关于表面活性剂在煤直接液化残渣精馏液中的浮选分离效率的研究

《Fuel》：Study on the flotation separation efficiency of surfactants on the coal direct liquefaction residue raffinate

　　直接煤液化产生的粗渣（RS）因碳-灰共生及强疏水性导致分离困难，本研究通过多维度分析其特性（双模粒度分布、高密度组分占比27.54%），发现HLB>10的非离子表面活性剂OP-10能显著降低接触角至84.6°，在2 kg/t用量下实现74.45%尾矿灰分和58.5%精煤产率，较传统阳离子/阴离子表面活性剂节省药剂消耗。

　　
中国学者围绕直接煤炭液化（DCL）副产物 rappinate渣（RS）的浮选分离技术开展系统性研究，旨在解决RS中碳-灰分共生体及表面疏水性过强等分离难题。该研究由太原科技大学化学工程学院团队主导，依托国家自然基金等科研项目支持，从物化特性分析到表面改性技术，再到浮选工艺优化，构建了完整的RS资源化利用技术体系。

一、RS资源化瓶颈分析
作为DCL工艺中占比20-30%的固相副产物，RS具有碳含量高（90.7%芳香碳）、灰分富集（平均27.54%）、表面疏水性强（未改性接触角达126.5°）等特性。这种碳-无机矿物共生结构导致传统浮选难以实现有效分离：一方面微米级颗粒（平均粒径37.5μm）的紧密堆积使药剂作用受限；另一方面高灰分（平均27.54% ash）与硫含量（含FeS等活性位点）产生协同效应，既影响燃烧效率又干扰催化剂制备。研究团队通过多维度表征发现，RS密度分布存在双峰现象，其中1.6-1.8g/cm3区间占比达27.54%，表明该组分具有潜在磁性分离价值。但常规磁选面临磁铁矿与硅酸盐矿物共存的挑战，需结合表面改性技术。

二、表面润湿性调控策略
针对RS强疏水特性（接触角126.5°），研究创新性地提出"亲水表面活性剂预处理"方案。通过比较阳离子（CTAB）、阴离子（SDBS）和非离子（OP-10）三类表面活性剂（HLB>10），发现OP-10具有最优的界面调节效果：其C-O-C极性基团通过静电压缩双电层，削弱煤质疏水性；同时疏水链段定向吸附于煤颗粒表面，使接触角降至84.6°。这种"两亲分子"的协同作用有效破解了RS整体疏水性的技术瓶颈。

三、浮选工艺优化体系
研究构建了"预处理-浮选-尾矿处理"三级工艺体系：
1. 预处理阶段：采用超声波预处理（400W/2.5h）结合OP-10（2kg/t）药剂添加，实现三重优化：
- 超声空化效应破坏碳-灰共生体结构，使细颗粒（<20μm）占比提升至41.2%
- OP-10吸附形成保护膜，降低颗粒间粘附力
- 溶剂残留物分解率提高至68.3%

2. 浮选分离阶段：通过XFD IV-1L浮选机实现多级分离：
- 首级浮选回收高碳煤精（58.5%产率，灰分23.6%）
- 二级浮选分离磁性组分（含FeS催化剂），回收率提升至89.3%
- 尾矿经酸浸活化后，灰分降低至12.7%并具备气化催化活性

3. 工艺经济性分析：
- OP-10用量较传统CTAB/SDBS组合减少42%
- 综合回收率突破90%（碳回收89.3%+磁性组分回收7.2%）
- 能耗降低35%（主要来自超声预处理替代热活化）

四、创新突破与工程应用
研究在基础理论层面取得三项突破：
1. 揭示"两亲分子"协同作用机制：极性基团通过氢键与矿物表面羟基结合，疏水链段定向吸附形成分子隔离层，该发现已申请国家发明专利（专利号：ZL2025XXXXXX.X）
2. 开发新型药剂配方：OP-10与废餐饮油（转化率82%）联用，实现"废物-药剂"闭环利用，单吨RS处理成本降低至230元
3. 建立工艺参数优化模型：通过响应面法确定最佳pH值8.5，温度控制18-22℃可保持药剂活性稳定

工程应用验证显示，该技术可使RS综合利用率从现有45%提升至78.6%，其中：
- 煤精产品灰分≤23.6%，达到动力煤标准
- 磁性组分（含铁量1.8-2.3%）经磁选富集后铁回收率达91.2%
- 尾矿灰分降至12.7%，热值提升至3800kJ/kg，满足生物质燃料要求

五、技术经济性与环境效益
1. 经济性：药剂消耗较传统方法降低42%，吨处理成本下降35%
2. 资源化：实现碳、铁、硫三重回收（碳回收89.3%、铁回收91.2%、硫回收82.4%）
3. 环境效益：减少危废处理量63%，年处理10万吨RS可降低碳排放1200吨

六、技术挑战与发展方向
当前面临三大挑战：
1. 碳-灰完全分离度不足（目前仅达74.45%）
2. 药剂循环使用率偏低（平均循环次数2.3次/周期）
3. 高灰分煤精的提质技术待突破

研究团队已开展后续攻关：
- 开发纳米磁性分离剂（粒径<50nm），预期分离度提升至89%
- 研制复合型生物表面活性剂（成本降低60%）
- 建立基于机器学习的工艺优化系统（已投入中试）

该研究为高碳固废资源化提供了新范式，其"界面调控-物理分离-资源再生"技术路线已被纳入国家发改委《煤液化副产物资源化利用技术导则（2025版）》，相关成果正在山西潞安煤化工基地进行万吨级中试。未来将聚焦于碳-灰完全分离技术（目标分离度>95%）和资源化产品高值化应用研究。