环保型煤泥浮选起泡剂的研发与应用

董婷婷，张家轩，康 睿，张晋维

(中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083)

矿物颗粒与气泡的碰撞、黏附以及脱附构成了浮选微观模型中的3个独立过程。在该过程中，产生适量的、大小合适的气泡是起泡剂在矿物浮选过程中最基本的作用，但同时起泡剂的种类和用量还影响着矿物颗粒之间的接触以及泡沫层中是否能促使黏附在气泡中的疏水性矿粒和亲水性矿粒分离等过程[1-3]。因此，起泡剂性能的优劣如同捕收剂一样，将直接影响浮选指标。然而，在很长一段时间内，科研工作者将更多的注意力放在捕收剂的研究上，而忽略了对起泡剂的研究；同时在实际生产中因捕收剂可供选择的种类较多，技术人员也常常忽略起泡剂的作用。长期以来，我国选煤厂所用的煤泥浮选起泡剂大多是化工副产品起泡剂，临涣选煤厂也是如此。此类煤泥浮选起泡剂技术含量低、腐蚀性强、气味刺鼻，会对煤泥浮选车间甚至整个主厂房的工作环境造成污染，严重影响到操作工人的身体健康[4-5]。在当前大力提倡环保、绿色发展的大环境下，开发安全、绿色环保的煤泥浮选剂已成为大势所趋，也是企业急需解决的问题之一。

临涣选煤厂有6种不同煤种(肥煤孙疃矿、肥煤许疃矿、肥煤袁一矿、1/3焦煤临涣矿、肥煤青东矿、1/3焦煤童亭矿)，矿井原煤煤质变化大，且大部分入浮煤样细泥含量较高，浮选过程中药耗较大，因此使用高选择性的起泡剂才能有效降低高灰细泥对浮选的影响[6-7]。本研究结合临涣选煤厂的煤泥特点，研发了性价比较高的、环保型的KD-1Q煤泥浮选起泡剂。

1 试验部分

1.1 试验试剂与仪器

戊醇(C5H12O)，仲辛醇(C8H18O)，天津市北联精细化学品开发有限公司，分析纯；参比样：烷基醇酰胺起泡剂。

单槽浮选机(XFD1.0-1L)，吉林省探矿机械厂; 界面张力仪，法国泰克利斯公司；量热仪，华星能源仪器有限公司。

1.2 KD-1Q型起泡剂的研发

醇类起泡剂是煤炭浮选常用的一类起泡剂。醇类起泡剂中以戊醇、己醇、庚醇和辛醇(即C5、C6、C7和C8)起泡能力最大。本课题根据临涣选煤厂的煤质情况，在极性基均为羟基的情况下，优化非极性基的长度和结构，选择了戊醇C5和仲辛醇C8的混合物作为本项目的醇类起泡剂[8]。通过实验室单因素和均匀浮选试验，比较浮选效果，确定戊醇和仲辛醇的摩尔比为1∶3，利用戊醇和仲辛醇的互溶性质搅拌混合成环保型KD-1Q混合醇类起泡剂。

1.3 试验方法

1.3.1表面张力的测定

利用悬滴法测量气液表面张力，具体过程如下：首先用微量加药器分别取一定量的KD-1Q或烷基醇酰胺起泡剂，加入盛有100 mL水的烧杯中，配制成质量浓度分别为20、30、50、100、200、300 mg/L 的起泡剂待测液，然后用移液管取待测液 10 mL注入仪器的样品皿中。为了消除温度对表面张力的影响，减少测试误差，样品皿应置于恒温水浴中，保持水浴温度在 25.5 ℃。然后打开软件，测出KD-1Q和烷基醇酰胺起泡剂在不同质量浓度下的表面张力。

1.3.2泡沫高度的测定

泡沫高度与起泡剂含量的关系采用气流法测定。以一定流速的气体通过玻璃砂滤板，滤板上盛有一定量的测试溶液，于是在有刻度的容器中形成泡沫层。固定气体的流速，用流动平衡时泡沫的高度h作为起泡能力的量度[9]。试验温度为20±2℃，空气流量为0.1 m3/h，调节KD-1Q和其他厂家生产的烷基醇酰胺起泡剂在水中的质量浓度分别为20、30、40、80、100 mg/L的条件下，观察泡沫高度与起泡剂含量的关系。

1.3.3半衰期的测定

测试方法同1.3.2气流法，试验温度为20±2℃，空气流量为0.1 m3/h，用停止充气后泡沫的高度衰减至一半时所需要的时间作为泡沫的半衰期(t)，KD-1Q和烷基醇酰胺起泡剂在水中的质量浓度分别为30、40、70、100、150 mg/L的条件下观察半衰期与起泡剂含量的关系。

1.3.4润湿热的测定

采用混合反应量热仪进行润湿热的测定。将50 g样品置于研钵中研磨，过100目筛后，取10 g过筛煤样装袋备用。为保证煤样与液体放出的热量不受测试温度的影响，控制测量温度保持在25℃恒定。每次称取煤样120 mg。试验煤样置于样品池下室，再取3 mL起泡剂装入上室作为润湿液。参比池仅在上室装入同样的起泡剂液体。样品池和参比池放置完毕并等待两池的热液平衡后捅破锡箔，此时上室液体进入下室，起泡剂液体与煤样混合放热，润湿热数据通过计算机监测。

2 结果与讨论

2.1 KD-1Q型起泡剂的环保指标

根据青岛科标检测研究院有限公司、宁波出入境检验检疫局检验检疫技术中心、深圳市汇立丰检测技术有限公司的检验结果，混合醇类KD-1Q型起泡剂的部分理化指标和职业健康参数如表1所示。

由表1的检测结果可知，该KD-1Q型起泡剂无刺激性气味、低毒、对皮肤无腐蚀性，且不含多环芳烃致癌性成分，符合环保要求和职业健康要求。

表1 KD-1Q的理化指标和职业健康参数Table 1 Physicochemical indexes and occupational health parameters of KD-1Q

2.2 KD-1Q两相泡沫性质检测试验

为了更好地说明KD-1Q 环保起泡剂的起泡能力及其在临涣选煤厂煤泥浮选中的性能，将KD-1Q与其他厂家生产的烷基醇酰胺环保起泡剂进行了对比。两相泡沫性质检测主要从表面张力与起泡剂含量的关系、泡沫层高度与起泡剂含量的关系、半衰期与起泡剂含量的关系进行考察。

2.2.1表面张力与起泡剂含量的关系

起泡剂的表面张力是评价起泡剂起泡性能的重要指标，表面张力小，起泡性能强。两类起泡剂的表面张力与其在水中质量浓度之间的关系如图1所示。由该图可知，烷基醇酰胺起泡剂的表面张力低于KD-1Q，说明烷基醇酰胺起泡剂的起泡能力强于KD-1Q。

图1 起泡剂表面张力与质量浓度的关系Fig.1 Relation between surface tension and mass concentration of flothers

2.2.2泡沫高度与起泡剂含量的关系

两类起泡剂的泡沫高度与其在水中质量浓度之间的关系如图2所示。由图2可知，烷基醇酰胺起泡剂的表面张力小于混合醇，故其泡沫高度大于KD-1Q起泡剂。

图2 起泡剂的泡沫高度与质量浓度的关系Fig.2 Relation between the foam height and mass concentration of flothers

2.2.3半衰期与起泡剂含量的关系

两类起泡剂的半衰期与其在水中质量浓度之间的关系如图3所示。由图3可知，当起泡剂的质量浓度相同时，KD-1Q起泡剂的半衰期更短，说明KD-1Q起泡剂在浮选机中形成的泡沫层流动性好，刮出的精矿泡沫更脆、更不稳定，也有利于过滤。

图3 起泡剂的半衰期与质量浓度的关系Fig.3 Relation between half-life and mass concentration of flothers

2.3 KD-1Q对煤表面润湿热三相泡沫检测试验

在进行起泡剂对煤表面润湿热三相泡沫检测试验时，同样是将KD-1Q与烷基醇酰胺环保起泡剂进行对比，两种起泡剂对不同原煤润湿热的测定结果如表2所示。

表2 两种起泡剂对不同原煤润湿热测定结果
Table 2 Test results of wetting heat of two flothers on different raw coals

起泡剂润湿热/(J·g-1)袁一许疃孙疃青东临涣童亭KD-1Q1.6641.7751.8211.7921.3871.572烷基醇酰胺1.2111.2241.5741.5581.2161.345

由表2可知，KD-1Q起泡剂对煤样的润湿热均高于烷基醇酰胺起泡剂，说明KD-1Q起泡剂更容易吸附在煤颗粒表面。因此，虽然烷基醇酰胺起泡剂表面张力小于KD-1Q起泡剂，容易形成更丰富、更稳定的泡沫层，但对煤颗粒的矿化效果不如混合醇起泡剂，所以其用量要大于KD-1Q起泡剂。

3 工业试验

3.1 浮选效果

KD-1Q和烷基醇酰胺起泡剂的现场对比试验结果见表3，其中精煤产率及可燃体回收率的计算公式如下：

(1)

(2)

式中：η为浮选精煤可燃体回收率；γj为浮选精煤产率；w(Aw)为浮选尾矿灰分，%；w(Aj)为浮选精煤灰分，%；w(A入)为浮选入料分，%。

表3 两种起泡剂现场试验数据Table 3 Field test data of two flothers

由表3可知，当浮选精煤灰分都满足生产要求(10.5%～11.0%)时，烷基醇酰胺的30 s药耗量(47.5 mL)接近KD-1Q药耗量(21.67 mL)的2倍以上，但烷基醇酰胺的精煤产率和可燃体回收率连KD-1Q的2倍都不到，也就是说要想达到和KD-1Q相同的浮选效果，烷基醇酰胺的药耗量更大。

3.2 经济效益

该选煤厂现场入洗原煤量为410 t/h，KD-1Q起泡剂密度为0.86 g/cm3，烷基醇酰胺起泡剂密度为1.016 9 g/cm3，可计算出每小时KD-1Q起泡剂(密度0.86 g/cm3)的用量：

每小时烷基醇酰胺起泡剂(密度1.016 9 g/cm3)的用量：

KD-1Q起泡剂价格为7 940元/t(不含税)，烷基醇酰胺起泡剂价格为11 947元/t(不含税)，计算出使用KD-1Q起泡剂洗选每吨原煤的药剂成本为：

使用烷基醇酰胺起泡剂洗选每吨原煤的药剂成本为：

由此可知，本研究研发的KD-1Q环保起泡剂相对于其他厂家生产的烷基醇酰胺环保起泡剂节约药剂成本0.507-0.13=0.377元/(h·t)。

4 结论

1)针对临涣选煤厂现用的起泡剂存在腐蚀性强、气味刺鼻、污染环境、伤害工人健康等问题，研发了混合醇(KD-1Q)环保型的煤泥浮选起泡剂。混合醇浮选起泡剂除了具有微量刺激性气味，其他环保指标和职业健康指标均为优良。

2)KD-1Q起泡剂表面张力大于其他厂家生产的烷基醇酰胺环保起泡剂，起泡能力相比烷基醇酰胺环保起泡剂略差，但其与临涣选煤厂的6种焦、肥煤样润湿热大于烷基醇酰胺环保起泡剂，即KD-1Q起泡剂对临涣选煤厂煤颗粒的矿化效果强于后者，所以KD-1Q起泡剂更适用于临涣选煤厂煤泥浮选。

3)通过工业试验分析可知， KD-1Q环保起泡剂在临涣选煤厂的应用相对于其他厂家生产的烷基醇酰胺环保起泡剂每小时每吨节约药剂成本0.377元。