由图6可知：随着药剂浓度的增加，镜质组、惰质组的富集率均呈先增加后降低的趋势，这说明浓度较低时药剂选择性较强，浓度过大时药剂选择性降低，矿物富集率随其发生变化。在DTAB浓度为100 mg/L时，镜质组富集率达到77.71%，惰质组富集率达到73.56%；在CTAB浓度为100 mg/L时，镜质组富集率达到75.21%，惰质组富集率达到72.54%，这说明采用AlCl3调节煤粒表面Zeta电位时，将阳离子捕收剂的浓度控制在合适的范围内，可以实现煤岩组分的高效分选。

图6 药剂浓度对煤岩显微组分富集率的影响

2.2.2 不同阴离子捕收剂的浮选效果

当矿浆pH为6.20时，采用浓度为262 mg/L的AlCl3溶液将惰质组的表面电位调节到零电点，此时镜质组表面显示正电性。采用OA、SDS作为捕收剂，并控制其用量保证镜质组显正电性，惰质组显负电性。在二者浓度均为40、60、80、100、120、140 mg/L的条件下进行浮选试验，浮选产物的产率与药剂种类及其浓度关系如图7所示。

图7 药剂浓度对浮选产物产率的影响

由图7可知：以OA作为捕收剂进行浮选试验时，浮物产率不断增加；以SDS作为捕收剂时，浮物产率呈先升高后降低的趋势。这是因为随着SDS的加入，矿浆表面的Zeta电位发生改变，致使镜质组表面呈负电性，药剂捕收率下降，浮物产率随之降低。

浮选产物显微煤岩组分富集率与药剂种类及其浓度关系如图8所示。

图8 药剂浓度对煤岩显微组分富集率的影响

由图8可知：随着药剂浓度的增加，镜质组、惰质组的富集率均呈先增加后降低的趋势，这说明阴离子捕收剂同样存在一个最佳用量。在OA浓度为120 mg/L时，镜质组富集率达到69.24%，惰质组富集率达到76.98%；在SDS浓度为100 mg/L时，镜质组富集率达到67.74%，惰质组富集率达到77.93%。相对阳离子捕收剂而言，在浮选过程中添加阴离子捕收剂时惰质组的富集率高于镜质组的富集率。

2.3 试验结果对比分析

根据试验结果计算不同试验条件下的煤岩浮选综合效率，浮选药剂与煤岩浮选最大综合效率的关系见表2。

表2 不同浮选药剂下最大综合效率对比结果

由表2可知：就煤岩浮选综合效率来看，阳离子型捕收剂的高于阴离子捕收剂的。也就是说，在煤岩浮选时添加阳离子型捕收剂既能使镜质组富集率较高，又能得到惰质组富集率较高的丝炭；在添加阴离子型捕收剂时，一般能得到惰质组富集率较高的丝炭，而镜煤中镜质组富集作用不明显。

阳离子型捕收剂对煤岩显微组分的浮选效果更好，这主要是因为酸性环境或添加阳离子的环境更适合煤岩分选，此时阳离子型捕收剂能够较好地捕收丝炭，并使镜煤留在矿浆中。而采用阴离子型捕收剂时，阴离子与氢离子或金属阳离子易结合形成中性分子，影响其对镜质组组分的捕收，进而影响药剂的选择性。

3 结论

(1)采用HCl溶液调节矿浆酸碱度时，添加不同阴阳离子捕收剂的煤岩组分浮选效果不同。在矿浆pH为2.60的条件下，当CTAB浓度为60 mg/L时，镜质组富集率为76.89%；当CTAB浓度为20 mg/L时，惰质组富集率为78.59%；在矿浆pH为3.40的条件下，当SDS浓度为20 mg/L时，镜质组富集率为73.52%；当OA浓度为60 mg/L时，惰质组富集率为73.48%。就浮选效果来看，CTAB优于其他捕收剂。

(2)采用AlCl3将镜质组表面电位调节为零电点，添加浓度为100 mg/L的DTAB，可使镜质组富集率达到77.71%，惰质组富集率达到73.56%，浮选效果均优于同等用量的CTAB。当将惰质组表面电位调节为零电点时，添加浓度为120 mg/L的OA，可使镜质组富集率达到69.24%，惰质组富集率达到76.98%；当SDS浓度为100 mg/L时，镜质组富集率达到67.74%，惰质组富集率达到77.93%。

(3)阳离子型捕收剂能同时实现镜煤和丝炭的有效分离与富集，阴离子型捕收剂对丝炭的富集作用明显，而对镜煤的富集作用较差。

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Experimental study on optimum-seeking of collectors for separation of coal macerals through flotation

ZHAO Shi-yong, LI Bo, WU Yang, LIANG Xiao, ZHOU An-ning

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi710054, China)

In order to determine optimum regime of agents for better separation of petrographic components, flotation test is conducted with coal from Shenmu Wangjiagou Mine as the object of study. The test is made through adjustment of the surface potential of each component with HCl, NaOH and AlCl3solution respectively and using different kinds of collectors. Test result indicates that: when vitrinite and inertinite have opposite surface potentials, a best result of separation of these 2 maceral can be attained by using CTAB (cetyl trimethyl ammonium bromide) as the collector at dosage of 20 mg/L and 60 mg/L respectively; and when the surface potential of a certain maceral is adjusted to zero electrical point, the enrichment rates of vitrinite and inertinite can go up to 77.71% and 73.56% respectively with the use of DTAB (dodecyl trimethyl ammonium bromide) as collector at a dosage of 100 mg/L, making it possible for the 2 macerals to be effectively separated.

coal maceral; conditioning agent; surface potential; flotation; ionic collector

1001-3571(2016)05-0009-06

TD943+.13

A

2016-05-05

10.16447/j.cnki.cpt.2016.05.003

陕西省科技计划经费资助项目(2015KTZDGY05-02)

赵世永(1973—)，男，陕西省咸阳市人，副教授，从事煤炭提质分选与综合利用方面的研究。

E-mail：122619732@qq.com Tel:15877394635

赵世永，李 博，吴 阳，等.煤岩组分浮选捕收剂的优选试验研究[J]. 选煤技术，2016(5)：9-14.