煤在盐溶液中浮选的泡沫稳定性研究
摘要
本文研究的目的是确定一个切实可行的解决方案，以减轻细粒煤在盐溶液中浮选泡沫过稳定的问题。研究煤粒大小、水质及浮选厂可操作的化学试剂对泡沫稳定性和煤浮选性能的影响。经研究发现，泡沫稳定性依赖于煤颗粒大小、工艺水和去离子水混合的用量比例与及捕收剂或起泡剂。混合粗颗粒煤与细颗粒煤或加水稀释以降低捕收剂或起泡剂用量的过程，都能显著降低了泡沫的稳定性。然而，只有减少试剂的使用这个方法，可建议作为一个健全的战略，因为它没有在消除泡沫稳定性问题的同时，影响了煤炭的浮选性能。
关键词：煤浮选；泡沫稳定性；空气回收；盐水
一、介绍
众所周知，在确定矿物浮选的回收率和选择性过程中，泡沫稳定性发挥了重要的作用。过稳定泡沫在浮选过程中使煤矸石矿物回收率提高，但过稳定的泡沫较难处理。而另一方面，不稳定的泡沫在捕收有价值的矿产时回收率又比较低。因此，确定最佳的泡沫稳定性在浮选过程中是十分重要的。
泡沫稳定性的重要性显而易见，因为澳大利亚许多煤炭浮选厂在浮选过程中都遇到过稳定泡沫的问题。这些工厂通常使用咸水（具有高离子强度的工艺水）来处理细粒煤颗粒（-150毫米）。浮选后的泡沫不会崩溃，并停留在过滤器，导致最终产品含水分含量较高。为满足最终产品的水分需求，浮选精矿的质量下降，导致浮选尾矿中可燃物质损失减少。此外，在发泡泵箱中，增稠剂造成油箱处理能力变差，干扰了正常的操作。在澳大利亚的煤炭浮选厂中，过稳定泡沫是很常见的，但在相关文献中却没有记载。
在几十年前，大家就都知道盐可以作为起泡剂，据相关研究者报道，气泡大小和泡沫的溢出率相当于0.4M氯化钠和10 ppmMIBC所产生的。Kurniawan等人在2011年研究了一个在强大起泡剂存在的条件下，煤颗粒在氯化镁，NaCl和NaClO3的混合液中浮选的方案。他们发现，电解质的存在明显提高浮选的回收率，并且发现最稳定的泡沫存在于氯化镁溶液中，而最不稳定的泡沫存在于NaClO3溶液中，这与煤的浮选方式有关，Farrokhpay与Zanin一致表示，多价金属离子的存在可使泡沫有更高的稳定性。
相关学者已研究过粒子性能（如大小，形状和疏水性等)对泡沫稳定性的影响。Tang等人在1989年，研究了二氧化硅颗粒的大小（-700 20nm）对十二烷基磺酸钠泡沫稳定性的影响，。他们的研究结果表明：颗粒的尺寸减小可以增加泡沫的稳定性。阿克塔斯等人在2008年在铂族金属矿上研究了颗粒大小对泡沫稳定性的影响，分别用senkol 5和Dowfroth 200为捕收剂和起泡剂，测得了动态泡沫稳定性指标。这个结果表明铂族金属矿粒子大小和泡沫稳定性具有强相关性。增加颗粒尺寸动态泡沫稳定性降低。约翰松和Pugh（1992）研究了石英在动、静态两种憎水性泡沫柱表面的的泡沫稳定性与颗粒大小的综合效应。结果显示小颗粒物在使用中等疏水性时可得最大泡沫稳定性。然而，粗颗粒在变化的疏水性条件下，却没有观察到这种趋势。
接下来研究试剂种类与用量（例如捕收剂和起泡剂）对泡沫稳定性的影响。威斯等人在2011年通过测定一个恒定的泡沫高度的累积水回收率来研究起泡剂浓度对泡沫稳定性的影响。他们表明即使在强烈的泡沫稳定性下，增加起泡剂用量（从40到70克/吨）则导致泡沫的稳定性增加。Gupta等人在2007年研究了家庭起泡剂的起泡性，包括包括酒精，MIBC（脂肪醇、alpha;-松油醇（循环）醇）和聚乙二醇型起泡剂（df-1012）。他们的结果表明，泡沫高度的顺序（动态泡沫稳定性）和泡沫停留时间（静态泡沫稳定性）从最高到最低是df-1012，alpha;松油醇，甲基，异丁基甲醇。威斯等人在2011年表示相比一个较长的链长器、异丁基黄原酸钠（异丁黄酸盐纳），短链长度乙基钠黄药捕收提供了较高的质量和水回收率。他们建议当使用丙二醇起泡剂来浮选铂族矿石时，应该使用具有协同效应的捕收剂和起泡剂异丁黄酸盐纳（由于异丁黄酸盐纳总是不稳定）。
泡沫柱的稳定性是常用来衡量泡沫稳定性的设备，然而，发现这种方法不适合于目前的研究，因为过稳定的泡沫崩溃时间是很长的。另一种评价泡沫稳定性的实用方法是采用空气回收法，这种方法被用于目前的研究。空气回收(a)是在纸浆中引入空气中的一小部分，其溢出的细胞是不连续的气泡，并在方程中定义：
a=Qout/Q=amp;vhw/Q
Qout是空气的体积流量，留下的顶部表面泡沫，Q是空气进入细胞的体积流量，amp;是在溢出的泡沫中是空气的一小部分，往往被认为是统一的，V泡沫在顶部的速度，h是泡沫溢流堰的高度。W是堰唇长度，当气泡回收率较高时，空气中的泡沫稳定性较高，因为气泡破裂或泡沫破碎造成空气损失较低。这表明泡沫表面的气泡破裂馏分为1-a。
目前研究中所使用的浮选槽中有一个数码相机和图像处理系统。在实验过程中，对浮选槽唇中溢流的泡沫高度进行了测量。假设浮选槽唇的宽度和空气中溢出的泡沫的馏分大致是统一。在稳态条件下进行浮选试验，泡沫的顶部表面被记录为后来的离线图像处理。使用计算机软件系统如visiofroth，气泡在泡沫顶部的速度可以得到。已知输入空气体积流量，则空气回收率便得以计算。
应该提到的是，在工厂与实验室规模的浮选细胞所使用的转子-定子机构，可能有助于泡沫的稳定性。在工程师和研究人员之间有一个共同的兴趣领域，因为转子-定子机构有助于气泡剪切，因此可以提高泡沫的稳定性。转子-定子机构在促进泡沫稳定性方面的作用，事实上权证更多的研究超出了这项工作的范围。过稳定泡沫是个常见的问题，本文讨论的物理和化学因素可能有助于这个问题。
这项研究调查的变量，这几乎可操纵在煤浮选厂的泡沫稳定性的影响，这些变量包括煤颗粒大小、水质及试剂。虽然它是公认的其他因素，如在确定泡沫稳定性时，煤的疏水性是非常重要的，但它们在本文中没有讨论，因为它们在矿山网站上不能被控制。这研究结果可作为初步解决煤浮选泡沫的稳定性，同时最大限度地减少对浮选性能的影响。应该承认是，之前研究过的如泡沫粒子的粒径、水质及化学反应对泡沫稳定性的影响等。然而，这些研究的目的主要是表征泡沫稳定性，而不是建议作为实用的解决问题的方法。此外，以前的研究是用非煤颗粒在一个正常范围内研究泡沫行为，不能直接提供用于煤浮选的解决方案。
二、材料与方法
2.1材料
煤样是从澳大利亚获得的样品，其组成如表1。用筛分法制备不同粒度组分的矿样，包括一下几种粒级：-106毫米， 150–250毫米， 355-500毫米和 500- 710毫米，研究不同煤粒径对泡沫稳定性的影响。在每一个尺寸部分内的可燃物质含量约为82%。这四个不同尺寸颗粒的接触角大小的分别为82.9°、86.6°、88.7°、和89.5°。这个接触角测量的方法Washburn技术已在别处描述（Washburn，1921）。这些煤样有类似的接触角及表面疏水性。
甲基异丁基乙醇和柴油分别为浮选中的起泡剂和捕收剂，因为这些都是常见的煤浮选药剂。工厂中的纯水和去离子水被用来研究水对泡沫稳定性的影响。过程水的组分列在表2中。过程水的PH值、电压和电导率分别是8.0、201mv和9.32 ms/cm。
2.2实验方法
2.2.1泡沫浮选法
浮选是在间歇浮选池中通过加入100g的煤和1.4dm的水进行的。空气流量为3L/min，搅拌速度为900rev/min.通常在浮选前一分钟在矿浆中同时加入50ml/t的甲基异丁基乙醇和160ml/t的柴油。累积的时间为1min、2.5min、5和10分钟后,分别收集浮选精矿.在获得第一次精矿后，再在矿浆中加剂量为50ml/ T甲基异丁基乙醇和160 L / T柴油。这个程序和药剂系统是基于该工厂的运行而设计的。当过程水的PH值稳定在8.5左右时可以被使用。另一方面，当使用去离子水时，通过NaOH溶液来调整PH值为8.5。当煤粒径小于150毫米时可在工厂中通过浮选获得，而粗糙的颗粒要在重力选矿厂处理。在这项研究中，浮选不同大小组分煤。虽然可以肯定的是煤的数量和起泡剂和捕收剂类型大大影响泡沫的稳定性，但在这项研究中它们保持与模仿的浮选厂试剂一致。
过滤湿精矿和浮选尾矿，然后在一个温度为80°的实验室里烘干过夜。将约2克干精矿或尾矿样品在温度为815°的加热炉中加热2小时，以此来确定可燃物和矿物质含量。
通过进行六次浮选试验和统计分级和可燃物质回收数据（通过计算标准差和方差分析使用Minitab软件）获得了浮选试验的试验误差。该实验误差为6.8%。
三、泡沫稳定性的影响因素
3.1影响泡沫稳定性的变量
图1显示了煤粒大小对泡沫稳定性的影响。对于纯水和去离子水，有一个普遍趋势，随着煤炭规模的增加，空气回收率下降。使用纯水时，空气回收率达到50%，这是最高的数据。其次是中间煤的大小在 150–250毫米时，空气回收率达19%，粗煤大小在 355–500毫米时，空气回收率达9%。当使用去离子水时，空气回收率最高时和中间煤颗粒的空气回收率（14 - 15%）相似，其次是与粗煤颗粒（6%）相似。
图1显示了煤的空气回收率与粒径及水质间的关系。其次还发现，空气回收率与泡沫性能相关。作图2中所示，当使用处理水时，细煤颗粒相比于中间煤颗粒产生更小，更紧密的泡沫，也对应于更高的空气回收。细颗粒和中间煤颗粒的气泡平均尺寸分别为16毫米和21毫米。当同样为细煤颗粒，工艺生产的水较去离子水产生小得多的气泡与较高的空气回收。
浮选试验结果表明：在上一节中，讨论煤粒径、水质和试剂方案对泡沫稳定性的影响的问题。有效地降低稳定性或许是解决过稳定泡沫的实际方案。因此，这不包括在细粒煤中添加10%的粗粒煤和用25%去离子水稀释工艺水，因为这些方法仍然产生较高的空气回收率。潜在的方法，包括20%粗煤与80%细煤混合、稀释工艺水从而创造50%去离子水和50%的工艺水混合的盐水、和通过只使用MIBC或柴油来减少化学试剂用量。解决过度稳定泡沫较健全的解决方案，是指那些既能显著减少泡沫稳定性，同时还符合煤炭浮选指标的方法。因此，应研究这些潜在的方法对煤的浮选性能的影响。
3.2颗粒大小
图6显示了使用纯水，分别从细粒煤和由细煤及粗煤的混合物中浮选，对应的累计可燃物质回收率与累积矿物的回收率。使用工艺水，当浮选100%精煤时，其可燃物质回收率是90%左右，但当浮选80%细煤和20%粗煤的煤混合物时，在浮选结束时其可燃物质回收率降低到83%。虽然这种变化可能不被认为意义重大，因为其误差是在可燃物回收率的实验误差范围内，但该结果与以往的研究成果是一致的，即相关研究人员发现在精细煤中浮选可获得较高的可燃回收率。随着粗煤颗粒的增加，可燃物质回收率降低的原因可能是由于提高了高气泡-颗粒的分离效率。累积矿物回收率也有类似的趋势，如图6所示。结果也同王和彭在2013研究的结果一致，即对比之下，精细煤矿的矿物质回收率较高。根据Warren在1985年研究的理论，精细煤矸石材料往往能保留住悬浮在气泡间的水，并通过机械收夹带回收。
由此可得到的结论为，由于约8%可燃物浮选回收率在浮选过程中会降低，所以在解决超稳定泡沫问题时，用20%的粗煤来代替细煤不是一个实用的方法。
3.3水质
盐度稀释被认为是解决过稳定泡沫的另一种方案，即当空气回收率减少到35%以下时，将工艺水和去离子水混合起来使用的方法。图7显示了在使用不同的水质的条件下，在同一种药剂下浮选，其对应的累积可燃物回收率。当使用工艺用水时可创造了90%可燃物质回收率，其次是使用去离子水和生理盐水的混合水时，可创造78%可燃物质回收率，最后使用纯去离子水，则可创造了73%的可燃物回收率。随着盐浓度的增加其可燃物回收率也随之增加的趋势已被证明（奥弗里等人.，2005；Kurniawan 等人.，2011）。
类似地，当使用的只有纯水时，可得到最高的矿物质回收率。如图7所示，当使用纯水时，浮选结束后矿物物质的回收率为40%，然后是纯水和去离子水的混合，最后是纯去离子水，其矿物物质回收率分别为28%和20%。随着盐浓度的增加其对于的矿物质回收率也随之增加的现象与奥弗里等人在2005年的研究结果一致，即增加氯化钠溶液浓度，累积矿物质回收率也增加。王某和彭某等人在2003年的研究中发现煤在盐水中浮选明显比在去离子水中复选得到了较高的回收率，其原因是去离子水增加夹带和包封的精细矿物物质。
虽然使用稀释的纯水可以消除过稳定泡沫的问题，但减少过稳定泡沫时，可燃物回收率则从90%显著降到78%。因此，稀释纯水来减少泡沫稳定性的方法并不是一个有效的方法。
3.4浮选药剂
调整使用的试剂被认为是另一种减少过稳定泡沫的方法。图8显示了在纯水中，采用不同试剂对细煤进行浮选，其对应的可燃物质回收率与累积矿物物质回收率。不管浮选药剂如何变化，在浮选结束的最后10分钟，其可燃物质回收率均在90%-93%内摆动。使用柴油和MIBC作为基准试剂方案，当试剂方案只有MIBC时，除了在第一个5分钟的浮层中可燃物质对矿物质的选择性稍微高一点，之后产生与基准试剂类似的浮选行为，不过,当试剂方案只有柴油时产生的浮选行为显着偏离基准药剂方案对应的基线，并产生更快的浮选动力学。
Naik等人在2005年研究浮选过程中柴油与MIBC，发现柴油在MIBC中发生乳化可以提高浮选效果。显然，MIBC的有益效果在目前的研究中未被发现。MIBC的烃链和和疏水性煤颗粒之间的疏水相互作用促进煤粉颗粒的吸附，在水和盐水中的屏幕和静电斥力能增强吸附。哈特等人在2006年发现在饱和盐
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