Введение

Уголь является одним из важных источников тепловой и электрической энергии, техническим сырьем для важнейших видов производства. Потребность в угле как топливе и технологическом сырье в черной и цветной металлургии, производстве искусственных абразивных материалов и химической переработке - возрастают. Применение узкозахватной техники добычи угля в Донбассе сопровождается увеличением выхода мелких классов с одновременным повышением их зольности. На фабриках, обогащающих угли, в результате возрастания зольности сырья повышается зольность необогащенных отсевов и крупнозернистого шлама. Основным озоляющим компонентом является крупнозернистый шлам. В связи с этим его обогащение приобретает особую важность. Одним из методов, обеспечивающих повышение эффективности обогащения крупнозернистого шлама, может быть пенная флотация.

Рисунок 1 - Принцип действия флотационной машины.

Целью работы является исследование процесса пенной флотации, определение и проверка применимости отдельных методов для оценки флотореагентов при обогащении угля. Для реализации данной цели ставятся такие задачи:

· исследование физико-химических и структурно-механических свойств двухфазного пенного слоя как среды, в которой происходит разделение минеральных зерен;

· обзор применяемых методов;

· разработка методики оценки реагентов;

· определение поверхностного натяжения;

· исследование свойств пенообразования;

· исследование однопузырьковой флотации;

· опыт флотации в односекционной флотационной машине.

В работе использовались современные физико-химические методы исследования реологических свойств двухфазного пенного слоя как среды для разделения, использованы аналитический и экспериментальный методы для исследования параметров движения частиц в пене.

В магистерской работе сформулированы и обоснованы следующие положения:

· реологические свойства двухфазного пенного слоя как среды для разделения угольных и породных зерен в основном зависят от типа и расхода реагентов-вспенивателей;

· параметры движения минеральных зерен различной крупности связаны с дисперсностью воздушных пузырьков двухфазного пенного слоя .

1. Исследование физико-химических и структурно-механических свойств двухфазного пенного слоя как среды, в которой происходит разделение минеральных зерен

Одним из важных факторов, определяющих вероятность протекания процесса флотации, является образование флотационного комплекса "воздушный пузырек - минеральная частица". При этом характер движения частиц и пузырьков в значительной мере влияет на вероятность столкновения частиц с пузырьками и образование, и успешное всплывание флотокомплексов. Образование флотокомплексов и степень их минерализации определяют в свою очередь скорость самого процесса флотации.

К основным свойствам двухфазного пенного слоя, имеющим существенное значение для технологии пенной флотации, относятся: устойчивость, скорость разрушения, высота пены, коалесценция воздушных пузырьков, дисперсность, плотность и вязкость пены. Двухфазная пена относится к агрегативно-неустойчивым системам. Нестабильность ее объясняется наличием избытка поверхностной энергии, величина которой пропорциональна поверхности раздела фаз. При уменьшении свободной энергии системы происходит самопроизвольное разрушение пены.

Основные параметры пенного слоя связаны с химическими свойствами и структурой поверхностно-активных веществ. Плотность и вязкость двухфазного пенного слоя в основном определяют реологические свойства среды для разделения минеральных зерен. Двухфазная пена в зависимости от типа и концентрации ПАВ содержит различное количество междупленочной жидкой фазы, истечение которой в большей или меньшей степени изменяет плотность пенного слоя по глубине. Наряду с плотностью важнейшей характеристикой двухфазного пенного слоя является его вязкость. Ориентированное расположение молекул ПАВ в пенном слое и связанных с ними сольватных оболочек сообщает твердообразные свойства системе прослоек. Эти прослойки образуют квазикристаллический каркас, несущий заполненные газом ячейки и придающий системе механическую прочность. Наличие в двухфазном пенном слое тонко-дисперсных воздушных пузырьков и сольватных слоев жидкости приводит к сложному характеру сопротивления внутреннего трения при деформации такой гетерогенной системы.

1.1 Обзор применяемых методов

Одним из наиболее известных методов, применяемых на обогатительных фабриках, является измерение углов контакта на границе фазы, или же измерение углов контакта при обработке поверхности твердой фазы реагентом. Советскими учеными была исследована зависимость между углами контакта и флотируемостью для угольной массы, найдены теоретические и динамические зависимости для многофазовых систем. Можно отметить, что угольная масса представляет собой неоднородную смесь различных компонентов, содержание которых зависит от условий образования угля и его залегания.

Этим снижается воспроизводимость метода, а полученные показатели нельзя считать абсолютными показателями поверхности, изменяющимися в широких пределах ± 10%-15% и лишь в грубых чертах определяющих характер поверхности данного угольного зерна.

При дальнейшем изучении флотационного процесса постоянно возрастало применение физико-химических методов оценки, как свойств поверхности минералов, так и изменений этих свойств при использовании различных реагентов. Основное внимание было уделено в прошлом и уделяется в настоящее время междуфазовым состояниям систем "твердое вещество-жидкость" и "твердое вещество-жидкость-газ". Одним из методов, который получил развитие, является беспенная флотация. Было создано несколько типов приборов, отличающихся деталями конструкции, но сохранивших неизменным основной принцип работы, т.е. вынос минеральных зерен к поверхности жидкости отдельными пузырьками.

Для определения пенистости различных реагентов и свойств пены обычно используют стеклянный мерный цилиндр, в котором путем нагнетания воздуха через капиллярную трубку или фритту образуется пена, объем и устойчивость которой фиксируется в зависимости от времени. Одновременно со свойствами пенообразования измеряли и поверхностную активность различных флотореагентов.

В последнее время для оценки поверхностных свойств используют определение зет-потенциалов, в частности, струйных потенциалов. При использовании этого метода на угольных обогатительных фабриках сталкиваются с трудностями, связанными с набуханием и изменением поверхности частиц угля при соприкосновении их с водой, вследствие чего результаты применения метода не являются однозначными.

1.2 Разработка методики оценки реагентов

Были проверены методы оценки, которые оценивают флотореагент с позиции двухфазовых систем "жидкость-газ" или "жидкость-жидкость" и трехфазовых систем " твердое вещество-жидкость-газ ". Не принимались во внимание способы оценки теоретического характера, поскольку была поставлена цель, найти способы оценки и разработать методику ведения работы таким образом, чтобы эти способы можно было использовать без применения специальных приборов вначале на производственных предприятиях, а в дальнейшем - и в научно-исследовательских институтах.

С помощью методов, охватывающих двухфазовые системы, были изучены: уменьшение поверхностного натяжения, значения граничных натяжений между поверхностями различных жидкостей, способность к пенообразованию и устойчивость пены.

С помощью современных методов были так же проверены флотируемость при беспенной флотации(трубка Галлимонда), флотируемость с помощью одного пузырька, изменения углов контакта после обработки поверхности угольных частиц реагентом. Результаты этих опытов были сравнены с опытом осуществления флотации в односекционной лабораторной флотационной машине. С целью взаимного сравнения отдельных способов, за основу была принята единая проба.

1.2.1 Поверхностное натяжение

Измерения проводились на торсионных весах К2, которые были приспособлены для указанных измерений путем установки дополнительного выдвижного столика и отрывных элементов. Эти весы изготовлены из вольфрамовых тарированных торсионных нитей, к которым прикреплено коромысло с двумя крючками на обоих концах. С правой стороны подвешивали отрывной элемент, имеющий форму пятиугольника. Вертикальные стороны элемента параллельны, а между ними горизонтально закреплена собственно отрывная нить, установленной длины. На выдвижной столик устанавливают сосуд с исследуемой жидкостью, в которую погружают отрывной элемент. Натяжением торсионных нитей элемент увлекается вверх и по шкале можно непосредственно определить силу, необходимую для преодоления поверхностного натяжения жидкости.

Величину поверхностного натяжения можно определить по формуле:

Y=(P2-P1*q)/2*e , дин/см,

где P1 - начальное значение, мг (в момент, когда отрывная нить сольется при соприкосновении с поверхностью жидкости);

P2 - конечное значение, мг (прорыв поверхностной пленки жидкости).

При выборе концентрации реагента исходили из следующих предпосылок: если предполагали получить сгущение флотационного шлама 250 г/л (1:3), то при намеченной дозировке реагента, равной 1 кг/т, на 750 г воды необходимо добавить 0,25 г реагента. При флотации расход реагента колеблется в пределах 250 г/т - 1500 г/т, поэтому дозировка была выбрана таким образом, чтобы максимально приблизить процесс к нормальным условиям флотации.

1.2.2 Свойства пенообразования

Свойства пенообразования были исследованы с помощью прибора, который представляет собой мерный стеклянный цилиндр с внутренним диаметром 43,5 мм, в нижнем конце которого установлена фритта "Иена Г-4". В этот цилиндр, заполненный 500 мл раствора исследуемого реагента концентрации 0,1 г/500мл, нагнетали сжатый воздух, поступающий из баллона. Через редукционный вентиль воздух поступал в очистительную установку и под давлением 200 мм рт.ст. проходил через фритту. Объем образующейся пены замеряли через каждые 30 секунд. При достижении равновесия пенообразования определяли конечный объем, перекрывали подачу воздуха и определяли период распада пены. Это время характеризует устойчивость пены. Для определения индекса пенистости и устойчивости пены были использованы следующие формулы:

F=(f1/f2)*100,

где F - индекс пенистости;

f1 - объем пены исследуемого реагента;

f2- объем пены стандартного реагента(n-амилового спирта).

I=(I0/I1)*100,

где I - индекс устойчивости;

I0 - период распада пены исследуемого реагента;

I1- период распада пены стандартного реагента(n-амилового спирта).

После проведения первой сери поверочных опытов со стандартным раствором n-амилового спирта было установлено, что очень трудно соблюдать основное условие, т.е. постоянное количество воздуха, только с помощью манометрического контроля. Разбросанность результатов вызвана тем, что после промывки и заливки новой порции исследуемого раствора закупоривались некоторые поры стеклянной фритты. Вследствие этого, через фритту при постоянном давлении проходило меньше воздуха, а объем пены заметно уменьшался. Пришлось изменить сам ход работы, сущность этого изменения состояла в том, что перед каждым измерение цилиндр переворачивали вверх дном и прокачивали через него воздух в течение 10 минут, только после этого заполняя цилиндр исследуемым раствором реагента и начиная измерения. Благодаря этому изменению, удалось уменьшить рассеивание результатов, но все же расхождения при определении объема пены стандартного реагента превышали 15-20 мл, т.е. ±10%. Для сохранения равномерности потока воздуха был предусмотрен контроль с помощью расходомера. Был использован универсальный расходомер для газа и жидкости с диапазоном измерений от 0,1 л/мин до 80 л/мин. Для исследовательских целей он был снабжен алюминиевым поплавком и трубкой. Отдельные измерения вели следующим образом.

Был установлен определенный расход воздуха, равный 80 мл/мин. После установления равномерной воздушной струи, во вспенивающий цилиндр был налит подготовленный раствор исследуемого реагента, после чего количество подаваемого воздуха было увеличено до 700 мл/мин, за счет открытия редукционного вентиля. Одновременно был включен секундомер и через интервалы времени в полминуты велся отсчет объема образующейся пены. После установления равновесия фиксировали конечное время и объем пены и перекрывали подачу воздуха. С этого момента вели отсчет времени, необходимого для распада пены.

Учитывая, что отдельные измерения были выполнены через относительно большие промежутки времени (примерно, через 3 месяца), воспроизводимость метода можно считать удовлетворительной, поскольку различия результатов вследствие нечеткости уровней находились в пределах допустимых ошибок (5 мл объема = 2,5 мм).

Этот метод обрисовывает поведение отдельных реагентов и дает ясное представление об одном из главных свойств флотореагентов - пенообразовании, а также позволяет судить об устойчивости пены. Это свойство используется в качестве основного показателя при выборе и оценке флотореагентов.

1.2.3 Однопузырьковая флотация

С ознакомительной целью был испытан метод "одного пузырька". Принцип этого метода состоит в следующем.

Пузырек воздуха постоянной величины, образующийся на конце стеклянной трубки диаметром 0,5 мм, приводится в соприкосновение с частицами угля размерами от 0,13 до 0,25 мм. После прилипания угольных частичек, пузырек втягивается вместе с водой опять в стеклянную трубку и переносится на предметный столик микроскопа, где происходит подсчет частичек угля, прилипших к одному пузырьку воздуха.

Так как общее число частиц было чрезмерно высоким и превышало 90-100 зерен, то для работы были взяты пробы с размерами зерен от 0,4 до 0,5 мм и найдено среднее их число, составляющее 33 частицы на один пузырек. Затем эта же проба была подвергнута перемешиванию с амиловым спиртом (на 1 г угля добавлен 1 мг амилового спирта). После осаждения угольных частиц воздушный пузырек снова был приведен в соприкосновение с углем. Оказалось, что угольные частицы в этом случае прилипли не только к поверхности пузырька, но и друг к другу, образуя как бы грозди, свисающие с пузырька. При втягивании пузырька в трубку большинство частиц падало, и на предметное стекло переносилась только их часть. После этого дозировка этилового спирта была уменьшена, но при предельно низком его содержании, составлявшем 0,05 мг/1 г угля (=0,005%), не удалось получить удовлетворительных результатов. От этого способа оценки флотореагентов отказались.

1.2.4 Опыт флотации в односекционной флотационной машине

Окончательную и полную оценку какого-либо реагента нельзя дать без проведения нормального опыта флотации. Этот опыт следует считать главным, решающим критерием при оценке флотореагента, поскольку существующие способы позволяли оценить реагент односторонне, т.е. только его пенообразующие свойства. И поскольку на основе отдельных опытов можно составить только неполное представление о комплексном воздействии реагентов, то конечным и объективным показателем и в дальнейшем останется опытная флотация во флотационной машине. При возможном сравнении нескольких реагентов и их воздействия, или при сравнении одного и того же реагента, изготовленного в различное время, необходимо соблюдать не только постоянные условия опыта (сгущение шлама, дозировка реагента, число оборотов смесителя и т.п.), но и постоянный состав пробы. Однако в большинстве случаев это последнее условие невозможно выполнить, поскольку процессы происходят в разное время, к тому же на двух или больше обогатительных установках и в результате получают данные, которые представляют собой относительные величины и качественные показатели. Поскольку необходимо достичь минимальных затрат времени и создать единый технологический процесс при проведении опытов, была принята следующая последовательность операций.

Берут такую дозу исследуемого образца, чтобы конечное сгущение шлама соответствовало 200 г/л. Уголь смачивают водой и оставляют в течение 30 минут в покое. После этого шлам заливают во флотационную камеру и пускают мотор. Если осуществляется одинарная флотация, то концентрат извлекают в течение времени, пока не образуется минерализованная пена. При фракционной флотации концентраты извлекают через интервалы времени, равные одной минуте. После высушивания и взвешивания определяют выход и зольность отдельных продуктов и строят кривую флотации. В начале флотации дозировка реагентов проводится в количествах, соответствующих средне минерализованной пене. Начальная доза составляла 200 г реагента на 1 т угля. Если флотация удовлетворительно протекает при такой дозировке и образуется минерализованная пена, то в дальнейшем добавку реагента прекращают. Только при значительном уменьшении пенообразования добавляют следующие 200 г/т реагента. Если флотация не началась в самом начале процесса, то дозировку по 200 г/т реагента продолжают до тех пор, пока не начнется процесс флотации. Если флотация не начинается при начальной дозировке 2000 г/т, то дальнейшие опыты прекращаются и реагент признается непригодным.

2. Оценка отдельных методов

При общей оценке отдельных методов в первую очередь необходимо подчеркнуть то обстоятельство, что, за исключением опытной флотации, с помощью остальных методов можно дать только одностороннюю оценку флотореагента в отношении пенообразования. Отсюда следует, что для детального изучения или оценки реагента необходимо использовать несколько методов. На основании приведенных результатов для оценки флотореагентов для обогащения угля в дальнейшем будут использоваться следующие методы.

1) определение пенистости и стабильности.

Метод позволяет получить воспроизводимые результаты, полностью характеризующие свойство пенообразования и стабильность пены. Результаты не зависят от идентичности образцов.

2) опытная флотация.

Остается конечным критерием при оценке комплексного действия реагента. Отрицательным качеством опытной флотации также является зависимость от исходных проб.

Изменение поверхностного натяжения не будет использовано для нормальной оценки, а только в некоторых случаях будет определено поверхностное натяжение чистых веществ и междуповерхностные натяжения на границе реагент-вода.

На основе выполненных исследований и полученных результатов для оценки флотореагентов при обогащении угля рекомендовано проводить испытание на пенообразование, устойчивость пены, определить индекс флотируемости (в трубке Галлимонда) и провести опытную флотацию. При взаимном сравнении реагентов, как и при отдельных опытах, необходимо соблюдать постоянный ход работы, условия опытов и идентичность угольных проб.

Выводы

Была исследована методика оценки флотоконцентратов для углей и применимость отдельных методов. Было установлено, что объективные и воспроизводимые результаты дает определение индекса флотируемости и собственно пенная флотация. В то же время измерение углов контакта как и их изменение после обработки частиц угля реагентом, позволяют получить только относительные показатели, которые нельзя считать воспроизводимыми и дающими объективное представление об изменении поверхностных свойств угольной массы.

Физико-химические и структурно-механические свойства пенного слоя, как среды для разделения, оказывают наибольшее влияние на качество продуктов обогащения и зависят от структуры и свойств реагентов-вспенивателей. В связи с этим, для успешного обогащения крупнозернистого шлама, необходимо управлять свойствами разделительной среды: подбирать тип и расход реагента-вспенивателя для создания пенного слоя определенной устойчивости, плотности и вязкости.

Характер движения минеральных зерен в пенном слое связан с однородностью или неоднородностью среды по отношению к частицам различной крупности. Параметры движения частиц зависят от соотношения крупности минеральных зерен и средней дисперсности воздушных пузырьков.

Список литературы

1. Зозуля Е. И. Применение пенной сепарации для обогащения угольных шламов. "Обогащение полезных ископаемых". Киев, "Техника", 1976, с.41-44 (Соавтор Ельяшевич М. Г.)

2. Зозуля Е. И. Условия повышения эффективности Флотационного обогащения угольных шламов. Донецк, 1976. Деп. в ЦНИЭИуголь 1976г., (Соавтор Ельяшевич М. Г.)

3. Справочник по обогащению углей. Под ред. И. С. Благова, А. М. Коткина, Л. С. Зарубина. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984, с.352-365

4. Антипенко Л. А. Развитие физико-технических методов исследования угольных пульп во флотации. Кемерово, 1998

5. Тихомиров В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М., "Химия", 1975

---

UKR | ENG | ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | Библиотека | Биография | Ссылки | Отчет о поиске| Индивидуальное задание