炼焦煤浮选中脉石污染的机理新见解：水夹带与矿泥罩盖的作用机制研究

《Separations》：New Insights into the Mechanism of Gangue Contamination in Coking Coal Flotation: Roles of Water Entrainment and Slime Coating

　　

摘要专业翻译 细粒脉石污染限制了炼焦煤中煤的浮选提质，然而对于不同脉石矿物，水夹带（water entrainment）和矿泥罩盖（slime coating）的相对作用仍不明确。本研究通过浮选试验、气泡-颗粒附着（bubble-particle attachment）测量、Zeta电位分析、DLVO计算、SEM-EDS观察、泡沫排水（foam drainage）及沉降试验，考察了石英、高岭石和方解石的污染行为。结果表明，脉石矿物的添加降低了可燃体回收率，可燃体回收率从低灰煤的91.68%分别降至煤-石英、煤-高岭石和煤-方解石体系的86.87%、84.77%和82.55%。石英表现出有限的煤-脉石缔合和更强的水夹带倾向，而方解石表现出更显著的表面附着，与矿泥罩盖污染一致。高岭石表现出中间行为，其颗粒缔合无法完全由经典DLVO计算解释。这些发现表明，脉石污染取决于界面相互作用、颗粒缔合和水介导传输的联合效应。该综合方法为识别矿物特异性污染倾向和制定提高浮选选择性的靶向策略提供了基础。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

随着易开采优质炼焦煤资源的逐步枯竭，提高现有炼焦煤储量的回收和利用效率已成为煤炭工业可持续发展的重要课题。炼焦煤中煤仍含有大量可通过进一步分选回收的可燃物质，但由于其矿物缔合复杂、分选响应较差，常被作为低价值燃料使用。提高炼焦煤中煤的分选效率，是提升有价值可燃组分回收率和整体资源利用率的重要途径。然而，由于解离不充分、煤-脉石缔合复杂以及细粒浮选中普遍存在的选择性差等问题，炼焦煤中煤的进一步提质仍面临挑战。

浮选凭借其选择性回收疏水煤粒的能力，已成为炼焦煤中煤提质和提升资源回收效率不可或缺的技术手段。然而，炼焦煤中煤的解离不可避免地伴随大量细粒煤和脉石颗粒的生成。一方面，细粒脉石颗粒可能随水非选择性地进入泡沫精矿，造成水夹带，该过程与水的回收率、泡沫排水、颗粒粒径、水动力条件和泡沫性质密切相关。另一方面，细粒脉石矿泥可附着于煤表面形成矿泥罩盖，遮蔽疏水位点，降低气泡-颗粒附着概率，从而降低可燃体回收率。由于水夹带和矿泥罩盖可能在同一浮选体系中同时发生，常规浮选指标如产率、灰分和可燃体回收率往往不足以识别主导污染途径。区分水载传输与直接表面缔合的相对重要性，是理解炼焦煤中煤浮选过程中脉石污染的关键问题。

以往研究大多将矿泥罩盖或水夹带分开考虑，而两者在同一浮选体系中同时运行时其相对贡献难以区分。此外，Zeta电位测量和经典DLVO计算主要描述平均电动性质和长程相互作用倾向。对于高岭石这类各向异性矿物，局部边-面相互作用可能不同于平均表面响应；对于方解石这类活性矿物，水相溶解和离子介导效应也可能改变界面。因此，单一表征方法不足以区分水介导传输与煤-脉石表面缔合，需要结合浮选响应、气泡-颗粒附着、界面相互作用分析、直接表面观察、悬浮稳定性和泡沫排水表征的互补证据链。

二、研究内容与意义

本研究选取石英、高岭石和方解石作为代表性脉石矿物，设计了简化的煤-脉石二元体系以解耦矿物特异性效应。研究人员通过浮选动力学和水回收率测量，结合气泡-颗粒附着试验、Zeta电位分析、DLVO计算、SEM-EDS观察、泡沫排水和沉降试验，区分了水夹带和矿泥罩盖的相对倾向。研究旨在阐明矿物特异性界面相互作用和颗粒缔合如何影响煤的可浮性和脉石回收，为理解脉石污染提供比较性机理框架，并为炼焦煤浮选过程中细粒脉石矿物的选择性控制提供见解。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了多种互补的表征手段。浮选动力学试验在1.5 L XFG单槽浮选机中进行，以煤油为捕收剂、2-辛醇为起泡剂，通过时间分辨精矿收集评价浮选速率。诱导时间和气泡-颗粒附着角测量采用自建的气泡-颗粒附着装置，以50%附着概率对应的最小接触时间定义诱导时间。Zeta电位分布测试使用Malvern ZSE分析仪，在0.1 mM NaCl溶液中于自然pH条件下测量。DLVO理论计算采用经典模型，将总相互作用能表示为范德华吸引能和静电双电层相互作用能之和。SEM-EDS分析使用Sigma 300扫描电子显微镜，在15 kV加速电压下表征煤表面形貌和元素组成。泡沫排水试验采用自建排水装置，定量评估水夹带对脉石回收的贡献。沉降试验在100 mL量筒中进行，通过澄清液高度评价煤-脉石异质聚集倾向。煤样采自平顶山神马平煤集团选煤厂，石英采自文山市，方解石购自桂林市，高岭石取自郴州市。

四、研究结果

4.1 浮选试验结果

炼焦煤中煤浮选试验表明，磨矿时间从5分钟增至6分钟时精煤产率提高，但继续增加磨矿时间并未持续提高产率。捕收剂用量从120 g/t增至360 g/t时，精煤产率从58.77%升至66.37%，但精煤灰分从约12%升至14%以上，呈现产率-灰分权衡关系。基于产率和灰分的平衡，选定磨矿时间6分钟和煤油用量120 g/t作为后续试验基准条件。低灰煤-脉石混合体系浮选试验显示，脉石矿物的添加降低了可燃体回收率，最终回收率从低灰煤的91.68%分别降至煤-石英、煤-高岭石和煤-方解石体系的86.87%、84.77%和82.55%，抑制效应顺序为方解石>高岭石>石英。煤-石英体系中脉石回收率随水回收率几乎线性增加，表明石英回收主要由水夹带控制；煤-方解石体系在低水回收率时脉石回收率快速增加后趋于平台，表明其他机制主导其回收；煤-高岭石体系呈现中间行为。

4.2 BPAA和诱导时间测量结果

气泡-颗粒附着角测量显示，煤-石英体系具有最大的附着角约65°，煤-高岭石和煤-方解石体系约为55°。诱导时间方面，煤-石英体系为2.5 ms，煤-高岭石体系为5 ms，煤-方解石体系为10 ms。延长的诱导时间表明气泡-颗粒附着概率降低，证明方解石对煤可浮性的抑制作用最强，其次为高岭石和石英，与浮选动力学结果一致。

4.3 Zeta电位分布测试结果

低灰煤和石英分别呈现单峰分布，峰值位于?20.59 mV和?41.15 mV。混合后煤-石英悬浮液保持双峰分布，峰值位置接近各组分单独值，表明两颗粒群体基本保持各自电动特征，界面缔合有限。相比之下，煤-高岭石和煤-方解石体系混合后由独立峰值转变为单一主导峰，峰值位置不同于各组分单独值，表明颗粒间发生相互作用和异质聚集。与石英相比，高岭石和方解石表现出更大的与煤颗粒相互作用的倾向。

4.4 DLVO理论计算结果

三种煤-脉石体系的范德华相互作用能相近，差异主要体现在双电层相互作用。由于煤和石英（或高岭石）表面均带强负电荷，煤-石英和煤-高岭石体系表现出静电排斥；方解石弱负表面电位大幅降低了静电势垒，使范德华吸引在短距离内占主导。总相互作用能对煤-石英和煤-高岭石体系保持排斥，而对煤-方解石体系呈吸引，表明煤-方解石异质聚集在能量上更有利。然而，经典DLVO预测煤-高岭石体系整体排斥，但Zeta电位分布、SEM-EDS观察和沉降行为表明高岭石仍可与煤表面缔合，这一差异与高岭石的各向异性结构一致：基面主要带负电荷，而边缘电荷随pH变化且可能不同于平均电动响应。

4.5 SEM-EDS分析结果

低灰煤表面相对光滑，附着颗粒少，EDS谱以碳为主。煤-石英体系中煤表面仅观察到少量孤立颗粒，Si和O信号与石英存在一致，附着有限。煤-高岭石和煤-方解石体系中观察到更显著的颗粒附着，Si和Al信号支持高岭石相关颗粒的存在，Ca信号为方解石附着提供证据。定性附着倾向顺序为方解石>高岭石>石英，与浮选结果一致。

4.6 泡沫排水试验结果

水夹带贡献在三种脉石矿物间差异显著，顺序为煤-石英体系>煤-方解石体系>煤-高岭石体系。排水产物中固体含量呈现相似趋势，而灰分变化较小。煤-石英体系中排水液作为细粒主要载体，更多脉石颗粒随水相传输，证明其更强的夹带倾向。随脉石含量增加，三种体系的水夹带贡献均增加，并与排水产物固体含量正相关。

4.7 沉降试验结果

低灰煤沉降最慢，石英、高岭石和方解石沉降迅速并在20分钟后形成明显固液界面。脉石矿物添加显著加速煤悬浮液沉降，20分钟后澄清液高度顺序为煤-方解石体系6.5 cm>煤-高岭石体系6.0 cm>煤-石英体系4.5 cm>低灰煤2.2 cm，表观聚集倾向顺序为方解石>高岭石>石英。

五、讨论总结与研究结论

综合证据表明，炼焦煤浮选中的脉石污染源于水介导传输和煤-脉石表面缔合的耦合贡献，其相对重要性取决于脉石矿物的界面性质和矿浆化学条件。石英表现出弱煤-脉石缔合、强静电排斥、有限表面附着和最高水传输贡献，以夹带控制路径为主；方解石表现出最强煤-脉石缔合和表面附着，水传输贡献相对较低，以矿泥罩盖路径为主；高岭石呈现中间和耦合行为，尽管经典DLVO预测排斥，仍存在可测量的表面缔合和聚集，水介导传输仍然相关。该机理区分也为工艺调控提供了依据：易夹带脉石可能对控制水回收率和泡沫排水的措施更敏感，而易罩盖脉石则需要更多关注分散、调浆和煤-脉石表面相互作用。

研究结论如下：第一，脉石矿物的添加降低了可燃体回收率，抑制效应顺序为方解石>高岭石>石英，可燃体回收率从低灰煤的91.68%分别降至煤-石英、煤-高岭石和煤-方解石体系的86.87%、84.77%和82.55%。第二，石英表现出相对较弱的煤-脉石缔合和更强的水夹带倾向；方解石表现出更显著的表面附着和聚集，与矿泥罩盖路径一致；高岭石呈现中间行为，其颗粒缔合无法完全由经典DLVO理论解释。第三，水夹带和矿泥罩盖是相互关联的污染路径而非独立过程，其相对重要性取决于煤-脉石界面相互作用、颗粒缔合和水介导传输，综合实验证据为在受控模型体系条件下区分矿物特异性污染倾向提供了基础。