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作成日 11.17
高効率選択的フロック浮選に関する研究 アニオン性ポリアクリルアミドを用いた石炭ガス化微細スラグ
この研究は、石炭ガス化微細スラグ（CGFS）の浮選分離中に微細粒子の巻き込みによって引き起こされる選別効率の低下と製品品質の損なわれるという課題に取り組んでいます。私たちは、陰イオンポリアクリルアミド（APAM）を利用した選択的フロック浮選法を提案し、CGFSにおける残留炭素と無機鉱物の高効率分離を実現します。残留炭素と鉱物の粒子分布特性を調査することにより、APAM添加が浮選性能に与える影響を体系的に調査しました。さらに、浮選生成物の物理化学的特性とAPAMと鉱物表面間の相互作用メカニズムの詳細な分析を行い、基礎的なフロック形成メカニズムを明らかにしました。結果は、従来の浮選プロセスと比較して、APAMベースの選択的フロック浮選が残留炭素の回収率を14.05 %向上させることを示しています。ゼータ電位測定、X線光電子分光法（XPS）、および原子間力顕微鏡（AFM）を含む特性評価技術は、APAMのアミドおよびカルボン酸基が水素結合を介して鉱物表面と相互作用し、フロックの形成と安定化を促進することを明らかにしました。これらの発見は、CGFSにおける残留炭素と鉱物の浮選分離に対するAPAMの大きな利点を強調し、実際の応用におけるフロック剤の選択と最適化のための堅固な科学的基盤を提供します。
近年、エネルギー構造の転換と環境保護という二重の要請の下で、石炭のクリーンで効率的な利用がますます重要になっています。この努力の中心となるのが石炭ガス化技術であり、これは石炭利用の効率を大幅に向上させ、クリーンな気体および液体燃料の生産や高品質化学品の合成など、石炭の多様な新しい用途への道を開きます。さまざまな石炭ガス化方法の中で、エントレインフローガス化は、非常に高い炭素転換率、広範な原料適応性、効率的な生産利益により注目を集めています。この技術は、主に酸素と蒸気というガス化剤との反応を通じて、石炭を合成ガスに効果的に変換することを可能にし、高温・高圧条件下での安定したガス源を下流の製品合成に提供します。しかし、このプロセスの欠点は、未反応の残留炭素と無機鉱物の複雑な混合物からなる副産物である石炭ガス化微細スラグ（CGFS）の生成です。CGFSの高い残留炭素含量は、直接燃焼を非効率的かつ環境に有害なものにしています。さらに、CGFSの物理的および化学的特性は、建材や埋戻し作業における直接的な使用を制約し、廃棄物資源利用および排出管理に関する国家および産業基準を満たしていません。中国の石炭ガス化産業の急速な発展と大規模ガス化ユニットの生産能力の増加に伴い、CGFSの生産が急増し、その処理と廃棄に関する緊急の課題が浮上しています。従来の方法である在庫保管や埋立ては、広範な土地資源を消費するだけでなく、土壌や地下水の汚染などの長期的な生態リスクをもたらします。
CGFSにおける残留炭素と無機鉱物の分離は、その安全で大規模な利用にとって重要です。重力分離、ふるい分け、泡浮選などの物理的分離方法は、環境の持続可能性とコスト効率の良さから、ますます魅力的な選択肢と見なされています。重力分離は、残留炭素と鉱物粒子の間の顕著な密度差を利用して、効果的な成分分離を実現します。最近の進展には、Lvらによるインフレータブル傾斜液-固体流動床を用いたCGFSにおける残留炭素の初期濃縮が含まれ、これにより残留炭素製品の純度が大幅に向上しました。Liuらは、CGFSにおける残留炭素粒子が主に75–180 μmの粒子サイズ範囲にあることを発見しました。泡浮選は、鉱物表面の疎水性の違いを利用して、残留炭素と鉱物粒子を分離するのに効果的であることが証明されています。Liuらは、最適な浮選条件下で残留炭素が59.01 %の純度と37.64 %の灰分を持つことができることを示し、この方法のCGFS処理における有用性を反映しています。Dongらは浮選生成物を分析し、CGFSにおける無機鉱物が主に滑らかな表面を持つ密なアルミノケイ酸塩であり、少量の鉄含有酸化物が含まれていることを特定しました。一方、残留炭素は主に多孔質フロックの形で存在することがわかりました。粒子サイズの変動は、浮選の効率に影響を与える重要な要因であり、回収率に大きな影響を与えることが示されました。具体的には、微細残留粒子サイズを減少させることで回収率が39.04 %から50.93 %に増加し、粒子サイズの最適化の重要性が強調されました。さらに、浮選薬品は分離精度を大幅に向上させ、Xuanらはナフテン酸と灯油から調製された複合捕集剤を革新的に使用しました。このアプローチは、浮選の効果を改善するだけでなく、必要な試薬の投与量を減少させ、高濃度の濃縮炭素粒子間のエネルギー障壁を排除し、濃縮灰成分に保持することができました。したがって、泡浮選はガス化スラグから未燃炭素を効率的に除去するための有望な物理的分離方法を表しています。
泡浮選技術の最適化は、資源利用の効率を高め、生産コストを削減するために重要です。しかし、いくつかの根本的な課題が残っています。CGFS浮選の文脈において、細かい泥の被覆、水の巻き込み、連続粒子の非選択的浮選などの問題は、浮選効率と製品品質に大きな影響を与えます。例えば、残留炭素の孔に吸着した水分子はクラスターを形成し、この現象は孔構造によって異なります。具体的には、より発達した孔構造は、浮選の難易度を高め、試薬消費量を増加させることに関連しています。前処理と二次浮選プロセスを組み合わせることで、CGFSの脱炭効率を向上させることも示されています。このアプローチは、残留炭素と鉱物粒子の解離を促進し、より多くの疎水性表面を露出させ、必要な浮選試薬の量を減少させます。さらに、エマルジョン捕集剤の適用は、高灰分細粒の巻き込み問題に対処し、可燃物の回収率を改善する可能性を示しています。この方法は、試薬の分散粒子サイズを減少させ、残留炭素表面の接触角と疎水性を向上させることにより、浮選プロセスに良い影響を与えます。超音波前処理技術は、密接に結合した炭素-灰粒子の浮選に関連する課題に対する新しい解決策を提供します。この技術は、CGFSから細かい灰粒子を効果的に分離するだけでなく、結果として得られる濃縮炭素の品質を向上させ、高い低レベル熱生成とより発達した孔構造を示します。これらの進展にもかかわらず、CGFSにおける酸素含有官能基の存在は、その疎水性を低下させます。これに加えて、発達した孔構造と高い比表面積が浮選中の化学物質消費を増加させ、プロセスをより高価にしています。
この問題に対処するために、Zhangらは革新的な孔封止方法を提案しました。この方法は、石炭粉塵の付着を通じてトラッピング剤が孔チャネルに入るのを効果的に防ぎながら、同時にトラッピング剤の吸着サイトを増加させます。この方法は、浮選中の残留炭素回収を向上させる可能性を秘めています。さらに、選択的分散フロック化技術は、吸着粒子間の相互作用力を操作することによって、別の最適化戦略を提供します。この技術は、灰粒子表面に親水性層を構築することにより、炭素-灰選択的から炭素-炭素選択的な凝集への移行を可能にし、分離効率を改善し、試薬消費を削減します。その中でも、ポリアクリルアミド（PAM）、ポリマーアルミニウムクロリド（PAC）、ポリアクリルビニルアルコール（PVA）、およびポリアクリル酸ナトリウム（PAAS）などの高分子量フロック剤は、その優れたフロック化特性により広く利用されています。これらのフロック剤は、通常、分子鎖に高密度の親水性基（例：アミノ基およびヒドロキシ基）を含んでおり、微細鉱物のフロック化を促進し、不要な鉱物成分の浮選を抑制します。メカニズム研究により、PAMの加水分解によって生成されるカルボキシル基が鉱物表面に選択的に吸着し、鉱物の浮選挙動に大きな影響を与えることが示されています。Xiaらは、石炭スラリー-カオリン系の浮選分離において、陰イオンポリアクリルアミド（APAM）がカオリン分画を効果的にフロック化し、その浮選を抑制し、精製石炭製品の収率を向上させることを観察しました。さらに、ポリアクリルアミドは、その疎水性特性により、疎水性相互作用を通じて選択的フロック化を可能にし、フロック化性能において大きな利点を示します。これにより、ターゲット鉱物の回収と全体的な製品品質が向上します。したがって、疎水性基を含むフロック剤の導入は、特にガス化スラグのような微細鉱物の処理において、フロック化-浮選プロセスの効率を大幅に向上させることができます。
本研究は、低コストで広く使用されている物質である陰イオンポリアクリルアミド（APAM）をフローテーションプロセスにおけるフロック剤としての潜在的な応用を調査することを目的としており、特に微細粒子の巻き込み問題に対処する効果に焦点を当てています。APAMの添加がフローテーション生成物に与える影響を体系的に評価し、それらの物理化学的特性を分析することを通じて、著者はフローテーションシステム内でのAPAMの作用メカニズムを明らかにしようとしています。これを達成するために、ゼータ電位測定、X線光電子分光法（XPS）、および原子間力顕微鏡（AFM）などの高度な特性評価技術を使用して、APAMと鉱物表面との相互作用メカニズムを徹底的に分析しました。最終的に、この研究はフローテーションシステムにおけるAPAMの挙動の理解を深め、微細鉱物の効率的な分離のための理論的基盤を提供することが期待されています。
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