不同脉石矿物对煤炭浮选的影响

瞿 望

(中国矿业大学化工学院，江苏省徐州市，221116)

煤炭浮选过程中脉石矿物会通过水流夹带和细泥罩盖等方式进入浮选泡沫，造成对浮选精煤的污染，这是很多选煤厂浮选精煤灰分难以降低的重要原因之一。

近些年，很多学者针对浮选精煤中的脉石污染问题提出了相应的解决措施，比如在浮选中增加超声波处理、提高浮选时的泡沫层厚度、在浮选泡沫层添加喷淋水、在浮选柱泡沫区添加倾斜板以及添加凝聚剂使脉石矿物发生选择性团聚等，这些措施对降低脉石矿物对浮选精煤的污染均有一定效果。但是，目前尚未探究各种降低脉石污染的方法对不同煤泥的适应性，这主要是因为目前不同的脉石矿物污染浮选精煤的机理尚不明确。在本研究中，将石英石、高岭石和蒙脱石这3种脉石矿物分别与煤炭混合，然后进行浮选试验和Zeta电位分布测试，从而探究不同的脉石矿物对煤炭浮选的影响，以及其各自污染浮选精煤的机理，这对于今后更有针对性地解决煤炭浮选时的细泥污染问题具有重要意义。

1 试验研究

1.1 试验煤样

试验所用的脉石矿物是由合肥万泉非金属矿有限公司提供的石英石、高岭石和蒙脱石，3种脉石矿物的粒度均小于20 μm，3种脉石矿物的XRD结果如图1所示。

图1 3种脉石矿物的XRD图谱

由图1可以看出，各样品中并没有明显的杂质。

试验所用煤样来自山西省大同市，为1/3焦煤，对-0.25 mm粒级的煤泥进行小浮沉试验，取-1.4 kg/cm3的低灰煤泥(灰分为5.69%)分别与3种脉石矿物按1∶1的质量比混合，作为浮选入料，采用正十二烷和仲辛醇分别作为浮选捕收剂和起泡剂。

1.2 浮选试验

浮选试验采用XFD-1.5L单槽浮选机进行，叶轮转速为1900 r/min，充气量为0.25 m3/h。

试验步骤如下：取90 g低灰煤泥与脉石的混合物放入浮选槽中加水搅拌4 min之后，加入1.2 kg/t的捕收剂搅拌2 min，再加入1.0 kg/t的起泡剂搅拌30 s，开始充气并刮泡5 min。在刮泡过程中，用多个托盘分别在前20 s、20～40 s、40～60 s、60～90 s、90～120 s、120～180 s和180～300 s接取7组浮选精煤。将接到的每组精煤在过滤之前进行称重，将精煤过滤、烘干后再称量其干煤泥的重量，两次称重之差为浮选精煤中水的重量，从而计算水回收率；将浮选精煤进行小浮沉试验，得到-1.4 kg/cm3(低灰煤泥)和+1.4 kg/cm3(脉石)的产率，从而计算脉石回收率。

1.3 Zeta电位分布试验

将低灰煤泥磨细至-20 μm用于Zeta电位分布测试，将单独的低灰煤泥或脉石矿物分别配成质量分数为为1%的悬浮液，沉降12 h后用滴管取1 mL上清液加入到比色皿中，然后将比色皿放入Zeta电位测试仪(Brookhaven ZetaPlus)中进行测试。之后，将低灰煤泥和脉石矿物按质量比1∶1进行混合后，配成质量分数为1%的悬浮液，采用相同的步骤进行Zeta电位分布测试。Zeta电位分布测试在pH值为7的条件下进行，采用NaCl作为电解质，浓度为0.1 mmol/L。

2 结果分析

2.1 浮选试验结果

低灰煤泥与不同脉石混合后的浮选速率曲线如图2所示。

图2 低灰煤泥与不同脉石混合后的浮选速率曲线

由图2可以看出，低灰煤泥与石英石、高岭石混合后，可燃体回收率和浮选速率常数均有所降低，最大可燃体回收率由86.30%降低至75.32%和73.95%，浮选速率常数也由0.028降低至0.026；而低灰煤泥与蒙脱石混合后，可燃体回收率大幅降低至46.62%，而浮选速率常数也降低至0.022。这说明，蒙脱石对煤炭浮选速率具有非常显著的影响，并会降低最终的浮选精煤可燃体回收率，而石英石和高岭石对浮选速率和精煤可燃体回收率的影响较小。

低灰煤泥与不同脉石矿物混合后的浮选精煤水回收率和脉石回收率的关系如图3所示。

图3 浮选精煤水回收率和脉石回收率的关系

由图3可以看出，低灰煤泥与石英石和高岭石混合后，浮选精煤的脉石回收率和水回收率随着浮选时间的延长而逐渐升高，且二者呈明显的线性相关关系。而低灰煤泥与蒙脱石混合后，脉石回收率在前90 s有明显的升高，而在第90～300 s升高的幅度较小，且脉石回收率与水回收率无线性相关关系。这充分说明，石英石和高岭石主要是通过水流夹带进入到浮选泡沫中，这与学者所提出的脉石水流夹带模型相吻合；而蒙脱石主要不是通过水流夹带进入浮选泡沫中的，蒙脱石很可能是通过细泥罩盖的方式覆盖到低灰煤炭颗粒表面，再随着煤炭颗粒一起进入到浮选泡沫中污染浮选精煤。这需要通过Zeta电位分布的测试结果进行验证。

2.2 Zeta电位分布试验结果

Zeta电位分布是表征矿物细泥罩盖的常用手段，现已被众多学者所采用。若2种矿物混合矿的Zeta电位分布是双峰分布，且两个峰的位置恰好是2种矿物单独进行Zeta电位分布测试时单峰分布的位置时，说明2种矿物并未发生细泥罩盖，仍均匀分散在测试介质中；若2种矿物混合矿的Zeta电位分布式单峰分布，且峰的位置介于2种矿物单独进行Zeta电位分布测试时两个单峰之间时，说明两种矿物之间发生了细泥罩盖。煤泥与石英石单独以及混合进行Zeta电位分布测试的结果如图4所示。

由图4可以看出，单独的煤泥和石英石的Zeta电位为单峰分布，峰的位置分别在-12 mV和-37 mV；而煤泥-石英石混合矿物的Zeta电位分布为双峰分布，且两个峰的位置恰好位于-37 mV和-12 mV，这说明在该条件下，煤泥与石英石并未发生细泥罩盖。

图4 煤泥与石英石单独以及混合进行Zeta电位分布测试

图5 煤泥与高岭石单独以及混合进行Zeta电位分布测试结果

煤泥与高岭石单独以及混合进行Zeta电位分布测试结果如图5所示。

图5与图4的结果比较类似，煤泥和高岭石混合后的Zeta电位分布为双峰分布，且峰的位置与单独的煤泥和高岭石的Zeta电位分布峰的位置相同，这说明煤泥和高岭石也未发生细泥罩盖。

煤泥与蒙脱石单独以及混合进行Zeta电位分布测试结果如图6所示。

图6 煤泥与蒙脱石单独以及混合进行Zeta电位分布测试结果

而图6的结果显示，煤泥与蒙脱石混合后，Zeta电位为单峰分布，且峰的位置在-33 mV，介于单独的煤泥和蒙脱石的Zeta电位之间，这说明煤泥与蒙脱石发生了细泥罩盖。

由此可见，蒙脱石主要会通过细泥罩盖黏附到煤炭颗粒表面，之后再随着煤炭进入到浮选泡沫中，从而污染浮选精煤；而石英石和高岭石并未与煤炭发生细泥罩盖，它们主要是通过水流夹带的方式进入到浮选泡沫污染浮选精煤。

3 结论

通过将石英石、高岭石和蒙脱石分别与低灰煤泥混合后进行浮选试验和Zeta电位分布测试，来分析不同脉石矿物污染浮选精煤的机理。浮选试验结果表明，石英石和高岭石的回收率与水回收率呈线性相关关系，说明其通过水流夹带的方式污染浮选精煤，这种污染方式对可燃体回收率和浮选速率影响较小，而蒙脱石的回收率与水回收率没有线性相关关系，说明水流夹带不是蒙脱石污染浮选精煤的主要方式。Zeta电位分布结果表明，石英石和高岭石并未与低灰煤泥发生细泥罩盖，而蒙脱石与低灰煤泥发生了细泥罩盖，这是蒙脱石污染浮选精煤的主要方式，这种污染方式会使可燃体回收率和浮选速率大幅降低。