煤—蒙脱石体系浮选过程的强化分离机制研究

发布时间：2018-06-26 07:01

本文选题：浮选 + 蒙脱石　；参考：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文

【摘要】：随着采煤机械化程度的提升,原煤中脉石矿物含量急剧增大,对煤炭洗选产生了诸多不利影响,尤其是黏土矿物,其遇水易崩解的性质使其在洗选过程中产生大量细泥颗粒,这些黏土颗粒表面一般带有负电,且具有较好的亲水性,常与煤泥发生凝聚现象。这不仅造成浮选生产效率低、泡沫产品灰分高、药剂消耗量大、尾煤脱水困难等问题,甚至导致整个生产系统无法正常运行,成为影响煤炭高效分选和制约稀缺煤资源开发和清洁利用的瓶颈。采用传统的浮选分离技术已不能满足工艺要求,为此众多学者在机理和工艺层面上就如何减弱或消除黏土矿物对煤泥浮选的不利影响进行了详细的研究。目前煤泥浮选中主要面临如下问题:富含黏土矿物的煤泥难以高效浮选分离的内在原因不清楚,异相凝聚危害煤泥浮选的内在机理不明确,分散黏土矿物的效率较低,抑制黏土矿物的选择性较弱。所以目前黏土矿物与煤的有效分离,仍然是一个难题。论文通过沉降试验、浮选试验、光学显微镜、Zeta电位、接触角、原子力显微镜(AFM)分析、吸附量测量、红外光谱分析、光电子能谱分析(XPS)等试验方法和测试手段并结合扩展的DLVO理论计算,重点对煤泥浮选过程中蒙脱石矿物的强化分散和选择性抑制进行了研究。研究内容主要包括:讨论了浮选体系中黏土矿物与煤颗粒间的聚集与分散行为;探索了煤与蒙脱石矿物颗粒间异相凝聚机理;考察了异相凝聚对煤泥浮选分离效果的影响;建立了煤泥浮选指标预测模型;阐明了黏土矿物分散与选择性抑制的调控机制,提出了“强化分散-同步抑制”的强化浮选方法,实现了蒙脱石与煤泥的高效浮选分离。论文首先研究了矿浆pH值、蒙脱石含量、金属离子种类和浓度等因素对煤和蒙脱石颗粒聚集与分散行为的影响,分析了异相凝聚机理,试验结果表明,煤和蒙脱石颗粒在试验pH范围内均会发生异相凝聚,但碱性条件会减弱蒙脱石在煤颗粒表面的罩盖;蒙脱石含量的增大和钙离子浓度的升高均会加剧异相凝聚的发生;钠离子对煤和蒙脱石聚集与分散行为影响较小。颗粒间作用力是影响聚集与分散状态的关键因素,Hamaker常数、表面电位、极化势能常数和药剂吸附层厚度对颗粒间聚集与分散行为有直接影响。减小pH值及加入钙离子均会增大煤和蒙脱石表面电位,减小斥力作用范围,减弱颗粒间作用“势垒”,进而促进煤和蒙脱石颗粒间发生凝聚。煤和蒙脱石颗粒间的凝聚会对煤泥浮选产生极为不利的影响,一方面降低了煤的可浮性,造成大量精煤产率损失;另一方面污染了精煤产品,造成精煤灰分升高;同时,降低了煤的浮选速率。少量的蒙脱石就会显著抑制煤泥上浮,当蒙脱石含量较高(20%)时,甚至会完全抑制煤的上浮;钙离子会促进蒙脱石和煤颗粒间的凝聚,且离子浓度越高越不利于煤和蒙脱石的浮选分离,同时碱性条件下钙离子更容易加剧异相凝聚对浮选分离的不利影响。应用SPSS软件分析了精煤累计产率以及浮选速度常数与浮选时间、矿浆pH值、钙离子浓度和蒙脱石含量之间的相关性并建立了回归模型。精煤累计产率与上述四变量的相关系数分别为0.850、0.103、-0.194和-0.330,其中浮选时间对精煤累计产率影响最大;上述变量与浮选速度常数的相关系数为-0.467、0.209、-0.384和-0.624,即浮选速度常数会随蒙脱石含量的增大及浮选时间延长而减小。回归模型可以预测不同工况条件下煤泥的浮选指标,但模型仿真值与试验值相关性较低,模型预测精度较差。而以浮选时间、矿浆pH值、钙离子浓度和蒙脱石含量作为输入向量,精煤产率和浮选速度常数作为输出向量,应用Matlab软件建立的煤泥浮选BP神经网络模型,预测精度高、泛化能力强,可以准确地预测不同工艺条件下煤泥的浮选指标。论文研究了机械搅拌对煤与蒙脱石颗粒间聚集与分散行为影响,探讨了机械搅拌改善煤泥浮选效果的机理,发现:提高搅拌速度和延长搅拌时间有利于矿物颗粒保持分散;而细泥粒度决定了脱附分散的难易程度。随着叶轮线速度的提高和搅拌时间的延长,煤泥分选效果得到大幅改善,当叶轮线速度6.28m/s,搅拌时间超过120s时,浮选效果较好。在浮选精煤灰分相近时,强搅拌条件下精煤产率比弱搅拌高10个百分点以上,这主要是由于剪切力作用于煤和蒙脱石微粒上,使蒙脱石受到脱附作用,当脱附力大于煤与蒙脱石颗粒间的粘附力时,部分罩盖在煤表面的蒙脱石细泥就会脱附,从而减少了煤表面罩盖细泥数量,提高了煤表面的疏水性,同时增大了煤和脉石矿物表面性质的差异,有效改善了煤泥浮选效果。论文考察了添加抑制剂对煤与蒙脱石浮选分离的影响。硅酸钠、六偏磷酸钠(SHMP)和SCMG对蒙脱石有良好的抑制效果。添加抑制剂后,在精煤产率相当的情况下,精煤灰分显著降低。硅酸钠和SHMP在不同pH矿浆条件下水解组分不同,其中,硅酸钠水解组分中Si(OH)_4对蒙脱石起主要抑制作用,各组分抑制能力的顺序为Si(OH)_4SiO(OH)_3~- SiO_2(OH)_2~(2-);SHMP水解形成的链状聚合体是对蒙脱石起抑制作用的主要组分,H_3PO_4、H_2PO_4~-、HPO_4~(2-)、PO_4~(3-)等组分也对蒙脱石和煤的浮选分离有影响。蒙脱石和煤表面对硅酸钠、SHMP和SCMG吸附能力的差异是这三种抑制剂具有选择性抑制效果的主要原因,其中煤的吸附能力差,不容易被抑制,蒙脱石的吸附能力强于煤,在矿浆中抑制剂会优先吸附于蒙脱石表面。例如,抑制剂初始浓度C0为50mg/L时,蒙脱石对这三种抑制剂的吸附量分别为0.48、1.04和2.02mg/g,而煤颗粒表面吸附量仅分别为0.26、0.36和1.02mg/g,两矿物表面吸附量差值较大。但当抑制剂用量过大时,蒙脱石和煤表面均吸附有大量抑制剂,在抑制蒙脱石的同时也会抑制煤的上浮,抑制失去选择性。论文通过扩展的DLVO理论分析了硅酸钠、SHMP和SCMG影响煤和蒙脱石颗粒间聚集与分散状态的机理,主要包括:增大煤和蒙脱石颗粒表面Zeta电位的绝对值,增强颗粒间静电排斥作用;吸附在矿物表面增强矿物对水的极化作用,产生强烈的水化斥力;对于SHMP和SCMG还可以水解形成大分子吸附于矿物表面,当颗粒相互靠近时产生较强的排斥力,增强颗粒间的空间稳定化作用。论文根据煤和蒙脱石对捕收剂煤油吸附能力差异,通过对浮选药剂的选择性进行调控,使煤油优先吸附于矿物颗粒表面,减弱了抑制剂在煤表面的吸附,提高了抑制剂和捕收剂对蒙脱石和煤作用的选择性,进而改善了煤泥浮选效果。人工混合煤样的浮选试验结果表明,单独对混合煤样进行机械搅拌或添加抑制剂的浮选分离效果不佳,采用“强化分散-同步抑制”调控是煤与蒙脱石浮选分离的有效途径。以实际煤样—东庞矿区高灰细泥煤为例,以SCMG为抑制剂,浮选采用“强化分散-同步抑制”调控后,精煤产率和灰分分别为46.34%和13.61%,相较于调控前,在浮选精煤产率相当的情况下,精煤灰分降低明显,浮选完善度有所提高,浮选效果得到显著改善。
[Abstract]:In this paper , the effects of clay minerals and coal particles on coal slime flotation are studied by means of sedimentation test , flotation test , optical microscope , zeta potential , contact angle , atomic force microscopy ( AFM ) analysis , adsorption quantity measurement , infrared spectrum analysis and photoelectron spectroscopy ( XPS ) . In this paper , the influence of flotation time , ore pulp pH value , calcium ion concentration and montmorillonite content on the flotation separation of coal and montmorillonite can be predicted . The results show that the flotation time , ore pulp pH , calcium ion concentration and montmorillonite content can be used to predict the flotation separation of coal slime .
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD94;TD923

【相似文献】