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Créé le 11.17
Étude sur la flottation de floculation sélective à haute efficacité des cendres fines de gazéification du charbon avec du polyacrylamide anionique
Cette étude aborde le défi de l'efficacité de tri réduite et de la qualité compromise des produits en raison de l'entraînement de particules fines lors de la séparation par flottation des cendres volantes de gazéification du charbon (CGFS). Nous proposons une méthode de flottation par floculation sélective utilisant du polyacrylamide anionique (APAM) pour réaliser une séparation à haute efficacité du carbone résiduel et des minéraux inorganiques dans le CGFS. En examinant les caractéristiques de distribution des particules de carbone résiduel et de minéraux, nous avons systématiquement étudié l'impact de l'ajout d'APAM sur la performance de flottation. De plus, une analyse détaillée des propriétés physico-chimiques des produits de flottation et des mécanismes d'interaction entre l'APAM et les surfaces minérales a été réalisée pour élucider les mécanismes de floculation sous-jacents. Les résultats montrent que, comparé aux processus de flottation traditionnels, la flottation par floculation sélective basée sur l'APAM améliore significativement la récupération du carbone résiduel, de 14,05 %. Des techniques de caractérisation, y compris des mesures de potentiel zêta, de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et de microscopie à force atomique (AFM), ont révélé que les groupes amide et acide carboxylique de l'APAM interagissent avec les surfaces minérales via des liaisons hydrogène, facilitant la formation et la stabilisation des flocs. Ces résultats mettent en évidence les avantages substantiels de l'APAM pour la séparation par flottation du carbone résiduel et des minéraux dans le CGFS, offrant une base scientifique solide pour la sélection et l'optimisation des floculants dans les applications pratiques.
Ces dernières années, l'utilisation propre et efficace du charbon est devenue de plus en plus importante sous les doubles impératifs de la transformation de la structure énergétique et de la protection de l'environnement. Au cœur de cet effort se trouve la technologie de gazéification du charbon, qui améliore considérablement l'efficacité de l'utilisation du charbon et ouvre la voie à de nouvelles applications diverses du charbon, telles que la production de combustibles gazeux et liquides propres et la synthèse de produits chimiques fins. Parmi les différentes méthodes de gazéification du charbon, la gazéification en flux entraîné a gagné en importance en raison de son taux de conversion du carbone exceptionnellement élevé, de sa large adaptabilité des matières premières et de ses avantages de production efficaces. Cette technologie permet la conversion efficace du charbon en gaz de synthèse par réaction avec des agents de gazéification—principalement l'oxygène et la vapeur—dans des conditions de haute température et de haute pression, fournissant ainsi une source de gaz stable pour la synthèse de produits en aval. Cependant, l'inconvénient de ce processus est la production de laitier fin de gazéification du charbon (CGFS), un sous-produit composé d'un mélange complexe de carbone résiduel non réagi et de minéraux inorganiques. La forte teneur en carbone résiduel dans le CGFS rend la combustion directe à la fois inefficace et nuisible pour l'environnement. De plus, les propriétés physiques et chimiques du CGFS limitent son utilisation directe dans les matériaux de construction et les opérations de remblai, car il ne répond pas aux normes nationales et industrielles pour l'utilisation des ressources en déchets et le contrôle des émissions. Le développement rapide de l'industrie de gazéification du charbon en Chine et l'augmentation concomitante de la capacité de production des grandes unités de gazéification ont entraîné une augmentation de la production de CGFS, mettant en avant des défis pressants liés à son traitement et à son élimination. Les méthodes traditionnelles telles que le stockage et l'enfouissement consomment non seulement d'importantes ressources foncières, mais posent également des risques écologiques à long terme, tels que la contamination des sols et des eaux souterraines.
La séparation du carbone résiduel et des minéraux inorganiques dans le CGFS est cruciale pour son utilisation sûre et à grande échelle. Les méthodes de séparation physique, y compris la séparation par gravité, le criblage et la flottation par mousse, sont de plus en plus considérées comme des options attrayantes en raison de leur durabilité environnementale et de leur rentabilité. La séparation par gravité exploite la différence de densité significative entre le carbone résiduel et les particules minérales pour réaliser une séparation efficace des composants. Les avancées récentes incluent l'enrichissement préliminaire du carbone résiduel dans le CGFS par Lv et al. utilisant un lit fluidisé liquide-solide incliné gonflable, ce qui a considérablement amélioré la pureté des produits en carbone résiduel. Liu et al. ont constaté que les particules de carbone résiduel dans le CGFS se situent principalement dans la plage de taille des particules de 75 à 180 μm. La flottation par mousse, qui tire parti des différences d'hydrophobicité des surfaces minérales, s'est révélée efficace pour séparer les particules de carbone résiduel et les particules minérales. Liu et al. ont démontré que dans des conditions de flottation optimales, le carbone résiduel pouvait être enrichi à une pureté de 59,01 % et un contenu en cendres de 37,64 %, reflétant l'utilité de la méthode dans le traitement du CGFS. Dong et al. ont analysé les produits de flottation et identifié les minéraux inorganiques dans le CGFS comme étant principalement des aluminosilicates à surface lisse et dense avec des oxydes contenant du fer en quantité mineure, tandis que le carbone résiduel se trouvait principalement sous forme de flocs poreux. La variation de la taille des particules, un facteur critique influençant l'efficacité de la flottation, a montré un impact significatif sur le taux de récupération. En particulier, une augmentation de la récupération de 39,04 % à 50,93 % a été réalisée en réduisant la taille des particules de résidu fin, ce qui souligne l'importance de l'optimisation de la taille des particules. De plus, les produits chimiques de flottation ont considérablement amélioré la précision de la séparation, Xuan et al. ayant innovativement utilisé des agents de capture composites préparés à partir d'acide naphténique et de kérosène. Cette approche a non seulement amélioré l'efficacité de la flottation, mais a également réduit la dose de réactif requise, éliminant la barrière énergétique entre les particules de carbone enrichies à haute concentration tout en la maintenant dans les composants de cendres enrichies. Ainsi, la flottation par mousse représente une méthode de séparation physique prometteuse pour l'élimination efficace du carbone non brûlé des scories de gazéification.
L'optimisation de la technologie de flottation par mousse est cruciale pour améliorer l'efficacité de l'utilisation des ressources et réduire les coûts de production. Cependant, plusieurs défis fondamentaux restent à relever. Dans le contexte de la flottation CGFS, des problèmes tels que la couverture par les boues fines, l'entraînement d'eau et la flottation non sélective des particules continues impactent significativement l'efficacité de la flottation et la qualité du produit. Par exemple, les molécules d'eau adsorbées dans les pores de carbone résiduel forment des agrégats, un phénomène qui varie avec la structure des pores. Plus précisément, une structure de pore plus développée est corrélée à une difficulté accrue de flottation et à une consommation de réactifs plus élevée. Le traitement de pré-broyage, combiné à des processus de flottation secondaires, a également démontré qu'il améliore l'efficacité de décaburation du CGFS. Cette approche favorise efficacement la dissociation du carbone résiduel et des particules minérales, exposant ainsi plus de surfaces hydrophobes et réduisant la quantité de réactif de flottation requise. De plus, l'application d'agents de capture émulsifiés a montré des promesses pour résoudre le problème de l'entraînement de particules fines à haute cendre et améliorer le taux de récupération des combustibles. Cette méthode a un impact positif sur le processus de flottation en réduisant la taille des particules dispersées de l'agent et en améliorant l'angle de contact et l'hydrophobicité de la surface du carbone résiduel. La technologie de prétraitement ultrasonique offre une solution novatrice aux défis associés à la flottation des particules de carbone-cendre étroitement liées. Cette technologie facilite non seulement la séparation efficace des particules de cendre fines du CGFS, mais améliore également la qualité du carbone enrichi résultant, qui présente une génération de chaleur à faible niveau élevée et une structure de pore plus développée. Malgré ces avancées, la présence de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène dans le CGFS réduit son hydrophobicité. Cela, combiné à sa structure de pore bien développée et à sa grande surface spécifique, entraîne une consommation chimique élevée pendant la flottation, rendant ainsi le processus plus coûteux.
Pour résoudre ce problème, Zhang et al. ont proposé une méthode innovante de scellement des pores qui empêche efficacement l'agent de piégeage d'entrer dans les canaux des pores par l'adhésion de la poussière de charbon, tout en augmentant simultanément les sites d'adsorption pour l'agent de piégeage. Cette méthode promet d'améliorer la récupération du carbone résiduel lors de la flottation. De plus, la technique de floculation dispersive sélective offre une stratégie d'optimisation alternative en manipulant les forces interactives entre les particules adsorbées. En construisant une couche hydrophile sur les surfaces des particules de cendres, cette technique permet une transition de l'agglomération sélective carbone-cendres à l'agglomération sélective carbone-carbone, ce qui améliore l'efficacité de séparation et réduit la consommation de réactifs. Parmi eux, des floculants de poids moléculaire élevé tels que le polyacrylamide (PAM), le chlorure d'aluminium polymérique (PAC), l'alcool polyacrylvinylique (PVA) et le polyacrylate de sodium (PAAS) ont été largement utilisés en raison de leurs excellentes propriétés de floculation. Ces floculants contiennent généralement une haute densité de groupes hydrophiles (par exemple, groupes amino et hydroxyles) le long de leurs chaînes moléculaires, ce qui leur permet de faciliter la floculation des minéraux à grain fin tout en inhibant la flottation des composants minéraux indésirables. Des études mécanistiques ont démontré que les groupes carboxyles résultant de l'hydrolyse du PAM peuvent s'adsorber sélectivement sur les surfaces minérales, influençant significativement le comportement de flottation des minéraux. Xia et al. ont observé que dans la séparation par flottation d'un système de boue de charbon-kaolin, le polyacrylamide anionique (APAM) flocule efficacement la fraction de kaolin, inhibant ainsi sa flottation et améliorant le rendement des produits de charbon raffiné. De plus, le polyacrylamide, avec ses caractéristiques hydrophobes, présente des avantages substantiels en performance de floculation en permettant une floculation sélective par des interactions hydrophobes. Cela se traduit par une amélioration de la récupération des minéraux cibles et de la qualité globale du produit. Ainsi, l'incorporation de floculants contenant des groupes hydrophobes peut considérablement améliorer l'efficacité du processus combiné de floculation-flottation, en particulier dans le traitement des minéraux à grain microfin, tels que les scories de gazéification.
L'étude présente vise à enquêter sur l'application potentielle de la substance peu coûteuse et largement utilisée, le polyacrylamide anionique (APAM), en tant que floculant dans le processus de flottation, en mettant particulièrement l'accent sur son efficacité à résoudre les problèmes d'entraînement de particules fines. En évaluant systématiquement l'impact de l'ajout d'APAM sur les produits de flottation et en analysant leurs propriétés physico-chimiques, les auteurs cherchent à élucider les mécanismes sous-jacents à l'action de l'APAM dans le système de flottation. Pour ce faire, des techniques de caractérisation avancées — y compris des mesures de potentiel zêta, la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) — ont été utilisées pour analyser en profondeur les mécanismes d'interaction entre l'APAM et les surfaces minérales. En fin de compte, cette recherche devrait améliorer la compréhension du comportement de l'APAM dans les systèmes de flottation et offrir une base théorique pour la séparation efficace des minéraux à grain fin.
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