机械化水力旋流器和化学分散剂去除黏土颗粒在煤浮选中的效果

William J. Oats, Orhan Ozdemir, Anh V. Nguyen

澳洲布里斯本昆士兰大学化工学院，昆士兰4072

摘要：细粒矿物，多是黏土矿物，在煤浮选有着不利影响。本文重点关注机械化水力旋流器和化学分散剂去除黏土颗粒在煤浮选中的效果。试验结果表明在中酸性到中碱性范围内浮选回收率略有提高。用不同剂量的分散剂开展浮选试验，数据显示分散剂对浮选回收率没有明显提高效果。相反地，用水力旋流器去除浮选给料中的细粒矿物明显地提高了浮选回收率。气泡-颗粒附着试验同样表明在有黏土颗粒存在时，气泡和煤泥颗粒之间附着的时间会增加。这些附着时间结果清楚的显示出黏土颗粒通过罩盖在煤泥表面，减少了气泡-煤泥之间的附着作用，从而不利于煤泥颗粒的浮选。基于胶体稳定理论分析，黏土层受到范德华引力和双电层相互作用力而对煤浮选有着的影响只是扮演着次要角色。据此得出结论，在有黏土颗粒存在时，提高浮选回收率最好的方法就是用水力旋流器等机械手段去除细粒矿物。

1.引言

小于10mu;m的细粒矿物罩盖在有用矿物表面，使得有用矿物颗粒亲水并且减少了浮选捕收剂在矿物表面的吸收，阻碍矿物分离。细粒也会消耗浮选药剂，增加操作成本。

有很多研究开展调查由细粒引起的不利影响。这些研究表明矿物表面的细泥罩盖是由于带相反电荷的粗细颗粒间的静电吸引作用。如相同电荷的方铅矿粗细颗粒间没有吸引力，当体系中存在带相反电荷的细粒时，浮选回收率会显著降低。这也解释了细粒黏土颗粒被静电吸引到煤泥颗粒表面，并且附着情况很大程度上取决于煤泥和细粒的Zeta电位的符号和大小。黏土矿物对硼浮选的影响也被研究。试验结果显示当粘土矿物不存在，硼土矿（硬硼钙石、钠硼解石等）同时在阴离子和阳离子表面活性剂中均可浮，即使只有1%的黏土添加时也会相当程度地降低硼浮选回收率。细粒黏土矿物颗粒对几种容易疏水到适度疏水的煤泥试样的影响也是很多研究的课题。结果证实细粒的存在降低了煤浮选的品位和产率。

分散剂通过建立电荷和（或）空间排斥，抵消范德华引力对总净力的影响，从而广泛用于缓解颗粒间的胶体相互作用。这些分散剂多为阴离子聚合体，在矿物表面吸收，使得彼此相互排斥。从粗颗粒中分离出细粒的最经济有效的方法是像用旋流器这样的分类方法。通过水力旋流器筛分或脱泥去除煤矿样中的细粒，提高了煤浮选的表现。超声处理来分散硼矿中的黏土颗粒同样也能提高浮选回收率，并且减少所需捕收剂用量。更有研究表明，摇床也应用于去除细粒。

在煤工业中，黏土颗粒对过滤也有明显影响。黏土矿石如高岭石、伊利石、蒙脱石在煤泥颗粒的表面和边缘可以有不同的电荷分布和符号，可以用不同方式罩盖在煤颗粒表面，这取决于pH值、煤的种类和解离程度。Arnold和Aplan研究表明，当一种类型的粘土矿物如膨润土能明显降低煤浮选指标时，像高岭石或伊利石等其他粘土矿物则不会对煤浮选表现出明显影响。

研究目的是为了探究细泥对来自BHP Billiton Mitsubishi Alliance (BMA)的煤矿试样的浮选影响。明确的是，研究重点比较用水力旋流器和化学分散剂去除细粒矿物在煤浮选中的效果。同时研究煤浮选中pH和分散剂的联合作用。最后，细粒粘土矿物对气泡-颗粒附着的影响也用附着时间等手段来进行研究，以确定黏土矿物对煤浮选影响的物理基础。

2.试验材料与方法

2.1试验材料

用于浮选试验的焦煤矿，中等疏水，来自澳大利亚昆士兰中部的必和必拓三菱联盟矿。浮选用-0.5mm粒级部分进行试验。图1给出了浮选给料的粒径分布，还获得了相对于颗粒大小的样品的灰分含量。图1表明，样品灰分含量随粒径的减小略有增加。值得一提的是，灰分含量在-150mu;m粒级部分显著增加，需要注意的是，-38mu;m部分（主要是黏土矿物）中灰分含量非常高，约有53%。从给料中去除细粒组分能明显减少给料中的灰分含量。

捕收剂和起泡剂分别是柴油和MIBC，柴油用量100g/t，MIBC整个试验共用15ppm。分散剂是试剂纯硅酸钠（Sigma–Aldrich, Australia）和六偏磷酸钠（Fisher Scientific, Australia）。分析纯NaOH 和 HCl用来调节pH。

2.2浮选试验

用一个小型实验室Agitair浮选槽（2.5L）加入-0.5mm粒级部分进行浮选试验。每次浮选，取250g煤矿样，给水至刻度线处，不加任何药剂，以900转/分钟搅拌5min。在调节步骤中，加入酸或碱来调节溶液的pH值。5min后，加入所需量的柴油和MIBC，混合3min。最后，以 10升/分钟的流量引入空气，在1，3，5，和8分钟收集泡沫。叶轮转速保持在600转/分钟。给料固体的质量浓度为10%。在有分散剂的浮选试验中，与以前的程序，唯一的区别是，悬浮液初始调节5min后加入分散剂，然后悬浮液再混合5min。所有有分散剂的试验均在自然pH（~8）下开展。精矿和尾矿过滤、80℃烘干、称重以备后用。对灰分的分析，从各级产品中分别取得约10g烘干样品首先用研钵和杵碾磨，再取各级产品约2g放入炉中以815℃烧2h。剩下的部分称重来计算灰分含量。

Fig. 1. Size distribution of the raw coal sample and ash content distributions of cumulative undersized coal products with and without the Agrave;38 lm fraction removed.

2.3水力旋流器脱泥

为去除给料中的细粒部分，水力旋流器分离器选用AKW旋流器（AKW Apparate Verfahren GmbH, Germany）。查阅标准文献了解到，有许多因素会影响旋流器的效率，如顶端直径，旋涡直径，进料固体百分比，进料率等。考虑到本课题重点研究以简便方法尽可能多地去除细粒，我们仅在保持不变的进料固体百分比和进料率下，改变顶端直径和旋涡直径来开展旋流器试验。保持固体含量为10%、进料率为3L/s。联合研究结果见表1。如表所示，四种不同顶端直径和旋涡直径的组合只为寻求最佳条件。

在试验中分离的底流和溢流产品同时被收集起来。分离结束后，用Master Sizer 2000 (Malvern, UK)分析得到底流和溢流的粒级分布。数据结果如表2所示。分离的目标是使得-38mu;m样品和溢流的分离达到最大化。基于试验结果，考虑到能获得的产品粒径，我们选用15mm直径的套管和29mm的涡流器进行浮选试验。

2.4气泡-颗粒附着试验

气泡-颗粒附着试验选用含有细粒切多为黏土颗粒的煤矿样，以便了解这些细粒对气泡-颗粒附着时间的影响。准备煤矿样（212-150mu;m）悬浮液进行试验（1g矿样100mL蒸馏水）。同时，黏土悬浮液是从含有-38mu;m粒级的悬浮液中获得的。固体质量分数为20%。混合试样30min后，将黏土悬浮液静置一段时间以使得粗颗粒沉降。然后，在煤悬浮液中加入少量该悬浮液以获得所需黏土浓度。悬浮液最初非常浑浊，不够清晰来使得气泡-颗粒附着试验中的附着粒子光学可视化。因此，附着试验是在过夜使用附着计时装置使得黏土矿物沉降之后进行的，这是在以前的论文中介绍过的。

3.结果和讨论

3.1pH对浮选的影响

pH是通过影响黏土和煤泥间的静电吸引来控制细泥罩盖的最重要因素之一。出于这个原因，浮选试验首先进行对pH影响的研究。图2绘制出了悬浮液pH值对回收率的影响结果，结果表明煤的回收率低于70%且随悬浮液pH的增加而增加。

3.2分散剂对浮选的影响

在使用经水力旋流器处理后的试样进行浮选试验之前，我们先探究了聚合物分散如六偏磷酸钠（HMP）和硅酸钠（SS）对煤浮选的效果。结果见图3。正如图所示，使用分散剂略微提高了浮选的回收率，硅酸钠作分散剂对煤浮选回收率效果略好于六偏磷酸钠。总体来说，分散剂的作用都不能使浮选回收率明显增加。

Fig. 2. Results for coal flotation as a function of pH.

Fig. 3. Results for coal flotation with dispersants.

3.3水力旋流器脱泥的效果

用经水力旋流器脱泥后的试样进行浮选的结果如图4.结果表明灰分含量为14.02%时，回收率能增加到94.1%。显然，从给料中去除细粒能显著提高浮选回收率。图4中包含了之前用分散剂进行试验的结果，用机械方法和化学方法去除细粒对浮选回收率的对比清晰的表明在煤浮选中提高浮选回收率最好的方法就是用水力旋流器脱泥。

3.4气泡-颗粒附着试验

浮选的效率严重依赖于空气气泡从悬浮液中捕捉疏水性颗粒的能力。从以往结果来看，煤颗粒表面的细泥罩盖在很大程度上影响了煤浮选的表现。为了更好地了解细泥对煤浮选的影响，我们在存在细粒和不存在细粒的情况下，用煤颗粒开展了气泡-颗粒附着试验。结果见图5。如图5所示，不存在细粒时，煤颗粒的接触时间被认为是短于10ms（100%附着）。然而，当煤颗粒含有0.1%的细粒时，在气泡上附着了10ms的煤的附着百分比是80%。

Fig. 4. Effect of dispersants and hydrocyclone desliming on coal flotation.

Fig. 5. Bubble–particle attachment versus contact time for coal particles in the absence and presence of fine clay particles as measured by the attachment timer device.

图6显示了存在和不存在细粒粘土矿物时煤颗粒附着在气泡表面的显著区别，这些细粒黏土矿物普遍附着在煤颗粒的表面。试验结果强烈表明细泥罩盖显著地阻碍了煤颗粒在气泡上的附着，因此降低了煤浮选的回收率。

Fig. 6. The attachment of the coal particles onto air bubbles in the absence (left picture) and presence of (0.1%) fine particles (clay) particles (right picture) under the same conditions. The left bubble surface is covered by the attached coal particles, while the presence of fine clay particles make the suspension on the right picture very turbid and cover the coal surface, making the particles difficult to attach to the bubble surface.

3.5利用胶体相互作用理论对黏土罩盖的分析

为了更好的了解黏土矿物在煤泥表面的罩盖，一项基于胶体颗粒的团聚稳定性的DLVO理论被提出，从而用胶体相互作用理论进行分析。DLVO理论包括范德华力和双电层力。

煤泥颗粒的表面Zeta电位是用ZetaSizer Nano-ZS (Malvern,UK)，用微电泳的方式测得的。气泡的zeta电位是通过用zeta电位仪(Rank Brothers, UK)，使用一种在文献中介绍可行的方法测得的。约1毫米的电解质浓度是类似的实验室的浮选条件。这个zeta电位的结果如图7所示。

DLVO理论预测的相互作用力是由范德华力和双电层力的方程和组成的。方程①和⑦是在恒定表面相互作用的电势或方程和，①和⑧表示在恒定表面的相互作用。图8所示为在未经调整的pH值为8的悬浮液在正常条件下所获得的胶体相互作用力的结果。可从图8 看到，双表面荷电机理的双电层力是排斥的，因此，两者之间的极端情况下发生的表面电荷调节的双层相互作用也是排斥的。相反地，范德华力在所有分离距离内都是相吸引的。特别地，在短的分离距离内，范德华力很强，以至于双电层斥力也能被克服，最终表现为在近距离接触时颗粒间的强的净DLVO引力。可以得出结论，范德华引力是黏土罩盖的驱使动力。对球形颗粒进行了简单的分析，可以推广到粗糙的和非球形的真实煤泥颗粒和粘土颗粒。该扩展将导致校正因子，但主要结论将不改变。

Fig. 7. Zeta potentials of coal particles and air bubbles (Ozdemir et al., 2009) and

clay particles.

Fig. 8. Colloidal (DLVO) forces between a coal particle and a clay particle versus

inter-surface separation distance, normalized by dividing by the effective radius,

R = R₁R₂/(R₁ R₂), where R1and R2are the particle radii.

3.6综合讨论

现有文献表明细粒黏土矿物吸附在带负电的煤颗粒表面，增加了产品中灰分的含量。黏土矿物表面带负电，其边缘带正点。在低pH值下，煤

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