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생성 날짜 11.17
석탄 가스화 미세 슬래그의 고효율 선택적 응집 부유에 대한 음이온 폴리아크릴아미드 연구
이 연구는 석탄 가스화 미세 슬래그(CGFS)의 부유 분리 과정에서 미세 입자 유입으로 인한 분류 효율 저하와 제품 품질 저하 문제를 다룹니다. 우리는 음이온 폴리아크릴아마이드(APAM)를 활용한 선택적 응집 부유 방법을 제안하여 CGFS에서 잔여 탄소와 무기 광물의 고효율 분리를 달성하고자 합니다. 잔여 탄소와 광물의 입자 분포 특성을 조사함으로써, APAM 첨가가 부유 성능에 미치는 영향을 체계적으로 연구했습니다. 또한, 부유 제품의 물리화학적 특성과 APAM과 광물 표면 간의 상호작용 메커니즘에 대한 상세한 분석을 수행하여 기본적인 응집 메커니즘을 설명했습니다. 결과는 전통적인 부유 공정과 비교할 때, APAM 기반 선택적 응집 부유가 잔여 탄소 회수율을 14.05% 향상시킨다는 것을 보여줍니다. 제타 전위 측정, X선 광전자 분광법(XPS) 및 원자 힘 현미경(AFM)과 같은 특성화 기술은 APAM의 아마이드 및 카복실산 그룹이 수소 결합을 통해 광물 표면과 상호작용하여 응집체 형성과 안정화를 촉진한다는 것을 밝혀냈습니다. 이러한 발견은 CGFS에서 잔여 탄소와 광물의 부유 분리에 대한 APAM의 상당한 장점을 강조하며, 실제 응용에서 응집제의 선택 및 최적화를 위한 강력한 과학적 기초를 제공합니다.
최근 몇 년 동안, 에너지 구조 전환과 환경 보호라는 이중 과제 아래 석탄의 청정하고 효율적인 활용이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이러한 노력의 중심에는 석탄 가스화 기술이 있으며, 이는 석탄 활용의 효율성을 크게 향상시키고 청정 기체 및 액체 연료 생산, 정밀 화학 합성 등 석탄의 다양한 새로운 응용을 위한 길을 열어줍니다. 다양한 석탄 가스화 방법 중에서, 유동층 가스화는 매우 높은 탄소 전환율, 폭넓은 원료 적응성 및 효율적인 생산 이점으로 인해 두각을 나타내고 있습니다. 이 기술은 고온 및 고압 조건에서 가스화제—주로 산소와 증기—와의 반응을 통해 석탄을 합성가스로 효과적으로 전환할 수 있게 하여, 하류 제품 합성을 위한 안정적인 가스 공급원을 제공합니다. 그러나 이 과정의 단점은 반응하지 않은 잔여 탄소와 무기 광물의 복합 혼합물로 구성된 석탄 가스화 미세 슬래그(CGFS)의 생산입니다. CGFS의 높은 잔여 탄소 함량은 직접 연소를 비효율적이고 환경에 해로운 것으로 만듭니다. 또한, CGFS의 물리적 및 화학적 특성은 건축 자재 및 매립 작업에서의 직접 사용을 제한하며, 폐기물 자원 활용 및 배출 제어에 대한 국가 및 산업 기준을 충족하지 못합니다. 중국의 석탄 가스화 산업의 급속한 발전과 대형 가스화 장치의 생산 능력 증가로 인해 CGFS의 생산이 급증하였고, 이로 인해 처리 및 처분과 관련된 긴급한 과제가 부각되고 있습니다. 재고 및 매립과 같은 전통적인 방법은 광범위한 토지 자원을 소모할 뿐만 아니라, 토양 및 지하수 오염과 같은 장기적인 생태적 위험을 초래합니다.
CGFS에서 잔여 탄소와 무기 광물의 분리는 안전하고 대규모 활용을 위해 매우 중요합니다. 중력 분리, 체질 및 거품 부유와 같은 물리적 분리 방법은 환경 지속 가능성과 비용 효율성 덕분에 점점 더 매력적인 옵션으로 여겨지고 있습니다. 중력 분리는 잔여 탄소와 광물 입자 간의 상당한 밀도 차이를 이용하여 효과적인 성분 분리를 달성합니다. 최근의 발전으로는 Lv et al.이 공기 주입 경사 액체-고체 유동층을 사용하여 CGFS에서 잔여 탄소를 초기 농축한 연구가 있으며, 이는 잔여 탄소 제품의 순도를 크게 향상시켰습니다. Liu et al.은 CGFS에서 잔여 탄소 입자가 주로 75–180 μm의 입자 크기 범위에 속한다는 것을 발견했습니다. 광물 표면의 소수성 차이를 이용하는 거품 부유는 잔여 탄소와 광물 입자를 분리하는 데 효과적임이 입증되었습니다. Liu et al.은 최적의 부유 조건에서 잔여 탄소가 59.01 %의 순도와 37.64 %의 재 함량으로 농축될 수 있음을 보여주었으며, 이는 CGFS 처리에서 이 방법의 유용성을 반영합니다. Dong et al.은 부유 제품을 분석하고 CGFS에서 무기 광물이 주로 매끄러운 표면을 가진 밀집 알루미노 실리케이트와 소량의 철 함유 산화물로 구성되어 있음을 확인했으며, 잔여 탄소는 주로 다공성 플록 형태로 존재하는 것으로 나타났습니다. 입자 크기 변화는 부유 효율성에 영향을 미치는 중요한 요소로, 회수율에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 특히, 미세 잔여 입자 크기를 줄임으로써 회수율이 39.04 %에서 50.93 %로 증가하여 입자 크기 최적화의 중요성을 강조했습니다. 또한, 부유 화학 물질은 분리 정밀도를 크게 향상시켰으며, Xuan et al.은 나프텐산과 케로신으로 준비된 복합 포집제를 혁신적으로 사용했습니다. 이 접근 방식은 부유 효과를 개선할 뿐만 아니라 필요한 시약 투여량을 줄여 고농축 잔여 탄소 입자 간의 에너지 장벽을 제거하면서 농축된 재 성분에 유지했습니다. 따라서 거품 부유는 가스화 슬래그에서 연소되지 않은 탄소를 효율적으로 제거하기 위한 유망한 물리적 분리 방법을 나타냅니다.
거품 부유 기술의 최적화는 자원 활용 효율성을 높이고 생산 비용을 줄이는 데 매우 중요합니다. 그러나 해결해야 할 몇 가지 근본적인 도전 과제가 남아 있습니다. CGFS 부유의 맥락에서 미세한 진흙 덮개, 수분 포획 및 연속 입자의 비선택적 부유와 같은 문제는 부유 효율성과 제품 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 잔여 탄소 기공에 흡착된 물 분자는 기공 구조에 따라 달라지는 클러스터를 형성합니다. 구체적으로, 더 발달된 기공 구조는 부유의 어려움 증가 및 시약 소비 증가와 상관관계가 있습니다. 전처리와 함께 이차 부유 공정을 결합하면 CGFS의 탈탄소화 효율성을 향상시키는 것으로 입증되었습니다. 이 접근법은 잔여 탄소 및 광물 입자의 분리를 효과적으로 촉진하여 더 많은 소수성 표면을 노출시키고 필요한 부유 시약의 양을 줄입니다. 또한, 유화된 포집제의 적용은 고재 비율 미세 입자의 포획 문제를 해결하고 연료의 회수율을 개선하는 데 유망한 결과를 보여주었습니다. 이 방법은 에이전트의 분산 입자 크기를 줄이고 잔여 탄소 표면의 접촉 각도 및 소수성을 향상시켜 부유 과정에 긍정적인 영향을 미칩니다. 초음파 전처리 기술은 밀접하게 연결된 탄소-재 입자의 부유와 관련된 문제에 대한 새로운 해결책을 제공합니다. 이 기술은 CGFS에서 미세 재 입자를 효과적으로 분리할 뿐만 아니라 높은 저열 발생 및 더 발달된 기공 구조를 가진 결과적으로 농축된 탄소의 품질을 개선합니다. 이러한 발전에도 불구하고 CGFS에 산소 함유 기능 그룹이 존재하면 소수성이 감소합니다. 이는 잘 발달된 기공 구조와 높은 비표면적과 결합되어 부유 과정 중 높은 화학 물질 소비를 초래하여 과정을 더 비싸게 만듭니다.
이 문제를 해결하기 위해 Zhang et al.은 석탄 먼지 부착을 통해 포어 채널에 트래핑 에이전트가 들어가는 것을 효과적으로 방지하면서 동시에 트래핑 에이전트를 위한 흡착 사이트를 증가시키는 혁신적인 포어 밀봉 방법을 제안했습니다. 이 방법은 플로테이션 동안 잔여 탄소 회수를 향상시키는 데 유망합니다. 또한 선택적 분산 플록큘레이션 기술은 흡착된 입자 간의 상호 작용력을 조작하여 대체 최적화 전략을 제공합니다. 이 기술은 재의 입자 표면에 친수성 층을 형성함으로써 탄소-재 선택적 응집에서 탄소-탄소 선택적 응집으로의 전환을 가능하게 하여 분리 효율성을 개선하고 시약 소비를 줄입니다. 그 중에서 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리머 알루미늄 클로라이드(PAC), 폴리아크릴로비닐 알코올(PVA) 및 나트륨 폴리아크릴레이트(PAAS)와 같은 고분자량 플록큘란트는 우수한 플록큘레이션 특성으로 인해 광범위하게 사용되었습니다. 이러한 플록큘란트는 일반적으로 분자 사슬을 따라 높은 밀도의 친수성 그룹(예: 아미노 및 하이드록실 그룹)을 포함하고 있어 미세한 광물의 플록큘레이션을 촉진하면서 원하지 않는 광물 성분의 플로테이션을 억제할 수 있습니다. 기계적 연구에 따르면 PAM의 가수분해로 인해 생성된 카복실 그룹이 광물 표면에 선택적으로 흡착되어 광물의 플로테이션 행동에 상당한 영향을 미친다고 합니다. Xia et al.은 석탄 슬러리-카올린 시스템의 플로테이션 분리에서 음이온 폴리아크릴아미드(APAM)가 카올린 분획을 효과적으로 플록큘레이션하여 그 플로테이션을 억제하고 정제된 석탄 제품의 수율을 향상시켰다고 관찰했습니다. 또한, 폴리아크릴아미드는 그 친수성 특성 덕분에 친수성 상호작용을 통해 선택적 플록큘레이션을 가능하게 하여 플록큘레이션 성능에서 상당한 이점을 보여줍니다. 이는 목표 광물의 회수와 전반적인 제품 품질을 개선하는 결과를 가져옵니다. 따라서 친수성 그룹을 포함한 플록큘란트를 도입하면 특히 가스화 슬래그와 같은 미세한 광물 처리에서 결합된 플록큘레이션-플로테이션 프로세스의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
본 연구는 저비용으로 널리 사용되는 물질인 음이온 폴리아크릴아마이드(APAM)를 플로테이션 과정에서 응집제로서의 잠재적 응용 가능성을 조사하는 것을 목표로 하며, 특히 미세 입자 유입 문제를 해결하는 데 있어 그 효과에 중점을 두고 있습니다. APAM 추가가 플로테이션 제품에 미치는 영향을 체계적으로 평가하고 이들의 물리화학적 특성을 분석함으로써, 저자들은 플로테이션 시스템 내에서 APAM 작용의 메커니즘을 설명하고자 합니다. 이를 위해 제타 전위 측정, X선 광전자 분광법(XPS) 및 원자력 현미경(AFM) 등 고급 특성화 기술을 사용하여 APAM과 광물 표면 간의 상호작용 메커니즘을 철저히 분석했습니다. 궁극적으로 이 연구는 플로테이션 시스템에서 APAM의 행동에 대한 이해를 높이고 미세 입자 광물의 효율적인 분리를 위한 이론적 기초를 제공할 것으로 기대됩니다.
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