低阶煤中含氧官能团对可浮性的影响规律研究

发布时间：2018-10-23 14:52

【摘要】：褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤等低阶煤资源约占我国煤炭资源总储量的58.13%,是我国煤炭能源生产和供应的重要组成部分,低阶煤的合理开发和利用对实现我国以煤炭为主的能源持续供给和保障经济快速持续发展有重要意义。由于低阶煤可浮性较差,目前我国大部分低阶煤煤泥不经分选而直接掺入商品煤中,这一方面降低了商品煤的质量,在燃烧过程中产生大量烟尘和废气等污染物,造成环境污染的问题,另一方面,也导致了煤炭资源的严重浪费。低阶煤可浮性较差的主要原因是低阶煤中氧含量较高,尤其是以含氧官能团形式存在的有机氧,导致低阶煤具有较强的亲水性。煤中的含氧官能团可以分为三类,即碳氧单键类(包括羟基和醚键)、羧基和羰基。在煤中所有含氧官能团中,以羧基和酚羟基对煤的润湿性和可浮性影响最为明显,它们一方面具有较强的极性,可以与水分子间形成氢键,另一方面,它们在水中电离或水解生成H3O+或OH-离子,这些离子在煤粒表面的吸附导致煤粒表面在pH为中性的矿浆中带电,极性的水分子在煤-水界面静电场作用下吸附在煤的表面。通过表面反应的方法去除煤表面这些含氧官能团或利用非极性基团在煤表面的吸附掩蔽这些含氧官能团,可以有效提高煤的疏水性和可浮性。本文在优化离子交换法测定低阶煤中含氧官能团含量的实验条件的基础上,通过对比不同表面活性剂对低阶煤中含氧官能团的掩蔽作用及改性煤样可浮性的变化,从微观角度阐述了含氧官能团对低阶煤可浮性的影响规律。得到的主要结论如下:(1)需要保证足够长的离子交换反应时间才能使煤中含氧官能团完全反应,离子交换反应取16h(羧基)或24h(总酸性基),可以使平朔长焰煤和胜利褐煤中含氧官能团完全参与离子交换反应。(2)以甲醇作为润湿剂对煤样进行润湿会使煤中部分有机质溶解在甲醇中,导致离子交换反应测得的含氧官能团含量明显降低,离子交换反应在不加甲醇预先润湿条件下得到的结果更为准确。(3)离子交换反应的药剂不能渗透进煤粒内部进行离子交换反应,参与离子交换反应的含氧官能团为煤粒表面和孔隙中的含氧官能团。为保证试验结果准确可靠,煤样粒度应控制在一个较窄的合适粒度范围内。(4)煤中部分无机杂质会参与离子交换反应从而影响离子交换法的准确性。通过浮沉试验的方法可以有效去除煤中大部分参与离子交换反应的无机杂质,并且浮沉试验过程中不会改变煤中有机质的组成和性质;通过预先酸浸的方式也可以去除煤中部分参与离子交换反应的无机杂质,但是预先酸浸过程中低阶煤中部分小分子有机质溶解在盐酸溶液中,使煤的有机质的组成和性质发生变化,导致离子交换法测得的低阶煤中酸性含氧官能团含量明显降低,故不宜用预先酸浸的方法对待测煤样进行除杂。(5)表面活性剂在低阶煤表面吸附后会对含氧官能团起到一定的掩蔽作用,导致离子交换法测得的煤中含氧官能团含量减少。(6)表面活性剂对煤粒表面不同种类的含氧官能团掩蔽作用有所差别,阳离子型表面活性剂CTAB对低阶煤表面的羧基掩蔽作用较为明显,而阴离子型表面活性剂SDS和非离子型表面活性剂Span-80则对酚羟基的掩蔽效果较好。(7)表面活性剂改性低阶煤过程中适当增大搅拌速度和延长搅拌时间可以促进煤样和表面活性剂在矿浆中的分散,使表面活性剂更好地吸附在煤粒表面,对煤粒表面含氧官能团的掩蔽效果也就越好。相对于易溶与水的CTAB和SDS,搅拌速度和搅拌时间对难溶的Span-80的掩蔽效果的影响更为明显。(8)平朔长焰煤的可浮性由其中酚羟基的含量决定,随酚羟基含量的减少平朔长焰煤的可浮性明显提高;胜利褐煤的可浮性取决于其中总酸性基的含量,必须同时降低羧基和酚羟基的含量才能有效提高胜利褐煤的可浮性。(9)表面活性剂与煤粒表面含氧官能团之间的氢键越强对含氧官能团的掩蔽效果越好。非离子型表面活性剂Span-80由于可以与煤表面的含氧官能团之间形成多对氢键并且氢键有较高的键能,因而更容易在煤粒表面吸附,所以Span-80比阳离子型表面活性剂CTAB和阴离子型表面活性剂SDS对煤表面含氧官能团的掩蔽作用更明显。
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【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

【参考文献】