电浮选-电凝聚法分离煤岩显微组分的影响因素

0 引 言

我国侏罗纪煤在已探明的煤炭储量中约占39.6%,在未探明煤炭储量中高达65.5%。侏罗纪煤中低变质烟煤约占96%,研究发现这些煤的显微组分组成复杂,惰质组分含量普遍较高[1-3]。而煤的显微组分组成会直接影响煤的加工利用性能[4-9]。因此,从煤化工原料精细化供给角度出发,开发煤岩显微组分的高效分选和富集技术,对于实现煤炭转化和高附加值利用显得十分重要。

从20世纪50年代起,浮选法分离煤岩显微组分技术受到重视,Shu[10]、林治穆[11]、Fecko[12]、Jorjani[13]、 Zhao[14]、 宋 强[15]、 Honaker[16]、 Hower[17]、Barraza[18]等相继研究了浮选法在煤岩显微组分分离中的应用,从浮选药剂、分离方式、工艺流程及参数等方面进行了较为系统的研究,在提高浮选效率和煤岩组分回收率方面仍没有取得实质性突破。电浮选是一种在浮选的液相矿浆中通入直流电场,在电场作用下,水相发生解离并经过一系列极化作用,在阴极放出H2,而阳极放出O2的方法。电浮选过程产生的气泡直径小、分散浓度高,且易于调节,同时该方法还兼有电渗析、电泳、电凝聚和电化学等作用,其在水处理过程中得到了较为深入的研究和应用,Ozyonar[19]和 Graeme[20]等研究了利用 Fe、Al金属电极,电解过程生成金属氢氧化物(Fe(OH)3或Al(OH)3)的凝聚作用。

本文将电浮选方法用于煤岩显微组分分离。为了进一步提高浮选法分离煤岩显微组分的效率和回收率,本文在前期单槽电浮选研究基础上开发了串联式两段电浮选装置,探讨了电浮选-电凝聚方法在煤岩分选中的应用,重点研究阳极浮选中氧气泡为载体的浮选和电解絮凝联合作用过程中,影响煤岩分选效果的关键因素。

1 试 验

1.1 原料的制备

煤样采自神府张家峁煤矿,属不黏-弱黏煤。原煤经粉碎至粒度＜74 μm,真空干燥24 h后装袋备用。煤样的工业分析及显微组分组成见表1。

由表1可知,神府煤以镜质组和惰质组为主,壳质组含量较低,因此,将镜质组和惰质组作为主要研究对象。

1.2 电浮选试验方法

自制的“U”形串联式电浮选装置(图1)。不同于常规的单柱式浮选装置,也不同于常规的电浮选柱,采用“U”形电解槽结构,通过盐桥将阴极浮选柱和阳极浮选柱连接起来,从而形成串联式两段电浮选装置,以利于研究电浮选-电凝聚方法的应用效果和作用机理。浮选柱有效尺寸为 28.3 cm2×35 cm,阴极和阳极电极均为网状铝板,左侧为阴极浮选柱,右侧为阳极浮选柱,铝板规格为28.3 cm2×3 mm,铝板平面有效面积为25.1 cm2,材料纯度＞95%。电源为直流稳压电源(0～60 V,0～5 A)。电浮选过程中的铝电极发生的主要的化学反应为

阴极区用氢气泡作载体进行浮选,阳极区则利用氧气泡作载体进行浮选,同时在阳极区由于有氢氧化铝形成,从而存在凝聚作用。

针对阳极区浮选过程和电凝聚过程,重点考察阳极区影响煤岩显微组分分离效果的关键因素。浮选捕收剂为油酸,加入量2 kg/t;起泡剂十二烷基硫酸钠,加入量0.8 kg/t。考察矿浆pH值、浮选时间、矿浆浓度及电压强度对分离效果的影响,进行单因素试验,调节矿浆pH值分别为3、5、7、9和11(矿浆质量浓度20 g/L,浮选时间30 min,电压强度40 V);电压强度为10、20、30、40、50 和60 V(pH=3,矿浆质量浓度20 g/L,浮选时间30 min);浮选时间为10、20、30、40、50 和 60 min(pH=3,电压强度 40 V,矿浆质量浓度20 g/L);矿浆质量浓度为10、20、30、40和50 g/L(pH=3,浮选时间30 min,电压强度40 V)。采用浮选收率及显微组分富集率评价分选效果,镜质组和惰质组富集率计算公式[21]为

式中,αV、αI分别为镜质组、惰质组富集率,%;m1.33、m1.27、m1.39 分别为密度为 1.33、1.27、1.39 g/cm3的溶液浮物质量,g;m为煤样质量,g。

1.3 铝离子浓度测定方法

使用HANNA公司生产的HI96712微电脑铝离子浓度测定仪测定pH=3、电压强度60 V时,不同浮选时间条件下的铝离子浓度。具体方法参照Aluminon试铝灵法,铝和试剂反应呈红色。

1.4 阳极浮选柱电絮凝分析试验方法

利用高速摄像拍照方法观察不同浮选时间下阳极浮选柱中絮团凝聚现象,并采用Image-pro plus 6.0软件对图像进行染色处理,统计絮团占比。

2 结果与讨论

2.1 浮选收率的影响因素

矿浆pH值、电压强度、浮选时间及矿浆浓度对浮选收率的影响结果如图2所示。

由图2(a)可见,随着矿浆pH值的增加,浮物累积收率先增加后降低。这是由于矿浆pH值的改变可以调整煤粒表面电性。阳极区浮选柱中,因电解反应产生Al3+,其水解程度受pH值大小影响,通过水解作用,形成的氢氧化铝促进了电凝聚作用,电凝聚作用越强,浮物收率越低。

由图2(b)可见,随着电压强度的升高,浮物收率随之增大。电压强度主要决定电化学反应的速率,电压越大,反应速度越快,溶液中气泡产生量越多,同时电极消耗速率提高,形成的氢氧化铝也增加,浮选收率持续升高表明气泡浮选的增速大于凝聚作用。

在试验条件范围内,浮选时间与浮物收率基本呈正相关关系(图2(c))。随着浮选时间的延长,浮物累积收率增高。随着反应时间的延长,电极消耗不断增加,电极表面的有效面积随之增加,浮选速率加快,但随着电极的不断腐蚀,电极表面的有效面积降低,减缓浮选速率。需要说明的是,在试验条件范围内,因电极材料的耐受性,电极反应速率变化不明显。

随着矿浆浓度的增加,浮物收率增加,且当质量浓度约为30 g/L时,收率基本不再变化(图2(d))。这是因为随着矿浆浓度的升高,矿浆体系中可被气泡捕获的煤粒增多,浮物收率增加,但当气泡对于煤颗粒的可携载量足够多时,再增加矿浆浓度并不能明显地提高浮物收率。

2.2 煤岩显微组分富集率的影响因素

2.2.1 矿浆 pH 值

矿浆pH值对分选后浮物镜质组富集率和沉物惰质组富集率的影响结果如图3所示。

由图3可知,随着矿浆pH值的增加,浮物中镜质组含量和沉物中惰质组含量均呈现先降低后增加的趋势,该趋势与图2(a)中浮物累积收率的变化趋势相反。其原因可能是由于随着浮物量的增加,浮物中镜质组和惰质组的绝对量均有所增加,而镜质组的相对含量有所降低,反之亦然。矿浆pH值会影响阳极电化学反应平衡,改变矿浆溶液体系中Al3+浓度及其作用形式,会引起电解凝聚现象,从而改变浮选效果。

2.2.2 电压强度

煤岩显微组分富集率随电压强度的变化结果如图4所示。

由图4可见,随着电压强度的增加,浮物中镜质组含量降低,这与图2(b)浮物收率与电压强度的关系相反,表明浮物的累积收率伴随着镜质组和惰质组绝对量的增加,而浮物中镜质组的相对含量有所降低。沉物惰质组的含量随着电压强度的增加有所升高。随着电压强度增大,浮物收率增加,沉物收率不断降低。因此,沉物中惰质组的相对含量与沉物收率基本呈相反趋势。这可能是由于电压强度增加,电解反应速率加快,虽然浮选体系中气泡量增加,但电解凝聚作用亦有所增强,而惰质组更易被凝聚沉降,致使沉物中惰质组含量增加。

2.2.3 浮选时间

浮选时间对煤岩显微组分富集率的影响结果如图5所示。

由图5可知,随着浮选时间的延长,浮物镜质组含量降低,这与浮物累积收率增加有关,原因同上。沉物中惰质组的含量随浮选时间先增加后降低,其原因可能是:① 随着浮选时间的延长,沉物累积收率降低,镜质组相对于惰质组可浮性较好,致使沉物中镜质组含量越来越少,沉物惰质组的相对含量有所升高;②随着反应时间的延长,矿浆溶液体系中铝离子的累积浓度不断增加,电解凝聚作用增强,而其对于惰质组和镜质组的选择性有所降低,致使浮选时间过长时,沉物中惰质组含量有所降低。

2.2.4 矿浆浓度

煤岩显微组分富集率随矿浆浓度的变化趋势如图6所示。

由图6可见,矿浆浓度升高,浮物中镜质组的相对含量降低,而沉物中惰质组的相对含量先增加,后又略有减小。电浮选过程中浮物是通过电解气泡携带煤颗粒获得,而沉物则来源于未能被气泡黏附以及通过电解凝聚作用而沉降的煤粒。气泡矿化过程中,其对于天然可浮性较好的镜质组具有优先吸附的特点,但随着矿浆浓度的增加,其选择性有所降低,致使浮物镜质组含量相对降低;相应地,由于浮物的累积量增加,沉物收率降低,由于电凝聚作用的选择性致使沉物中惰质组的相对含量有所增加[22]。但当浮选气泡不可能更多地浮载煤颗粒上浮时,惰质组含量将不再随着矿浆浓度的升高而升高。

2.3 铝离子浓度的影响

阳极电浮选过程中铝离子含量及其水解形式将影响电凝聚作用的强弱,从而改变浮选效果。因此,考察了反应时间及溶液pH值对铝离子浓度的影响,如图7所示。

由图7(a)可见,阳极电解反应产生的Al3+浓度随反应时间增加不断上升,当上升到0.17 mg/L左右时趋于平衡。该趋势与图5中沉物中惰质组富集率随浮选时间的变化趋势较为一致,表明铝离子浓度的升高伴随着惰质组富集率的增加,证明了铝离子电凝聚作用对于惰质组的选择性。

絮凝过程是Al(OH)3吸附煤颗粒而形成絮体,絮体不断长大并下沉的过程。因此,Al3+的水解形式及其浓度将影响分选过程中电絮凝的效果。溶液pH值决定着矿浆体系中OH-的浓度,进而决定了Al3+水解化合物的形式,pH值与铝离子赋存状态浓度C关系如图8所示。

随着pH值增大,OH-浓度增大,Al3+浓度不断减小,Al(OH)3含量升高;Al3+在 pH=5.37时沉淀完全,因此在pH=6附近Al3+浓度最低(图7(b)),Al(OH)3含量最高(图8);但 pH＞7.6时,可能因为絮凝剂Al(OH)3与OH-生成[Al(OH)4]-,此时的[Al(OH)4]-含量大于10-5mol/L。在pH=10左右时,[Al(OH)4]-与Al3+双水解产生Al(OH)3,此时溶液中可溶铝离子浓度降低。与此同时,由图8可知,随着pH值的增加,溶液体系中带正电荷离子(如 Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2+)的浓度减小,带负电荷离子(如[Al(OH)4]-)的浓度增加。因此,矿浆pH值的增加可引起2方面变化,即煤粒表面负电性增加和溶液体系中铝水解阳离子化合物减少。

2.4 电凝聚絮团生长过程

利用高速拍照方法及Image-pro plus 6.0图片处理软件观测了阳极浮选柱中不同反应时间下的絮团生长状态,结果如图9所示。

由图9可见,阳极浮选柱中电凝聚产生的絮团的量随着反应时间的延长先增加后趋于稳定。该变化趋势与图7(a)铝离子浓度与反应时间的关系一致,表明絮团的增速与铝离子浓度的变化直接相关,进一步证明了电浮选过程中电解絮凝作用是受反应过程中铝离子浓度的控制。

3 结 论

1)电浮选法兼备浮选及电凝聚特点,可有效分离煤岩显微组分。控制矿浆pH值、电压强度、浮选时间及矿浆浓度可调整浮选回收率及煤岩显微组分富集率。

2)调节矿浆pH值、电压强度及浮选时间可影响阳极电化学反应速率,进而改变溶液体系中铝离子浓度及其水解形式。控制反应过程中的铝离子浓度及其水解形式可控制浮选分离效果。

3)铝离子浓度与电解絮凝作用直接相关。絮凝作用受反应过程中铝离子浓度的控制,铝离子浓度越大,絮团生成速率越快。

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