疏水引力在煤泥浮選過程中的作用機(jī)理及應(yīng)用

王成勇，陳鵬，潘東，蔣文軍

（六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

煤泥浮選過程中，細(xì)泥會(huì)通過罩蓋影響浮選效果。細(xì)泥罩蓋指的是微米級(jí)的細(xì)粒附著在煤泥表面以及進(jìn)入到表面的孔隙或裂隙中[1]。細(xì)泥罩蓋的影響主要有兩個(gè)方面。其一，影響煤泥中粗顆粒與浮選藥劑和氣泡等的作用過程；其二，細(xì)泥進(jìn)入孔隙或裂縫中，隨煤粒上浮進(jìn)入泡沫層[2]。

煤泥顆粒間及顆粒與氣泡間的相互作用有范德華力作用、靜電作用、疏水作用及水化作用等。目前，根據(jù)EDLVO 理論，即擴(kuò)展的DLVO 理論，能夠較好的解釋煤泥浮選體系中的細(xì)泥罩蓋行為。但是，疏水作用的產(chǎn)生原因還不明確。本文通過試驗(yàn)和理論分析，對(duì)疏水作用的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行探討。

1 浮選試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

以汪家寨選煤廠進(jìn)入浮選作業(yè)的煤泥為試驗(yàn)煤樣，粒度組成見表1，其中細(xì)粒級(jí)灰分含量高，屬于高灰難選煤泥。將+0.074 mm 粒級(jí)篩出作為粗粒煤泥A，其灰分為30.36%。

表1 試驗(yàn)煤泥粒度組成Table 1 Size composition of experimental slime

對(duì)汪家寨入洗原煤進(jìn)行浮沉試驗(yàn)，得到1.3 ～1.4 g/cm3、1.5 ～ 1.6 g/cm3、+1.8 g/cm3三個(gè)密度級(jí)產(chǎn)品，灰分分別為15.79%、22.37%和72.45%，并磨細(xì)到0.074 mm 以下作為細(xì)粒煤泥，得到細(xì)粒煤泥D(1.3 ～1.4 g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥)、Z(1.5 ～ 1.6 g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥)和G(+1.8 g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥)。

1.2 試驗(yàn)方法

將三個(gè)密度級(jí)的細(xì)粒煤泥按照1: 9 的比例分別加入到粗粒煤泥中，得到混合煤泥AD（粗粒煤泥A 中混入1.3 ～ 1.4g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥D）、AZ（粗粒煤泥A 中混入1.5 ～ 1.6g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥Z）和AG（粗粒煤泥A 中混入+1.8g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥G），以混合煤泥進(jìn)行浮選試驗(yàn)，所用浮選機(jī)為CTFX-63 型單槽浮選機(jī)，具體參數(shù)為：浮選槽容量為1.5 L，葉輪轉(zhuǎn)速為1910 r/min，葉輪直徑為60 mm，主軸額定功率為120 W，充氣量為0.2 m3/（m2·min）。按照GB/T 4757-2001《煤粉（泥）實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，煤泥水濃度為100 g/L，藥劑制度為：柴油200 g/t，仲辛醇70 g/t。收集不同時(shí)間下的精煤產(chǎn)品，時(shí)間間隔分別為：(0.5、0.5、2、2.5 和3) min。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

繪制可燃體回收率-浮選時(shí)間曲線，結(jié)果見圖1，在浮選前期，約2.5 min 之前，混合煤泥AD的可燃體回收率高于混合煤泥AZ，之后混合煤泥AZ 的可燃體回收率高于混合煤泥AD，在整個(gè)浮選過程中，混合煤泥AG 的可燃體回收率均高于混合煤泥AD 和AZ。

圖1 不同混合煤泥的浮選試驗(yàn)曲線Fig. 1 Flotation test curves of different mixed slimes

1.3 ～ 1.4 g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥的表面疏水性較好，在疏水引力的作用下容易在粗粒精煤表面疏水部分形成罩蓋，降低了粗粒精煤與藥劑接觸的機(jī)會(huì)；并且1.3 ～ 1.4 g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥容易吸附藥劑和附著氣泡，與粗粒精煤形成藥劑和氣泡的爭(zhēng)奪，使后續(xù)粗粒精煤藥劑不足。所以，混合煤泥AD 在浮選剛開始有大量細(xì)粒精煤浮出，可燃體回收率較高，而后一部分粗粒精煤損失到尾煤中，可燃體回收率低于混合煤泥AZ。

1.5 ～ 1.6 g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥表面疏水性較差，在粗粒精煤表面疏水部分形成的罩蓋較弱，所以，混合煤泥AZ 雖然在浮選前期其可燃體回收率低于混合煤泥AD，但在中后期可燃體回收率較高。

+1.8 g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥表面疏水性最差，在粗粒精煤表面疏水部分不會(huì)形成罩蓋，對(duì)粗粒精煤的浮出影響較小，所以在整個(gè)浮選過程中，混合煤泥AG 的可燃體回收率均高于混合煤泥AD和AZ。

2 機(jī)理分析及應(yīng)用

2.1 EDLVO 理論分析

（1）范德華作用能

煤泥水中兩個(gè)顆粒之間的范德華作用能為：

式中：EA-范德華作用能，J；H-顆粒間距離，m；R1和R2-分別為兩顆粒的半徑，m；A132-煤粒在水介質(zhì)中的有效哈馬克常數(shù)；A11-煤粒在真空中的哈馬克常數(shù)，6.07×10-20J；A33-水在真空中的哈馬克常數(shù)，4.84×10-20J。

（2）靜電作用能

煤泥水中兩個(gè)顆粒之間的范德華作用能為：

式中：EE-范德華作用能，J；εa-分散介質(zhì)絕對(duì)介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ε0-為真空中的絕對(duì)介電常數(shù)，8.85×10-12F/m；εr-分散介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，F(xiàn)/m，分散介質(zhì)為水時(shí)，εa=8.85×10-12×78.50 F/m；Φ1和Φ2-分別為兩個(gè)顆粒的表面電位，計(jì)算時(shí)常以ζ電位代替，V；κ-Debye 常數(shù)，在煤泥水體系中為3×10-7。

（3）疏水作用能

疏水礦粒間的疏水作用能可利用界面極性相互作用能的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算[3]。因此煤泥水中兩個(gè)煤粒之間的疏水作用能為：

式中，EH-疏水作用能，J；h0-衰減長(zhǎng)度，取1 ～ 10 nm，顆粒間疏水作用越強(qiáng)，h0取值越大；H0-兩顆粒平衡接觸距離，m，在煤泥水體系中為0.2×10-9m；疏水作用常數(shù)；r+1、r+2和-分別為顆粒1、顆粒2 和介質(zhì)3 的電子接受體表面能分量，J/m2；-分別為顆粒1、顆粒2 和介質(zhì)3 的電子給予體表面能分量，J/m2。

顆粒的電子接受體表面能分量和電子給予體表面能分量的計(jì)算公式為：

式中：θ-固體表面接觸角；rL-液體的表面能，J/m2；和-分別為顆粒和液體的表面能的疏水性分量，J/m2。

（4）相互作用總勢(shì)能

在煤泥水體系中，根據(jù)DLVO 理論，顆粒間的相互作用總勢(shì)能為范德華作用能和靜電作用能之和；根據(jù)EDLVO 理論，顆粒間的相互作用總勢(shì)能為范德華作用能、靜電作用能和疏水作用能之和[4-6]。

由表1 試驗(yàn)煤泥粒度組成可得，粗粒煤泥和細(xì)粒煤泥的加權(quán)算術(shù)平均粒度分別為187.11 μm和35.61 μm。在計(jì)算混合煤泥AD 中粗粒煤泥與細(xì)粒煤泥的相互作用總勢(shì)能時(shí)，為了使計(jì)算條件更接近浮選入料，粗粒煤泥與細(xì)粒煤泥的當(dāng)量直徑可分別取187.11 和35.61 μm。pH 為7 時(shí)，粗粒煤泥A 和細(xì)粒煤泥D 的ζ 電位分別為-24.7和-28.8 mV。將粗粒煤泥A 和細(xì)粒煤泥D 壓片后測(cè)定接觸角，其與水、丙三醇和甲醛的接觸角分別為100.7°、96.5°和34.6°；110.5°、100.2°和27.8°；三種液體的表面能參數(shù)見表2；衰減長(zhǎng)度h0 取10nm?；旌厦耗郃D 中粗粒煤泥與細(xì)粒煤泥相互作用的DLVO 和EDLVO 勢(shì)能曲線見圖2。

表2 液體表面能參數(shù)10-3/(J·m-2)Table 2 Some liquids surface energy parameters

在整個(gè)顆粒間距上，范德華作用能和疏水作用能小于0，表現(xiàn)為吸引勢(shì)能；靜電作用能大于0，表現(xiàn)為排斥勢(shì)能。由圖2 可以看出，當(dāng)量直徑為187.11 μm的粗粒煤泥和當(dāng)量直徑為35.61 μm的細(xì)粒煤泥相互接近時(shí)，依據(jù)DLVO 理論，ED T 表現(xiàn)為排斥勢(shì)能，且隨著顆粒間距的減小而增大，因此細(xì)粒煤泥難以罩蓋于粗粒煤泥表面；依據(jù)EDLVO 理論，EED T 表現(xiàn)為吸引勢(shì)能，且隨著顆粒間距的減小而迅速增大。DLVO 理論中，靜電作用能起主導(dǎo)作用，比范德華作用能大約2 個(gè)數(shù)量級(jí)，在分析煤粒間的作用關(guān)系時(shí)DLVO 理論忽略了疏水作用，不夠全面，難以解釋浮選試驗(yàn)中出現(xiàn)的罩蓋現(xiàn)象；EDLVO 理論中，疏水作用能比范德華作用能和靜電作用能大約4 ～ 6 個(gè)數(shù)量級(jí)，疏水作用起主導(dǎo)作用，當(dāng)顆粒表面的疏水性越強(qiáng)，表現(xiàn)為吸引勢(shì)能的疏水作用能越大。

圖2 煤粒間相互作用的DLVO 及EDLVO 勢(shì)能曲線（pH=7）Fig. 2 DLVO and EDLVO potential energy curves of coal particle interaction (pH=7)

2.2 疏水引力成因分析

疏水作用的產(chǎn)生是由于疏水性表面相互接觸時(shí)存在疏水引力，疏水引力的產(chǎn)生可分為三個(gè)步驟，見圖3。

圖 3 疏水引力的產(chǎn)生過程Fig. 3 The generation process of hydrophobic attraction

（1）當(dāng)疏水表面浸沒于水中時(shí)，由于表面的疏水性，破壞了表面周圍水分子間的氫鍵，在表面形成水密度較低的疏松層，此時(shí)疏松層內(nèi)氣體密度增加，而疏松層外沿氣體密度減小，水密度增加；溶解于水中的氣體分子與疏水表面接觸并被吸附，氣體的吸附量大于氣體的逃逸量，隨著氣體吸附量的增加，氣體占據(jù)了疏松層，形成富氣層[7-8]。

（2）疏松層外沿水分子與氣體分子N2 和CO2 等形成氫鍵O-H…N 和O-H…C 等，在疏松層外沿形成氣液耦合層，同時(shí)富氣層中氣體發(fā)生積聚使得體密度不均勻，在氣液耦合層表面張力的作用下富氣層形成有弧度的納米氣泡，氣泡弧度不斷增加，最后達(dá)到平衡[9-11]。納米氣泡生成后可以長(zhǎng)時(shí)間存在，具有一定的穩(wěn)定性，一是由于氣液耦合層抑制了納米氣泡內(nèi)氣體分子的擴(kuò)散，二是由于Brenner-Lohse 動(dòng)態(tài)平衡，即納米氣泡內(nèi)的氣體分子從頂部逸出，同時(shí)有氣體分子從氣泡底部三相接觸線向納米氣泡內(nèi)涌入，兩者相互平衡；納米氣泡的形成過程為自發(fā)過程，系統(tǒng)的自由能呈下降趨勢(shì)[12-13]。

（3）當(dāng)兩個(gè)疏水表面相互接近，間距小到一定程度時(shí)，表面的納米氣泡會(huì)相互聯(lián)通形成納米氣泡橋，納米氣泡橋在能量最低原理的作用驅(qū)使下產(chǎn)生使兩界面相互靠攏的引力，以使兩界面間勢(shì)能降低，因此產(chǎn)生了疏水引力[14-18]。

2.3 調(diào)漿強(qiáng)度試驗(yàn)

以汪家寨選煤廠入浮煤泥為試驗(yàn)煤樣，煤泥水濃度為100 g/L，藥劑制度為：柴油200 g/t，仲辛醇70 g/t，調(diào)漿時(shí)長(zhǎng)為3 min，經(jīng)過不同調(diào)漿強(qiáng)度攪拌后進(jìn)行浮選試驗(yàn)，浮選槽容量為1.5 L，葉輪直徑為60 mm，主軸額定功率為120 W，充氣量為0.2 m3/（m2·min）。

試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖 4 不同調(diào)漿強(qiáng)度的浮選試驗(yàn)曲線Fig. 4 Flotation test curves with different pulp conditioning

隨著調(diào)漿強(qiáng)度的增加，可燃體回收率先增加后減小，在2400 r/min 時(shí)達(dá)到最大值。在調(diào)漿攪拌過程中，當(dāng)調(diào)漿強(qiáng)度較低時(shí)，調(diào)漿產(chǎn)生的剪切力及顆粒之間的碰撞摩擦產(chǎn)生的力不足以破壞疏水顆粒間的疏水引力，細(xì)粒煤泥大量罩蓋于粗粒煤泥表面，在浮選過程中產(chǎn)生藥劑及氣泡的競(jìng)爭(zhēng)；當(dāng)調(diào)漿強(qiáng)度過高時(shí)，會(huì)使已經(jīng)吸附于氣泡上的煤泥脫落。煤泥與氣泡的吸附也是源于納米氣泡橋產(chǎn)生的疏水引力，但其大小強(qiáng)于煤泥顆粒間的疏水引力。因此調(diào)漿強(qiáng)度應(yīng)該適中，一方面破壞顆粒間的疏水引力，減弱細(xì)泥罩蓋；另一方面又不會(huì)使煤泥從氣泡上脫落。

3 結(jié) 論

（1）在浮選條件相同時(shí)，1.3 ～ 1.4 g/cm3密度級(jí)細(xì)粒煤泥容易罩蓋于粗粒精煤表面疏水部分，形成藥劑和氣泡的競(jìng)爭(zhēng)，使粗粒精煤后期藥劑不足，損失到尾煤中。

（2）煤粒間的疏水作用能比范德華作用能和靜電作用能大約高4 ～ 6 個(gè)數(shù)量級(jí)，在疏水表面間相互作用中起主導(dǎo)作用。

（3）煤泥與氣泡的吸附源于納米氣泡橋，浮選調(diào)漿強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)適中，在破壞煤泥顆粒間疏水引力的同時(shí)而不破壞煤泥與氣泡的附著。