微纳胶质荷正电气泡强化低阶/氧化煤浮选的机理研究

The flotation efficiency of low rank and oxidized coal is low because of the presence of a large quantity of surface oxygen functional groups. Efficiency can be enhanced by surface hydrophobicity regulation. However, it is not concened that the electrostatic repulsion between particles and bubbles is caused by electronegative oxygen-containing functional groups. In this project, the flotation process will be intensified by positive charged microbubbles pre-conditioning. The stability mechanism of positive charged microbubbles, the adsorption kinetic behavior and adhesion mechanism between positive charged microbubbles and low rank/ oxidized coal particles will be studied by Atomic Force Microscopy (AFM), Dynamic Wetting Film Apparatus (DWFA), and Quartz Crystal Microbalance (QCM-D) and other test methods. Combining with extended DLVO theory and the capillary force theory model, intensification of flotation by the bridging function of positive charged microbubbles will be studied. Finally, a prototype technology of low rank and oxidized coal flotation process, intensified by positively charged bubbles, will be established. This will be useful for the flotation engineering practice of low rank coal and the flotation process intensification of micro-fine metal ore oxide particles.

低阶/氧化煤因其表面丰富的含氧官能团导致浮选效率低。目前基于表面疏水性调控的低阶/氧化煤浮选过程强化取得了系列进展，但电负性含氧官能团给煤粒-气泡间静电斥力带来的增强效应仍未引起足够关注。本项目拟采用微纳胶质荷正电气泡预调浆强化低阶/氧化煤浮选过程，借助原子力显微镜（AFM）、浮选动态液膜分析仪（DWFA）、石英晶体微天平（QCM-D）等测试手段，探索微纳胶质荷正电气泡的稳定性机制，并研究其与电负性低阶/氧化煤间的吸附动力学行为及粘附机理；结合扩展DLVO理论及毛细力理论模型，揭示基于微纳胶质荷正电气泡桥接的低阶/氧化煤浮选过程强化机理，并最终建立微纳胶质荷正电气泡强化低阶/氧化煤浮选原型技术。微纳胶质荷正电气泡强化低阶/氧化煤浮选机理的揭示，对低阶/氧化煤的浮选工程实践和其它微细粒氧化矿浮选过程强化均具有借鉴意义。

我国煤炭资源禀赋条件差，低阶/氧化等低品质煤约占煤炭保有资源总量的 40% 以上。低品质煤表面亲水性含氧位点丰富，孔隙发达，电负性含氧官能团与常规荷负电气泡间的静电斥力阻碍了两者间的黏附，致使浮选回收困难。项目以颗粒-气泡间表界面行研究为基础，提出引入微纳胶质荷正电气泡，基于微纳胶质荷正电气泡桥接强化难浮煤浮选过程，旨在为难浮煤高效提质提供理论借鉴。.项目利用激光共聚焦显微镜直接观测亲疏水性表面微纳气泡生成机制，并将阳离子型表面活性剂CTAB经高速搅拌后制备荷正电的微纳胶质气泡。借助动态液膜分析仪测试微纳胶质荷正电气泡间液膜排液动力学，通过计算气泡间分离压力考察荷电胶质气泡稳定机制。研究发现，在疏水和亲水表面均观察到大量微纳米气泡，但亲水表面上产生的微纳米气泡的数量和横向尺寸显著小于疏水表面；与去离子水中气泡间液膜快速薄化破裂情况相比，表面活性剂加入后，胶质气泡间疏水力的减小导致液膜排液速率减小，液膜厚度增加，泡沫稳定性显著提高。.借助AFM胶体探针技术，直接测量了表面活性剂环境下颗粒气泡间相互作用力，揭示了微纳胶质荷正电气泡与低阶/氧化煤间的静电驱动吸附机理。适当浓度（1mM）阳离子表面活性剂DTAB的加入会引入静电吸引力，该引力克服双电层斥力诱发颗粒气泡粘附，DTAB会吸附在电负性玻璃微球表面使得颗粒表面变得疏水，疏水力开始支配相互作用过程，疏水力是颗粒气泡间液膜薄化破裂的根本驱动力。.采用扩展的DLVO理论及自主研发的多尺度黏脱附力测试系统，实现了颗粒-微纳气泡间纳牛级到毫牛级的微纳相互作用力学跨尺度精准表征，揭示微纳胶质荷正电气泡桥接的低阶/氧化煤浮选过程强化机理。微纳胶质荷正电气泡会强烈地吸附在颗粒表面以及空气泡表面，通过提供静电引力和疏水力桥接颗粒-气泡粘附。此外，微纳胶质荷正电气泡存在条件下颗粒诱导时间测试发现，在微纳胶质荷正电气泡条件下的平均诱导时间均小于去离子水条件状态。.基于上述颗粒-微纳荷正电气泡间相互作用行为研究，开发了适用于低阶/氧化等难浮煤的复合药剂，形成了复合药剂与微纳胶质荷正电气泡联合的难浮煤浮选界面调控技术。引入微纳荷正电气泡后，低阶/氧化煤浮选精煤产率显著提高，浮选捕收剂用量<2 kg/t时，浮选精煤产率> 80%，灰分< 10%，大幅降低了低阶煤浮选成本，为我国低阶煤大规模浮选提供了关键技术。