煤泥浮选中黏土的表/界面动态特征及PEO抑制泥化机理

Clay minerals, bentonite sepecially, easily swell and disperse into platelets. It has been acknowleged that clays have a significant effect on the rheological and chemical characteristics of pulp, ultimately decrease flotation recovery. polyethylene glycol （PEO）can inhibit clay swelling and dispersing and has been used as expansive retarder in oil production. This project introduces the idea of clay dispersion controlling into fine coal flotation. The investigation will include the influence of clay swelling and dispersion on its interface properties with AFM, Cryo-SEM, XRD and other testing methods. Using quantum chemistry calculation method, the selective mechanism of PEO coating on clay and coal surface will be researched and strengthened process will be developed. As a result of this research project, the flotation mode will upgrade from end-of-pipe to a start-of-pipe mode. With a view to enhancing coking coal flotation recovery and providing a theoretical basis to the flotation of coal with high ash content, but also for the strengthening of coal flotation easy mudding provide a new idea.

黏土，特别是膨胀型黏土在水中存在“表面水化—渗透膨胀—晶层分散”这一动态过程，所以是造成高灰煤泥浮选效率低的关键因素之一。前期工作表明，低分子量PEO（聚乙二醇）可以抑制黏土分散泥化，强化煤泥浮选效果。本项目以煤系黏土为对象，采用表/界面测试、分子动力学模拟计算等手段，首先研究黏土晶层膨胀分散与颗粒表/界面性质变化的动态关系，及其对煤泥浮选的影响机制；其次，基于试验和模拟计算研究PEO在煤/黏土/水这一复杂体系中的选择性吸附行为；最后通过PEO在黏土层间域的吸附作用能计算和构象解析，揭示其抑制黏土晶层膨胀分散的机理。项目旨在明晰低分子量PEO对高灰难选煤泥浮选的强化机制，以期为煤泥浮选过程黏土行为调控提供一定的理论基础和技术参考。

粘土矿物是对煤泥浮选影响最显著的矿物，也是国内外相关研究最为关注的对象。本研究以粘土矿物中膨胀型粘土——蒙脱石为对象，研究其在膨胀分散过程中颗粒表界面性质变化，60WPEO在煤泥中的选择性吸附和对蒙脱石的分散抑制效果，以及PEO在蒙脱石表面和层间域的吸附构象和吸附机理，通过粘土分散抑制和粗粒化优化煤泥浮选效果。研究结果表明：蒙脱石膨胀分散产生大量具有高电动电位、厚水化膜和高aspect ratio的纳米颗粒，较高的表面电荷密度减弱了这些颗粒之间相互排斥，在矿浆中分散存在，因此在煤表面罩盖作用减弱，但明显提高浮选矿浆粘度，对煤泥浮选效果影响显著。分散不充分的颗粒多以卡房聚集体结构存在。该结构能够稳定罩盖于煤颗粒表面而阻碍煤与气泡的碰撞粘附。煤泥矿浆中60WPEO的吸附驱动力顺序为蒙脱石＞高岭石＞煤，吸附量顺序为高岭石>煤>蒙脱石，其在粘土(001)面以醚氧键产生氢键为主，在(00-1)面以-CH3-CH₂的疏水吸附为主。PEO在粘土基面上呈微扭曲链状平铺构型，随浓度增加出现缠结构型甚至吊坠型，同时个别分子以平铺结构进入蒙脱石层间，层间大量吸附可加剧晶层分散。蒙脱石表面的吸附有利于分散抑制，但层间大量吸附会引起晶层分散，通过调控PEO添加量可实现分散抑制，实现粘土粗粒化，降低机械夹带和矿泥覆盖。随着PEO分子量提高，疏水性增强会提高杂絮凝产生，不利于浮选指标改善，但对煤泥水澄清有益。本项目将煤泥颗粒的研究视角由宏观拓展至细观尺度，由静态稳定颗粒拓展至动态变化颗粒，研究成果可为选煤厂洗水闭路循环条件下连续浮选过程的动态调控提供一定的理论基础和技术参考。