我国低阶煤储量丰富，褐煤(占比12.76%)、 长焰煤(占比12.52%)、不黏煤(占比13.8%)、 弱黏煤(占比1.74%) 等低变质程度煤占已探明煤炭资源量的50%左右^[1]。但低阶煤表面含氧官能团多，表面疏水性差，传统烃类油捕收剂难以在煤表面高效吸附，药剂消耗量大，浮选效果不理想^[2]。针对低阶煤的表面性质，探索开发适宜的浮选药剂，是低阶煤浮选技术的研究方向。

近年来，众多研究者分别通过药剂与煤的作用机理^[3]，酯类与传统捕收剂复配^[4]，表面活性剂与传统捕收剂复配^[5]，羧酸与传统捕收剂复配等^[6]角度对低阶煤浮选药剂进行了研发，取得了大量研究成果。本文以晋华宫选煤厂大同侏罗纪-0.5 mm煤泥为对象，基于对煤泥表面性质的研究，将油酸、月桂酸、正癸酸、正辛酸与柴油按不同质量比进行复配，通过实验室浮选实验，探究其对低阶煤浮选的促进作用，以期为高效药剂研发及低阶煤提质利用奠定基础。

1.   实验部分

1.1   试样

本实验所用煤样采自晋华宫选煤厂大同侏罗纪-0.5 mm原生煤泥。试样的工业分析及元素分析见表1。

表  1  试样的工业分析和元素分析

Table  1.  Proximate and ultimate analysis of coal samples

工业分析	空干基水分Mad/%	空干基灰分Aad/%		挥发分 Vad/%	固定碳 FCad/%
数值	2.80	23.98		23.70	49.52
元素分析	C/%	H/%	N/%	O/%	S/%
数值	62.20	3.37	0.72	7.96	1.07

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实验煤样属于弱黏结煤，变质程度较低。由表1可知，试样的平均灰分为23.98%，属中等灰分；氧含量在元素组成中较高，达7.96%。煤样表面较多含氧基团的存在将使其具有较强的亲水性。

依据GB/T 477-2008《煤炭筛分实验方法》对煤样进行粒度分析，结果见表2。

表  2  煤样的粒度组成

Table  2.  Particle size composition of coal sample

粒级/mm	产率/%	灰分/%	筛上累计
			产率/%	灰分/%
0.25~＜0.50	23.16	15.93	23.16	15.93
0.125~＜0.25	33.81	18.36	56.97	17.37
0.074~＜0.125	11.20	25.83	68.17	18.76
0.045~＜0.074	7.40	27.20	75.57	19.59
0~＜0.045	24.43	38.74	100.00	24.27
总计	100.00	24.27

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由表2可以看出，实验煤样中适合浮选的0.074 ~0.25 mm粒级累计产率为45.01%；粒度相对较粗的0.25~0.5 mm粒级含量为23.16%，灰分15.93%。随着粒级的减小煤泥灰分增加。试样中的-0.074 mm微细粒含量比较高，为31.83%，灰分36.06%，表明原煤样中含有较多的易泥化矿物质，这些矿物质在浮选过程中容易进入精煤产品中，造成精煤灰分的增加。

1.2   煤样的XRD分析

X射线衍射仪（XRD）是采用单色X射线为衍射源，一般可以穿透物体，验证其内部结构，获得矿物的成分。采用XRD-6000型X射线衍射仪分析矿物成分，将小浮沉后的+1.6 g/cm³试样研磨至小于5 μm，将样品平铺于载玻片，放入仪器调整参数进行测量。图1为实验煤样的XRD。

图  1  实验煤样的XRD

Figure  1.  XRD spectrum of test coal sample

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由图1可知，实验煤样中的矿物质类型主要是石英，高岭石含量居中，夹杂着少量方解石，这些矿物具有较强亲水性，特别是高岭石，属黏土类矿物，遇水极易泥化，形成灰分较高、粒度细小的微粒，浮选中易混入精煤产品，污染精煤。

2.   实验方法

2.1   浮选实验

浮选实验采用XFDⅢ-1.0L单槽浮选机（叶轮搅拌速度1800 r/min，充气量0.25 m³.m^-2.min^-1）、多功能真空过滤机、马弗炉等。所用药剂有油酸、月桂酸、正癸酸、正辛酸、柴油、仲辛醇。其中月桂酸（熔点44 ℃）、正癸酸（熔点31.5 ℃）在常温下为固态，不可单独作为捕收剂，柴油及柴油与油酸、月桂酸、正癸酸、正辛酸复配药剂作为捕收剂，仲辛醇作为起泡剂。实验药剂的性质见表3。

表  3  实验药剂

Table  3.  Testing potion

类型	名称	分子式	规格
烃类油	柴油		试剂纯
羧酸	油酸	C18H36O2	试剂纯
	月桂酸	C12H24O2	试剂纯
	正癸酸	C10H20O2	试剂纯
	正辛酸	C8H16O2	试剂纯
起泡剂	仲辛醇	C8H18O	试剂纯

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浮选实验：试样加入自来水配制为浓度100 g/L的矿浆，调浆2 min，之后加入捕收剂，搅拌2 min，再加入起泡剂，10 s后打开进气阀门，并开始刮泡，刮泡时间为3 min。

实验以精煤产率、精煤灰分、尾煤灰分、可燃体回收率为标准评价其浮选性能。

2.2   接触角分析

接触角的值是煤表面疏水性的直观体现，接触角越大越疏水。测试采用DSA100接触角测量仪，分别取0.3 g小浮沉后的-1.6 g/cm³煤样和质量分数为10%的四种羧酸与柴油的复配药剂浮选后的精煤，在10 MPa条件下压片90 s。取薄片放于DSA接触角置物台。悬针与去离子水连通，操作软件控制液滴体积，薄片与液滴接触的过程由计算机系统连接CCD摄像机记录，通过系统图像分析得到接触角结果，测试三次取平均值。

2.3   捕收剂粒度测定

捕收剂的分散性越好，它在矿浆中分散的微小粒子越多，药剂与颗粒的碰撞概率越大。采用Microtrac S3500激光粒度分析仪对10%质量分数的四种羧酸与柴油的复配药剂进行粒度分析。分析介质为去离子水，取捕收剂0.1mL放于定量水中，搅拌后开始测量，时间为3 min。

2.4   XPS测试

XPS 即X射线光电子能谱，其原理是由于不同元素具有不同的电子结合能，根据光电子吸收峰，就可鉴定出样品中存在的元素，并通过对C1S分峰拟合可以确定其含氧官能团种类以及其含量。采用X射线光电子能谱仪ESCALAB 250Xi对原煤以及适量油酸处理后的原煤做了测试。

3.   结果分析

3.1   柴油浮选实验结果

以柴油为捕收剂、仲辛醇为起泡剂，不同药剂用量下的煤泥浮选实验结果见表4。

表  4  柴油浮选实验结果

Table  4.  Results of conventional flotation test

药剂用量/（g·t-1）			产品指标/%
捕收剂	仲辛醇	精煤产率	精煤灰分	尾煤灰分	可燃体回收率	浮选完善指标
3000	200	76.32	7.82	79.20	93.46	69.33
2000	200	75.53	7.87	75.75	92.14	67.85
1000	200	73.44	7.32	72.24	90.23	68.34
3000	100	76.90	8.36	80.43	93.97	68.26
2000	100	76.37	7.72	78.62	93.31	69.22
1000	100	71.33	7.26	68.49	87.98	67.12
1000	50	58.33	6.95	48.04	71.48	54.64
500	100	64.21	7.10	54.80	78.67	59.79
500	50	43.09	6.39	38.03	53.35	42.06

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由表4可以看出，固定仲辛醇用量100 g/t时，增加捕收剂柴油的用量，精煤产率、精煤灰分、可燃体回收率以及浮选完善指标随之增加。柴油用量为2000 g/t，精煤可燃体回收率达到90%以上。同样，固定柴油用量为1000 g/t时，增大起泡剂仲辛醇用量，精煤产率、精煤灰分、可燃体回收率以及浮选完善指标亦随之增加。欲使精煤可燃体回收率达到90%，仲辛醇用量需提高至200 g/t。

3.2   复配药剂的浮选实验结果

以不同质量分数的四种羧酸与柴油进行复配。以复配药剂为捕收剂（500 g/t），仲辛醇（100 g/t）为起泡剂进行浮选实验，浮选实验结果见图2~5。

图  2  羧酸质量分数对精煤产率的影响

Figure  2.  Effect of carboxylic acid content on the yield of refined coal

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图  3  羧酸质量分数对精煤灰分的影响

Figure  3.  Effect of carboxylic acid mass fraction on ash content of clean coal

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图  4  羧酸质量分数对尾煤灰分的影响

Figure  4.  Effect of carboxylic acid mass fraction on ash content of tail coal

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图  5  羧酸质量分数对可燃体回收率的影响

Figure  5.  Effect of carboxylic acid mass fraction on fuel recovery

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羧酸质量分数对精煤产率的影响见图2。

由图2可知，对于油酸，随着其质量分数的增大，精煤产率显著增大，质量分数大于10%，精煤产率保持稳定；对于月桂酸，随着质量分数的增大，精煤产率先增高后降低，在质量分数20%时，精煤产率最高；对于正癸酸，随着质量分数的增大，精煤产率逐渐增大，但增长幅度远小于油酸和月桂酸；对于正辛酸，其质量分数的变化对精煤产率基本无影响。

羧酸质量分数对精煤灰分的影响见图3。

由图3可知，与对照组相比，四种不同质量分数羧酸的加入都会提高试样的精煤灰分，其中以20%质量分数的月桂酸增长最大，可达11.11%，其余虽有增长，但都小于10%。

羧酸质量分数对尾煤灰分的影响见图4。

由图4可知，随着质量分数的增大，油酸、正癸酸的加入都会提升试样的尾煤灰分，油酸的增长幅度远高于正癸酸；对于月桂酸，随着其质量分数的增大，尾煤灰分先增高后降低，但都高于对照组；不同质量分数的正辛酸的加入对尾煤灰分影响较小。

羧酸质量分数对可燃体回收率的影响见图5。

由图5可知，与对照组相比，油酸、月桂酸、正癸酸的加入均会显著提高可燃体回收率，随着质量分数的增大，油酸、正癸酸逐渐增加，但正癸酸的效果远小于油酸，而月桂酸先增高后降低；正辛酸的加入并没有提高其可燃体回收率，反而有所降低，当其质量分数20%时效果与对照组相当。

综合四种羧酸复配药剂，因正癸酸碳链短，其本身亲水性强，因此除正辛酸外，油酸、月桂酸、正癸酸的加入均会有效提高实验的浮选效果，油酸的提升效果远高于正癸酸。对于月桂酸，当其质量分数较小时效果比较明显，质量分数增大浮选效果反而下降，其原因是30%质量分数的月桂酸复配药剂在常温下是固态，需水浴30 ℃加热至溶解，使用时矿浆温度低，其会有一定的凝固。

复配药剂的羧酸质量分数以10%较为适宜。当油酸用量500 g/t时，其精煤产率、精煤灰分、尾煤灰分、可燃体回收率分别为75.68%、9.5%、72.76%、91.18%，浮选指标优于单独使用柴油药剂用量1000 g/t的效果，节油率可达50%。

3.3   接触角结果分析

接触角测量结果见图6，从图中可以看出，小浮沉-1.6 g/cm³煤样（对照组）的接触角为70.0°，除添加10%质量分数的正辛酸外其余药剂的添加均会使试样的接触角不同程度的增大，其中10%质量分数的油酸和月桂酸接触角相近，分别为80.7°、80.4°。这是因为药剂与煤样表面的亲水性含氧官能团作用，使试样的疏水性增强，从而提升浮选效果。接触角测试结果与浮选实验结果一致。

图  6  不同方式药剂处理后煤样的接触角变化

Figure  6.  Change of contact angle of coal sample after different chemical treatment methods

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3.4   复配捕收剂在水中分散粒径分析

复配捕收剂在水中的分散粒径、中位径D₅₀测试结果见图7、表5。可以看出，柴油以及四种羧酸复配药剂基本均为单峰分布。除10%质量分数正辛酸的分散粒径与柴油接近外，10%油酸、10%月桂酸、10%正癸酸的分散粒径均小于柴油，结合中位径D₅₀数据10%油酸（D₅₀=46.07 μm）、10%月桂酸（D₅₀=56.01 μm）、10%正癸酸（D₅₀=63.84 μm）、10%正辛酸（D₅₀=68.74 μm）、柴油（D₅₀=72.75 μm）可以看出10%油酸的分散粒径改变最为明显，表现为粒度小且粒度分布集中，月桂酸次之。这与浮选实验中10%油酸优于其他羧酸复配捕收剂结果一致。这表明捕收剂在矿浆中的分散粒径与其捕收能力密切相关，在矿浆中的分散粒径越小，浮选的效果越好。

图  7  捕收剂的粒径分布

Figure  7.  Particle size distribution of collector

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表  5  捕收剂中位径测试结果

Table  5.  Test results of median diameter of collector

药剂	柴油	10%正辛酸+90%柴油	10%正癸酸+90%柴油	10%月桂酸+90%柴油	10%油酸+90%柴油
粒径 /μm	72.75	68.84	63.84	56.01	46.07

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3.5   XPS结果分析

图8和图9为油酸处理前后的C1s分峰谱拟合结果。表6为油酸作用前后煤样表面官能团含量的变化情况。

图  8  实验煤样的C1s分峰拟合曲线

Figure  8.  Fitting curve of C1s peak of test coal sample

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图  9  油酸处理后煤样的C1s分峰拟合曲线

Figure  9.  C1s peak fitting curve of coal samples treated with oleic acid

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表  6  油酸处理前后官能团含量对比

Table  6.  Comparison of functional group content before and after oleic acid treatment

结合能/eV	碳元素存在形式	加药前含量/%	加药后含量/%
284.8	C-C,C-H	76.47	83.34
286.2	C-O	19.81	12.15
287.5	C=O	2.78	3.43
290.0	COO-	0.94	1.08

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可以看出，实验煤样碳元素存在形式有四种：C-C,C-H(结合能284.8 eV)；C-O(结合能286.2 eV)；C=O(结合能287.5 eV)；COO-(结合能290.0 eV)。对于煤炭浮选过程中起主要作用的疏水性基团为C-C和 C-H，亲水性基团为 C-O、C=O 或者 COO-。油酸处理后，C-C及C-H疏水性官能团含量增加6.87%，C-O亲水性官能团含量减少7.66%，改变明显，表明油酸与煤样表面的C-O作用强烈，在C-O上的掩蔽作用强，使煤样的亲水性减弱，疏水性增强。

4.   结　论

（1）低阶煤表面含氧量高，表面疏水性差，柴油难以在煤表面高效吸附，药剂消耗量大。当柴油用量1000 g/t，仲辛醇用量100 g/t时，其精煤产率、精煤灰分、尾煤灰分、可燃体回收率分别为71.33%、7.26%、68.49%、87.98%。当柴油用量超过1000 g/t时，药剂用量的增大并不能有效提升其捕收性，但是其选择性有了良好的提升。

（2）四种羧酸中除正辛酸外，油酸、月桂酸、正癸酸的加入均会有效提高实验的浮选效果，油酸的提升效果远高于正癸酸，月桂酸在质量分数较小时提升效果比较明显，其中10%质量分数的油酸、月桂酸的药剂用量在500 g/t时，效果甚至优于单独使用柴油1000 g/t的用量，节油率可达50%。

（3）四种羧酸中油酸、月桂酸的加入可以有效增加煤样表面的接触角，使煤样更疏水， 此外10%质量分数的四种羧酸与柴油的复配药剂中以油酸的复配药剂在矿浆中的分散粒径最小，月桂酸次之。油酸的加入可有效增加煤样的C-C,C-H疏水性含氧官能团，降低C-O亲水性含氧官能团。药剂的分散性有效改善以及药剂作用后煤样的亲水性减弱，疏水性增强使浮选效果得到提升。

（4）油酸碳链长、极性强，其本身具有很强的疏水性，与柴油复配后，复配药剂中极性成分作用于煤表面极性位点，而柴油中的非极性成分作用于煤表面非极性位点，两种成分相互协同，增大煤表面疏水面积，提升浮选效果。因而选用类似的药剂或以此药剂复配为捕收剂对浮选而言或许积极、有效。