第一章浮选的基本原理为了使煤泥浮选达到优质、高产、高效、低耗的目标必须了解煤泥浮选的基本原理。本章主要介绍了煤和矸石颗粒分选的依据、分选的基本原理以及煤泥性质对浮选的影响等。第一节浮选的依据一、固体的润湿性煤泥的浮选是依据精煤与矸石颗粒表面性质的差异实现分选的选煤方法。为说明这一点先做一个实验。取石蜡和玻璃各一片将它们的平面擦净然后分别把一滴水轻轻滴在石蜡和玻璃的平面上。quotamp后可以看出石蜡平面上的水滴几乎呈球状水滴和石蜡的接触面积较小。滴在玻璃平面上的水滴则很快展开水滴与玻璃面具有较大的接触面积。如果把水滴在煤的表面情形就类似于石蜡把水滴在矸石表面情形就类似于玻璃。由以上实验可以看出水滴在玻璃和矸石的表面上能迅速展开而滴在石蜡和煤的表面上不能展开。这种水滴在物质表面上展开与不展开的现象称为被水润湿与不润湿现象。为水润湿的表面称亲水性表面不为水润湿的表面称疏水性表面。各种矿物被水润湿的程度存在差异。就以上四种矿物来说煤与石蜡是表面不易被水润湿的矿物称为疏水性矿物矸石和玻璃是表面易被水润湿的矿物称亲水性矿物。如果将石蜡和玻璃、煤和矸石悬置于水中用带有弯曲针头的注射器向它们的下表面分别送上一个气泡。就会发现当气泡与疏水性的石蜡或煤的表面接触时??’??第六篇浮游选煤气泡能很快的粘附在它们的表面上。原来的固、液相界面被固、气相界面代替而形成固、液、气三相周边。气泡与亲水性的玻璃或矸石表面接触时气泡很难粘附到它们的表面上即便粘附也呈球状而不能展开很难形成三相周边。各种矿物表面对水和气泡存在着亲疏程度的差异即不同矿物的表面润滑性有差异。浮选就是利用煤和矸石表面性质即润湿性的差异来实现分选的。煤和矸石表面的润湿性差异取决于相关物质的成分和分子结构。二、浮选矿浆中固、液、气三相的性质quot煤的成分及其表面性质我们知道煤的主要成分是高分子有机化合物另外还有少量的无机矿物质。煤中的有机物质主要由碳、氢、氧、氮、硫和少量的磷等元素组成。其中碳、氢、氧含量占有机质的以上。煤是由这些元素组成的高分子化合物的混合物在成煤过程中各种化合物经缩分、聚合作用而生成有机高分子化合物的混合物。烟煤中高分子化合物的基本结构单元是带有侧链的缩合芳香族。查明的侧链有直链烃、环烷烃和各种官能团。如含氮官能团—amp’、含硫官能团—’等以及各种含氧官能团—’、—’、、—’等。多数碳原子集中在芳香环上多数氧原子分布在侧链上。随着煤化程度增加芳香环增大而侧链减少。煤的高分子结构决定了煤粒表面的极性程度。高分子结构中的大部分是缩合的芳香环和组成侧链的脂肪烃和脂肪环其中的主要元素是碳和氢。碳原子之间的键是非极性共价键。碳氢键是极性很弱的极性共介键通常把它近似看作非极性共价键。所以它们构成了煤粒表面的非极性区域。在一些杂环的含氧官能团中碳、氢原子与氧原子之间是极性共价键。另外在许多官能团中还有氢键存在。由于这些成分在高分子结构中所占比例较小所以只构成了煤粒表面的少数极性区域。煤粒表面的极性常会发生变化。原因有多种煤表面的有机物质被氧化会引起含氧官能团数量增多少量的矿物质在成煤过程中成为有机成分煤岩成分中不可避免地浸染了极少量的微小矿物质存在一部分有机质和矿物质的连生体煤表面被极性的泥沙矿物污染毛细孔中含有水分等。由于上述原因加上成煤原始物质和成煤条件不同各种煤的煤岩成分不同煤粒表面的粗糙程度不同等原因因此煤粒表面的极性存在差异极不均匀。总之煤粒表面大部分是非极性区域同时存在着少数分散的极性区域。??-??洗选煤技术实用手册quot矸石的成分及其表面性质浮选原料中的矸石矿物包括外来矿物
质和次生矿物质它们是在煤的开采和洗选过程中因粉碎作用而产生的。选煤术语中所说的矸石实际上是不同粒度的岩石。矸石中常见的岩石主要是砂岩、粉砂岩、石灰岩、泥质岩和炭质岩等。在一种岩石里主要的造岩矿物常见的有种有的多达amp’种。例如砂岩的主要矿物成分是石英、长石和碳酸盐泥质岩的主要矿物成分是高岭土、胶岭石、蒙脱石和水云母等粘土矿物石灰岩主要有方解石、白云石等碳酸盐矿物组成炭质岩中含有炭的有机质。因此各种岩石的主要性质决定于主要成岩矿物的特性。组成矸石的矿物种类很多象硅酸盐类矿物、碳酸盐类矿物、硫酸盐类矿物、硫化物等。它们的化学成分中主要元素是、、、、-.、/0、12、30、4另外还有15、6、7、85、9、:、-等。以上这些元素所组成的物质原子间以相反电荷的吸引力或共有电子对联结在一起。又因它们分别对电子的吸引能力不同而使电子偏向吸此能力强的一方如氧、氟等产生极性所以常称为极性物质。在矸石表面上的荷电原子或原子团酸根离子、络合离子均未得到中和因此形成很强的极性表面。因炭质岩成分中存在碳的有机质所以出现非极性区。quot水的性质水分子由两个氢原子和一个氧原子组成分子中的两个—:极性共价键的分布是不对称的因此水分子是极性很强的分子。水分子间除存在分子引力外还有氢键的作用增加水分子间的引力形成缔合水分子因此水分子间有一定的引力存在。quot空气的成分和性质空气主要由氮气、氧气、二氧分碳及一些惰性气体组成。其中3占ltgt它是非极性分子。占gt也是非极性分子。/虽是极性共价键化合物但由于分子结构对称正负电荷的重心与分子的中心重合所以/是非极性分子。通过以上分析可知煤和矸石表面存在着极性区域。显然极性区域内存在着不平衡的电性即存在着静电引力场。因而对其它物质具有引力。以非极性为主的煤粒表面所具有的引力场较弱而具有极性的矸石颗粒表面的引力场较强。矸石与煤表面极性强弱引力场强弱导致煤与矸石表面润湿性不同。具有疏水亲油性的煤表面沾附油气泡上浮亲水疏油的矸石随尾矿排出从而实现煤泥浮选。??amp??第六篇浮游选煤三、相界面间的作用在浮选系统中浮选是在煤浆中进行的。煤浆是由固体煤和矸石颗粒、液体水和药剂、气体气泡所组成的体系。浮选的基本机理是煤粒以其表面附着于气泡的表面上而矸石颗粒则不能附着于气泡的表面上。这里所谓的气泡表面实际上是水与空气气泡中的空气的界面因此浮选过程的吸附是发生在固、液、气三相界面上的吸附现象。所谓“相”是指系统中的一个均匀部分分。系统的这一均匀部分和另一均匀部分之间即相与相之间有明显的性质差异且有一分界面。确切地说煤浆是由固、液、气三相组成的一个分散体系。浮选过程中所产生的许多现象大都发生在气液液固和固气三个相界面上。这些相界面上发生的现象是和浮选密切相关的它们是浮选过程中的主要矛盾。要浮选过程中固、液、气三相接触时就能形成固液、液气、气固三个相界面。由于固体和液体表面存在不均衡的力场相互作用时就产生了许多物理化学现象。如固体表面上的水化现象、吸附现象和润湿现象等。根据事物的本质利用和改变相界面上的作用就有可能用浮选法把煤和矸石等杂质分离开来或者达到改善浮选效果的目的。quot水化作用在水中矿物的表面与水分子产生作用使水分子在矿物表面产生定向排列形成水化层或水化膜这种作用称为矿物表面的水化作用。浮选过程中煤和矸石颗粒均处于水中且难溶于水但颗粒表面的质点和附近的水分子能相互极化产生程度不同的水化现象。煤和矸石颗粒表面的水化现象如图quot所示。图quot表明当水分子进?牍烫表面引力场范围内时水分子就能和固体表面极性质点作用互相级化按电的同性相斥和异性相吸的原则定向排列。水分子
离固体表面越近受表面质点的引力越大排列越规则、越密集离固体表面越远的水分子受表面质点的引力就越小排列就越显稀疏零乱。一定距离以外表面引力为零水分子就保持着自由状态图中的区。介于普通水和固体表面之间的过渡层称为水化层或水化膜图中的amp区。水化层可达几百或几千甚至几万个水分子的厚度。水化层具有一定的弹性当定向排列的水化层受到外力作用而变形时固体表面水分子因极化具有保持定向排??’??洗选煤技术实用手册列的趋势促使水化层恢复原状。图quot煤和矸石表面水化层示意图—水化层—水化层amp—固体表面由于煤粒表面大部分是非极性区水化作用很弱甚至没有水化作用因此对水分子的引力很弱所以不能克服水分子间的引力而使水分子定向排列在自己附近。矸石颗粒表面的极性较强其引力能克服水分子间的引力而使水分子定向排列在自己周围。如果固体表面的极性越强则生成的水化层越厚越稳定。因此可知矸石表面的水化层厚且稳定而煤粒表面的水化层薄且不稳定。固体表面的水化层越厚越稳定说明表面的亲水性越好。当气泡和矸石颗粒接触时如果没有很大的外力作用要克服很厚的水化层的阻挡而粘附在一起较困难因此矸石颗粒不容易粘附在气泡上。煤粒和气泡接触时因煤粒表面水化层较薄且易被破坏因此煤粒容易粘附在气泡上。’吸附作用溶质在相界面上的浓度不同于溶质在溶剂内部浓度的现象称为吸附作用。能吸附溶质的物质称为吸附剂被吸附的溶质称为吸附质。在煤泥浮选矿浆的液相中主要是水分子、水分子因弱电离作用而产生的和quot离子另外还有从矸石和煤中溶解到水里的水化离子。这是因为矿物表面质点和水分子相互水化作用时水分子对矿物表面有很大的吸引力。在这一引力的作用下矿物表面的正、负离子克服晶格离子间的内聚力而脱落下来溶于水中因此水中含有许多金属阳离子和阴离子或离子团。此外还有药剂的分子或离子以及其它有机质的胶粒存在。因颗粒表面具有引力场故能对水中的某些成分??’-??第六篇浮游选煤发生吸附作用。煤和矸石颗粒吸附了液相中的物质就可以改变其表面的水化程度增加或削弱颗粒表面的亲水性。如煤粒表面吸附油类药剂就可增加表面的疏水性吸附细粒的泥化杂质就会使煤粒表面的亲水性增加疏水性减弱。quot润湿作用水在固体表面上的附着称为润湿作用。在了解煤和矸石的表面性质以及固液界面上水化作用和吸附作用后下面来分析矿浆中固、液、气三相在接触时产生的润湿现象。煤和矸石表面的润湿程度不同这是因为煤和矸石表面性质具有差异。由于煤粒的非极性表面对水分子的吸附力远小于极性水分子间的吸引力所以滴在煤表面的水滴不易铺展开润湿程度较小这说明煤的表面疏水性较好。水中的煤粒其表面一般不能形成水化层或只能形成极薄的水化层且不稳定所以气泡易克服水化层的阻挡排开水化层而和煤粒表面粘附在一起。矸石表面的极性较强其表面引力场对水分子的引力大于水分子间的内聚力因此滴在矸石表面的水滴能很快自动铺展开这说明矸石表面亲水性较好。水中的矸石颗粒因水化作用可形成较厚且稳定的水化层所以气泡不易克服水化层的阻挡很难和矸石表面粘附在一起。不同矿物表面的润湿程度或疏水性的差异可用水滴在矿物表面形成的接触角表示。在置于空气中的矿物表面上滴一滴水在固、液、气三相接触达到平衡时三相接触周边上的任一点上液气界面切线与固体表面间形成的并含液体的夹角称作接触角。如图所示图中amp’角以来表示即为接触角。在上图中’表示固体在空气中的表面张力’amp表示水在空气中的表面张力’表示固体在与水之间的界面张力即固体在水中的表面张力。这些张力分别以quot、、-来表示。平衡时各界面张力间的关系如下-.-/??01-quot即01-quot.--从上式可知当--.时
01-quot.2quot.3这说明固体表面完全被水润湿在水中气泡不能粘附在固体表面上。当quot-.时01-quot.2quot.243这说明固体表面完全不润湿。在水中气泡极易吸附到固体表面上。以上是两个理想状态。实际上quot一般在3到243之间。在这个范围内随着quot角的增大固??5??洗选煤技术实用手册体表面的润湿性越来越差即表面疏水性越来越好说明矿物的可浮性越来越好。接触角的大小可用来衡量固体的润湿性它既能反映矿物的表面性质又可作为评定矿物可浮性的一个指标。实际上影响矿物可浮性的因素很多所以只能用接触角的大小来大致判断矿物的可浮性。从理论上讲只要接触角不等于矿物就有可能浮选。接触角越大可浮性越好。许多试验证明非极性矿物的接触角较大石蜡的接触角可达quot左右而一些强极性矿物的接触角几乎接近如硅酸盐类矿物。一般的矿物接触角在amp之间。在煤泥浮选中烟煤的接触角在’amp之间矸石的接触角一般小于。煤泥中的矿物其接触角范围大致如表’quot所示。表’quot所列几种矿物接触角的数值与实际浮选中矿物可浮性的顺序大致相同因此通过对矿物接触角的测定即可粗略掌握各种矿物的可浮性。由于煤和矸石颗粒组成成分的不同致使它们的表面性质具有差异它们的表面与液相、气相作用时表现出来不同的水化、吸附和润湿等现象。这些差异决定了煤泥浮选过程进行的方向和速度也基本上决定了药剂的作用机理和药剂的选择以及所能产生的效能。表’quot几种矿物的在水中的接触角矿物名称接触角矿物名称接触角烟煤’amp黄铁矿硫重晶石辉钼矿’方解石-方铅矿石灰石quot闪锌矿’石英荧石quot云母实际生活中有“水油不相溶”的现象。在浮选过程中加入油类捕收剂后亲水性矿物不亲油疏水性矿物则亲油油吸附在煤粒表面上提高了煤粒表面的疏水性从而增强了煤粒粘附于气泡的能力。捕收剂很难吸附在矸石表面上故对矸石表面疏水性影响甚微。由此可知浮选过程中加入捕收剂增大了煤粒与矸石间的可浮性差异。提高煤与矸石的可浮性差异是改善煤泥浮选的基本措
施。??-??quotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquotquot第六篇浮游选煤第二节浮选的过程煤泥浮选是以煤和矸石颗粒表面性质的差异为依据而进行的分选过程其目的是获得quot的低灰精煤。一、煤泥浮选的过程煤泥以矿浆的形式给入搅拌器将其配成适当的浓度同时加入适量的浮选药剂进行充分的搅拌。搅拌后的煤浆进入浮选机由于浮选机中搅拌机构的充气作用在矿浆中产生大小不等的大量气泡。吸附了药剂的疏水性煤粒和气泡粘附在一起浮升到矿浆液面聚集成矿化泡沫层由刮泡器刮取成为浮选精煤煤浆而亲水性的矸石颗粒则不能粘附到气泡上而留在矿浆底部成为浮选尾煤。煤泥浮选是在固煤泥、液水和气气泡三相界面上进行的。这一过程的关键是矿物表面性质具有差异矿浆中析出大量稳定而细小的气泡固体颗粒与气泡碰撞的结果是低灰分煤粒粘附在气泡上被浮到矿浆的表面高灰分的矸石颗粒则不能粘附在气泡上而遗留在矿浆中。在浮选过程中气泡是分选的媒介它同时又是精煤颗粒的运载工具。二、气泡的矿化煤粒在气泡上的粘着称为气泡的矿化。在煤泥浮选的矿浆中煤粒是怎样有选择性的粘附在气泡上的呢根据气泡矿化途径大致可分为二种情况amp气泡与矿粒多次碰撞而粘着。’溶解于水中的气体在矿粒表面析出而粘着。amp气泡与矿粒多次碰撞而粘着通过这条途径而完成气泡的矿化可分为三个阶段即颗粒与气泡的接触颗粒与气泡间水化层的破裂和粘附颗粒在气泡上固着、上浮。颗粒与气泡
的接触是气泡能否进行选择性矿化的前提条件。浮选过程中浮选机的搅拌作用使颗粒在矿浆中产生相对运动并伴随搅拌产生大量气泡。颗粒与气泡接触方式大致有四种amp颗粒与气泡碰撞。’颗粒在气泡表面滑动。颗粒被气泡的涡流吸到尾部。微泡在颗粒表面析出和大气泡接触。在煤泥浮选过??’??洗选煤技术实用手册程中希望煤粒和气泡接触的机会越多越好所以在可能的情况下增加煤粒和气泡在矿浆中的数量有积极作用。颗粒和气泡间水化层的破裂和粘附是决定煤粒能否有选择性的粘附于气泡的关键。当颗粒与气泡逐渐接近时介于其间的水化层要逐步变薄。不同颗粒表面水化层的厚度不同。浮选原料中的强极性矸石颗粒表面亲水性很强水化层很厚且稳定。当矸石颗粒与气泡碰撞时使水化层破裂非常困难因此矸石颗粒粘附于气泡的可能性很小。非极性的煤粒表面疏水性较强其颗粒表面的水化层很薄且不稳定。当气泡和这些颗粒碰撞时水化层很容易破裂因此疏水性的煤粒和气泡粘附的可能性较大。灰分较高或表面氧化的煤粒其表面极性较强即亲水性较好具有一定厚度的水化层所以它们与气泡碰撞时不易粘附于气泡上。这就要求在浮选时添加选择性较好的捕收剂以提高煤粒表面的疏水性使水化层厚度减薄强化煤粒和气泡间的粘附。颗粒在气泡上的固着强度是决定粘附于所泡上的颗粒能否最终到达泡沫层完成煤和矸石颗粒分离的关键。因为浮选过程是运动的过程粘附在气泡上的颗粒还要受到多种外力的作用如重力、离心力、打击力和振动力等。这些外力可促使颗粒从气泡上脱落下来这一力可称作脱落力。如果气泡上颗粒的质量和粒度越大则脱落力也越大。为了提高煤粒尤其是粗粒煤的固着强度一般通过提高煤粒表面的疏水性来实现。油类捕收剂在三相接触周边的富集群泡在煤粒表面生成气絮团的形成等都能提高煤粒在气泡上的固着强度。quot水中溶解的气体在矿粒表面析出而粘着在浮选矿浆中各点的压力剧烈变化。正压区空气要溶解到水中。加入起泡剂后提高了空气在水中的溶解速度很快能使空气的溶解达到饱和状态。负压区压力迅速降低气泡从水中析出。水中析出的气泡总体积很大而分散度又较高时气液总界面积也相对较大在浮选矿浆中就会有大量微细气泡存在。这对气泡有选择性的矿化起着积极作用。实验证明微泡最容易在疏水性强的固体表面生成首先是在表面的所谓生成中心生成。煤粒表面的疏水性很强粗糙区就是生成中心。通过实验可观察到在疏水的粗粒煤表面可看到几十个甚至几百个微细气泡而在亲水性很强的石英表面就没有发现有微泡存在。煤粒表面上尤其是粗糙煤表面聚集一群微泡之第六篇浮游选煤后能很快、有效地促使大气泡粘附到颗粒表面。群泡在煤粒表面生成能增加上浮力同时增加了三相接触周边的总长度从而增加了总的固着强度群泡克服脱落力的能力较单泡大得多。根据以上两种矿化途径可以看到颗粒能否粘附和最终固着在气泡上既取决于颗粒本身的特性又取决于外界条件。基本情况是颗粒表面的疏水性越好矿浆充气越好气泡从液相中析出越多颗粒大小和质量越合适则颗粒粘附于气泡的可能性就越大。颗粒表面疏水性越好矿浆搅拌越弱脱落力越小则颗粒在气泡上保持固着的能力就越强。煤泥浮选过程中虽然煤和矸石颗粒与气泡接触的机会均等但矿浆中煤粒表面水化层较薄气泡易克服水化层的阻力与煤粒表面接触由于煤粒疏水性较好密度小再加上捕收剂和微泡选择性地优先吸附到煤粒表面上所以煤粒容易与气泡粘附在一起且固着强度大。而矸石颗粒情况则相反不易与气泡粘附在一起即使产生粘附也容易从气泡上脱落下来。因此浮选的最终结果是煤粒与气泡粘着并随其一起上升至泡沫层成为泡沫产品而矸石颗粒大部分停留在矿浆中作尾矿而排出。煤粒与气泡附着后形成联合
体其结合方式大致可分三种类型。几个煤粒粘附在一个气泡上。quot群泡粘附在一个煤粒上这种形式有利于粗粒煤的浮选。形成气絮团此时气泡表面达到最大程度的矿化。试验证明颗粒越大越难使气泡矿化完成矿化过程所需时间也越大。从煤泥中的各种煤岩来看亮煤颗粒能很快完成同气泡的矿化过程浮选速度最快。疏水性较差的暗煤颗粒浮选速度较慢。矸石颗粒的浮选速度最慢。气泡矿化的难易取决于颗粒表面特性。以上我们叙述了煤泥浮选的依据和浮选过程中气泡的矿化。在此指出了煤和矸石颗粒分选的可能性和主要趋向但也看到了内外影响因素的复杂性。因此在极其复杂的浮选过程中人们必须应用浮选.
