对煤炭行业中表面活性剂应用的探究

高英杰 王世冠

（山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛，266590）

煤炭资源是能源矿产资源之一，同时煤炭也是世界上储量最多、分布最广的常规能源，煤炭作为重要的战略资源，广泛应用于钢铁、电力、化工等工业生产及居民生活领域。我国作为煤炭资源最多的国家之一，如何清洁高效地利用煤炭资源显得至关重要。而在煤炭的开采、加工与燃烧利用中，合理地使用表面活性剂，不仅可减少煤炭在开采、加工、燃烧中产生的环境污染，更重要的是，还大大提高了煤炭的利用率和经济效益，契合了发展洁净煤的主要战略。本文就以下几个方面，对煤炭行业中表面活性剂的应用进行探究。

1 煤炭洗选中的应用

煤炭洗选一般是指从煤炭中去除矸石或其他杂质的过程。煤炭洗选一般是利用煤与矸石的物理性质不同来进行的，在不同密度或特性的介质中使煤与矸石（杂质）分开。目前，我国约80%的煤炭未经处理直接利用，因此，造成了大量CO、NOx的排放，对环境造成了严重的污染。而对煤炭进行洗选后再燃烧利用，则可脱除煤中绝大部分的黄铁硫矿，以提高选煤产品的质量，同时又起到综合回收有价元素，充分、合理、经济地利用煤炭资源。表面活性剂是由亲油基和亲水基组成，决定了其界面性质的特殊性，因此在煤炭洗选中意义重大[1]。

1.1 浮选

在细粒煤分选中，浮选是最有效和常用的矿物分离方法。 浮选的效率取决于煤表面的亲水性、疏水性以及浮选中气泡的状态等因素。表面活性剂的应用，使任意两相之间的性质，尤其是可以改变煤炭表面的亲水性、疏水性，因此，它是煤炭浮选中不可缺少的物质。为了改变精煤与矸石之间表面性质的差异，常常向煤浆中添加一定的表面活性剂，以进一步对浮选的程度进行控制。同时，对于非极性的物质是不可以直接进行浮选的，需要加入表面活性剂将表面亲水性变为疏水性。

起泡剂作为表面活性剂的一种，在浮选中发挥至关重要的作用。在浮选过程中使用起泡剂，可以使煤浆中产生大量的气泡，进一步使泡沫层更加稳定，降低气泡的运动速度，使气泡在煤浆中的停留时间延长[2]。同时，浮选过程中要求泡沫量多的同时，对于泡沫的大小以及分布还有严格的要求，它更青睐与韧性适中，黏度较低，且无毒性及刺激性气体的气泡。经过研究表明：对浮游选煤比较有效且泡沫也比较适中的是C6～C10醇类产品。小于C6的醇其泡沫太脆，强度不够。大于C10的醇其泡沫强度大，泡沫不易碎，但选择性差。除醇类外，酮、 醛和酸也有起泡性，酮和醛的泡沫一般比较脆，选择性也比较好，生产酮的副产品也可做起泡剂。

浮选添加剂是通过对增大煤粒与气泡的接触，使得煤粒表面形成一层膜，从而将煤炭表面的性质改为疏水性，浮选促进剂可能是活化剂、絮凝剂中的一种。浮选活化剂可作为浮选药剂中的调整剂之一，用以通过改变矿物表面的化学组成，消除抑制剂作用，使之易于吸附捕收剂。如磷酸乙二胺、磷酸丙二胺、二甲苯、氟硅酸钠、硫酸铵、氯化铵、硫酸亚铁、氢氧化铵等。活性剂分无机和有机两类。无机活性剂主要是金属氧化物，以氧化锌和活性氧化锌最为重要。有机活性剂则以硬脂酸为代表。脂肪酸用量大时会降低硫化速度，但可使硫化比较充分，并能得到耐热性能好的交联结构。

表面活性剂在煤泥过滤的脱水阶段同样也发挥着重要的作用，毛细压力的存在使滤饼的毛细通道中贮留了大量的毛细水。加入表面活性剂，可以降低毛细压力，促进毛细水的排出，从而降低滤饼水分。不同类型的表面活性剂对溶液表面张力的作用趋势大致相同。在一定限度内，溶液表面张力随着药剂用量的增加而显著降低，超过这一限度，药剂对溶液表面活性剂的影响减弱[3]。

1.2 脱水助剂

絮凝剂作为脱水助剂的一种，目前适用于超细粒的分选，其作用原理是将浮选精煤絮凝，以减缓精煤矿浆中煤的分层速度，提高滤饼的渗透性和脱饼率。由于絮团中包裹水分，絮凝剂很难大幅度降低滤饼水分，但可以提高过滤机处理量一倍以上。该法对细粒和超细粒煤的分选取得了较好的效果，得到的精煤灰分低于2%，同时也是制备超纯煤的有效途径[4]。

表面活性剂作为脱水助剂的一种，作用在煤表面并对煤表面的疏水性和亲水性进行改善，从而大大提高了脱水效果。另外，金属阳离子作为表面活性剂的一种，可以对煤表面的负电荷进行中和，维持煤的等电点，增强其脱水效果。

目前，很多国家应用表面活性剂型的脱水助剂，加强了离心机和过滤机的脱水效果。反观国内，由于表面活性剂的价格昂贵，目前仍处于研发阶段，例如中国矿业大学此方面的研究，使水分降低了2%～4%，药剂用量达0.3～1.4kg/t干煤 。用作脱水助剂的表面活性剂包括渗透剂OT、有机聚硅氧烷、聚氧乙烯和季铵盐类等。这些表面活性剂适用性比较差，不同的煤种要求不同的表面活性剂，也限制了应用。

2 煤炭开采和贮装运过程中的应用

煤在开采、运输、粉碎等过程中产生大量煤尘，对人体危害极大的同时，还会严重污染环境。同时，在煤的运输过程中，由于煤尘的产生，对于煤量的损失极大，在我国，由于煤尘的原因造成的煤炭资源的浪费约占2%。

2.1 防尘、 降尘

一直到70年代，我国对于防尘的处理仍然处在喷水除尘这一阶段，但伴随着我国工业实力的增强，以及大规模机械化程度的普及，对于降低煤尘浓度的要求逐渐提高，以保证工作环境的清洁和安全性，我国开始逐步对防沉剂进行研究及应用。伴随着防沉剂的实用，大大减少了煤尘对环境的污染，更减少了煤在运输过程中的损失，意义重大。防沉剂实际上是一些混合润湿剂，在水中溶解后，表面活力降低，增强了水的雾化，增强了煤表面的疏水，进一步使煤与水的亲和力变差，此表面活性剂的使用，通过促进水雾在煤表面的润湿作用，大大降低了煤尘的产生，使煤的防尘、降尘问题得到了解决。

表面活性剂的使用，通过对煤粒润湿性的改善，实现了煤在开采、运输过程中煤粉尘的控制问题。目前，我国常使用非离子表面活性剂，如邻二甲苯烷基磺酸钠[5]。

经前人的研究证明：润湿速率试验测定的润湿速率主要受温度、煤尘的尺寸以及所用特殊表面活性剂的浓度和分子结构的影响。在1～4℃，润湿速率随温度的升高而增加，大致呈线性关系。同样，在特定温度下，润湿速率随煤尘平均粒度的增加而增加，也呈线性关系[6]。

2.2 防冻剂

我国的煤炭资源总体趋势是北方多于南方。在北方的冬季，煤炭在露天开采以及运输过程中，常伴随冻车的现象，这是因为原煤的含水量较高，一般在10%左右[7]。因此，为了解决这一问题，防冻剂得到了发展与应用，其作用就是通过改变水的结晶性，使其冻化强度降低，以此阻碍水分子彼此冻结。防冻剂主要是一种由多羟基醇和表面活性剂的混合物。有些防冻剂还会加入一些无机盐类帮助降低冻车现象的发生。防冻剂的应用进一步降低了煤炭在开采、运输过程中的资源、人力的浪费，减少了环境污染，降低了运输成本。

3 水煤浆添加剂

近代，洁净煤技术的提出，进一步对煤炭的清洁使用提出了要求。水煤浆作为一种低污染、高效率、可管道输送的代油、煤的流体燃料。它改变了煤的传统燃烧方式，显示出了巨大的环保节能优势。尤其是近几年来，采用废物资源化的技术路线后，研制成功的环保水煤浆，可以在不增加费用的前提下，大大提高了水煤浆的环保效益。在我国丰富煤炭资源的保障下，水煤浆也已成为替代油、气等能源的最基础、最经济的洁净能源。

表面活性剂在水煤浆制备中使用广泛，多分为阴离子和非离子表面活性剂，可以使煤粉更加稳定地分散在水中，并且提高了煤的含量。同时，水煤浆的黏度还对能耗、运输工艺等成本有着较大影响，通过使用表面活性剂，提高了煤浆浓度，加速了煤水混合物的流动，降低了泵送难度，节约了成本。随着煤的变质程度的不同，作为添加剂的表面活性剂的性能也有所不同。因此，选用合适的表面活性剂，直接决定了制备水煤浆的浓度、稳定性、性能以及成本，通常客户对于高浓度、高稳定性、高流动性、高燃烧性的水煤浆接受性更高。

目前，我国的主要油田已进入产出液超高含水期，寻求一种高效、廉价的驱油剂来达到控水稳油的目的，从而改善水煤浆的流变性、稳定性和燃烧性，是石油产业亟待解决的重大课题。随着聚合物驱和热力驱技术的快速发展，研究者们发现了一种主成分为石油磺酸盐的超级表面活性剂。这种超级表面活性剂的应用，大幅降低了水油两相的表面张力，减少了岩层吸附，同时还兼有增溶 、抗盐 、耐温的效果，对于我国石油产量的提高意义重大[8]。

4 总结

综上，对表面活性剂在煤炭洗选、运输加工、水煤浆的制备等方面进行了分析，表明表面活性剂在煤炭行业中扮演着不可替代的重要作用。随着洁净煤技术的推行以及环境保护观念的深入人心，对于表面活性剂的研究与应用至关重要，表面活性剂的应用，不仅降低了成本，还大大减少了煤炭燃烧时的环境污染。因此，研究更加高效、低廉的表面活性剂对煤炭行业的发展意义重大。