分形理论在矿物加工中的应用基础及研究进展

随着我国矿产资源的开发利用,矿产资源开发难度增大、矿山固废处理困难等严重制约了矿物加工工程绿色、经济、高效和可持续发展。为促进矿物加工学科深入发展,部分研究者立足行业发展需要,尝试借鉴其他学科领域理论和方法开展研究工作,以期实现矿物加工学科理论及工程技术的升级与创新,并最终服务于工业实践。作为一门非线性科学,分形理论广泛应用于自然界中各类无规则现象研究。在矿物加工领域,研究者基于分形理论研究了诸多工艺环节(包括矿石拣选、矿石碎磨、调浆、矿物浮选、沉降、过滤等)中的多种分形现象,相关研究成果为解耦矿物加工工艺环节过程、阐明相关机理、实现选别过程调控与参数优化奠定了重要基础。但总体而言,目前分形理论在矿物加工领域部分工艺环节中的应用多停留在理论研究和试验阶段,大部分研究成果尚未应用于生产实践,且研究者们对分形理论及其在矿物加工领域的应用途径和前景仍缺乏全面深刻的认识,阻碍了矿物加工领域分形理论研究的发展。因此,分形理论在矿物加工领域相关研究的广度及深度仍有较大发展空间。从分形理论的基本定义出发,针对矿物加工工艺中部分具有自相似性等分形特征的单元环节,根据环境干湿程度、矿石颗粒粒度以及是否涉及微细矿物颗粒混凝过程等条件,将各单元环节分为“矿石拣选、碎磨及过滤”、“调浆-浮选与絮体沉降”2部分进行研究,在介绍不同工艺环节中各类分形现象及其变化规律的同时,总结其中分形理论应用基础研究发展动态,重点分析了基于分形理论的矿浆混凝行为研究的相关问题,并根据现有研究,展望了分形理论未来在矿浆混凝理论研究以及选矿数字化、智能化生产过程中的发展方向。

炭黑-烃类油捕收剂强化炼焦煤浮选效果的机理研究

针对常规浮选药剂(如柴油、煤油等)难以实现难浮煤泥的高效浮选回收问题,以难浮炼焦煤泥为研究对象,基于炭黑颗粒的超疏水特性,将炭黑颗粒与正十二烷按1 g∶150 m L的比例混合配制成炭黑-正十二烷新型捕收剂,对比分析正十二烷和新型捕收剂对炼焦煤泥的浮选效果。采用X射线光电子能谱(XPS)和接触角测定仪对炭黑颗粒的表面疏水性进行测定,采用扫描电镜和能谱仪(SEM/EDS)分别对2种捕收剂作用前后煤表面颗粒形貌和元素进行表征。结果表明:炭黑颗粒主要含碳,表面官能团以C—C和CC为主,接触角达136°,极其疏水;新型捕收剂作用后的煤表面吸附有较多的纳微颗粒,且其表面碳元素含量显著高于正十二烷作用后的煤表面,表明炭黑颗粒可吸附于煤表面。炭黑-正十二烷的混合物作为捕收剂,不但增加了煤表面的疏水性,且炭黑颗粒吸附于煤表面可以增加煤表面的固体凸起点,从而在气泡-煤粒粘附过程中加速水化膜的破裂,促进煤粒-气泡粘附效率,提高难浮煤的浮选回收效果。

基于聚焦光束反射测量技术的煤泥水选择性絮凝沉降表征研究

为考察煤泥水絮凝沉降过程中絮凝剂对不同矿物的选择性,采用分子量为1800万的阴离子聚丙烯酰胺分别对石英、高岭石和煤进行沉降试验,通过聚焦光束反射测量仪(FBRM)在线表征聚丙烯酰胺用量对三种矿物的絮凝效果,研究了聚丙烯酰胺对石英、高岭石和煤沉絮凝降效果的影响。结果表明:阴离子聚丙烯酰胺可以强化煤和高岭石的沉降,而对石英沉降几乎没有效果。聚丙烯酰胺对石英的粒度分布没有影响;然而煤和高岭石的絮团粒径变化明显,添加聚丙烯酰胺后,煤和高岭石的平均弦长分别从6μm和16μm增加至8μm和87μm。因此,阴离子聚丙烯酰胺在煤泥水絮凝沉降过程中主要对煤和高岭石作用,对石英没有作用。

孔隙润湿度影响褐煤可浮性的机制

孔隙润湿度是影响多孔煤泥可浮性的重要因素之一,然而煤的孔隙润湿度与其可浮性之间的内在联系鲜见报道。由于煤泥颗粒小、数目多,其孔隙被水润湿的行为难以被准确检测,采用形状规则的圆柱体多孔活性炭材料开展孔隙润湿度的机制研究,并将结果用于解释孔隙润湿度对褐煤可浮性的影响机制。通过正硅酸四乙酯和十六烷基三甲氧基硅烷对多孔活性炭进行疏水化改性,采用接触角和傅里叶变换红外(FTIR)表征活性炭改性前后表面疏水性等特性,结果表明:活性炭经改性后亲水性基团含量降低以及疏水性基团产生,接触角增加67°,疏水性显著增加。采用低场核磁共振(LF-NMR)测定改性前后的亲/疏水活性炭样品在不同浸泡时间下的孔隙润湿度,结果表明:随着浸泡时间增加,亲/疏水两种样品的T_(2)谱的信号幅度均增加,且亲水样品的信号幅度要远大于疏水样品。亲水样品的T_(2g)在任意浸泡时间下均高于疏水样品的T_(2g)值,表明在相同浸泡时间下亲水样品孔隙润湿度均高于疏水样品。而当浸泡时间为10 min时,亲/疏水样品中的孔隙均会被水较好地润湿,两种样品润湿度差值最小。通过将亲/疏水样品的T_(2g)值与浸泡时间进行非线性拟合发现两者之间的指数函数关系式符合一级浮选动力学模型,亲水样品的润湿速率约为疏水样品的3.85倍,进一步说明亲水样品的孔隙较疏水样品更易被水润湿。不同预润湿时间下的褐煤浮选实验结果表明:褐煤的浮选回收率随着预润湿时间增加而降低,较长的润湿时间增加了孔隙被水的润湿程度,从而在多孔褐煤表面形成厚且稳定的水化层,阻碍了气泡与褐煤颗粒的粘附,褐煤的浮选结果与活性炭孔隙润湿行为特性相一致,这较好地阐述了多孔煤泥可浮性与其孔隙润湿度之间的内在联系。

高质量浓度曲拉通X-100对煤泥浮选的抑制效应及机理

表面活性剂在煤泥浮选领域中应用广泛,且表面活性剂常被用于煤泥浮选促进剂,本文从另一个方面探究了表面活性剂在过量的情况下对煤泥浮选的抑制效应及其机理。以低灰煤粒和表面活性剂曲拉通X-100为研究对象,采用X射线光电子能谱(XPS)表征曲拉通X-100在煤表面的吸附状态,静态接触角测定仪测定曲拉通X-100对煤表面疏水性的影响,并探究了不同质量浓度曲拉通X-100液滴在煤粒表面的润湿与铺展情况,采用诱导时间测量仪分析不同质量浓度曲拉通X-100水溶液中的气泡与煤粒的黏附情况,最后通过紫外分光光度计定量表征浮选槽中残留曲拉通X-100质量浓度与不同浮选时间下浮选结果的对应关系。结果表明:高质量浓度曲拉通X-100会抑制煤粒上浮,随着浮选试验的进行,曲拉通X-100质量浓度逐渐降低,低质量浓度曲拉通X-100会促进煤粒被上浮气泡黏附而浮出;高质量浓度曲拉通X-100能够在煤粒表面发生有效吸附,该吸附属于物理吸附,且在一定程度上提高了煤表面的疏水性;高质量浓度曲拉通X-100水溶液更容易润湿煤表面,从而减缓了气泡-煤粒黏附过程中的液膜薄化与破裂速率;在高质量浓度曲拉通X-100水溶液中,气泡表面因罩盖有曲拉通X-100分子,导致气泡表面发生改性,难以与煤粒发生有效黏附。高质量浓度曲拉通X-100主要通过对气泡改性,以及减缓气泡与煤粒碰撞-黏附过程中的液膜薄化-破裂速率来抑制煤粒的浮选。

油酸钠联合六偏磷酸钠浮选不黏煤的机理研究

以不黏煤为研究对象,通过红外光谱分析、诱导时间测定、泡沫性质分析和浮选实验研究了油酸钠和煤油对煤或矸石颗粒性质的影响及浮选效果,探讨了六偏磷酸钠作为分散剂降低浮选精煤灰分的可行性。结果表明:油酸根可与煤表面发生有效吸附,难与矸石发生吸附。油酸钠作用后的煤颗粒与气泡接触时间为30 ms时,黏附概率大于50%;煤油作用后的煤颗粒与气泡接触时间为500 ms时,黏附概率不足50%。油酸钠作用后的泡沫层较煤油作用后的泡沫层更稳定。随着油酸钠用量的增加,精煤产率显著增加,油酸钠体系浮选精煤产率是煤油体系浮选精煤产率的3倍~10倍,油酸钠体系浮选完善指标是煤油体系浮选完善指标的2倍~9倍。六偏磷酸钠用量为500 g/t(干煤泥)时,浮选精煤灰分降低了8.42%。油酸钠与六偏磷酸钠的联合使用,既保证了煤颗粒的浮选回收,又降低了浮选精煤灰分,可应用于我国低阶煤泥的清洁与资源化利用。

自然风化对石墨矿力学性质与解离特性的影响

为了考察自然风化对石墨矿力学性质与解离特性的影响,以原生石墨矿和风化石墨矿为研究对象,利用电液伺服万能试验机测试了两种矿石的力学性质,采用颚式破碎机分别对两种矿物破碎,筛分后对破碎产物进行粒径与解离度分析,并结合X射线衍射(XRD)、X射线荧光光谱(XRF)及低场核磁共振(LF-NMR)分析机理。结果表明,石墨矿在自然风化过程中发生了褐铁矿化、绢云母化,抗压强度显著降低,力学性质由脆性和弹性转变为塑性,抵抗弹性变形的能力变弱。原生矿和风化矿的破碎产物分别集中在+1 mm和-1 mm粒度范围,风化后石墨矿的解离度较高,石墨在0.125~0.5 mm粒度范围内富集。低场核磁共振的结果表明,石墨矿风化后孔隙结构持续发育,微小孔含量增加,并出现微裂纹和中大孔。

磁铁矿破碎磨矿特性研究

针对河北某磁铁矿石进行Bond破碎功指数、球磨功指数的研究,得出矿石厚度在50~65 mm的范围内,冲击功指数逐渐减小,在65~75 mm范围内,冲击功指数又逐渐增加。在65 mm左右时破碎,能耗是最低的。球磨磨矿功指数15.35 kW·h/t,该物料球磨比较容易。

难选低阶煤泥强化浮选分离试验研究

针对低阶煤泥难选问题,开展了石圪台选煤厂难选低阶煤强化浮选分离试验研究。试验结果表明:煤泥中1.6~1.8 g/cm^(3)密度级颗粒含量高导致其难以分选;低阶煤表面具有亲水性,单独柴油难以提高其可浮性,柴油与油酸钠协同作用时可增强低阶煤可浮性;六偏磷酸钠可提高脉石与煤颗粒之间的静电排斥作用,弱化细泥罩盖;采用磨矿促进煤与脉石矿物分离,以500 g/t油酸钠+4000 g/t柴油+500 g/t六偏磷酸钠为组合药剂进行低阶煤浮选强化,当精煤灰分为10%时,精煤产率可提高至56.95%,选择性指数提高了3.55;磨矿联合柴油+油酸钠+六偏磷酸钠组合药剂可以显著提高难选低阶煤泥浮选分离效率。

煤焦油基捕收剂强化长焰煤的浮选及机理

以长焰煤泥为研究对象,采用浮选试验、诱导时间、红外光谱、气相色谱-质谱联用等揭示了煤焦油基(CTB)捕收剂强化长焰煤浮选的机理.结果表明:随着CTB捕收剂和柴油用量从5 kg/t增加至11kg/t,精煤灰分分别从10.65%,12.48%降至8.22%,10.41%,可燃体回收率分别从28.84%,18.04%增加至54.94%,24.16%.当黏附概率为50%时,CTB捕收剂和柴油作用后的煤颗粒与气泡黏附所需时间分别约为50ms和300ms.CTB捕收剂比柴油含有更多的芳香族化合物,长焰煤表面含有大量的含氧官能团和芳香结构,恰好与CTB捕收剂中的芳香族化合物通过氢键和大π键结合,促进了CTB捕收剂对长焰煤表面亲水性位点的改性,提高了长焰煤的可浮性.

超细石英粉对煤颗粒浮选行为的影响及机理研究

以疏水低灰煤粒为研究对象,采用Zeta电位、表面张力、表观黏度、泡沫层性质测定和浮选实验等探究不同含量超细石英粉对煤颗粒浮选的影响及其机理.结果表明:石英粉与煤粒之间的相互作用力以斥力为主;随着石英粉的增加,石英粉悬浮液的表面张力先降低后升高,泡沫层最大高度和半衰期先升高后降低,悬浮液的表观黏度逐渐增加,煤粒-气泡间液膜的计算排液速率急剧下降.其中m石英粉∶m煤粒为5%时,出现最小表面张力和最大泡沫层高度/半衰期.浮选精煤产率随着石英粉的增加,先略有增加,而后逐渐降低,精煤产率在m石英粉∶m煤粒为5%时最高.煤颗粒浮选行为与表面张力、表观黏度、泡沫层性质、液膜排液速率等存在显著的相关性.

煤焦油基捕收剂浮选炼焦煤及其动力学研究

以新疆炼焦煤为研究对象,将柴油与煤焦油萃取物的混合物作为一种煤焦油基新型浮选捕收剂,对比研究了柴油和煤焦油基新型捕收剂的炼焦煤浮选效果及其动力学。浮选结果表明:相比柴油,在精煤灰分相近的情况下,煤焦油基捕收剂显著提高了精煤产率、浮选分离精度和浮选速率。接触角测试结果表明:煤焦油基捕收剂强化了炼焦煤的表面疏水性。傅里叶变换红外光谱分析结果表明:煤焦油基捕收剂比柴油含有更多的芳香族化合物和含氧官能团,这些芳香族化合物和含氧官能团可通过π-π和氢键的作用与煤表面的芳香族官能团和极性位点发生吸附作用,增加煤表面疏水性位点数量,从而提高了炼焦煤的可浮性,同时提高炼焦煤的浮选速率。