低阶煤的开发利用近些年来引起行业内的广泛关注，由于其表面含有较多的含氧官能团，在浮选过程中，颗粒更容易和水结合而大大降低与气泡碰撞粘附的概率。此外，被氧化后低阶煤表面特性对浮选药剂的消耗也是巨大的，所以在浮选中选用合适的药剂，能够改善低阶煤表面的疏水程度，进而降低药耗，同时提高浮选速率和可燃体回收率。本文选择TX-100 非离子型表面活性剂探究其对低阶煤浮选的影响，采用浮选实验探究TX-100 处理前后低阶煤样表面性质变化，从而分析这种非离子表面活性剂改善浮选行为的微观机理。
一、试剂
煤样选取神华神东大柳塔选煤厂的原生低阶煤泥，该煤属于长焰煤。选取原煤-0. 5mm粒级在40℃低温干燥后储存作为浮选试验以及TX-100 改性分析所用样品。
非离子表面活性剂TX-100 为无色透明粘稠液体，分子式为C34H62O11，其分子结构如图1 所示。柴油和仲辛醇分别作为捕收剂和起泡剂。
图 1 TX-100分子结构
二、试验过程
通过毛细管将气体注入到待测液体中时，在毛细管的端部重复形成气泡，根据气泡压力的Zda值和毛细管半径，计算得到表面张力。通过改变气流流速控制气泡的年龄，可测量不同时间尺度的表面张力。目前实验室中多用KRÜSS公司的BP100气泡压力张力仪测定1s内DST。
1 | 浮选试验 对含有不同浓度TX-100（0g/t、50g/t、100g/t、150g/t、200g/t）的煤样进行浮选，计算可燃体回收率（ε）与浮选完善指标（η）。  式中，γc为浮选精煤产率，%；Ac为浮选精煤产品的灰分，%；γf为浮选原煤产率，%；Af为浮选原煤的灰分，%。 |
2 | XPS测试 非离子表面活性剂TX-100（200g/t）处理前后低阶煤表面的官能团变化采用X 射线光电子能谱仪来分析，对药剂处理前后C、O、N、P 等元素进行窄扫。 |
3 | 接触角测试 采用德国Kruss公司的DSA100接触角测量仪。用不同浓度TX-100 （0g/t、50g/t、100g/t、150g/t、200g/t）改性处理后的煤样覆在硼酸表面在40MPa 条件下被压成薄片。薄片放置于DSA 接触角测量仪上，操作软件可以控制悬针滴出液滴的体积。薄片和液滴接触的过程由与计算机系统连接CCD 摄像机记录，再通过系统软件对图像进行分析得到接触角结果，每个样品测量三次取平均值。 |
三、结果分析
1 | 浮选试验结果分析验 不同浓度TX-100 作用下低阶煤的浮选试验结果如图2 所示。可以看出，Z终可燃体回收率会随着TX-100 浓度的增加而增加，未添加TX-100 可燃体回收率为54.42%，在TX-100 浓度为200g/t 时达到了89.43%，与未添加表面活性剂的原煤浮选实验相比提高35.01%。值得注意的是随着不同TX-100 浓度的增加，浮选精煤的灰分变化不大，这个现象说明了在TX-100 作用下，浮选药剂对煤颗粒产生了良好的选择性，改善了低阶煤的浮选行为。
图 2 TX-100浓度对低阶煤浮选完善指标和可燃体回收率的影响 从图2 中可以看出，非离子表面活性剂TX-100 对低阶煤的浮选完善指标产生影响，随着TX-100 浓度的上升，浮选完善指标逐渐增加。在没有该表面活性剂添加的条件下，低阶煤浮选完善指标仅为44.17%，少量的TX-100（50g/t）添加入浮选体系后，明显可以看到浮选完善指标获得巨大提升，达到58.23%。此后，表面活性剂浓度梯度添加，浮选完善指标稳步上升，在TX-100添加量为200g/t 时达到63.83%，比无TX-100的低阶煤浮选时增加了19.66%。 |
2 | XPS结果分析 TX-100 处理前后低阶煤样品XPS 光谱分析结果如图3 和图4 所示。284. 60eV、285. 60eV、286. 60eV和289. 10eV 分别代表C-C/C-H，C-O，C=O和O=C-O 官能团。被TX-100 处理后的煤样C-C/C-H 官能团含量增加了0.84%，同时含氧官能团数量降低，表明低阶煤的疏水性得到改善，这是由于官能团O=C-O 含量降低了0.83%，降低趋势Z为明显，主要是TX-100 表面活性剂的疏水碳链覆盖了低阶煤的亲水位点从而使药剂在煤表面的吸附增强。
图 3 低阶煤原煤XPS光谱C1分峰结果
图 4 TX-100 处理后低阶煤XPS光谱C1分峰结果 |
3 | 接触角分析 接触角数值是低阶煤表面亲疏水性的直观体现，较大的接触角表示较强的疏水性。接触角测量结果如图5 所示，可以看出被TX-100 改性后低阶煤亲疏水性的变化，随着TX-100 浓度的升高，对应的接触角数值呈现上升趋势。未被TX-100 处理过的原煤接触角数值为43.6°， 较低浓度TX-100（50g /t） 处理后样品的接触角数值为50.1°，在较高浓度TX-100（200g/t）处理后煤样的接触角为57.3°。随着TX-100 浓度提高，低阶煤样品接触角增加，说明TX-100 这种表面活性剂显著增强低阶煤表面的疏水性，这主要是由于表面活性剂碳链覆盖于低阶煤表面亲水官能团。
图 5 TX-100浓度对低阶煤接触角的影响 |
四、 结论
1、低阶煤表面存在大量易与水分子作用的含氧官能团是造成低阶煤难选的主要原因。通过XPS分析得知随着浮选体系中TX-100 浓度逐渐增加，低阶煤表面的亲水官能团羟基和羧基含量分别降低，而且羧基含量的降低趋势更为明显。
2、不同浓度TX- 100 （0g/t、50g/t、100g/t、150g/t、200g/t）处理后低阶煤样品的接触角从43.6°增加到57.3°，这些数值的变化直接揭示了随着TX-100 浓度的增加，低阶煤的疏水性逐渐提高，与水分子相互作用被减弱。
3、Zda可燃体回收率数值从未添加TX-100时的54.42% 增加到TX-100 浓度为200g/t 时的89.43%；TX-100 浓度为200g/t 与未添加TX-100相比，低阶煤浮选完善指标增加了19.66%。
文章内容有所删减，具体原文请见下：
张春泉, 张海军, 徐明, 甄坤坤. 非离子型表面活性剂强化低阶煤煤泥浮选行为试验研究. 煤炭工程, 52(3), 2020
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