油类捕收剂对煤粒气泡间相互作用行为的影响机理研究

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浮选是煤炭分选的一种重要方法。浮选过程中最重要的步骤是气泡的矿化,它是煤粒与气泡间共同作用的结果。为提高气泡矿化效能,非极性油被广泛的应用于浮选过程中。因此,本文重点研究油类捕收剂对煤粒与气泡间相互作用行为的影响。首先,采用煤粒气泡黏附装置研究了煤粒与气泡间碰撞、黏附的动态行为。利用不同类型的油对煤粒进行改性,通过比较煤粒与气泡黏附行为的差异来分析油性捕收剂的作用机理。其次,利用扬声器振动装置分析了不同油改性后的煤粒‐气泡聚集体的附着强度。最后,通过压电陶瓷双晶悬臂梁力学测试装置获得了不同油改性后的煤样与气泡从碰撞、黏附到分离的全过程作用,从微观黏附动态气泡与油膜变形和作用力两个方面,深入分析了油在煤粒气泡黏附过程的作用机理。本文的研究对于促进浮选技术的发展,进一步丰富和完善浮选的基础理论具有重要意义。(1)煤粒与气泡动态黏附过程研究结果表明:煤粒以自由沉降末速接近气泡后,在与气泡碰撞的时刻速度降到最低。随后沿气泡运动,速度逐渐增大,到气泡赤道位置速度达到最大,最终滑移到气泡底部并稳定的黏附在气泡底部或者在气泡赤道下方脱落。实验发现,碰撞角越小越容易黏附;而当碰撞角大于约41.6°后,煤粒最终会滑落。这是因为煤粒与气泡的黏附需要水化膜的破裂,当碰撞角大时,煤粒所提供的动能不足以完成这个过程而造成的。(2)煤样经十二烷和煤油改性后,接触角变大,经油酸改性后,接触角变小。然而,采用这三种油改性后的煤粒进行煤粒气泡动态黏附过程研究发现,这三种油改性后的煤粒与气泡平均黏附时间均变短,黏附时角度均变小,而黏附效率均变高。其中,十二烷效果最好,其次是煤油,油酸效果最差。对不规则形状的改性煤粒也进行了研究,发现非极性油改性后的煤粒倾向于以较平的表面黏附在气泡上,而极性油改性后的煤粒和裸煤却以尖端黏附在气泡上。非极性油修饰的煤粒的面状接触应当是由于疏水的非极性油油膜此时能最大程度减小与水的接触;因为油酸为极性油,为达到最稳定的状态,它需要调整自身基团位置,使极性基团与水接触,而非极性基团一端与气泡接触,这可能是油酸修饰的煤粒与气泡呈尖端接触的原因。而裸煤呈尖状接触则可能是为了满足其静态接触角。(3)引入经典的EDLVO理论计算气泡与煤粒、气泡与非极性油之间的相互作用势能。发现非极性油与气泡间的吸引力大于煤粒与气泡间的吸引力,表明煤粒经非极性油改性后,气泡与非极性油之间的吸引力会使煤粒表面的非极性油膜优先与气泡接触黏附。(4)通过扬声器振动来研究不同油性药剂改性后的煤粒-气泡聚集体稳定性时,发现不同油类捕收剂改性后的煤粒气泡聚集体稳定性与他们的黏附效果无关。结合油滴在煤表面的动态接触角发现,煤粒-气泡的黏附强度与所使用的油的粘度有关,粘度越大,煤粒越不容易从气泡表面脱离。(5)用染色油滴改性后的煤粒与气泡进行黏附试验发现,煤粒与气泡分离后,油滴在气泡与煤粒上均有残留。结合油在水气界面的铺展速度以及油的粘度对煤粒-气泡黏附脱附的影响,可推测,煤粒与气泡的黏附是煤粒表面的油在起主导作用,气泡与煤粒的黏附是以油做“桥梁”产生的。气泡与煤粒的分离也是由油桥的断裂引起的。(6)通过自制的压电陶瓷双晶悬臂梁力学测试装置测量煤粒–气泡相互作用过程中的力,并用高速摄影机观察整个过程。结果发现,接近过程可分为两个阶段:一是水力学动力和表面力作用下的液膜排水,二是液膜破裂形成三相接触线后的铺展和黏附。煤块与气泡的分离也分为两个阶段:第一阶段时气泡拉伸变形,气泡在煤上的接触角变大,但三相润湿线保持不变,直至达到前进接触角;第二阶段时,接触角不变,三相接触周边长度缩短至最终分离。(7)利用压电陶瓷双晶悬臂梁力学测试装置研究了不同油类捕收剂改性后的煤块与气泡之间的相互作用。结果发现,经非极性油煤油与十二烷改性后的煤与气泡诱导时间明显降低,三相接触线的铺展时间变长;气泡与煤块的最大脱离力则与所用药剂的粘度有关。这进一步证明:经油类改性过的煤粒与气泡的分离由油桥的断裂引起。通过显微镜观察发现,裸煤与气泡的分离可能不需要气泡的分裂,而是直接从煤表面完整脱附的。
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