0 引言
在煤炭开采和运输过程中，会产生大量细粒煤泥，这部分煤泥难以用重选的方法实现有效分选。浮选是高效、经济处理细粒煤泥的方法之一[1]，煤泥浮选是利用煤泥与脉石矿物表面润湿性的差异，并在相界面实现两者分离的分选方法[2]。采用浮选方法实现煤矸分离的难易程度可以用煤的可浮性来表征[3]，浮选越容易回收高质量产物，则目标产物可浮性越好。可浮性常用的直观表征手段为接触角和诱导时间，煤的接触角越大、诱导时间越短，说明煤的可浮性越好。
煤的可浮性受到多种因素的影响，其中很大程度上取决于煤的表面性质。不同煤阶的煤泥可浮性存在很大差异，一般中等变质程度的煤，如肥煤、瘦煤和焦煤的可浮性较好；变质程度低的煤，如褐煤和长焰煤等，可浮性较差；变质程度高的无烟煤可浮性也较差[4]。这是由于变质程度低的煤表面极性官能团较多，表面亲水性强，而对于变质程度高的煤，虽然表面极性官能团减少，但是疏水性烷基侧链也较少，微孔隙增多，疏水性减弱[5]。煤的表面性质会随着所处环境而不断变化，若煤表面长期暴露在空气中，表面部分疏水性烷基侧链被氧化成极性含氧官能团，也会导致煤的可浮性明显降低[6-7]，可以通过浮选药剂改变表面性质提高其可浮性[8-10]。煤的粒度组成对可浮性也有影响，浮选包含颗粒和气泡碰撞、吸附和脱附过程，由于浮选体系中紊流的干扰，粗颗粒煤较易脱附，可浮性差；细颗粒煤随水性强，颗粒气泡难以碰撞和粘附[11]，可浮性也较差，且不同尺寸颗粒表面孔隙大小和数量的差异，对浮选也有影响[12-13]。另外，浮选溶液化学条件和杂质矿物的种类也影响煤的可浮性，浮选体系中离子种类、离子浓度和溶液pH值会影响煤矸颗粒和气泡的表面电性和静电斥力，离子存在会压缩颗粒与气泡表面的双电层，减小静电斥力，使颗粒与气泡间比较容易粘附，进而提高可浮性，由于煤通常含有黏土矿物如高岭土等，黏土矿物荷电特性也受到溶液环境的影响，这也决定了黏土矿物的浮选行为[12-17]。动力学参数影响颗粒和气泡之间的相互作用，研究发现不规则带棱颗粒更容易促使液膜薄化和三相润湿周边形成，合适的气泡直径、较高的碰撞速度及合适的碰撞点利于颗粒气泡的碰撞和粘附[18-21]。
表面粗糙度对表面性质影响也很大，为探明表面粗糙度对煤可浮性的影响，使用磨抛机制备了系列粗糙度煤片并利用接触角测量仪、诱导时间测量仪和粘附力测量仪分别测试煤样接触角、诱导时间和煤-水滴最大粘附力随粗糙度的变化，借助Wenzel润湿模型对粗糙度影响煤泥可浮性的机理进行解释，揭示煤泥浮选中表面粗糙度和煤泥可浮性变化的规律，为提高煤泥浮选效率提供依据。
1 试 验
1.1 试验材料
试验选用灰分为9.88%的块状无烟煤，采用切割机切割块煤得到4块较平整的煤片，1块不经磨抛处理作为原样，另外3块分别用粗糙度38、12.5、3.4 μm(400、1 200、4 000目)的砂纸在金相磨抛机上打磨，并使用0.05 μm刚玉粉对4 000目制得的煤样抛光，磨抛机转速约为300 r/min，磨抛时间为5 min，磨抛处理之后，使用去离子水反复清洗煤样表面，去除残余的煤粉和刚玉粉等杂质，材料制备过程中要防止煤样表面被有机物或药剂污染。使用Mitutoyo SJ-210型粗糙度测量仪对原样、400、1 200、4 000目砂纸制得的煤样进行粗糙度测量，结果如图1所示，样品表面粗糙度随着砂纸网目数的增加而减小，4个煤样的粗糙度Ra依次为2.98、2.40、0.84、0.34 μm。
图1 粗糙度与砂纸网目的关系
Fig.1 Relationship between roughness and sandpaper mesh
1.2 试验方法
1.2.1 表面形貌观测
试验利用10倍光学显微镜对煤样表面形貌进行观测，通过摄像机采集煤样表面形貌的图像信息，直观反映煤样表面粗糙度差异。
1.2.2 接触角测量
接触角可以直观地反映煤的疏水性大小，接触角越大，说明煤的疏水性越强，可浮性越好。试验利用DSA100接触角测量仪测量不同粗糙度煤样表面接触角。将煤样置于试样台上，调整煤样使待测表面水平，然后通过针筒在煤样上方形成一滴体积8 μL的去离子水滴，控制煤样上升与液滴接触，为了避免其他因素造成较大误差，以液滴刚落到煤样表面为0，取1 s时煤样的接触角为测量值,每个煤样按相同的步骤测量4次，分别测得4个煤样的接触角。
1.2.3 诱导时间测量
诱导时间可以反映煤和气泡发生粘附难易程度，诱导时间越短，粘附越容易发生，煤泥可浮性越好。试验利用诱导时间测试仪测量4个煤样的诱导时间。诱导时间测试仪由黄色光源、相机、执行机构、控制器组成，结构如图2所示。
图2 诱导时间测量仪
Fig.2 Induction time measuring instrument
将煤样磨抛面朝上放置在柱状浅槽中，并缓缓加入去离子水，使液面没过煤样上表面约1 cm，该过程要尽量避免煤样表面产生微泡，然后使用微量注射器在玻璃细管管口产生直径为3.15 mm气泡，调节气泡初始位置使气泡下端与煤样表面相距0.15 mm，设置三维操作平台控制器，使气泡以速度5 mm/s下行0.6 mm，气泡与煤样表面接触一段时间之后回到初始位置，该过程在黄色光源的辅助下由高速动态像机拍摄，并反馈到计算机，因此可直接观察气泡与煤样表面粘附状态。同一煤样在同一接触时间重复试验10次，设置不同的接触时间进行测量，当粘附概率γ=50%时，该接触时间近似为煤样的诱导时间。
γ=Sy/Sa
式中：Sy为发生粘附的次数；Sa为试验次数。
1.2.4 煤-水滴粘附力测量
试验组装了煤-水滴粘附力测量系统，用于测量煤和去离子水滴之间的最大粘附力。系统由黄色光源、相机、微距行进装置和微力测量装置组成，结构如图3所示，外接计算机辅助控制。煤样置于微力测量装置上，通过微量注射器形成体积3 μL大小的去离子水液滴，在微距行进装置控制下使液滴以0.02 mm/s的速度从煤样上方2.5 mm处向下移动3 mm距离。液滴与煤样接触前，微力测量装置没有响应，当液滴与煤样发生粘附时，会瞬间产生很强的粘附力，微力测量装置可以测量到粘附力的变化，随着粘附发生之后距离进一步缩近，测量到的粘附力会逐渐减小。由于不同粗糙度煤样疏水性存在差异，所以测得的粘附力也不相同，试验通过测量煤样粘附力最大值变化规律，反映煤样的疏水性和可浮性随粗糙度变化的规律。试验时将每个煤样测量5次，以其平均值作为试验的测量结果。
图3 粘附力测量仪
Fig.3 Adhesion measuring instrument
2 结果与讨论
2.1 表面形貌观测
煤样表面形貌如图4所示，未经砂纸打磨的原样表面凹凸不平，十分粗糙；400目砂纸打磨的煤样粗糙度较原样表面粗糙度低，表面整体呈现沟壑状纹路，部分凹痕较深；1 200目砂纸打磨的煤样表面粗糙度较前2个煤样进一步减小，虽然存在沟壑状纹理，但凹痕较浅，且比较均匀；煤样经过4 000目砂纸打磨，0.05 μm刚玉粉抛光之后，表面更加平整，沟壑状纹理大量减少，说明随着砂纸网目的增加和抛光剂的使用，煤样表面愈加平整光滑。另外，经过4000目砂纸打磨并用0.05 μm刚玉粉抛光之后的煤样表面仍有大量类似冲击形成的微小凸起，这是由于煤比较脆，且含有大量微细杂质[22]，导致难以通过磨抛形成光滑度极好的平面。
图4 煤样表面形貌
Fig.4 Coal surface morphology
2.2 粗糙度对接触角的影响
接触角测量结果如图5所示。Ra=2.98 μm时，煤样表面接触角平均值为64.2°；经过打磨处理过后，Ra=2.40 μm和Ra=0.84 μm的煤样接触角平均值为70.4°和77.0°，可见适度打磨便能明显提高煤样表面的接触角；经过磨抛处理得到的Ra=0.34 μm煤样接触角测量值的平均值增长更大，达到91.7°。接触角测量结果表明，粗糙度可以影响煤的接触角大小，随着表面粗糙度的降低，接触角明显增大，可浮性提高。
图5 粗糙度对接触角的影响
Fig.5 Effect of roughness on contact angle
粗糙度可以使接触角增大，与煤样表面微观物理结构的变化有着至关重要的联系[23]。根据Wenzel润湿模型[24]可知，粗糙煤表面的凹槽结构会被水填充，水与煤间的实际接触面积增加，接触角下降，其公式表达如下：
cosθw=rcos θ
式中：θw为粗糙表面的接触角，(°)；θ为完全光滑表面的本征接触角，(°)；r为粗糙因子，等于固体表面真实面积与表面投影面积之比，恒大于1。
随着砂纸网目增加，表面粗糙度降低，粗糙因子r逐渐向趋于1的方向减小，在较为亲水的煤表面，表观接触角θw就会逐渐增大，试验结果与模型预测相符。
2.3 粗糙度对诱导时间的影响
诱导时间试验结果如图6所示。Ra=2.98 μm的原样，当接触时间为2 000 ms时仍未发生粘附；Ra=2.40 μm和Ra=0.84 μm煤样的诱导时间分别为1 700 ms和1 000 ms；Ra=0.34 μm煤样的诱导时间很小，当接触时间为1 ms时，气泡依然可以与煤样表面发生很强的粘附。
图6 粗糙度对诱导时间的影响
Fig.6 Effect of roughness on induction time
结果表明，随着煤样表面粗糙度的减小，诱导时间明显减小，与静态接触角试验数据一致，说明煤的可浮性随着颗粒表面粗糙度减小而提高。
2.4 粗糙度对煤-水滴粘附力的影响
粘附力测试试验结果如图7所示。由图7可知，随着煤样表面粗糙度减小，液滴与煤样表面产生的粘附力逐渐减弱。Ra=2.98 μm原样最大粘附力的试验平均值为4个煤样中最大，为0.085 36 mN，这是由于原煤样表面亲水性比较好，当液滴与煤样表面接触时，会形成更长的三相润湿周边，粘附力大；Ra=2.40 μm和Ra=0.84 μm煤样的最大粘附力分别为0.070 76 mN和0.068 94 mN，虽然这2个煤样的试验平均值差异较小，但仍然存在减小的趋势；Ra=0.34 μm的煤样最光滑，也是粘附力最小的一个煤样，试验平均值为0.059 39 mN。试验定量反映了液滴和煤作用时粘附力的大小，通过粘附力大小的规律证明了煤的可浮性随着煤样表面粗糙度的减小而明显提高的规律。
图7 粗糙度对最大粘附力的影响
Fig.7 Effect of roughness on the maximum adhesion force
2.5 煤泥浮选过程中粗糙度效应及调控
在煤泥浮选过程中，粗糙度随煤阶的变化很大。低阶煤、中变质程度肥煤和高变质程度无烟煤的扫描电镜SEM测试结果如图8所示，低阶煤表面非常粗糙，随着煤阶的增大，煤颗粒表面的粗糙度降低。低阶煤由于表面存在大量极性含氧官能团，可浮性较差，表面粗糙度大更加恶化浮选效果。
在浮选过程中，特别是低阶煤浮选过程中，为了减弱粗糙度带来的不利影响，建议采用高强度调浆设备对煤泥进行处理，通过高强度搅拌形成的强湍流带动煤颗粒剧烈运动，利用颗粒之间、颗粒与水之间产生的擦洗作用，降低煤颗粒表面粗糙度，改善浮选效果。
图8 低阶煤、肥煤和无烟煤表面形貌
Fig.8 Surface morphology of low rank coal, fat coal and anthracite
3 结论
1)经过砂纸打磨之后，煤样粗糙度减小，表面趋于平整，且随砂纸网目增大，粗糙度越小。
2)表面粗糙度会影响煤的诱导时间、接触角和煤-水滴最大粘附力。随着煤样粗糙度的减小，煤样的诱导时间迅速减小，接触角会逐渐增大，煤-水滴最大粘附力显著减小，说明表面粗糙度降低可以显著增强煤样表面的疏水性，提高煤的可浮性。
3)在生产过程中，建议采用高强度搅拌设备对煤泥进行擦洗，降低表面粗糙度，改善浮选效果。
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