超声微乳捕收剂的制备及煤泥浮选性能研究
摘 要:为了提高烃油捕收剂在水中的分散性,采用微乳化技术制备柴油微乳捕收剂,并通过超声波强化分散效果,考查了超声频率、超声功率和超声时间等因素对柴油微乳化效果的影响,获得了最佳超声作用参数,并进行了不同捕收剂的煤泥浮选试验。结果表明,超声频率20 kHz、超声功率400 W、超声作用时间15 min为最佳超声条件,在此条件下制备的超声微乳捕收剂ULY中油滴平均粒径为16.39 nm。煤泥浮选试验表明,柴油、微乳捕收剂LY和ULY在用量900、800和750 g/t条件下可获得的最佳浮选完善指标,分别为58.58%、62.87%和62.25%,说明柴油经微乳化后,可在较低用量条件下获得更好的综合分选效果,且LY和ULY节油率分别达到72.22%和73.96%。在分选指标相近的情况下,ULY用量比LY减少50 g/t,说明超声微乳能形成更加细小的油滴,有利于提高分选效率,降低捕收剂耗量。
关键词:超声波;微乳捕收剂;浮选;煤泥
0 引 言
浮选是目前煤泥回收最有效的方法,而捕收剂是影响煤泥浮选过程的关键因素。通常在煤泥浮选过程中采用柴(煤)油等非极性烃类油作为捕收剂,该类捕收剂不溶于水,在机械强制分散作用下,只能以较大粒径的油滴分散于煤浆中,导致捕收剂利用率低、耗量大[1-2]。因此,将烃类油高效分散到水中,从而最大程度减小分散于水中的油滴直径,是制备高效煤泥捕收剂的重要研究方向之一。微乳液是由油、水、表面活性剂及助表面活性剂组成的透明、各相同性、能自发形成的热力学稳定体系[3]。微乳液的重要特征就是分散相的平均粒径小于100 nm[4],因此,可以通过微乳化技术,使烃类油在水中分散成更小、更均匀的油滴,从而改善目前煤泥捕收剂存在的问题。微乳化技术在煤泥浮选中的研究仍处于起步阶段[5-6],目前多集中于高效表面活性剂的研发[7-9],而对微乳化设备的研究较少。与微乳化技术有一定相似性的乳化技术研究表明,乳化设备对于乳化效果具有十分重要的影响。在简单搅拌器、胶体磨、均质器、超声设备这4类主要的乳化设备中,超声乳化器的效率最高,可使液滴粒径减小、分布更加均匀[10]。如果采用超声设备制备烃油微乳捕收剂,能够获得粒径更加细小的油滴,将有利于进一步增大捕收剂与煤粒的接触面积和碰撞概率,从而提高浮选效率、降低药耗。笔者以自制柴油微乳捕收剂LY配方为基础,采用超声设备制备微乳捕收剂,研究了主要超声参数对微乳化效果的影响,考察了超声微乳捕收剂的煤泥浮选性能,为超声技术在微乳捕收剂制备中的应用提供技术支持。
1 试 验
1.1 试验原料
试验所用试剂主要有自制纯度99%的表面活性剂LYS,仲辛醇(分析纯)、正戊醇(分析纯)及0号柴油。
试验煤泥样品取自山东新汶矿业集团某选煤厂,属于气肥煤,样品工业分析见表1。
表1 煤样工业分析
Table 1 Proximate analysis of coal sample %
Mad Aad Vdaf FCdaf 1.28 31.88 32.13 34.71
1.2 试验仪器
BILON92-ⅡDL超声波细胞粉碎机,上海比朗仪器有限公司生产;Zetasizer Nano激光粒度仪,马尔文仪器有限公司生产;CJJ79-2数显恒温磁力搅拌器,金坛市华立试验仪器厂生产;1.5 L浮选机,武汉探矿机械厂生产。
1.3 试验方法
1.3.1 超声微乳捕收剂的制备及检测
1)微乳捕收剂的制备。将柴油、自制的表面活性剂LYS、正戊醇和水按照质量比5∶3∶2∶6[9]利用数显恒温磁力搅拌器在25℃下混合,制备出微乳捕收剂LY,油滴平均粒径为30.71 nm。
2)超声微乳捕收剂的制备。将微乳捕收剂LY置于超声细胞粉碎器内,采用一定频率和功率的超声波进行处理,通过对超声参数优化后制备出超声微乳捕收剂ULY。
3)粒径检测。利用马尔文激光粒度仪(测定条件:波长532 nm,温度25℃,激光检测角度90°)测定微乳捕收剂和超声微乳捕收剂中柴油的粒径分布,以平均粒径作为评价指标。
1.3.2 煤泥浮选试验
按照GB/T 4757—2013《煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法》进行煤泥浮选试验。以柴油、微乳捕收剂(LY)或超声微乳捕收剂(ULY)作为捕收剂,仲辛醇作为起泡剂。采用可燃体回收率(Ej)和浮选完善指标(ηwf)对浮选效果进行评价,计算方法如下
式中,Mc为浮选精煤质量,g;Ac为浮选精煤灰分,%;Mf为浮选入料质量,g;Af为浮选入料灰分,%。
1.3.3 节油率
采用微乳捕收剂LY或超声微乳捕收剂ULY作为捕收剂时,将LY或ULY中的柴油量与柴油单独作为捕收剂时的用量进行比较计算节油率,节油率的计算方法如下
式中,J为节油率,%;D为单独采用柴油作为捕收剂时的柴油用量,g/t;Dw为微乳捕收剂或超声微乳捕收剂中柴油用量,g/t。
2 结果与讨论
2.1 超声微乳化试验
2.1.1 超声频率
超声频率与超声波空化阈值密切相关[11],是超声设备重要的操作参数之一。试验中分别采用20、40、60 kHz的超声波探头,在超声功率300 W时进行超声作用,作用时间为10 min,所制备的超声微乳捕收剂中油滴的平均粒径见表2。
表2 超声频率试验结果
Table 2 Results of ultrasonic frequency
超声频率/kHz 20 40 60粒径/nm 18.65 20.63 23.71
由表2可知,经过不同频率的超声波作用,油滴的平均粒径在超声频率20 kHz时最小,说明较高的超声频率对超声微乳捕收剂的制备不利。这主要是因为超声频率越高,空化阈值也越高,即产生空化所需要的超声功率也越大,因此,在低频率条件下,空化更容易产生。另外,在低频条件下,液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔,空化核有充足的时间增长到可产生效应的空化泡[12]。所以,对于本微乳体系使用频率20 kHz的超声发生器效率最高。
2.1.2 超声功率
在超声频率20 kHz的条件下,分别在超声功率100、200、300、400 和 500 W 时制备超声微乳捕收剂,超声作用时间为10 min,不同超声功率条件下油滴的平均粒径如图1所示。
图1 超声功率对微乳液粒径的影响
Fig.1 Effect of ultrasonic power on particle of microemulsified collector
由图1可知,随着超声功率的增强,油滴的平均粒径先减小后增大,在功率400 W时可获得最小的油滴粒径17.24 nm。在功率较小阶段,随着功率的提高,空化作用加强,油滴分散更充分。但当功率超过一定值(400 W)后,继续提高功率,表面活性剂和助表面活性剂形成的界面膜的性质将受到较大影响,导致胶团的聚集数增大,从而形成较大粒径的油滴[13-14]。因此,确定适宜的超声功率为400 W。
2.1.3 超声时间
在超声频率20 kHz、超声功率400 W的条件下,超声波分别作用5、10、15和20 min制备微乳捕收剂,超声时间与微乳捕收剂中油滴平均粒径的关系如图2所示。
图2 超声时间对微乳液粒径的影响
Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on particle of microemulsified collector
由图2可知,作用时间不超过15 min时,随着超声作用时间的延长,油滴平均粒径明显减小,最低可达到16.39 nm;当超声作用时间超过15 min后,油滴平均粒径基本不变,说明过长的超声时间对于提高微乳化效果作用不大。在超声开始作用阶段,超声的主要作用是通过空化将表面活性剂大分子击碎,从而降低了分子的空间位阻,有利于表面活性剂分子聚集成胶团[15-16]。但当超声作用时间超过一定值后,超声的击碎作用逐渐达到极限,继续延长时间,更多的是增加能量消耗。因此,适宜的超声作用时间确定为15 min。
通过超声微乳化试验,系统考察了超声频率、超声功率和超声时间对制备微乳化烃油捕收剂的影响,确定适宜的超声作用条件为:超声频率20 kHz、超声功率400 W、超声作用时间15 min,所制备的超声微乳捕收剂命名为ULY,采用马尔文激光粒度仪检测ULY中油滴平均粒径为16.39 nm。
2.2 煤泥浮选试验
分别采用柴油、微乳捕收剂LY和超声微乳捕收剂ULY作为煤泥浮选捕收剂,通过煤泥浮选试验对其浮选性能进行分析比较。
煤泥浮选质量浓度为80 g/L,捕收剂与起泡剂(仲辛醇)的质量比取10∶1,3种捕收剂用量控制为 700、750、800、850、900、950 g/t,浮选试验结果如图3所示。
由图3可知,3种捕收剂在浮选过程中体现出相似的规律性,即随着捕收剂用量的增加,精煤灰分和可燃体回收率都随之升高。整体上看,微乳化后的捕收剂与柴油的分选指标有明显差别,说明微乳化对捕收剂的浮选性能有较大影响。采用柴油作为捕收剂,其用量从700 g/t提高到950 g/t,精煤灰分由8.26%提高到11.93%,可燃体回收率从52.71%提高到79.10%,与微乳捕收剂LY和超声微乳捕收剂ULY相比,精煤灰分和可燃体回收率都明显较低。这表明无论采用何种微乳化方式制备的微乳捕收剂,在获得相同可燃体回收率时,所需用量明显较低,主要是由于微乳化所形成的更小粒径的油滴提高了浮选效率,降低了捕收剂耗量;但2种微乳捕收剂所获得的精煤灰分也较高,说明微乳捕收剂中的表面活性剂在浮选过程中起到了非选择性的捕收作用,将部分矸石带入精煤,造成精煤灰分偏高。
图3 捕收剂用量对精煤灰分和可燃体回收率的影响
Fig.3 Effect of collector dosage on combustible recovery and clean coal ash
进一步对比LY和ULY的浮选效果可以看出,不同的微乳化方式对于捕收剂的浮选性能虽然影响较小,但也呈现出明显的规律性。随着LY用量从700 g/t提高到950 g/t,精煤灰分由10.01%提高到14.63%,可燃体回收率从72.25%提高到 87.88%;随着ULY用量从700 g/t提高到950 g/t,精煤灰分由10.59% 提高到14.88%,可燃体回收率从78.79%提高到89.44%。在获得相似分选指标时,ULY的用量相对更低,考虑到LY和ULY的组成完全相同,说明超声所形成的粒径更加细小的油滴是节省捕收剂耗量的主要原因。
为了更加全面评价3种捕收剂的浮选效果,采用同时兼顾精煤灰分和可燃体回收率的指标——浮选完善指标进行分析,结果如图4所示。
图4 捕收剂用量对浮选完善指标的影响
Fig.4 Effect of collector dosage on improved flotation index
由图4可知,随着3种捕收剂用量的增加,浮选完善指标都呈现出先升高后降低的趋势。柴油、LY和ULY分别在用量为900、800和750 g/t时获得最佳浮选完善指标 58.58%、62.87%和 62.25%。 从浮选完善指标不难看出,微乳化后的捕收剂所达到的最佳浮选完善指标相似,但都明显高于柴油的浮选完善指标,而且微乳化后的捕收剂用量更低,说明柴油经过微乳化后,可以在较低的用量条件下获得更好的综合分选效果,也证明微乳捕收剂中纳米级粒径的油滴对于浮选的促进作用,强于其含有的表面活性剂对矸石的非选择性捕收作用。微乳捕收剂LY和超声微乳捕收剂ULY的节油率分别达到72.22%和 73.96%。
而对比LY和ULY的浮选完善指标可以发现,不同的微乳化方式虽获得了相似的浮选完善指标,但ULY的用量比LY低50 g/t,说明采用超声作为微乳化方式所形成的更加细小的油滴,有利于提高分选效率,从而进一步降低微乳捕收剂耗量。
3 结 论
1)通过超声微乳化试验,确定了适宜的制备超声微乳捕收剂ULY的超声作用条件为:超声频率20 kHz、超声功率400 W、超声作用时间15 min,ULY中油滴平均粒径为16.39 nm。
2)煤泥分选试验表明,柴油、LY和ULY分别在用量为900、800和750 g/t时获得最佳浮选完善指标 58.58%、62.87%和 62.25%,说明柴油经过微乳化后,可以在较低的用量条件下获得更好的综合分选效果,微乳捕收剂LY和超声微乳捕收剂ULY的节油率分别达到72.22%和73.96%。
3)超声微乳捕收剂ULY和微乳捕收剂LY相比,在获得相似分选指标的情况下,ULY的用量比LY低50 g/t,说明采用超声作为微乳化方式所形成的更加细小的油滴,有利于提高分选效率,从而进一步降低微乳捕收剂耗量。
参考文献(References):
[1]Polat M,Polat H,Chander S.Physical and chemical interactions in coal flotation[J].International Journal of Mineral Processing,2003,72(1):199-213.
[2]Tao D,Li B,Johnson S,et al.A flotation study of refuse pond coal slurry[J].Fuel Processing Technology,2002,76(3):201-210.
[3]Danielsson I,Lindman B.The definition of microemulsion[J].Colloids and Surfaces,1981,3(4):391-392.
[4]Hoar T,Schulman J.Transparent water-in-oil dispersions:the oleopathic hydro-micelle[J].Nature,1943,152:102-103.
[5]Ahmed H A,Drzymala J.Upgrading difficult-to-float coal using microemulsion[J].Minerals and Metallurgical Processing,2012,29(2):88-96.
[6]王运来,李 琳,韩 瑞,等.煤泥微乳捕收剂浮选性能试验研究[J].选煤技术,2014(6):9-11,29.Wang Yunlai,Li Lin,Han Rui,et al.Experimental research on micro-emulsion collector on coal flotation[J].Coal Preparation Technology,2014(6):9-11,29.
[7]贺兰鸿,解维伟,郭美玲,等.新型微乳液在煤泥浮选中的应用研究[J].煤炭工程,2011,43(12):97-99.He Lanhong,Xie Weiwei,Guo Meiling,et al.Applied study on new micro-emulsion to slime floatation[J].Coal Engineering,2011,43(12):97-99.
[8]李 涵.MECC煤泥微乳捕收剂的制备与性能研究[J].煤炭技术,2015,34(7):315-317.Li Han.Resarch on prearation and property of MECC coal slime micro-emulsion collector[J].Coal Technology,2015,34(7):315-317.
[9]李 琳,刘炯天,王运来,等.阴-非离子表面活性剂微乳捕收剂的制备及应用[J].煤炭学报,2014,39(11):2315-2320.Li Lin,Liu Jiongtian,Wang Yunlai,et al.Preparation and application of anionic-nonionic surfactant microemulsified collector[J].Journal of China Coal Society,2014,39(11):2315-2320.
[10]Abismal l B,Canselier J P,Wilhelm A M,et al.Emulsification by ultrasound:drop size distribution and stability[J].Ultrasonics Sonochemistry,1999,6(1):75-83.
[11]Mcclements D J.Principles of ultrasonic droplet size determination in emulsions[J].Langmuir,1996,12(14):3454-3461.
[12]Moussatov A,Granger C,Dubus B.Cone-like bubble formation in ultrasonic cavitation field[J].Ultrasonics Sonochemistry,2003,10(4):191-195.
[13]Allegra J,Hawley S.Attenuation of sound in suspensions and emulsions:theory and experiments[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1972,51(5):1545-1564.
[14]Mcclements D J.Ultrasonic characterisation of emulsions and suspensions[J].Advances in Colloid and Interface Science,1991,37(1/2):33-72.
[15]Higgins D M,Skauen D M.Influence of power on quality of emulsions prepared by ultrasound[J].Journal of Pharmaceutical Sciences,1972,61(10):1567-1570.
[16]Kentish S,Wooster T,Ashokkumar M,et al.The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation[J].Innovative Food Science&E-merging Technologies,2008,9(2):170-175.
Preparation and flotation performance of ultrasonic microemulsified collector for slime
Abstract:In order to improve the dispersion of hydrocarbon oil in water,a diesel microemulsified collector was prepared through microemulsifying technology.The ultrasound was used to further disperse the collector.The influence of ultrasonic frequency,ultrasonic power and time on the performance of collector was investigated.The results showed that,when the ultrasonic frequency was 20 kHz,the ultrasonic power was 400 W,the treatment time was 15 min,the dispersion effect was the best.The average particle size of ULY could reach 16.39 nm.The slime flotation test showed that,when the dosage of diesel,LY and ULY were 900,800,750 g/t respectively,the best improved flotation index were 58.58%,62.87%and 62.25% .After microemulsion,less collector could achieve better dispersion effect.The diesel saving ratio of LY and ULY could reached 72.22%and 73.96%.In addition,the dosage of ULY consumption decreased by 50 g/t compared with LY while the similar separation index was close.Ultrasonic microemulsion could form more small oil drop,which helped to improve separation efficiency and reduce the collector dosage.
Key words:ultrasonic wave;microemulsified collector;flotation;slime
中图分类号:TD94
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2016)04-0068-05
收稿日期:2016-03-24;责任编辑:白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.04.015
基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(51474140);山东科技大学公派国外访问学者资助项目
引用格式:李 琳,崔广文,刘惠杰,等.超声微乳捕收剂的制备及煤泥浮选性能研究[J].洁净煤技术,2016,22(4):68-72.LI Lin,CUI Guangwen,LIU Huijie,et al.Preparation and flotation performance of ultrasonic microemulsified collector for slime[J].Clean Coal Technology,2016,22(4):68-72.
