聚二甲基硅氧烷对煤泥浮选泡沫的强制消泡研究

赵 辉，崔广文

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.山东科技大学 化学与环境工程学院，山东 青岛 266590)

0 引 言

浮选是目前分选细粒煤泥(<0.5 mm)普遍采用的方法，根据煤炭与矸石表面疏水性的差异，使疏水的煤炭黏附在气泡表面，并随气泡上升，从而与亲水的脉石分离。浮选过程中会产生泡沫，泡沫中同时含有气泡、水、颗粒以及浮选药剂，具有较强的稳定性。目前，一些选煤厂出现浮选精煤泡沫过于稳定的情况[1-2]，导致浮选精矿桶时常溢料，严重影响浮选精煤的脱水效率，制约选煤厂的正常生产。

浮选精煤泡沫的消泡方法可分为物理消泡和化学消泡2种方式。其中物理消泡方法包括：静置法、喷淋法、升温法、机械搅拌法和真空消泡法[3-4]。其中静置法和喷淋法是大多数选煤厂采用的方法，即将浮选精煤泡沫打入浮选精矿桶中，使其中的泡沫自然静置消泡，若泡沫难以消除，则在泡沫层上方设置喷淋水进行强制消泡。升温法、机械搅拌法、真空消泡法由于成本较高，且操作复杂，很少在现场应用[4]。化学消泡法是通过添加消泡剂增加泡沫的表面张力，加速泡沫中气泡的兼并和排液，是一种较高效的消泡方法[5]。

目前常用的消泡剂包括有机硅类、聚醚类、脂肪酰胺类和磷酸酯类4种[6]，其中有机硅消泡剂具有优良的消泡活性和环境友好性，在化工、石油、造纸、医药等领域具有广泛的应用[7]。有学者将有机硅消泡剂用于处理铝土矿[8]、赤铁矿[9]、胶磷矿[10-11]的浮选泡沫中，取得了较好的消泡效果。笔者将有机硅消泡剂用于具有天然疏水性的煤泥浮选泡沫，系统研究在不同水质硬度的条件下浮选精煤泡沫的稳定性、矿浆黏度和溶液表面张力，探究了有机硅消泡剂的消泡机理，为煤泥浮选泡沫的高效消泡提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用煤泥取自山西某选煤厂，该煤泥的粒度和密度组成见表1和表2。由表1可知，该煤泥中主导粒级为<0.045 mm的细泥，其产率和灰分都明显高于其他粒级。由表2可知，该煤泥中主导密度级为1.50～1.60 g/cm3，产率为68.41%，灰分为22.18%，说明煤泥中疏水性中等的连生体颗粒较多。

表1 煤泥筛分试验结果

表2 煤泥浮沉试验结果

试验所用的消泡剂为聚二甲基硅氧烷，采购自山东大易化工有限公司。消泡剂分子式为(CH3)3SiO[(CH3)3SiO]n-Si(CH3)3，其封端为甲基，分子量为5 800，黏度为100 mPa·s，在常温下将其配制成质量浓度10 g/L的溶液备用，即在1 L去离子水中加入10 g聚二甲基硅氧烷，用磁力搅拌器搅拌10 min，使其分散均匀。按照水的硬度k(mmol/L)计算公式(式(1))，在750 mL去离子水中添加一定质量CaCl2和MgCl2固体，配制不同硬度的水溶液(表3)。添加煤泥，并加入捕收剂(煤油，用量1 kg/t)和起泡剂(甲基异丁基甲醇，0.2 kg/t)进行三相泡沫稳定性测试和矿浆黏度测试。溶液表面张力测试在不同硬度的水溶液中进行。

表3 不同硬度的水溶液配制

(1)

式中，n为离子物质的量浓度。

1.2 试验方法

1.2.1三相泡沫稳定性试验

利用无溢流浮选柱进行浮选精煤气-液-固三相泡沫稳定性测试，试验装置如图1所示。用XFD-1.5 L单槽浮选机调浆，将750 mL水与45 g煤泥混合后加入浮选槽中搅拌，叶轮转速为1 900 r/min，搅拌2 min后，加入1 kg/t煤油继续搅拌2 min，之后加入0.2 kg/t甲基异丁基甲醇，再搅拌30 s，完成调浆过程。将调浆后的煤泥加入无溢流浮选柱中开始充气，充气量为0.42 m3/(m2·min)。充气后产生三相泡沫并不断上升，但泡沫始终低于柱体高度，无法通过溢流排出。5 min后停止充气，泡沫开始衰变，在浮选泡沫层上方用接有分散喷头的注射器(容积50 mL)加入一定浓度的消泡剂溶液。泡沫衰变过程中，每10 s测量一次泡沫高度。采用泡沫高度下降的速度和半衰期表征三相泡沫的稳定性。每个条件下进行2次平行试验。

图1 三相泡沫稳定性测试装置

1.2.2矿浆黏度测定

使用ViscoQC旋转黏度计测试不同条件下矿浆的黏度，所用的矿浆与测试三相泡沫稳定性的矿浆相同。测试时叶轮转速为100 r/min，温度为25 ℃，每个条件下进行2次平行试验。

1.2.3溶液表面张力测定

使用POWEREACH JK99D型全自动张力仪测量溶液表面张力，每一组试验之前测定去离子水的表面张力对仪器进行校正。分别在不加起泡剂和起泡剂浓度为0.2 kg/t的情况下，配制不同浓度的消泡剂溶液，测定其表面张力，每个条件下进行2次平行试验。

2 结果与讨论

2.1 消泡剂对三相泡沫稳定性的影响

浮选精煤三相泡沫的高度在不同条件下随时间的变化曲线如图2所示。图2结果表明，在试验所选取的水的硬度范围内(2～50 mmol/L)，三相泡沫高度在未加消泡剂时降低最慢，在水硬度为2、10和50 mmol/L时，在300 s内均未衰变至起始高度的一半，最终泡沫层高度分别为13.2、13.8和17.2 cm。而在消泡剂质量浓度为0.1 g/L时三相泡沫衰变最快，在水的硬度为2 mmol/L和10 mmol/L时，最终泡沫层高度基本为0，说明泡沫在300 s内可完全消除，而在水的硬度为50 mmol/L时，最终泡沫层高度为9.4 cm，说明水质较硬时，即使添加消泡剂也无法在短时间内使泡沫完全消除。随着消泡剂浓度继续升高，三相泡沫的衰变速度逐渐变慢。这说明消泡剂浓度较低时具有更好的消泡效果，消泡剂用量过大并不利于消泡[5,9,11]，这一规律与相关文献的结果一致。对比不同水质硬度条件下的三相泡沫高度的变化情况可知，在低硬度条件下(2 mmol/L)，泡沫的衰变更快，而在高硬度条件下(50 mmol/L)，泡沫的衰变变慢，这主要是由于溶液中的Ca2+和Mg2+吸附到气泡表面后会使气泡的水化膜变厚，使气泡间的水合斥力增强，从而阻止气泡兼并，使气泡和泡沫的稳定性增强，泡沫的衰变受到抑制[12]。因此消泡剂在水的硬度较低时消泡效果更为显著。

表4列出了不同条件下浮选精煤泡沫的半衰期，即泡沫高度降低到泡沫起始高度一半时的时间。在未添加消泡剂时，浮选精煤泡沫的半衰期均大于300 s，这说明对于本次研究所选用的煤泥，在浮选时易出现泡沫过于稳定难以消除的问题，这与选煤厂现场实际情况吻合。而添加消泡剂后，泡沫的半衰期显著下降，尤其是在消泡剂用量为0.1 g/L时，泡沫的半衰期在水的硬度为2、10、50 mmol/L时分别降低至55、42和90 s。随着消泡剂用量的继续增加，浮选精煤泡沫的半衰期逐渐升高，尤其是在水的硬度为50 mmol/L，消泡剂用量大于0.3 g/L时，泡沫的半衰期均大于300 s，与未添加消泡剂的结果相似。这说明，当水质硬度较低时，聚二甲基硅氧烷消泡剂的消泡效果十分明显，能显著降低煤泥浮选泡

表4 不同消泡剂用量下浮选精煤泡沫的半衰期

沫的高度并减小泡沫半衰期，随着水质硬度的提高，消泡剂的消泡效果逐渐减弱。

2.2 有机硅消泡剂对矿浆黏度的影响

浮选泡沫是复杂的气-液-固三相体系，影响泡沫稳定性的因素很多，包括气泡尺寸与稳定性、泡沫排液速率、泡沫中固体颗粒性质等。其中矿浆黏度是影响泡沫排液速率的重要因素[13]。矿浆黏度主要取决于矿浆中不溶于水的油相液滴和颗粒的尺寸和数量，微小尺寸的油滴和颗粒的数量越多，矿浆黏度越大。在浮选泡沫中，气泡之间的间隙中充填有矿浆，其中非选择性地夹带了一些微细颗粒，即通常所说的高灰细泥的水流夹带污染。当矿浆黏度较大时，气泡内部的气体向外扩散的速度变慢，气泡难以破裂。同时气泡间隙中的矿浆向下运动所受的阻力很大，泡沫的排液受到抑制[14]。因此泡沫的衰变将十分缓慢，从宏观上表现为泡沫难以消泡。因此对不同消泡剂用量下矿浆的表观黏度进行了测试，结果如图3所示。由图3可知，随着消泡剂用量的增加，矿浆表观黏度逐渐下降，在消泡剂用量为0.1 g/L时下降幅度最大，之后下降幅度很小。通过向浮选精煤泡沫中添加聚二甲基硅氧烷，可以降低矿浆的黏度，这可能有2方面的原因：一是中性的聚二甲基硅氧烷吸附到煤炭与矿物颗粒表面，降低了颗粒表面的电性，从而使颗粒间的静电排斥力减弱，颗粒由分散变为团聚，从而使矿浆黏度降低[9]。另一方面，颗粒吸附聚二甲基硅氧烷后，表面的水化膜变薄，使颗粒运动所受的阻力减小，也会导致矿浆的黏度降低[15]。因此向浮选泡沫中加入聚二甲基硅氧烷后，加速了泡沫排液速率，同时使泡沫中夹带的微细颗粒数量减少，泡沫的稳定性显著降低。

图3 消泡剂对矿浆表观黏度的影响

随着消泡剂用量的增加，矿浆黏度始终在降低，对消泡应该是有利的。但泡沫稳定性的测试结果表明，当消泡剂用量大于0.2 g/L时，最终泡沫层高度和泡沫的半衰期均有所升高，说明泡沫的稳定性有所增加。该变化可能是由于矿浆黏度之外的其他因素导致，因此后文对溶液的表面张力进行测试。

2.3 有机硅消泡剂对溶液表面张力的影响

溶液表面张力随消泡剂用量的变化结果如图4所示。由图4可知，在未添加起泡剂的情况下，溶液表面张力随消泡剂用量的增加先迅速降低，再保持平稳，在消泡剂质量浓度为0.1 g/L时达到最小值，在水的硬度为2、10和50 mmol/L时分别为41.0、53.0和44.2 mN/m，说明单独添加消泡剂具有降低表面张力的作用。并且继续增加消泡剂用量后，溶液表面张力基本不再变化，说明此时已经达到了聚二甲基硅氧烷的临界胶束浓度，过量的消泡剂将在溶液中形成胶束，这也是矿浆的表观黏度在消泡剂浓度超过0.1 g/L后降低幅度变小的原因。而在添加起泡剂且用量为0.2 kg/t的情况下，溶液的表面张力随着消泡剂浓度的增加先升高后降低，在消泡剂质量浓度为0.1 g/L时表面张力达到最大值，在水的硬度为2、10和50 mmol/L时分别为45.0、46.1和40.0 mN/m，此时由于表面张力升高，气泡更容易发生破裂和兼并，因此会促进消泡。综合分析可知，起泡剂和消泡剂单独使用时，都能起到表面活性剂的作用，降低溶液的表面张力。但是在添加起泡剂之后再加入消泡剂，能够使溶液的表面张力升高，从而达到消泡的作用。

图4 消泡剂对溶液表面张力的影响

已有研究发现，气泡表面液膜变薄的速率与表面张力、溶液黏度[16]具有如下关系：

(2)

其中，h为气泡表面液膜厚度；t为时间；μ为溶液的动力黏度；σ为溶液的表面张力；R为液膜半径；Rb为气泡半径；Π为分离压。由式(2)可知，在气泡尺寸和分离压一定的情况下，气泡表面液膜厚度的变化主要受到表面张力和黏度的影响。黏度减小和表面张力增大，都会使液膜的排液速率∂h/∂t加快，从而促进气泡兼并及破裂，宏观上表现为泡沫稳定性降低、泡沫衰变加速。在存在起泡剂且消泡剂用量为0.1 g/L时，矿浆的黏度显著降低，且溶液的表面张力升高。表面张力的升高主要是由于聚二甲基硅氧烷与起泡剂(甲基异丁基甲醇)分子之间具有较强的氢键作用，因此气-液界面上的起泡剂分子浓度降低，这与XU等[17]所提出的柴油对浮选泡沫稳定性的抑制作用的研究结果一致。柴油和聚二甲基硅氧烷均会使气泡表面的起泡剂浓度降低，导致液膜排液加快，气泡破裂加剧，从而起到消泡作用。在低消泡剂用量时，矿浆黏度与表面张力的双重作用导致气泡的排液速率显著加快，消泡效果十分显著。而随着消泡剂浓度继续升高，溶液的表面张力开始逐渐降低，这是由于聚二甲基硅氧烷与起泡剂分子的互溶后共同吸附于气泡表面，导致消泡剂的消泡效果减弱。因此，在使用聚二甲基硅氧烷作为煤泥浮选泡沫的消泡剂时，应严格控制消泡剂用量，从而达到最佳的消泡效果，同时减少药剂成本。

3 结 论

1)聚二甲基硅氧烷作为消泡剂时能够显著降低煤泥浮选三相泡沫的稳定性，且在低用量(0.1 g/L)和水质硬度较低时效果更加显著，在水的硬度为2 mmol/L和10 mmol/L时，三相泡沫的半衰期由大于300 s分别降低至55 s和42 s，当水的硬度升高至50 mmol/L时，消泡效果受到抑制。

2)聚二甲基硅氧烷可以降低煤泥浮选矿浆的表观黏度，且在用量为0.1 g/L时降低幅度最大，随着消泡剂浓度继续升高，矿浆表观黏度的降低幅度逐渐变小并趋于平稳。

3)聚二甲基硅氧烷单独使用时会使溶液的表面张力降低，而在起泡剂存在的情况下，低用量的聚二甲基硅氧烷(0.1 g/L)会使溶液的表面张力升高，从而加速气泡表面的液膜变薄，促进气泡兼并和破裂，起到消泡作用，随着聚二甲基硅氧烷用量继续升高，溶液的表面张力又逐渐下降，聚二甲基硅氧烷的消泡作用逐渐减弱。