《Fuel》：Study on flotation of high ash coal slime enhanced by ultrasonic threshold regulation of functional groups
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本研究系统考察了不同超声功率（0-720W）对煤表面官能团、润湿性及浮选性能的影响，发现360W最优，使精煤产率提升10%至66%， ash含量降至10.8%；超过480W后热效应引发氧化，接触角降低，浮选效率下降。通过FT-IR、接触角测量及分子模拟揭示了OH和COOH官能团减少导致润湿性改善的机制。
毛荣忠|张勇|朱洪正|刘新红|陈军|闵帆飞|朱金波|陈坤
安徽科技大学煤炭清洁加工与碳减排工程研究中心，中国淮南232001
摘要
为了提高受亲水官能团阻碍的细粒焦煤的浮选效率，本研究系统地考察了不同超声功率水平（0～720 W）对官能团、润湿性和浮选性能的影响。采用了一种多尺度方法论——包括FT-IR峰值拟合、接触角测定、浮选实验和分子模拟——来揭示其背后的机制。研究发现360 W是最佳功率水平。在该功率下，空化效应能够有效去除羟基（–OH）和羧基（–COOH）官能团，使接触角增加到51.1°，从而增强了疏水性，精煤回收率达到了66%，比0 W时提高了10%。此外，灰分含量为10.8%，浮选完善指数为67.5%，结合能为?604.37 eV。然而，当功率超过480 W时，空化的热效应会导致煤氧化，生成新的含氧官能团，使接触角降至35.75°，亲水性增加，灰分含量上升至14.2%，精煤回收率降低。研究发现：由自结合的羟基（OH-OH）形成的氢键占总羟基的57.36%，与羧基（–COOH）一起，与接触角呈显著负相关，因此是调节煤润湿性的主要因素。本研究为难处理煤的超声功率精确优化提供了理论基础。
引言
作为世界上最丰富的化石燃料，煤炭资源在全球能源结构中占据着关键地位[[1], [2], [3], [4]]。在煤炭洗涤和加工过程中，浮选过程对于细粒煤的回收至关重要[[5], [6], [7], [8]]。然而，传统浮选方法常常面临效率低和化学药剂消耗高的问题，尤其是在处理低阶煤和氧化煤等难处理煤种时[[9], [10], [11], [12]]。这些煤由于表面存在极性含氧官能团（如羟基、羰基和酚羟基）而具有很强的亲水性，这阻碍了煤颗粒在浮选过程中附着在气泡上，降低了整体效率[[13], [14], [15]]。超声技术作为一种新兴的物理处理方法，通过其独特的空化效应显著改变了煤表面的物理化学性质。虽然绝对超声功率取决于设备，但其作用机制和存在一个有益的功率阈值是普遍适用的。对于工业应用而言，功率强度（W/mL）等参数比总功率更能代表实验室结果[[16], [17], [18], [19], [20]]。因此，深入了解超声诱导的表面官能团变化对浮选的影响是必要的。
许多研究探讨了超声处理在矿物表面清洁中的应用。Videla等人[21]证明，超声处理可以有效清洁硫化铜尾矿表面，减少黏液层的吸附，并提高试剂活性。类似地，Feng和Aldrich[22]发现，超声预处理可以通过减小气泡尺寸分布、增加泡沫负载和增强泡沫稳定性来改善氧化煤的浮选效果。Mao等人[23]还发现，增加超声处理时间和功率可以显著减少气泡数量，这可能导致颗粒从气泡上脱落，从而影响疏水性颗粒的回收。Xu等人[24]指出，适当的超声预处理时间可以去除煤表面的氧化层，提高浮选效率，而过度处理则可能导致再氧化，降低浮选效果。
尽管现有研究提供了关于煤表面性质、微观结构和加工行为的理论和实证见解，但专门研究不同超声功率水平对煤表面官能团及浮选结果影响的研究仍然较少[[27,28]]。本研究旨在系统分析超声功率对煤表面官能团的影响，并阐明其影响浮选性能的机制。通过在不同功率水平下对官能团变化进行实验分析，并将这些结果与浮选结果相关联，本研究旨在揭示功率设置与浮选效率之间的内在关系，从而为优化超声辅助浮选过程和提高煤炭的经济和资源利用效率提供依据。
部分内容摘录
煤样制备
焦煤样品购自中国安徽省亳州市的国北煤炭选煤厂。样品在运输到实验室进行工业分析之前，经过了干燥和密封处理。表1详细展示了焦煤样品的性质。
如表1所示，该煤样的水分含量仅为0.7%
浮选结果
图5展示了在不同功率水平下经过超声处理的煤样的浮选性能。
如图5定量所示，随着超声功率（0～600 W）的增加，精煤回收率呈现出明显的抛物线趋势，在最佳功率360 W时达到66%的最大回收率。同时，三个关键浮选指标也得到了显著改善：灰分含量降低到10.8%（相比对照组减少了10.52%）
结论
- (1)
浮选测试表明，在360 W的超声功率下达到最佳浮选平衡点，精煤回收率达到66%，比0 W时提高了10%；灰分含量降低到10.8%；浮选完善指数达到67.5%。当功率超过360 W时，煤颗粒过度破碎和矿物活化会导致精煤回收率下降，灰分含量上升至14.2%，从而显著降低浮选效率。
- (2)
吸收
作者贡献声明
毛荣忠：撰写初稿、数据可视化、数据整理。张勇：撰写、审稿与编辑、资金争取、概念构思。朱洪正：数据可视化、软件操作。刘新红：数据分析、数据整理。陈军：资源协调。闵帆飞：数据可视化、软件操作。朱金波：方法设计、概念构思。陈坤：资源协调。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢安徽科技大学高层次人才科学研究基金（资助编号：2022yjrc112）、安徽省教育委员会自然科学科研项目（资助编号：2023AH051193）、安徽科技大学煤炭清洁加工与碳减排工程研究中心（资助编号：CCCE-2024006）、国家自然科学基金（资助编号：52304277）的支持。
