《Fuel》：Investigation of particle size effects and interfacial interaction mechanisms during froth flotation of coal gasification fine slag
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煤气化细渣（CGFS）粒度影响浮选分离机制研究：通过实验与E-DLVO理论分析，发现细颗粒（<45μm）因碰撞概率低导致浮选效率下降，而粗颗粒（>180μm）因高静电排斥能抑制非选择性团聚，提升碳回收率至89.2%。采用接触角、Zeta电位及FT-IR/XPS表征表面特性，高速摄像揭示粒-泡附着动态，提出粒径分级浮选策略。
刘斌|吕鹏|梅东斌|白永辉|王娇菲|苏卫光|宋旭东|于光硕
宁夏大学化学与化学工程学院，高效利用煤炭与绿色化学工程国家重点实验室，中国银川750021
摘要
煤气化细渣（CGFS）是一种含有高残余碳含量的固体废弃物，碳与灰分的分离对于高效回收这些碳至关重要。颗粒大小是影响CGFS中残余碳和矿物质分离效率的关键因素。本研究调查了三种不同颗粒尺寸分数（<45 μm、45–180 μm和>180 μm）的CGFS的组成、浮选行为和分离效率。此外，还通过混合分数进行浮选实验，以探讨颗粒大小效应和浮选过程中界面相互作用的基本机制。使用接触角测试仪结合ζ电位、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）测量方法评估了CGFS颗粒的表面疏水性特征。此外，还通过高速摄像机观察了颗粒-气泡附着行为，并结合基于扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（E-DLVO）理论的理论计算，评估了颗粒大小效应和界面相互作用机制。结果表明，浮选回收率与CGFS颗粒大小呈正相关，其中细颗粒（<45 μm）对分离性能有显著的不利影响。颗粒-气泡附着实验阐明了颗粒大小对浮选行为的机制影响，而基于E-DLVO的理论计算显示，较粗颗粒（>180 μm）具有更高的总相互作用能和更强的静电排斥力，这抑制了非选择性聚集并促进了有效的气泡附着。通过综合实验和理论方法，本研究为优化CGFS的浮选分离提供了基本见解和实用指导。
引言
煤气化渣是煤气化的固体废弃物，可分为两种类型：煤气化粗渣和煤气化细渣（CGFS）。前者通常碳含量较低（<5%），而CGFS的碳含量显著较高（20–40%）[1]。CGFS中较高的碳含量主要来源于部分气化的残余碳和未反应的热解焦炭，这些物质在气化炉内的停留时间不足。CGFS的高着火损失（LOI）和发达的孔结构严重限制了其在建筑材料制造和回填工程等领域的直接应用[2]。更重要的是，CGFS的物理化学性质往往不符合国家关于工业固体废物资源利用或排放的标准[3]。因此，堆放和填埋处置已成为处理CGFS的主要方法[4]。随着中国煤化工行业的迅速发展，CGFS的年产量和积累量持续增加，导致环境污染和土地资源浪费问题日益严重[5]。
从CGFS中分离残余碳和矿物质是实现其减量化和无害利用的关键步骤，也有助于促进其在大规模和高附加值应用中的利用[6]。迄今为止，研究人员已经探索了利用重力分离和泡沫浮选技术来分离和富集CGFS中的残余碳。重力分离是一种利用CGFS组分之间密度差异的物理方法，具有处理能力大、运行成本低、环境友好性和对粗颗粒分离效率高等优点[7]。Yu等人[8]使用螺旋分离器实验研究了CGFS中残余碳的富集情况，结果表明该技术显著提高了富碳组分的纯度。具体而言，螺旋分离器将CGFS分为81.2%的富碳组分、8.8%的中灰组分和10.08%的富灰组分，从而实现了残余碳和矿物质的有效分离。然而，其对细颗粒的分离效率仍然相对有限[9]。泡沫浮选是另一种有效的分离技术，它依赖于矿物颗粒之间的表面亲水性和疏水性差异[10]。例如，在高温高压气化过程中，残余碳表现出疏水性，而矿物组分则具有强烈的亲水性[11]。这种疏水性差异为通过泡沫浮选分离残余碳和灰分提供了基础。有效的分离去除了嵌入的灰分颗粒，从而获得了纯化的碳产品。Guo等人[12]开发了一种多步骤泡沫浮选方法，显著提高了残余碳和矿物质的分离效果。该过程产生了LOI为65.0%的富碳组分和LOI低于4%的富灰组分。富碳组分中的碳颗粒主要集中在38–75 μm尺寸范围内，LOI约为63.5%。Fan等人[13]通过进行浮选动力学实验和Fuerstenau升级曲线分析，确定CGFS中高灰细颗粒的机械捕获是浮选精矿中灰分含量升高的主要原因。进一步地，Zhang等人[14]指出，尽管重力分离工艺流程简单且不需要化学添加剂，但其脱碳效率通常低于泡沫浮选。
由于泡沫浮选依赖于疏水性颗粒在气泡表面的选择性附着，因此矿物颗粒与气泡之间的相互作用力在决定其选择性和分离效率方面起着决定性作用[15]、[16]。颗粒大小对这些相互作用有重要影响[17]、[18]、[19]。例如，在磷灰石浮选中，必须针对每个尺寸分数优化条件，细颗粒（<44 μm）虽然回收率高，但由于夹带作用导致品位较低[18]；在磁铁矿分离中，随着颗粒尺寸变细，回收率通常会下降，尽管特定的细颗粒分数可以提高整体效率[19]。然而，煤气化细渣（CGFS）的浮选面临独特挑战，因为大约80%的CGFS颗粒小于100 μm，其尺寸分布特性显著影响其浮选行为。这些细颗粒的质量轻且惯性力小，导致与气泡碰撞和附着的概率降低，从而阻碍了浮选效率[20]、[21]。Nie等人[22]发现，将CGFS颗粒尺寸从较粗级别降低到较细级别后，残余碳的回收率从39.04%增加到50.93%，这突显了颗粒大小在优化浮选性能中的关键作用。此外，CGFS颗粒的表面性质也给浮选带来了额外挑战。它们的高比表面积和表面能导致浮选化学品消耗增加。颗粒表面含有的含氧官能团降低了残余碳的天然疏水性。此外，CGFS的多孔结构促进了水分子的吸附，孔隙率和吸附行为呈正相关。孔隙结构越发达，浮选难度越大，导致浮选剂消耗呈指数级增加[23]。在CGFS浮选过程中，疏水性残余碳颗粒被气泡捕获并上升到表面形成富碳组分，而亲水性矿物颗粒则沉降到底部形成富灰组分[24]。
颗粒-气泡界面相互作用在决定CGFS浮选分离效率方面起着关键作用。这种动态相互作用可以通过高速摄像机详细观察，从而观察到碰撞、附着和脱离阶段[25]、[26]。颗粒与气泡之间的相互作用力主要由表面力控制，可以通过经典的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论来解释，该理论最初用于研究电解质溶液中的胶体稳定性[27]。DLVO理论解释了水环境中的界面相互作用机制。主要涉及的作用力是范德华力和静电双层相互作用，它们负责颗粒-气泡的附着行为。这些微观力为理解浮选过程中的颗粒捕获现象提供了理论基础[28]、[29]、[30]。然而，在CGFS等细颗粒的情况下，疏水性力在颗粒-气泡聚集过程中也起着重要作用。扩展的DLVO（E-DLVO）理论结合了疏水性相互作用势能，以更好地描述颗粒在气泡表面的附着行为[31]。Xue等人[32]基于E-DLVO理论进行了定量分析，发现富碳组分中颗粒之间的能量障碍显著降低甚至消失，而富灰组分中颗粒之间的能量障碍保持稳定。Guo等人[33]表明，通过使用煤油-油酸钠复合捕获系统和引入方解石作为堵塞介质，可以显著提高CGFS中残余碳的浮选回收率。同时，E-DLVO理论计算表明，煤油-油酸钠处理不仅提高了碳颗粒的表面疏水性，还显著增强了碳-方解石复合体在气泡上的附着。此外，方解石的堵塞效应促进了煤油-油酸钠在碳表面的选择性吸附。然而，尽管在优化浮选过程方面取得了显著进展，但其潜在机制仍不完全清楚，特别是在颗粒大小效应和界面相互作用机制方面。
为解决文献中的空白，本研究系统地研究了不同CGFS颗粒尺寸分数的浮选行为和分离效率，特别关注细颗粒（<45 μm）对浮选性能的影响。通过计算着火损失（LOI）、碳回收率（RPC）和浮选完善指数（η）来定量评估浮选分离效率。采用了一系列表征技术，包括ζ电位测量、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）来分析CGFS的表面官能团和浮选试剂的化学组成。接触角测试用于分析样品的亲水性和疏水性。通过高速摄像机观察的颗粒-气泡附着实验探讨了颗粒大小对浮选行为的潜在影响机制。此外，基于E-DLVO理论计算了相互作用力和颗粒间距，揭示了CGFS颗粒在浮选过程中的聚集和分散行为。本研究创新地结合了实验方法和E-DLVO理论，探讨了CGFS的颗粒大小依赖性浮选行为。它为表面疏水性和颗粒-气泡附着在提高浮选效率中的作用提供了新的见解，特别是对于细颗粒。
材料与试剂
本研究中使用的CGFS来自中国宁夏的一家煤气化厂。原始CGFS经过湿磨并使用孔径为45 μm和180 μm的标准试验筛子进行筛分，得到三种不同颗粒尺寸范围的分数：<45 μm（记为PSD-1）、45–180 μm（记为PSD-2）和>180 μm（记为PSD-3）。这些分数与CGFS一起用于后续的浮选实验和表征分析。为了确保可靠性和
pH值对CGFS浮选行为的影响
浮选效率主要由浆料pH值决定，pH值通过调节CGFS颗粒的表面特性和浮选试剂的界面吸附来影响颗粒的亲水-疏水平衡。为了确定最佳浆料pH值，评估了CGFS的浮选性能，指标包括LOI、RPC和η，pH值范围从5到9（图2）。结果表明，浮选效率与pH值有显著相关性
结论
本研究探讨了颗粒大小和界面相互作用机制对CGFS浮选的影响。通过浮选实验、界面性质表征和理论计算，揭示了颗粒大小分布、表面化学性质和颗粒-气泡相互作用对浮选效率的影响。研究结果为优化CGFS浮选过程提供了理论基础。
作者贡献声明
刘斌：撰写——原始草稿、研究、数据管理。吕鹏：撰写——审稿与编辑、方法学。梅东斌：研究。白永辉：研究、概念化。王娇菲：方法学、研究。苏卫光：方法学、研究。宋旭东：方法学、研究、概念化。于光硕：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
该项目得到了国家重点研发计划（2023YFC3904302, 2023YFB4103503）、国家自然科学基金（U23A20131）联合资金、宁夏重点研究计划（2021BEB04005）以及科技创新示范项目（20242CY017）的支持。
