表面活性剂对浮选精煤脱水的助滤作用

任晓汾 李志红 刘爱荣 樊民强

(太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)

工业实践中受物料粒度、矿物质组成以及过滤条件等因素制约，浮选精煤水分经常偏高，不仅造成无效运输和冬季卸车困难，而且影响精煤的使用效率。添加化学助滤剂是降低微细颗粒物料水分的有效手段。高分子絮凝/凝聚剂型助滤剂的主要作用是使微细颗粒形成絮团，从而改变滤饼结构，提高过滤速度，但对降低滤饼水分作用有限。目前，以不同类型表面活性剂作为煤泥脱水助滤剂的研究较多。

有些专家以高分子量聚氧乙烯为浮精脱水助滤剂，能显著降低滤饼比阻和过滤介质阻力，从而提高过滤速率，降低滤饼水分，800万分子量的聚氧乙烯在用量20 g/t时可降低滤饼水分4%，助滤效果明显优于聚丙烯酰胺类助滤剂；有些专家研究发现，在适宜的pH条件下添加离子型表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基溴化胺(DAB)均可使滤饼水分明显降低；有些专家研究了TLT5149型表面活性剂对车集选煤厂浮选精煤脱水的助滤作用，当药剂用量在3.5 kg/h时，可使压滤时间由127.53 s缩短至87.20 s，平均降低滤饼水分2.74%；还有些专家采用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和咪唑啉助滤煤泥离心过滤脱水取得显著效果，其中SDBS作用后的滤饼水分从24.36%降低至17.05%，降水幅度达到7.31个百分点；另有国外专家研究了阳离子、阴离子和非离子表面活性剂对精煤浆真空过滤的助滤作用。研究结果表明，所选用的表面活性剂均能使得滤饼水分显著降低，其中最有效的表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，可使滤饼水分从21.0%降低到11.7%。

表面活性剂种类繁多，不同药剂具有不同的表面活性。实践中，脱水助剂种类及用量的选择需通过实验加以确定。本文选择3种不同类型表面活性剂，即非离子型脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)、阴离子型十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和阳离子型十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对柳湾选煤厂浮选精煤进行了脱水助滤试验，并对药剂作用机理进行了分析。

1 煤样、药剂与试验方法

1.1 煤样性质

试验所用煤样采自山西柳湾选煤厂浮选精煤，将煤样充分混匀，实验室内自然晾干后，密封保存，备用。煤样工业分析及元素分析见表1。

表1 煤样工业分析及元素分析 %

由表1可以看出，试验煤样为1/3焦煤。元素分析中的氧含量为1.94%，主要来自煤样水分、煤表面含氧基团及所含无机矿物质，使煤样表面具有一定的亲水性。试验煤样的XRD谱图如图1所示。

图1 试验煤样XRD谱图

由图1可以看出，柳湾选煤厂浮选精煤所含矿物质主要是高岭石(Al2Si2O5(OH)4)，及少量蒙脱石，二者均属于黏土类矿物，亲水性强且遇水极易泥化，不仅使煤浆的黏度增大，而且还增强了脱水过程中的毛细作用，可导致过滤速度降低、滤饼水分增加。依据《煤炭筛分试验方法》(GB/T 477- 2008)对煤样进行小筛分试验，浮精试样粒度组成见表2。

表2 浮精试样粒度组成

由表2可以看出，试验煤样中微细粒含量较多，-0.074 mm粒级累计产率接近50%，特别是-0.038 mm粒级产率高达34.42%。物料粒度组成偏细，则比表面积相对较大，吸附的水分多且不易脱除；而且，过滤过程中微细颗粒容易充填在粗粒的孔隙中，造成滤饼间隙毛细作用增强，脱水阻力增大，从而导致滤饼水分增高。

1.2 药剂性质

表面活性剂可以降低液体表面张力，通过前期探索性试验，筛选出3种不同离子类型且助滤效果较好的表面活性剂用于本试验研究，药剂基本性质列于表3。

表3试验药剂性质

1.3 试验方法

1.3.1 实验室脱水试验

煤样加水配制成一定浓度的矿浆，添加定量表面活性剂溶液(质量浓度为1%)，用机械搅拌机搅拌10 min后，注入不锈钢桶式过滤器的杯体内(杯底铺有180网目滤布)；打开充气阀门，压力设定为0.2 MPa，压滤120 s；脱水结束后，打开过滤器，按九点法采集取滤饼10～12 g置于水分瓶中，置于烘箱105℃下干燥2 h，测量滤饼水分。

实验室加压过滤脱水系统主要由空气压缩机、加压过滤器和在线压力监控装置等组成，其系统示意图如图2所示。

1-滤网；2-不锈钢桶式过滤器；3-物料入口；4、10-压力表；5-传感器；6、9-截止阀；7-滤液出口；8-压力数字显示器；11-空气压缩机图2 实验室加压过滤脱水系统示意图

1.3.2 XRD测试方法

采用日本理学MiniFlex600型 X 射线衍射仪对试样进行矿物质定性分析。Cu靶Kα辐射，工作电流为15 mA，光管电压为40 kV，扫面范围为5°～85°，扫描速率为8°/min，步长为0.02°。将煤样磨细至-0.074 mm，压片进行测试。

1.3.3 接触角和表面张力测试方法

滤饼接触角及滤液表面张力测试均采用德国KRUSS公司生产的DSA100型光学接触角测量仪。取适量烘干后滤饼，磨细至-0.074 mm，压成薄片，然后使用座滴法测量接触角。微升注射器吸入一定量待测滤液，计量液滴体积，并乘以0.8系数，然后按相应体积排出液滴，拍照，启动软件测量表面张力。同一种滤液测量5次，取平均值。

1.3.4 XPS测试方法

煤样XPS分析采用岛津集团Kratos公司生产的AXIS ULTRA DLD 型X射线光电子能谱仪。单色化Al靶，Al Kα hv=1486.6 eV，样品分析区域为700×300 μm，全扫描透能为160 eV，步长为1 eV；窄扫描透过能为40 eV，步长为0.05 eV；基础真空为10-8Pa，数据校正基准采用C1 s=284.8 ev。

2 结果与讨论

2.1 滤饼水分

3种不同类型表面活性剂对柳湾浮选精煤的脱水助滤试验结果如图3所示。

图3 不同类型表面活性剂对滤饼水分的影响

由图3可以看出，3种表面活性剂对柳湾选煤厂浮选精煤脱水均有明显的助滤作用，适宜的药剂用量范围为400～500 g/t，滤饼水分可降低2.8%～4.2%。其中，CTAB的助滤效果最好，用量为500 g/t时，滤饼水分仅为15.6%，相比空白试验结果降低了4.2个百分点；其次为SDBS，相同药剂用量下可使滤饼水分从19.8%降低至16.7%；AEO-9的最佳用量为400 g/t，可使滤饼水分从19.8%降低至17.0%，降水幅度为2.8个百分点。

2.2 成饼速率

颗粒的过滤过程一般分为两个阶段，即成饼阶段和脱水阶段。煤泥加压过滤时，存在压力突然下降并有大量水排出的时刻，对应压力称为击穿压力。从过滤开始到击穿压力形成的时间长短与物料成饼速率有关，时间越短，说明成饼速率越快。试验系统中的在线压力监控装置可持续收集加压杯体内的压力数据，记录不同药剂用量下的击穿压力发生的时间，表面活性剂对成饼速率的影响结果如图4所示。

图4 表面活性剂对成饼速率的影响

由图4可以看出， CTAB在不同用量下的击穿压力发生时间均高于空白试验结果，SDBS仅在用量为100 g/t时的击穿压力发生时间低于空白值，其余均高于空白值，说明这2种表面活性剂对提高成饼速率收效甚微；AEO-9在用量为100～500 g/t时，击穿压力发生时间均有所降低，这说明AEO-9做助滤剂可以提高柳湾浮精的成饼速率，但其作用有限，当药剂用量为500 g/t时，击穿压力发生时间降低值达到最大，由空白值31 s降低至23 s。总体而言，试验选择的3种表面活性剂在提高浮选精煤过滤速度方面作用不大。

2.3 助滤机理探讨

2.3.1 溶液表面张力

在煤泥过滤的脱水阶段，由于毛细压力的存在，滤饼的毛细通道中贮留了大量的毛细水。降低液体表面张力可以降低毛细压力，促进毛细水的排出，从而降低滤饼水分。3种不同类型表面活性剂对溶液表面张力的作用结果如图5所示。

图5 表面活性剂对溶液表面张力的影响

由图5可以看出，3种不同类型表面活性剂对溶液表面张力的作用趋势基本一致。随药剂用量的增加，溶液表面张力显著降低，当药剂用量达到500 g/t后，继续增加药剂用量，溶液表面张力降低的趋势变缓。相同药剂用量下，以AEO-9对表面张力的降低作用最大，其次是CTAB，SDBS对溶液表面张力的影响最弱。但是，溶液表面张力与滤饼水分之间并无一致的对应关系。

2.3.2 颗粒表面疏水性

颗粒的界面性质也是影响滤饼水分的重要因素，煤是一种多苯芳香核化合物，具有疏水性，但其分子结构中的含氧官能团侧链和无机矿物杂质，使表面具有一定亲水性。颗粒表面亲水性越强，脱水越困难，滤饼水分也越高。氧是造成煤颗粒表面亲水的最主要元素， X射线光电子能谱(XPS)对煤样表面元素的分析结果见表3。

表3 试样XPS分析及接触角分析结果

由表3可以看出，添加不同类型表面活性剂后，煤样表面的C含量均有所增大，而O含量减少。3种表面活性剂作用后的煤样接触角与原样相比均有所增大，且与滤饼水分变化规律一致，说明表面活性剂的加入掩蔽了煤表面的含氧基团，使煤样表面疏水性提高，滤饼水分降低。

综上所述，作为柳湾选煤厂浮选精煤的压滤脱水助滤剂，3种不同类型表面活性剂均可以降低溶液的表面张力和改善煤粒表面疏水性，起到隔离分散颗粒及降低毛细管压力的作用，从而促进毛细水的排出，最终降低滤饼水分。

3 结论

(1)不同离子类型表面活性剂AEO-9、SDBS和CTAB对柳湾选煤厂浮选精煤脱水均有良好的助滤作用。

(2)不同表面活性剂对应不同的药剂用量和助滤效果。当药剂用量为500 g/t时，CTAB助滤柳湾浮选精煤脱水可使滤饼水分降低4.2%，SDBS可降低滤饼水分3.1%；当AEO-9用量为400 g/t时，可使浮精水分降低2.8%。

(3)表面活性剂的助滤作用主要表现为降低溶液表面张力和在颗粒表面形成氧掩蔽而改善其疏水性，最终降低滤饼水分，但对过滤速度基本没有促进作用。

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