1、用水力旋流器机械去除和用分散剂化学去除粘土对浮选的影响William J. Oats, Orhan Ozdemir, Anh V. Nguyen *，澳大利亚布里斯班的昆士兰大学，化学工程学院，昆士兰4072。论文信息论文历史：2009年7月26日被接受2009年12月9日获得认可2010年1月13日在网上可用关键词：煤泥浮选 粘液 粘土 分散剂 水力旋流器 胶体稳定性 DLVO作用力摘要：细粒矿物，主要是粘土对煤泥浮选有不利影响。本文重点研究利用水力旋流器机械去除和利用分散剂化学去除细粒矿物对煤泥浮选的作用。试验结果显示，浮选回收率从酸性介质到碱性介质范围内略有增加。进行加入不同剂量的分散剂
2、的浮选试验表明，分散剂不会使浮选回收率显著提高。然而，利用水力旋流器去除入料中细颗粒可以显著提高浮选回收率。气泡-颗粒附着试验也表明，粘土颗粒存在时气泡与煤粒之间的附着时间会增加。附着时间结果清楚地显示，粘土颗粒通过附着在煤粒表面来减少气泡与煤的有效接触，对煤粒的浮选造成不利的影响。一项基于胶体稳定性理论的分析表明，粘土涂层主要受范德华引力控制，同时，双电层间的相互作用也会对其有一定的作用。也有人得出的结论是，在粘土存在时，提高浮选回收率的最好方法是利用如水力旋流器等机械方法去除细粒矿物。2009年爱思唯尔有限公司保留所有权利1. 介绍小于10m的细颗粒覆盖在许多有价值的矿物表面，使得颗粒亲水
3、，阻碍了浮选捕收剂在矿物表面的吸附，阻碍了矿物的分选。这些细颗粒也会消耗浮选药剂和增加操作成本。已经有很多研究进行调查细颗粒引起的负面作用（Arnold and Aplan，1986年；Burdon等人，1976年；Celik等人，1998年、2002年；Jowett等人，1956年；Mishra，1978年；Quast等人，2008年；Xu等人，2003年）。这些研究显示，矿物表面涂层的出现是由于粗颗粒和细颗粒带相反电荷产生的静电引力所引起的。例如：带相同电荷的细粒和粗粒方铅矿之间没有引力，当系统中存在带相反电荷的细颗粒时浮选回收率将有显著损失（Gaudin等人，1960年）。它解释说，细的
4、粘土颗粒是靠静电吸引到煤粒表面的，这种附着在很大程度上取决于静电力大小、所附着煤粒的Zeta电势和细颗粒的数量（Arnold and Aplan，1986年；Xu等人，2003年）。粘土矿物对硼浮选的影响也被专门研究（Celik等人，2002年）。该研究显示，当硼矿（硬硼钙石，钠硼解石等）浮选有阴阳离子表面活性剂没有粘土，甚至低至1%的粘土时，都会使硼的浮选回收率显著降低（Celik等人，2002年）。细的粘土颗粒对几种从强疏水性到中等疏水性煤样的浮选的影响也是许多研究的主题（Jowett等人，1956年；Burdon等人，1976年；Mishra，1978年；Arnold and Aplan
5、，1986年；Quast等人，2008年）。结果证明，细颗粒的存在降低了浮选回收率和浮选速率。分散剂广泛用于改变由静电形成的颗粒和空间位阻斥力间的胶体的相互作用，空间位阻斥力可以抵消范德华吸引力的总净力的作用。这种分散剂主要是阴离子聚合物并吸附在矿物表面，使它们电负性更强（Huynh等人，2000年）。分级方法比如旋流器，更经济，而且对从粗颗粒中分离细颗粒更有效（Salter and Childs，1984年；Greet and Smart，1997年）。通过筛分或水力旋流器脱泥从煤样中去除细颗粒可以提高煤的浮选效果（Quast等人，2008年）。利用超声波处理使硼矿中粘土颗粒分散也会增加这种
6、矿物的浮选回收率和降低捕收剂用量（Celik等人，1998年）。另外，一些研究显示，也可以用于去除细颗粒（Burdon等人，1976年）。在煤炭工业中，粘土颗粒对过滤也有显著影响（Jowett等人，1956年；Burdon等人，1976年；Mishra，1978年；Arnold and Aplan，1986年；Quast等人，2008年）。粘土矿物，比如高岭石，伊利石，蒙脱石可能有不同的电荷分布和表面、边缘迹象，也可能以不同的方式覆盖在煤粒表面，这些取决于pH值和煤的种类与解离度。结果是，Arnold和Aplan指出，一种类型的粘土矿物如膨润土，显著抑制煤炭浮选，而如高岭土或伊利石等粘土不会对
7、煤炭浮选产生任何影响（Arnold and Aplan，1986年）。这个研究的目标是调查煤泥颗粒对来自必和必拓三菱联盟的煤样浮选的影响。具体而言，这个研究主要集中在，比较煤泥浮选中用水力旋流器去除细泥和用化学药品使细泥分散这两种不同方法的浮选效率。pH值和分散剂对煤泥浮选的综合影响也被研究过。最终，细粒粘土对气泡-颗粒的附着的影响被调查，用测量附着时间来鉴定粘土对煤泥浮选的物理相关影响。2. 材料和方法 2.1材料从必和必拓三菱联盟一个位于澳大利亚昆士兰州中部的煤矿获得适度疏水的焦化煤样来做浮选试验。浮选试验是用0.5mm大小的颗粒进行的。图1显示了浮选入料的粒度分布。另外，相关粒级的煤样灰
8、分也可以从图1中得到。如图1中所显示的一样，煤样灰分随粒度的减小略有升高。特别是150m左右的部分灰分急剧增加。重要的是要注意，38m左右的部分（主要是粘土矿物）非常高，大约为53%。从入料中去除细颗粒可以显著降低入料灰分。图1 原煤样的粒度分布和没有去除-38m颗粒时的筛下产品累计灰分中间的尺寸范围（微米）粒度分布频率筛下产品累计灰分没有-38m颗粒时的附带灰分灰分（%）粒度分布（%）柴油和甲基异丁基甲醇（MIBC ）分别被用来作捕收剂和起泡剂。柴油用量为100g/t，甲基异丁基甲醇的用量对所有实验都是15/106。硅酸钠（澳大利亚西格玛奥德里奇公司）和六偏磷酸钠（澳大利亚飞世尔科技公司）试
9、剂也被用作分散剂。分析纯NaOH和HCl用来控制pH值。 2.2浮选试验 浮选试验是对0.5mm大小的煤泥，用一个小的实验室Agitair浮选机（2.5L）来进行的。每次浮选试验在浮选槽中加入250g煤样，在不加药剂的情况下加自来水以900rpm的转速混合5min。在此期间，加入酸或碱来调节溶液的pH值。5min后，加入所需量的柴油和甲基异丁基甲醇并混合3min。最后，以10L/min的流量向浮选槽中充入空气并分别刮泡1、3、5、8分钟。叶轮转速保持在600rpm，入料的固体浓度为10%。在使用分散剂的浮选试验的情况下，与前面唯一不同的步骤是在最初的5min调浆之后向悬浮液中加入分散剂，并将悬
10、浮液再混合5min。所有加分散剂的试验都是在pH值为8的自然情况下进行的。所得精矿和尾矿都要进行过滤、在80条件下干燥、称重进一步的处理和分析。对于灰分分析，第一步先用研钵和杵从每个产品中取出大约10g干燥的样品，然后从第一步所得的每个样品中取出大约2g放进815的烘箱中烘干2个小时，最后称剩下的灰计算灰分。 2.3水力旋流器脱泥为了从入料中去除细颗粒，用AKW水力旋流器（德国Apparate和Verfahren有限公司）进行水力分离。正如从标准文献中所知道的，有许多因素影响这种旋流器的效率，比如旋流器沉砂口直径、涡流管直径、入料的百分固体含量、给料速率等。然而，由于这项工艺的目的在于，简单的
11、调浆之后尽可能地去除细颗粒，我们仅仅是在入料固体百分浓度和给料速率不变，涡流管直径和沉砂口直径不同的情况下进行旋流器试验。这个试验是在固体百分含量为10%和流量为3L/s的条件下进行的，为了保证结果的一致性。组合研究结果显示在表1中。正如从表中看到的一样，用四种不同的漩涡溢流管和沉砂口来寻找最佳条件。测试序号 漩涡溢流管直径（mm） 沉砂口直径（mm）表1 水力旋流器的测试组合在试验期间，分选的底流和溢流产品是同时收集的。分选之后，底流和溢流产品的粒度大小分布是由Master Sizer 2000（Malvern，联合国）决定的。从结果中获得的数据列于表2中。分选的目的是使38m试样的尾矿量最
12、大化并从溢流流出。基于这样的结果，由于要获得颗粒分割尺寸，所以选择15mm直径的塞子和29mm的漩涡溢流管来制浮选试样。涡流管/沉砂口直径底流溢流表2水力旋流器试验结果 2.4气泡-颗粒附着试验气泡-颗粒附着试验是用含有细颗粒的煤样进行的，主要是粘土，为了看出这些颗粒对气泡与颗粒粘附时间的影响。用煤样（212-150m）悬浮液来准备试验（100mL蒸馏水中加入1g煤样）。另外，从含有一部分38m颗粒的悬浮液中准备粘土悬浮液，固体百分含量为20%。混合试样30min之后，为了使粗颗粒沉降，让粘土悬浮液静置一会儿。然后，将少量悬浮液加入煤悬浮液中来获得需要的粘土浓度。悬浮液最初非常浑浊，不够清澈不
13、能利用光来观察到气泡-颗粒的附着试验中颗粒的粘附。因此，粘附试验要在用粘附定时装置使粘土矿物通宵沉降之后进行，这在以前的论文中被提到过（Ozdemir等人，2009年）。3. 结果讨论 3.1pH值对浮选的影响由于粘土和细颗粒间的静电引力，pH值在控制煤泥涂层中是最重要的一个因素之一。出于这个原因，进行第一组煤泥浮选试验作为测pH值对浮选的作用。图2表示的是针对悬浮液的pH值绘制的回收率结果。煤的回收率低于70%并随着pH值的升高而升高。图2 作为pH的函数中的煤浮选结果灰分（%）浮选回收率（%）累计回收率 累计产率 3.2分散剂对浮选的影响在用从水力旋流器得到的试样做浮选试验之前，含有六偏磷
14、酸钠（高分子聚合物）和硅酸钠的聚合物分散剂对煤泥浮选的影响已经被研究过。结果显示在图3中。正如从图中看到的，分散剂的使用使浮选回收率略有增加。硅酸钠作分散剂比六偏磷酸钠作分散剂对煤泥浮选回收率的影响稍微好点。从整体来看，分散剂不能显著增加浮选回收率。灰分（%）浮选回收率（%）硅酸钠（回收率）六偏磷酸钠（回收率）硅酸钠（灰分）六偏磷酸钠（灰分） 分散剂用量（g/t）图3 加分散剂的煤泥浮选结果 3.3水力旋流器脱泥的影响煤样用水力旋流器脱泥后进行浮选试验的结果表示在图4中。结果显示，回收率升高到94.1%，灰分为14.02%。明显地，从入料中去除细颗粒显著提高了浮选回收率。图4中还包括之前加分散
15、剂时得到的浮选结果。通过比较机械脱泥和化学去泥的浮选回收率清楚的显示出，消除细的粘土颗粒对煤泥浮选的不利影响的最好方法是用水力旋流器脱除入料中的细泥。 3.4气泡-颗粒附着试验浮选效率严重取决于气泡从悬浮液中带走疏水性颗粒的能力（Nguyen和Schulze，2004年；Binks和Horozov，2006年；Wilson，2007年)。正如从以前的结果中看到的，煤粒表面涂层明显地影响煤的浮选特性。为了更好地了解粘液对煤泥浮选的影响，用没有细颗粒的煤来做气泡-颗粒附着试验。结果列在图5中。正如从图5中看到的，在没有细颗粒时煤粒的接触时间少于10ms（100%粘附）。然而，用含0.1%细粒的煤粒所做的试验表明，在气泡上粘附10ms的煤的百分比大约为80%。图6表示在没有通常附着在煤粒表面的细粒粘土颗粒存在时，煤粒在气泡表面粘附的显着差异。试验结果强烈表明，煤泥涂层显著阻止煤粒在气泡上的粘附，从而降低了浮选回收率。图4 分散剂和水力旋流器脱泥对煤泥浮选的影响 浮选时间（min） 浮选回收率（%）脱泥样品原样原样（100g/t硅酸钠）原样（500g/t硅酸钠）原样（1000g/t硅酸钠）原样（100g/t六偏磷酸钠）原样（500g/t六偏磷
