煤粒形狀與表面元素組成對其天然可浮性的協(xié)同影響研究?

夏文成 牛晨凱 彭耀麗 謝廣元 沙 杰 倪 超

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

★煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★

煤粒形狀與表面元素組成對其天然可浮性的協(xié)同影響研究?

夏文成 牛晨凱 彭耀麗 謝廣元 沙 杰 倪 超

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

為了探究顆粒形狀和表面元素組成對煤粒天然可浮性的協(xié)同影響機制,本文選用粗顆粒精煤開展無捕收劑條件下的粗選和精選浮選試驗,獲得粗選尾礦、精選尾礦和精選精礦3種浮選產(chǎn)物.采用掃描電鏡和能譜定量分析技術(shù)(SEM/EDS)對3種產(chǎn)物的顆粒形狀和表面元素組成進行表征,分析各產(chǎn)物可浮性之間的差異,并建立可浮性與顆粒形狀、表面元素組成之間的關(guān)系.試驗結(jié)果表明,當(dāng)煤粒表面元素組成相似時,擁有較小長徑比(ER)的顆粒的可浮性較好;當(dāng)煤粒ER相近時,表面C元素含量越高(或O、Al或Si元素含量越低)的顆?？筛⌒暂^好.

顆粒形狀 元素組成 天然可浮性 煤泥浮選

煤炭表面的疏水性是影響煤?？筛⌒缘闹匾蛩刂?同時,煤粒的可浮性還受顆粒粒度、浮選藥劑、礦漿濃度和p H值等的影響.然而,顆粒的形狀因素和表面元素組成對煤炭顆?？筛⌒缘挠绊懸恢蔽幢恢匾?很少有文獻(xiàn)資料關(guān)注于礦物顆粒在無捕收劑條件下,其天然可浮性與顆粒形狀和表面元素組成之間的相互聯(lián)系.

本文擬采用粗選與精選相結(jié)合的浮選試驗來研究煤粒天然可浮性與其表面元素組成以及顆粒形狀之間的相互聯(lián)系.基于精煤顆粒較好的天然可浮性的原則,在不添加捕收劑的條件下進行浮選試驗,旨在揭示顆粒形狀和表面元素組成對煤粒天然可浮性的協(xié)同影響機制,并為細(xì)粒煤的浮選研究提供一定的理論和技術(shù)指導(dǎo).

1 試驗方法與過程

1.1 煤樣制備

從山東棗莊礦業(yè)集團選煤廠采集煉焦精煤塊煤產(chǎn)品,進行破碎和篩分后得到不同粒級煤粉.為了方便后續(xù)的SEM/EDS表征試驗,并凸顯顆粒形狀因素對煤?？筛⌒缘挠绊?試驗擬采用粗顆粒精煤0.5～0.25 mm粒級作為試驗煤樣.該粒級煤樣的工業(yè)分析結(jié)果顯示,煤樣中水分含量為0.67%,揮發(fā)分含量為25.31%,固定碳含量為65.52%.試驗煤樣灰分為8.50%,表明該煤樣符合精煤的標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)具有較好的天然疏水性和可浮性.

1.2 浮選試驗及步驟

本文選用粗顆粒精煤開展無捕收劑條件下的粗選和精選浮選試驗,獲得粗選尾礦、精選尾礦和精選精礦3種產(chǎn)物.粗選和精選浮選試驗均在XFD—1.5L浮選機上進行,浮選機葉輪攪拌速度為1800 r/min,充氣量為4.0 L/min.將100 g粗顆粒精煤加入到浮選槽中,預(yù)潤濕1 min后,直接加入藥劑用量為0.2 kg/t的起泡劑仲辛醇,調(diào)漿30 s后開啟充氣,收集精礦泡沫6 min后,得到粗選尾煤產(chǎn)物和粗選精煤過渡產(chǎn)物;將收集的粗選精煤過渡產(chǎn)物進行精選試驗,得到精選精煤和精選尾煤2種產(chǎn)物.由于試驗所用的粗顆粒精煤顆?？筛⌒暂^好,一次粗選所得的粗選尾煤產(chǎn)率極低,因此本文重復(fù)10次粗選和精選浮選試驗,將10次試驗所得的3種產(chǎn)物進行充分混勻,得到后續(xù)分析樣品.

由于粗顆粒精煤在浮選槽中,受到葉輪攪拌磨削作用,部分粒級大于0.25 mm的粗顆粒會因磨削作用而變成粒級小于0.25 mm的顆粒.因此,對粗選和精選浮選試驗中得到的3種浮選產(chǎn)物進行0.25 mm的粒級篩分,將每個產(chǎn)物分為大于0.25 mm和小于0.25 mm兩個粒級,分別進行稱重和燒灰.由于小于0.25 mm粒級含量極低且不是本文的研究重點,本文的SEM/EDS測試僅針對每個產(chǎn)物中大于0.25 mm粒級進行分析.

1.3 SEM/EDS測試及步驟

采用Quanta 250(FEI)環(huán)境掃描電子顯微鏡系統(tǒng)(SEM)和Bruker QUANTAX 400-10電制冷能譜儀(EDS)對3種產(chǎn)物進行顆粒形狀分析和顆粒表面元素面分布分析.在進行SEM/EDS測試之前,采用無水乙醇對待測樣品表面進行清洗,去除顆粒表面吸附的雜質(zhì),自然風(fēng)干后進行噴金處理,最后進行SEM/EDS分析測試.

在放大倍數(shù)為33倍的條件下,獲得多顆粒的全局圖像.采用圖像處理軟件對單個顆粒手動進行分割,利用最小矩形法對單個煤粒分別計算其長和寬,得到長徑比ER.在放大倍數(shù)為1600～2000之間進行單個顆粒的表面元素面分布分析.由于待測顆粒非常多,本文僅隨機選取若干顆粒進行元素面分布測試,擬從每個浮選產(chǎn)物中隨機選取5個ER小于2.0和5個ER大于2.0的顆粒進行表面元素面分布組成分析,將所得結(jié)果分別做平均值后,得到每個產(chǎn)物中ER小于2.0和ER大于2.0兩種情況下的顆粒表面元素平均面分布結(jié)果.由于本文采用的試驗煤樣為粗粒精煤,并且EDS分析技術(shù)具有局限性,僅對顆粒表面的C、O、Al和Si元素進行分析,并以C、O、Al、Si這4種元素含量之和為100%作為基準(zhǔn),進行各元素在不同產(chǎn)物之間的含量差異比較.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 浮選試驗結(jié)果

通過浮選試驗得到的3種浮選產(chǎn)物的各自產(chǎn)率和灰分結(jié)果見表1.

表1 3種浮選產(chǎn)物的產(chǎn)率及灰分含量%

對每個產(chǎn)物進行0.25 mm分級,經(jīng)過粗選和精選的浮選處理后,新生成的小于0.25 mm粒級產(chǎn)物的總產(chǎn)率為7.40%,灰分為10.00%.試驗結(jié)果表明,浮選過程中存在一定的泥化現(xiàn)象,粗顆粒表面原有的部分粘土礦物因葉輪攪拌和水的浸泡作用而從煤粒表面解離和擴散到浮選礦漿中.

大于0.25 mm粒級和小于0.25 mm粒級的煤粒灰分含量排序均為:粗選尾煤＞精選尾煤＞精選精煤.試驗結(jié)果表明,在粗選和精選的浮選流程中,灰分越低的煤粒,越可能經(jīng)過粗選和精選兩次浮選分離過程而被最終浮出成為精選精煤.

2.2 SEM結(jié)果及分析

粗選尾煤、精選尾煤和精選精煤的SEM顆粒形狀分布情況如圖1所示.在放大倍數(shù)為33倍的條件下可清晰觀察多顆粒的全局圖片,采用圖像處理軟件對單個顆粒進行最小矩形法分割,計算長徑比ER數(shù)值,并基于矩形長寬數(shù)值對所選取的單個顆粒進行等圓直徑分析.SEM圖片中僅對觀察清晰且無遮擋、無覆蓋的顆粒進行矩形分割以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性.分別從粗選尾煤、精選尾煤和精選精煤中選取得到52、64和81個顆粒,通過將所有顆粒的等圓直徑進行平均,得到粗選尾煤、精選尾煤和精選精煤的平均等圓直徑分別為0.57 mm、0.51 mm和0.43 mm.試驗結(jié)果表明,粗選和精選的浮選流程中,粒度越小的顆粒,其成為最終精選精煤的可能性也越大.對于粗顆粒的浮選,粒度越細(xì)的顆粒,其可浮性也越好.但是,3種產(chǎn)物的等圓直徑相差較小,雖然顆粒尺寸對可浮性起到一定的影響作用,但對于粗顆粒,其影響并非為主導(dǎo)因素.

圖1 粗選尾煤、精選尾煤和精選精煤的SEM顆粒形狀分析及分布

由圖1中顆粒形狀的扇形分布圖可知,粗選尾煤中ER介于1.0～2.0的顆粒含量為82.69%,精選尾煤中ER介于1.0～2.0的顆粒含量為85.94%,精選精煤中ER介于1.0～2.0的顆粒含量為86.42%.粗選尾煤中ER較大的顆粒的含量高于精選尾煤和精選精煤;反之,精選精煤中ER較小的顆粒的含量高于精選尾煤和粗選尾煤.因此可以得出,ER越小,顆粒越接近球形,其可浮性越好,可經(jīng)過粗選和精選兩道浮選工序并最終成為精選精煤.

2.3 EDS結(jié)果及分析

從每個產(chǎn)物中隨機選取的5個ER小于2.0和5個ER大于2.0顆粒進行表面元素面分布組成分析并求得ER小于2.0和ER大于2.0兩類顆粒表面元素分布的平均值.采用EDS對粗選尾礦產(chǎn)物中某一選定顆粒(ER小于2.0)的表面元素面分布圖像如圖2所示.因為本文累積統(tǒng)計了30個顆粒,共有30幅EDS元素分布圖與圖2類似,僅將多個結(jié)果進行平均得到最終結(jié)果見表2.

圖2 粗選尾礦中某一選定顆粒(ER小于2.0)的EDS表面元素面分布圖像

表2 粗選尾煤、精選尾煤和精選精煤中不同ER值顆粒表面元素面分布平均值

由表2可以看出,對于ER小于2.0的顆粒,其表面元素組成中C元素的平均含量排序為:精選精煤＞精選尾煤＞粗選尾煤,而O、Al和Si元素含量的排序則相反;對于ER大于2.0的顆粒而言,其表面元素組成中C元素的平均含量排序也為:精選精煤＞精選尾煤＞粗選尾煤,而O、Al和Si元素含量的排序則同樣相反.這說明,煤粒表面元素組成對其可浮性起著重要的作用;其中C元素含量越大,煤粒表面含有的有機質(zhì)或碳?xì)鋫?cè)鏈就越多,可浮性則越好;而Al和Si元素含量越大,煤粒表面含有較多的礦物質(zhì),礦物質(zhì)一般表現(xiàn)為較強的親水性,表面含有的礦物質(zhì)組分越多,煤粒表面疏水性越差,可浮性也就越低;對于O元素,主要由兩部分組成,一部分是與礦物元素相結(jié)合,另一部分則與C元素結(jié)合,可形成如羥基、羧基和羰基等含氧類基團;煤粒表面含氧類基團含量越大,煤粒表面疏水性越差,可浮性越低.無論O元素是與C元素結(jié)合還是與礦物元素相結(jié)合,都不利于煤粒表面疏水性和可浮性的提高.因此,從粗選尾煤到精選尾煤,再到精選精煤,顆粒表面O元素的含量逐漸減小,煤粒可浮性從粗選尾煤到精選精煤在逐漸增加.

由表2可知,精選精煤中ER大于2.0的顆粒表面C元素含量高于精選尾煤中ER小于2.0的顆粒表面C元素含量,而精選精煤中ER大于2.0的顆粒表面O、Al和Si元素含量則低于精選尾煤中ER小于2.0的顆粒表面O、Al和Si元素含量;精選尾煤中ER大于2.0的顆粒表面C元素(或O和礦物元素)含量要分別高于(或低于)粗選尾煤中ER小于2.0的顆粒表面C元素(或O和礦物元素)含量.這表明,對于顆粒形狀ER較大的顆粒而言,只有其表面C元素含量極高,O、Al和Si元素含量極低,其可浮性才可以得到保障,才可陸續(xù)在粗選和精選中被氣泡粘附并浮至泡沫層中.ER較小的顆粒也并不能完全保證能夠被氣泡粘附而浮起,還受到表面元素組成的影響,若表面元素組成中C元素含量很低,O和礦物元素含量卻很高,其也有可能被遺棄在粗選尾煤或精選尾煤中.粗選尾煤顆粒中ER小于2.0的顆粒表面C元素平均含量僅為56.20%,這樣的顆粒在浮選過程中很難被氣泡粘附而成為精煤,反而極易停留在浮選礦漿中成為尾煤.因此,煤粒的天然可浮性受到顆粒形狀和表面元素組成兩者的共同影響.

3 結(jié)論

本文以粗顆粒精煤為試驗煤樣,采用無捕收劑條件下的粗選和精選的浮選試驗流程展開煤粒天然可浮性的研究,采用SEM/EDS對煤粒形狀和表面元素組成進行分析測試,探討煤?？筛⌒耘c顆粒形狀、表面元素組成之間的相互聯(lián)系,得到以下主要結(jié)論:

(1)煤粒的天然可浮性受到顆粒形狀和表面元素組成的雙重影響.在顆粒形狀相近時,表面元素組成起到主導(dǎo)性作用;在表面元素組成相近時,顆粒形狀起著主導(dǎo)性作用.

(2)煤粒ER越小,表明煤粒越接近圓球形,其可浮性越好,在浮選過程中越容易被氣泡粘附而成為精煤;而煤粒ER越大,煤粒呈現(xiàn)長條形,在浮選過程中,容易從氣泡表面脫附而成為尾煤,可浮性較差.

(3)煤粒表面C元素或有機質(zhì)含量越高,其疏水性和可浮性往往越好;反之,煤粒表面Al、Si等礦物元素含量越高,其疏水性和可浮性越差.

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Effects of particle shape and surface elementary composition on coal natural floatability

Xia Wencheng,Niu Chenkai,Peng Yaoli,Xie Guangyuan,Sha Jie,Ni Chao
(School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

In order to investigate the effects of particle shape and surface elementary composition on coal natural floatability,samples of coarse clean coal particles were used and rougher and cleaner flotation tests were conducted in the absence of collectors to obtain three products, rougher tailings,cleaner tailings and cleaner concentrate.Scanning electron microscope and energy dispersive spectrometer(SEM/EDS)were used to indicate surface elementary composition and particle shape of three products.The difference in natural floatability between three products was investigated and the relationship between natural floatability and surface elementary composition/ particle shape.The results showed that the coal particles with smallerERhad higher floatability when they had similar surface elementary composition.The coal particles with higher carbon(or lower oxygen,aluminium and silicon)content had higher floatability when they had similarER.

particle shape,elementary composition,natural floatability,coal flotation

TD94

A

夏文成(1984-),男,江蘇鹽城人,博士,講師,主要從事煤泥浮選、高效浮選藥劑以及煤炭表面性質(zhì)方面的研究。

(責(zé)任編輯 陶 賽)

國家自然科學(xué)基金項目(51604272),江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20160260),中國博士后科學(xué)基金項目(2015M580497),江蘇省優(yōu)勢學(xué)科資助項目