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Erstellt 11.17
Studie zur hocheffizienten selektiven Flotation von feinem Schlacke aus der Kohlevergasung mit anionischem Polyacrylamid
Diese Studie befasst sich mit der Herausforderung der reduzierten Sortiereffizienz und der beeinträchtigten Produktqualität aufgrund der Mitführung feiner Partikel während der Flotationstrennung von feinem Schlacke aus der Kohlevergasung (CGFS). Wir schlagen eine selektive Flokkulierung-Flotation mit anionischem Polyacrylamid (APAM) vor, um eine hocheffiziente Trennung von restlichem Kohlenstoff und anorganischen Mineralien in CGFS zu erreichen. Durch die Untersuchung der Partikelverteilungseigenschaften von restlichem Kohlenstoff und Mineralien haben wir systematisch die Auswirkungen der APAM-Zugabe auf die Flotationsleistung untersucht. Darüber hinaus wurde eine detaillierte Analyse der physikochemischen Eigenschaften der Flotationsprodukte und der Wechselwirkungsmechanismen zwischen APAM und Mineraloberflächen durchgeführt, um die zugrunde liegenden Flokkulierungsmechanismen zu erläutern. Die Ergebnisse zeigen, dass die APAM-basierte selektive Flokkulierung-Flotation im Vergleich zu traditionellen Flotationsprozessen die Rückgewinnung von restlichem Kohlenstoff um 14,05 % signifikant erhöht. Charakterisierungstechniken wie Zeta-Potential-Messungen, Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) haben gezeigt, dass die Amid- und Carbonsäuregruppen von APAM über Wasserstoffbrückenbindungen mit Mineraloberflächen interagieren, was die Flokkulierung und Stabilisierung fördert. Diese Ergebnisse heben die erheblichen Vorteile von APAM für die Flotationstrennung von restlichem Kohlenstoff und Mineralien in CGFS hervor und bieten eine solide wissenschaftliche Grundlage für die Auswahl und Optimierung von Flokkulanten in praktischen Anwendungen.
In den letzten Jahren ist die saubere und effiziente Nutzung von Kohle unter den doppelten Imperativen der Transformation der Energiestruktur und des Umweltschutzes zunehmend wichtig geworden. Zentral für diese Bemühungen ist die Kohlevergasungstechnologie, die die Effizienz der Kohlenutzung erheblich steigert und den Weg für vielfältige neue Anwendungen von Kohle ebnet, wie die Produktion von sauberen gasförmigen und flüssigen Brennstoffen sowie die Synthese von Feinchemikalien. Unter den verschiedenen Methoden der Kohlevergasung hat die Durchflussvergasung aufgrund ihrer außergewöhnlich hohen Kohlenstoffumwandlungsrate, ihrer breiten Rohstoffanpassungsfähigkeit und ihrer effizienten Produktionsvorteile an Bedeutung gewonnen. Diese Technologie ermöglicht die effektive Umwandlung von Kohle in Synthesegas durch Reaktion mit Vergasungsagentien – hauptsächlich Sauerstoff und Dampf – unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen, wodurch eine stabile Gasquelle für die Synthese von nachgelagerten Produkten bereitgestellt wird. Ein Nachteil dieses Prozesses ist die Produktion von feinem Kohlevergasungs-Schlacke (CGFS), einem Nebenprodukt, das aus einer komplexen Mischung aus nicht reagierendem Restkohlenstoff und anorganischen Mineralien besteht. Der hohe Restkohlenstoffgehalt in CGFS macht die direkte Verbrennung sowohl ineffizient als auch umweltschädlich. Darüber hinaus schränken die physikalischen und chemischen Eigenschaften von CGFS dessen direkte Verwendung in Baustellenmaterialien und Auffüllarbeiten ein, da es die nationalen und industriellen Standards für die Nutzung von Abfallressourcen und die Emissionskontrolle nicht erfüllt. Die rasante Entwicklung der Kohlevergasungsindustrie in China und der damit verbundene Anstieg der Produktionskapazität großer Vergasungseinheiten hat zu einem Anstieg der CGFS-Produktion geführt, was drängende Herausforderungen im Zusammenhang mit seiner Behandlung und Entsorgung in den Vordergrund rückt. Traditionelle Methoden wie Lagerung und Deponierung verbrauchen nicht nur umfangreiche Landressourcen, sondern stellen auch langfristige ökologische Risiken dar, wie die Kontamination von Boden und Grundwasser.
Die Trennung von restlichem Kohlenstoff und anorganischen Mineralien in CGFS ist entscheidend für die sichere, großflächige Nutzung. Physikalische Trennmethoden, einschließlich der Schwerkrafttrennung, Siebung und Schaumflotation, werden zunehmend als attraktive Optionen angesehen, da sie umweltfreundlich und kosteneffektiv sind. Die Schwerkrafttrennung nutzt den signifikanten Dichteunterschied zwischen restlichem Kohlenstoff und Mineralpartikeln, um eine effektive Komponenten-Trennung zu erreichen. Jüngste Fortschritte umfassen die vorläufige Anreicherung von restlichem Kohlenstoff in CGFS durch Lv et al. unter Verwendung eines aufblasbaren, geneigten Flüssig-Feststoff-Fluidbetts, was die Reinheit der restlichen Kohlenstoffprodukte erheblich verbesserte. Liu et al. fanden heraus, dass die Partikel von restlichem Kohlenstoff in CGFS überwiegend im Partikelgrößenbereich von 75–180 μm liegen. Die Schaumflotation, die die Unterschiede in der Hydrophobizität der Mineraloberflächen nutzt, hat sich als effektiv bei der Trennung von restlichem Kohlenstoff und Mineralpartikeln erwiesen. Liu et al. zeigten, dass unter optimalen Flotationsbedingungen der restliche Kohlenstoff auf eine Reinheit von 59,01 % und einen Aschegehalt von 37,64 % angereichert werden konnte, was die Nützlichkeit der Methode bei der Verarbeitung von CGFS widerspiegelt. Dong et al. analysierten Flotationsprodukte und identifizierten die anorganischen Mineralien in CGFS als überwiegend glattoberflächliche, dichte Aluminosilikate mit geringfügigen eisenhaltigen Oxiden, während restlicher Kohlenstoff hauptsächlich in Form von porösen Flocken vorkam. Die Variation der Partikelgröße, ein kritischer Faktor, der die Flotationseffizienz beeinflusst, zeigte einen signifikanten Einfluss auf die Rückgewinnung. Insbesondere wurde eine Erhöhung der Rückgewinnung von 39,04 % auf 50,93 % durch die Reduzierung der Partikelgröße des feinen Rückstands erreicht, was die Bedeutung der Optimierung der Partikelgröße unterstreicht. Darüber hinaus haben Flotationschemikalien die Trennpräzision erheblich verbessert, wobei Xuan et al. innovativ komposite Fangmittel aus Naphthensäure und Kerosin einsetzten. Dieser Ansatz verbesserte nicht nur die Flotationseffektivität, sondern reduzierte auch die erforderliche Reagenzmenge, wodurch die Energiebarriere zwischen hochkonzentrierten angereicherten Kohlenstoffpartikeln beseitigt wurde, während sie in angereicherten Aschekomponenten erhalten blieb. Somit stellt die Schaumflotation eine vielversprechende physikalische Trennmethode für die effiziente Entfernung von unverbranntem Kohlenstoff aus Vergasungsschlacke dar.
Die Optimierung der Schaumflotationstechnologie ist entscheidend für die Verbesserung der Effizienz der Ressourcennutzung und die Senkung der Produktionskosten. Es bestehen jedoch mehrere grundlegende Herausforderungen, die angegangen werden müssen. Im Kontext der CGFS-Flotation haben Probleme wie feiner Schlammüberzug, Wasserverunreinigung und die nicht-selektive Flotation von kontinuierlichen Partikeln erhebliche Auswirkungen auf die Flotationseffizienz und die Produktqualität. Zum Beispiel bilden in den verbleibenden Kohlenstoffporen adsorbierte Wassermoleküle Cluster, ein Phänomen, das mit der Porenstruktur variiert. Insbesondere korreliert eine besser entwickelte Porenstruktur mit einer erhöhten Flotationserschwernis und einem höheren Reagenzienverbrauch. Eine Vorzerkleinerungsbehandlung, kombiniert mit sekundären Flotationsprozessen, hat sich ebenfalls als wirksam erwiesen, um die Dekarbonisierungseffizienz von CGFS zu verbessern. Dieser Ansatz fördert effektiv die Dissoziation von verbleibendem Kohlenstoff und Mineralpartikeln, wodurch mehr hydrophobe Oberflächen freigelegt werden und die Menge des benötigten Flotationsreagenz verringert wird. Darüber hinaus hat die Anwendung von emulgierten Fangmitteln vielversprechende Ergebnisse bei der Lösung des Problems der hohen Aschefeinpartikelverunreinigung gezeigt und die Rückgewinnungsrate von Brennstoffen verbessert. Diese Methode hat positive Auswirkungen auf den Flotationsprozess, indem sie die disperse Partikelgröße des Mittels verringert und den Kontaktwinkel sowie die Hydrophobizität der verbleibenden Kohlenstoffoberfläche erhöht. Die Ultraschall-Vorbehandlungstechnologie bietet eine neuartige Lösung für die Herausforderungen, die mit der Flotation von eng verbundenen Kohlenstoff-Asche-Partikeln verbunden sind. Diese Technologie erleichtert nicht nur die effektive Trennung von feinen Aschepartikeln von CGFS, sondern verbessert auch die Qualität des resultierenden angereicherten Kohlenstoffs, der eine hohe Wärmeentwicklung bei niedrigen Temperaturen und eine besser entwickelte Porenstruktur aufweist. Trotz dieser Fortschritte verringert das Vorhandensein von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen in CGFS dessen Hydrophobizität. Dies führt in Kombination mit seiner gut entwickelten Porenstruktur und der hohen spezifischen Oberfläche zu einem hohen chemischen Verbrauch während der Flotation, was den Prozess teurer macht.
Um dieses Problem anzugehen, schlugen Zhang et al. eine innovative Porenversiegelungsmethode vor, die effektiv verhindert, dass das Fangmittel durch die Haftung von Kohlenstaub in die Porenkanäle eindringt, während gleichzeitig die Adsorptionsstellen für das Fangmittel erhöht werden. Diese Methode verspricht, die Rückgewinnung von Restkohlenstoff während der Flotation zu verbessern. Darüber hinaus bietet die selektive dispersive Flokkulierungstechnik eine alternative Optimierungsstrategie, indem sie die Wechselwirkungen zwischen adsorbierten Partikeln manipuliert. Durch den Aufbau einer hydrophilen Schicht auf den Oberflächen von Aschepartikeln ermöglicht diese Technik einen Übergang von der selektiven Kohlenstoff-Asche- zur selektiven Kohlenstoff-Kohlenstoff-Agglomeration, was die Trennungseffizienz verbessert und den Reagenzienverbrauch reduziert. Unter ihnen wurden hochmolekulare Flokkulanten wie Polyacrylamid (PAM), polymeres Aluminiumchlorid (PAC), Polyacrylovinylalkohol (PVA) und Natriumpolyacrylat (PAAS) aufgrund ihrer hervorragenden Flokkulierungseigenschaften umfassend eingesetzt. Diese Flokkulanten enthalten typischerweise eine hohe Dichte an hydrophilen Gruppen (z. B. Amino- und Hydroxylgruppen) entlang ihrer Molekülketten, die es ihnen ermöglichen, die Flokkulierung von feinkörnigen Mineralien zu erleichtern, während sie die Flotation unerwünschter Mineralbestandteile hemmen. Mechanistische Studien haben gezeigt, dass die Carboxylgruppen, die aus der Hydrolyse von PAM resultieren, selektiv auf die Mineraloberflächen adsorbieren können, was das Flotationsverhalten von Mineralien erheblich beeinflusst. Xia et al. beobachteten, dass in der Flotationstrennung eines Kohleschlamm-Kaolinsystems anionisches Polyacrylamid (APAM) effektiv die Kaolinfraction flokkulierte, wodurch dessen Flotation gehemmt und der Ertrag an raffinierten Kohleprodukten erhöht wurde. Darüber hinaus zeigt Polyacrylamid mit seinen hydrophoben Eigenschaften erhebliche Vorteile in der Flokkulierungseffizienz, indem es selektive Flokkulierung durch hydrophobe Wechselwirkungen ermöglicht. Dies führt zu einer verbesserten Rückgewinnung der Zielmineralien und einer insgesamt höheren Produktqualität. Somit kann die Einbeziehung von Flokkulanten, die hydrophobe Gruppen enthalten, die Effizienz des kombinierten Flokkulierungs-Flotationsprozesses erheblich steigern, insbesondere bei der Behandlung von mikrofeinkörnigen Mineralien wie Vergasungsschlacke.
Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die potenzielle Anwendung der kostengünstigen und weit verbreiteten Substanz anionisches Polyacrylamid (APAM) als Flockungsmittel im Flotationsprozess zu untersuchen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf seiner Wirksamkeit bei der Bekämpfung von Problemen mit der Einschluss von feinen Partikeln gelegt wird. Durch die systematische Bewertung der Auswirkungen der APAM-Zugabe auf die Flotationsprodukte und die Analyse ihrer physikochemischen Eigenschaften möchten die Autoren die Mechanismen, die der APAM-Wirkung im Flotationssystem zugrunde liegen, aufklären. Um dies zu erreichen, wurden fortschrittliche Charakterisierungstechniken – einschließlich Zeta-Potential-Messungen, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) – eingesetzt, um die Wechselwirkungsmechanismen zwischen dem APAM und den Mineraloberflächen gründlich zu analysieren. Letztendlich wird erwartet, dass diese Forschung das Verständnis des APAM-Verhaltens in Flotationssystemen verbessert und eine theoretische Grundlage für die effiziente Trennung von feinkörnigen Mineralien bietet.
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