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Creado 11.17
Estudio sobre la flotación de floculación selectiva de alta eficiencia de los finos de escoria de gasificación de carbón con poliacrilamida aniónica
Este estudio aborda el desafío de la eficiencia de clasificación reducida y la calidad del producto comprometida debido a la inclusión de partículas finas durante la separación por flotación de la escoria fina de gasificación de carbón (CGFS). Proponemos un método de flotación por floculación selectiva utilizando poliacrilamida aniónica (APAM) para lograr una separación de alta eficiencia del carbono residual y minerales inorgánicos en CGFS. A través del examen de las características de distribución de partículas del carbono residual y los minerales, investigamos sistemáticamente el impacto de la adición de APAM en el rendimiento de flotación. Además, se realizó un análisis detallado de las propiedades fisicoquímicas de los productos de flotación y de los mecanismos de interacción entre el APAM y las superficies minerales para elucidar los mecanismos de floculación subyacentes. Los resultados muestran que, en comparación con los procesos de flotación tradicionales, la flotación por floculación selectiva basada en APAM mejora significativamente la recuperación de carbono residual, en un 14.05 %. Las técnicas de caracterización, incluyendo mediciones de potencial zeta, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y microscopía de fuerza atómica (AFM), revelaron que los grupos amida y carboxilo del APAM interactúan con las superficies minerales a través de enlaces de hidrógeno, facilitando la formación y estabilización de flóculos. Estos hallazgos destacan las ventajas sustanciales del APAM para la separación por flotación de carbono residual y minerales en CGFS, ofreciendo una base científica sólida para la selección y optimización de floculantes en aplicaciones prácticas.
En los últimos años, la utilización limpia y eficiente del carbón se ha vuelto cada vez más importante bajo los dos imperativos de la transformación de la estructura energética y la protección del medio ambiente. Central a este esfuerzo está la tecnología de gasificación del carbón, que mejora significativamente la eficiencia de la utilización del carbón y allana el camino para diversas nuevas aplicaciones del carbón, como la producción de combustibles gaseosos y líquidos limpios y la síntesis de productos químicos finos. Entre los diversos métodos de gasificación del carbón, la gasificación por flujo arrastrado ha ganado prominencia debido a su excepcionalmente alta tasa de conversión de carbono, amplia adaptabilidad de materias primas y beneficios de producción eficientes. Esta tecnología permite la conversión efectiva del carbón en gas de síntesis a través de la reacción con agentes de gasificación—principalmente oxígeno y vapor—bajo condiciones de alta temperatura y alta presión, proporcionando así una fuente de gas estable para la síntesis de productos en etapas posteriores. Sin embargo, el inconveniente de este proceso es la producción de escoria fina de gasificación de carbón (CGFS), un subproducto que consiste en una mezcla compleja de carbono residual no reaccionado y minerales inorgánicos. El alto contenido de carbono residual en CGFS hace que la combustión directa sea ineficiente y perjudicial para el medio ambiente. Además, las propiedades físicas y químicas de CGFS limitan su uso directo en materiales de construcción y operaciones de relleno, ya que no cumple con los estándares nacionales e industriales para la utilización de recursos de desecho y el control de emisiones. El rápido desarrollo de la industria de gasificación de carbón en China y el aumento concomitante de la capacidad de producción de grandes unidades de gasificación han provocado un aumento en la producción de CGFS, lo que ha traído a la luz desafíos urgentes relacionados con su tratamiento y eliminación. Los métodos tradicionales como el almacenamiento y el vertido no solo consumen extensos recursos de tierra, sino que también plantean riesgos ecológicos a largo plazo, como la contaminación del suelo y del agua subterránea.
La separación del carbono residual y los minerales inorgánicos en CGFS es crucial para su utilización segura y a gran escala. Los métodos de separación física, incluidos la separación por gravedad, el tamizado y la flotación por espuma, son cada vez más vistos como opciones atractivas debido a su sostenibilidad ambiental y rentabilidad. La separación por gravedad explota la significativa diferencia de densidad entre el carbono residual y las partículas minerales para lograr una separación efectiva de los componentes. Los avances recientes incluyen el enriquecimiento preliminar del carbono residual en CGFS por parte de Lv et al. utilizando un lecho fluidizado líquido-sólido inclinado inflable, lo que mejoró significativamente la pureza de los productos de carbono residual. Liu et al. encontraron que las partículas de carbono residual en CGFS predominantemente caen dentro del rango de tamaño de partículas de 75–180 μm. La flotación por espuma, que aprovecha las diferencias en la hidrofobicidad de las superficies minerales, ha demostrado ser efectiva en la separación de partículas de carbono residual y minerales. Liu et al. demostraron que bajo condiciones óptimas de flotación, el carbono residual podría enriquecerse a una pureza del 59.01 % y un contenido de cenizas del 37.64 %, reflejando la utilidad del método en el procesamiento de CGFS. Dong et al. analizaron los productos de flotación e identificaron los minerales inorgánicos en CGFS como principalmente aluminosilicatos densos de superficie lisa con óxidos que contienen hierro en menor cantidad, mientras que se encontró que el carbono residual ocurría principalmente en forma de flóculos porosos. La variación del tamaño de las partículas, un factor crítico que influye en la eficacia de la flotación, mostró tener un impacto significativo en la recuperación. Específicamente, se logró un aumento en la recuperación del 39.04 % al 50.93 % al reducir el tamaño de las partículas del residuo fino, lo que subraya la importancia de la optimización del tamaño de las partículas. Además, los productos químicos de flotación han mejorado enormemente la precisión de la separación, con Xuan et al. empleando de manera innovadora agentes de captura compuestos preparados a partir de ácido nafténico y queroseno. Este enfoque no solo mejoró la efectividad de la flotación, sino que también redujo la dosis de reactivo requerida, eliminando la barrera energética entre las partículas de carbono enriquecido de alta concentración mientras se mantenía en los componentes de ceniza enriquecida. Así, la flotación por espuma representa un método de separación física prometedor para la eliminación eficiente del carbono no quemado de la escoria de gasificación.
La optimización de la tecnología de flotación por espuma es crucial para mejorar la eficiencia de la utilización de recursos y reducir los costos de producción. Sin embargo, persisten varios desafíos fundamentales que deben abordarse. En el contexto de la flotación CGFS, problemas como la cobertura de lodo fino, la retención de agua y la flotación no selectiva de partículas continuas impactan significativamente la eficiencia de flotación y la calidad del producto. Por ejemplo, las moléculas de agua adsorbidas en los poros de carbono residual forman grupos, un fenómeno que varía con la estructura de los poros. Específicamente, una estructura de poros más desarrollada se correlaciona con una mayor dificultad de flotación y un mayor consumo de reactivos. El tratamiento de pre-molienda, combinado con procesos de flotación secundaria, también ha demostrado mejorar la eficiencia de descarbonización de CGFS. Este enfoque promueve efectivamente la disociación del carbono residual y las partículas minerales, exponiendo así más superficies hidrofóbicas y reduciendo la cantidad de reactivo de flotación requerido. Además, la aplicación de agentes de captura emulsionados ha mostrado promesas para abordar el problema de la retención de partículas finas de alto contenido de cenizas y mejorar la tasa de recuperación de combustibles. Este método impacta positivamente el proceso de flotación al reducir el tamaño de partícula dispersa del agente y mejorar el ángulo de contacto y la hidrofobicidad de la superficie de carbono residual. La tecnología de pretratamiento ultrasónico ofrece una solución novedosa a los desafíos asociados con la flotación de partículas de carbono- ceniza fuertemente conectadas. Esta tecnología no solo facilita la separación efectiva de partículas finas de ceniza de CGFS, sino que también mejora la calidad del carbono enriquecido resultante, que exhibe una alta generación de calor a bajo nivel y una estructura de poros más desarrollada. A pesar de estos avances, la presencia de grupos funcionales que contienen oxígeno en CGFS reduce su hidrofobicidad. Esto, combinado con su estructura de poros bien desarrollada y alta área de superficie específica, resulta en un alto consumo químico durante la flotación, lo que hace que el proceso sea más costoso.
Para abordar este problema, Zhang et al. propusieron un método innovador de sellado de poros que previene eficazmente que el agente atrapante entre en los canales de poros a través de la adhesión del polvo de carbón, mientras que simultáneamente aumenta los sitios de adsorción para el agente atrapante. Este método tiene potencial para mejorar la recuperación de carbono residual durante la flotación. Además, la técnica de floculación dispersiva selectiva proporciona una estrategia de optimización alternativa al manipular las fuerzas interactivas entre las partículas adsorbidas. Al construir una capa hidrofílica en las superficies de las partículas de ceniza, esta técnica permite una transición de la aglomeración selectiva carbón-ceniza a la aglomeración selectiva carbón-carbono, lo que mejora la eficiencia de separación y reduce el consumo de reactivos. Entre ellos, los floculantes de alto peso molecular, como el poliacrilamida (PAM), el cloruro de aluminio polimérico (PAC), el alcohol poliacrilovinílico (PVA) y el poliacrilato de sodio (PAAS), han sido ampliamente utilizados debido a sus excelentes propiedades de floculación. Estos floculantes típicamente contienen una alta densidad de grupos hidrofílicos (por ejemplo, grupos amino e hidroxilo) a lo largo de sus cadenas moleculares, lo que les permite facilitar la floculación de minerales de grano fino mientras inhiben la flotación de componentes minerales no deseados. Estudios mecanicistas han demostrado que los grupos carboxilo resultantes de la hidrólisis de PAM pueden adsorberse selectivamente en las superficies minerales, influyendo significativamente en el comportamiento de flotación de los minerales. Xia et al. observaron que en la separación por flotación de un sistema de lodo de carbón-kaolín, el poliacrilamida aniónica (APAM) floculó eficazmente la fracción de caolín, inhibiendo así su flotación y mejorando el rendimiento de los productos de carbón refinado. Además, la poliacrilamida, con sus características hidrofóbicas, exhibe ventajas sustanciales en el rendimiento de floculación al permitir la floculación selectiva a través de interacciones hidrofóbicas. Esto resulta en una mejor recuperación de minerales objetivo y en la calidad general del producto. Así, la incorporación de floculantes que contienen grupos hidrofóbicos puede mejorar significativamente la eficiencia del proceso combinado de floculación-flotación, particularmente en el tratamiento de minerales microfinos, como el escoria de gasificación.
El presente estudio tiene como objetivo investigar la posible aplicación de la sustancia de bajo costo y ampliamente utilizada, el poliacrilamida aniónica (APAM), como floculante en el proceso de flotación, con un enfoque particular en su efectividad para abordar problemas de arrastre de partículas finas. A través de la evaluación sistemática del impacto de la adición de APAM en los productos de flotación y el análisis de sus propiedades fisicoquímicas, los autores buscan elucidar los mecanismos subyacentes a la acción del APAM dentro del sistema de flotación. Para lograr esto, se utilizaron técnicas de caracterización avanzadas, incluyendo mediciones de potencial zeta, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y microscopía de fuerza atómica (AFM) para analizar a fondo los mecanismos de interacción entre el APAM y las superficies minerales. En última instancia, se espera que esta investigación mejore la comprensión del comportamiento del APAM en los sistemas de flotación y ofrezca una base teórica para la separación eficiente de minerales de grano fino.
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