基于煤表面微观形貌与化学官能团对其疏水性协同影响机理的低阶/氧化煤可浮性改善研究

Low rank/oxidized coals have low floatability since there are many pores and oxygen containing functional groups on their surface. In order to improve the floatability of low rank/oxidized coal efficiently, this project will conduct the research of the effects of micro topography and chemical functional groups on coal hydrophobicity and floatability based on theoretical research. First, SEM, AFM, Three dimensional shape instrument, surface roughness tester and FTIR, XPS are used to indicate the micro topography and chemical functional groups. Contact angle and induction time measurements are used to indicate coal wettability and attachment time between coal surface and air bubble. Second, theoretical relation model is built based on the relationship between micro topography, chemical functional groups and coal hydrophobicity. Furthermore, AFM is used to investigate the rupture process of thin film between coal surface and air bubble. High speed dynamic analyzer is used to investigate the attachment/detachment between coal surface and air bubble. As a result, the effect mechanism of micro topography and chemical functional groups on coal hydrophobicity can be revealed. At last, the pore and oxygen containing functional groups on the low rank/oxidized coals are modified by the methods of particles hydrophobic filling and collectors hydrophobic grafting. The floatability of low rank/oxidized coals is improved. This project will give some Theoretical guidance and technical support for high efficient utilization of low quality coal resources.

低阶/氧化煤可浮性差是因其表面孔隙发达、含氧官能团丰富的特殊性导致。为了有目的、高效率地改善低阶/氧化煤的可浮性，本项目以理论研究为出发点，展开煤表面微观形貌与化学官能团各自对其疏水性影响程度的定量分析及机理研究。首先采用SEM、AFM、三维形貌仪、表面粗糙度仪和FTIR、XPS表征煤表面微观形貌和化学官能团，采用接触角、诱导时间测定仪表征煤的润湿性和煤-气泡间的粘附时间。然后建立煤表面微观形貌、化学官能团与疏水性之间的理论关系模型，同时采用AFM、高速动态分析仪研究煤表面-气泡间水化膜薄化-破裂过程以及煤-气泡间的粘附/脱附过程，揭示煤表面微观形貌与化学官能团对疏水性和可浮性的影响程度和作用机理。最后基于上述结论，采用微粒疏水性充填和药剂疏水性嫁接的方式对低阶/氧化煤表面孔隙和含氧官能团进行改性处理，提高低阶/氧化煤的可浮性。本项目研究可望为低品质煤的高效提质利用提供理论指导和技术支持。

低阶/氧化煤煤因其表面孔隙发达、含氧官能团丰富，呈现出极差的表面疏水性和可浮性，采用常规浮选药剂及工艺难以实现其煤泥的高效回收，导致大量低阶煤泥成为固体废弃物。中国西北部地区的废弃煤泥大量堆积不仅是浪费煤炭资源，还造成对周围生态环境的威胁。本研究首先展开煤表面微观形貌与化学官能团各自对其疏水性影响程度的作用机理研究，然后根据上述研究结论展开低阶/氧化煤的可浮性改善研究，达到有目的、高效率地改善低阶/氧化煤的可浮性，实现低阶/氧化煤的高效浮选回收。采用SEM、FTIR、XPS、表面能测定仪、诱导时间测定仪、接触角、浮选实验等分析与实验手段开展了煤表面微观形貌与化学官能团协同影响煤表面疏水性的全面研究与机理分析。低阶/氧化煤表面析出的微泡促进煤浮选过程中形成较多的气絮团，而当微泡消解则不利于煤的浮选回收。低阶/氧化煤表面析出微泡导致诱导时间显著缩短，使得常规气泡与煤表面的粘附转变为气泡与析出微泡的兼并，但是过量的捕收剂则不利于诱导时间的缩短。通过对低阶煤进行热解预处理，低阶煤热解半焦表面含氧官能团显著降低，煤表面孔隙增多，低阶煤热解半焦的可浮性较低阶煤大幅提升。通过超长时间调浆搅拌可以对褐煤表面进行打磨，提高褐煤颗粒表面的光滑程度，提高了褐煤的浮选回收。通过将药剂与氧化煤干法研磨，促进煤表面被药剂预先罩盖提高了氧化煤的浮选效果。发现了重油和植物油作为捕收剂可以通过氢键与低阶煤表面的含氧基团作用，提高低阶煤表面疏水性，改善了低阶煤的浮选效果。研发了炭黑-烃类油浮选药剂，炭黑颗粒充填于难浮多孔煤表面的孔隙中，增加了气泡与煤粒粘附时的固体接触面积，消弱了难浮煤泥易脱附的负面影响。褐煤浮选过程中引入超声波持续作用，通过改善气体弥散提高褐煤的浮选回收。通过本项目研究，为低阶/氧化煤的高效合理利用、节约煤炭资源、保护生态环境、促进社会经济的可持续发展提供了理论和技术指导。