烟煤表面与浮选捕收剂之间相互作用的微观分子机制研究

Froth flotation has been one of the most widely used fine coal separation techniques. Basically, flotation collectors are chemical reagents adsorbed on particle surfaces to increase the hydrophobicity of coal surface and enhance the flotation of fine coal. More fundamental studies on the microscopic interactions between the collector and coal are necessary to clarify the flotation process of fine coal.. Using several representative bituminous coking coal samples, this proposed work intends to study their microscopic structures and obtain the molecular structure parameters of each sample, and further establish the molecular model of the coal bulk structure via the combination of experimental characterization and molecular modeling. On this basis, the surface structure of bituminous coal will be tested and characterized. Using the parameters obtained the molecular model of coal surface and further the microscopic model of flotation process would be built using molecular simulation technology. Then, the latter model will be used to study the molecular interaction mechanism between different flotation collectors and the coal surface through examining the coal rank, the molecule structure of collectors and their feed ratio, to explore the adsorption mechanisms of the collector molecules on the coal surface. Successful completion will not only deepen the our theoretical understanding for the coal flotation process that provide the instruction of the design, synthesis, screening and application of collector, but also provide a viable technology for building coal surface model which lay the foundation for understanding of the related processes on the coal surface.

浮游选煤是当前细粒煤分选的主要方法。浮选过程中，捕收剂能够吸附在煤粒表面，提高煤的疏水性，强化其浮选效果。为了加深对细粒煤浮选过程的基本认识，有必要研究浮选捕收剂与煤表面之间的微观相互作用机理。. 本项目拟以实验表征和分子模拟相结合的方式，对几种代表性炼焦用烟煤进行研究，获得各煤样的分子结构参数，建立其体相分子结构模型。在此基础上，再对煤的表面结构进行检测表征，通过分子模拟技术构建所研究煤样的表面分子模型，进而构建煤浮选体系微观模型，通过考察煤变质程度、捕收剂结构和配比等因素，对煤表面与浮选捕收剂之间相互作用的微观分子机制进行研究，以求从分子水平上阐释捕收剂在烟煤表面的吸附机理。本项目的实施不仅将加深对煤浮选过程的认识，为捕收剂的设计、合成、筛选和使用提供理论指导，而且将为煤表面模型的建立提供可行的研究方案，促进煤表面相关过程的研究。

煤的泡沫浮选是通过煤在水中的疏水性气泡附着而获得的。一般煤的浮选过程中通常需要加入捕收剂来提高煤粒的疏水性，因而煤及捕收剂的性质显著影响着浮选效率。利用工业和元素分析、13C NMR、HRTEM、XPS及LDI TOF MS检测了山西西山及晋城两地烟煤。根据分析获得的检测数据，构建了两种煤的分子结构模型。所构建的模型包含多样性的煤分子，具有连续的分子量分布特征，与实验获得的结构参数相符，相比以往构建的平均分子结构单元模型，能更好的体现煤的行为，可以为煤的加工利用研究提供可靠的分子平台。.基于我们构建的烟煤体相模型，依据润湿热测量、比表面积测定等实验技术，我们还构建了西山及晋城烟煤表面结构模型。通过比较计算和实验结果，我们发现此种形式的模型能够很好的表征烟煤的表面性质。.在构建煤模型的过程中，我们发现，当芳香聚合环的碳原子数目为奇数时，如果要使芳香聚合环边缘的碳原子保持通常的共价单键，则此芳香环会成为一个含有自由电子的惰性自由基，这部分解释了煤中自由基能够长期存在的原因。.研究发现，有捕收效果的药剂油滴在接触煤表面后，均可以自发的驱离模型烟煤表面的水膜，铺展在煤表面上。这种铺展能使固体煤表面粗糙度降低，使之具有一定程度的液体流动性，能适应气泡曲率的变化，同时也改善煤表面的疏水性，有利于气泡的附着。.在研究过程中，我们认识到，煤颗粒类似锁，可以作为捕收剂制备的模板；常规浮选捕收剂所含的各种组分类似需要筛选的备选钥匙。捕收剂和煤的相互作用就类似于钥匙和锁的匹配过程，而筛选高性能煤泥浮选捕收剂的过程就类似于为锁寻找合适钥匙的过程。根据“锁匙原理”，我们提出根据分子在煤粒上吸附能的不同，利用煤油、柴油常用捕收剂作为筛选库，进行捕收剂有效组分筛选和识别的创新性方案。