不同因素对低阶煤表面Zeta电位的影响

郑云婷

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

煤炭是我国主要的一次能源，占一次能源消费总量的一半以上[1]。近年来随着我国经济的快速增长，对煤炭的需求将越来越大。随着采煤机械化程度的提高，煤泥粒度越来越细，导致浮选的选择性变差和煤泥回收率降低[2]。十三五规划中明确指出：“更加注重结构调整，推进能源绿色，低碳发展，全面推进能源生产和消费革命，努力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系”[3]。

煤炭洗选技术是煤炭清洁利用的基础，浮选是重要的选煤工艺之一[4]。Zeta电位是一个表征分散体系稳定性的重要指标[5]，煤表面的Zeta电位体积决定了液体中的粒子状态是稳定存在还是趋于絮凝(黏连在一起)。不同矿物颗粒的电性差异较大，导致脉石矿物与有用矿物颗粒凝聚现象严重，浮选回收率降低、选择性变差[6]，增加浮选药剂消耗，测定煤表面Zeta电位是研究煤表面结构重要手段之一。CRAWFORD R J等[7]用Zeta电位研究了三种煤，结果表明，pH值越高电负性越强，煤阶越高煤表面含氧官能团越少。郭梦熊等[8]用Zeta电位的方法研究了表面活性剂与煤表面含氧官能团作用的电性变化，试验结果表明，阳离子型表面活性剂吸附到煤表面后，表面正电位增加；阴离子型表面活性剂吸附到煤表面后，表面负电位增加。试验研究了低阶煤表面Zeta电位随粒度和密度大小的变化情况，以及静置时间、搅拌强度和pH值对Zeta电位的影响，并探讨了煤炭颗粒表面的荷电特性变化情况与低阶煤浮选效果之间的关系。

1 煤样组成

1.1 煤样元素组成分析

低阶煤样为朔州长焰煤、燕家河不黏煤和南屯气煤，试验所用的煤样均为块状精煤，破碎成小块后用破碎机破碎至0.5 mm，取筛下的煤粉作为试样，缩分后装袋密封备用。煤样的元素组成分析见表1。

表1 三种煤样元素组成

由表1可知，三种煤样的含碳量都很高，这是由于试验煤样为块精煤，故含碳量高。氧的含量相对较高，说明三种煤样均含有较多含氧官能团，具有较强的亲水性，不利于浮选[9]。与其他两种煤样相比，长焰煤的氧含量较高，含碳量较低，煤的变质程度最低，文章主旨是研究低阶煤浮选，故以变质程度最低的长焰煤为研究对象进行试验研究。

长焰煤XPS的扫描全谱图如图1所示。由图1可知，煤样的N和S含量都很低，因此在XPS图谱上，主要是碳元素和氧元素信息的反映。与表1的元素分析结果是一致的。

图1 长焰煤XPS的扫描全谱图

1.2 煤样密度、粒度组成分析

煤样小浮沉试验结果见表2，煤样粒度分析结果见表3。

表2 煤样小浮沉试验结果

表3 煤样小筛分试验结果

对密度级分别为<1.3、1.3～1.4、>1.4 g/cm3的煤样，依次进行小筛分试验，不同密度级煤样下的小筛分试验结果情况如图2所示。

由表2可知，长焰煤中密度级的含量最高，高密度级含量最低；低密度级的煤样灰分很低，灰分低于6%，高密度级的灰分较低，灰分低于40%，可能有中煤连生体的存在。不同密度级煤样的粒度分布有共同点，在图2中都呈现出中间短、两边长的特点，煤样的低密度级组分、中密度级组分和高密度级组分的主导粒级均为0.25～0.5 mm，这部分煤粒为粗粒级，灰分较低，质量较大，表面疏水性差且易进入浮选尾煤中，降低精煤产率[10]。而0.075～0.125 mm粒级灰分较低，夹带的非可燃物较少，煤样的三种密度级在这部分粒级中的产率较低，不利于浮选。

图2 不同密度级煤样的粒度分布

2 密度和粒度对煤表面Zeta电位的影响

2.1 不同密度级煤表面的Zeta电位

通过小浮沉试验得到密度级<1.3、1.3～1.4、>1.4 g/cm3的三种煤样，将三种煤样研磨至<74 μm，测定不同密度级煤样表面的Zeta电位。低阶煤样中的低密度级组分(<1.3 g/cm3)、中密度级组分(1.3～1.4 g/cm3)及高密度级组分(>1.4 g/cm3)煤表面的Zeta电位如图3所示。由图3可知，在相同的粒度下，密度为1.3～1.4 g/cm3煤样的表面Zeta电位最高，而密度为>1.4 g/cm3煤样的表面Zeta电位最低。分析原因，可能与其中的矿物含量有关。低密度级的煤样，含有较少的大粒径矿物颗粒；随着密度级的增加，中密度级的煤样含有较多的矿物颗粒；高密度级的煤样，矿物含量虽多但煤质含量减少，故煤样表面的Zeta电位降低[11]。

图3 不同密度级煤样表面的Zeta电位

2.2 不同粒级煤表面的Zeta电位

将煤样分别研磨到<74、5～20、<5 μm，测定不同粒级煤样表面的Zeta电位。

低阶煤样粒级别分别为<5、5～20、>20 μm煤表面的Zeta电位如图4所示。由图4可知，对于同一种煤样，在相同的pH值条件下，煤的粒级越小，其表面Zeta电位的电负性越强。原因是煤粒度越小，其比表面积和孔隙率越高，表面可溶出的离子就越多，电负性越强[12]。

图4 不同粒度煤样表面Zeta电位

3 不同条件下煤表面的Zeta电位

3.1 静置时间对煤表面Zeta电位的影响

将低阶煤样研磨到<74 μm，取少量煤样放入锥形瓶中，加入50 mL去离子水分散5 min后，静置0、1、2、3、4、5、6 d，分别取0.5 mL自由沉降后的上清液，测定煤样表面的Zeta电位，试验结果如图5所示。

图5 静置时间对煤表面Zeta电位的影响

3.2 搅拌强度对煤表面Zeta电位的影响

每次取低阶煤样30 g，加入1.5 L浮选机中分别以200、400、600、800、1 000、1 200 r/min的转速搅拌10 min，静置1 h后分别取0.5 mL自由沉降后的上清液，测定煤样表面的Zeta电位，试验结果如图6所示。

图6 搅拌强度对煤颗粒表面Zeta电位的影响

3.3 pH值对煤表面Zeta电位的影响

试验步骤同3.1，在pH值为2、4、7、10、13条件下测定煤样表面的Zeta电位，试验结果如图7所示。

图7 pH值对煤表面Zeta电位的影响

由图7可知，随着pH值的增加，低阶煤样颗粒表面的Zeta电位绝对值增加，而后趋于稳定。蒋展鹏等[17]研究发现，不同来源、不同准备方法的胶粒受pH值的影响不同，但其Zeta电位与pH的关系曲线的构架却是相似的，Zeta电位随pH值的增加而减小。分析原因可能是随着pH值的增加，低阶煤样中的—OH解离出来，增大了颗粒表面的负电性。当溶液显碱性时，低阶煤样颗粒表面的Zeta电位的变化趋于稳定，说明pH值>7的时候，pH值对煤样表面的Zeta电位影响较小[18-19]。

4 煤表面Zeta电位对浮选效果的影响

浮选试验以长焰煤、不黏煤、气煤为研究对象，测得长焰煤和不黏煤Zeta电位分别为-13.68、-12.68 mV，气煤Zeta电位为-9.89 mV。在相同的条件下进行浮选试验。三种低阶煤浮选试验结果见表4。

表4 三种低阶煤浮选试验结果

从表4可以看出，长焰煤的浮选效果最差，气煤浮选效果最好。长焰煤的电负性最强，气煤Zeta电位绝对值最低。随煤化程度的增加，煤表面带负电荷的官能团减少，其表面Zeta电位升高。试验结果表明煤表面Zeta电位越高的浮选效果越好。

5 结论与展望

(1)在相同的粒级下，中密度级煤样表面Zeta电位最高，高密度级煤表面Zeta电位最低；煤的粒级越小，其表面Zeta电位的电负性越强，Zeta电位越低。

(2)静置2 d时，煤表面Zeta电位的绝对值达到了最大；低阶煤表面Zeta电位的绝对值随转速的增加呈现先增加后减小的趋势；随着pH值的增加，低阶煤表面的Zeta电位绝对值增加，pH值>7的时候，pH值对煤表面的Zeta电位影响较小。

(3)随煤化程度的增加，煤表面带负电荷的官能团减少，电负性降低，其表面Zeta电位升高。

(4)由于目前大部分的研究主要是在实验室的条件下，条件比较单一，在实际应用中这些研究成果不能得到很好的利用。在后续的试验中，还需进一步进行探索煤炭颗粒表面的荷电规律，进而更细致地研究低阶煤的表面性质。