ИННОВАЦИОННЫЙ МЕТОД ОБЕЗВОЖИВАНИЯ УЛЬТРАТОНКОЙ ОБОГАЩЕННОЙ УГОЛЬНОЙ СУСПЕНЗИИ
Б.К. Парех, Дж. Г. Гроппо
Центр по изучению прикладной энергии
Университет Кентукки
Лексингтон, Кентукки, США
12-й Международный Конгресс по обогащению угля, 23-27 мая 1994г., г. Краков, ПОЛЬША
КРАТКИЙ ОБЗОР
Вакуумная фильтрация ультратонкодисперсных материалов способствует образованию фильтрационного осадка повышенной влажности (~ 35 процентов). Новый метод предварительной обработки суспензии включает обработку комбинацией ионов металлов (меди и алюминия) и поверхностно-активным веществом перед тем, как влажность фильтрационного осадка снизится с 35 до 21 процента в результате фильтрации. Снижение влажности происходит у нулевой точки заряда системы ион металла - уголь, что приводит к агломерации мелких частиц. Лабораторные вакуумные испытания синергического влияния предварительной обработки ионами металла и поверхностно-активным веществом на мелкий уголь были подтверждены при продолжительной вакуумной фильтрации в барабанном фильтре.
ВВЕДЕНИЕ
Достижения в процессе добычи мелкого угля, такие как флотационная колонна, предоставили колоссальные возможности для добычи мелкого обогащенного угля из, так называемых, потоков отходов современных заводов по обогащению угля [1, 2]. Недостаток рентабельных методов обезвоживания ограничивает широкое применения этих технологий. Мелкие размеры продукции, производимой флотационной колонной (d50 ~ 25 urn), низкое содержание золы, а также небольшая концентрация твердой фазы (-20 процентов твердой фазы) делают доступной фильтрацию суспензии. Несмотря на существующие сомнения в том, что напорная фильтрация может эффективно обезвоживать этот продукт до низкого уровня влажности, вакуумная фильтрация имеет ряд экономических преимуществ, и могла бы быть более приемлемой с точки зрения эффективности. Поэтому, целью этой научной работы было исследование применения методов модификации поверхности в целях улучшения фильтрационных свойств мелкого угля при пенной флотации.
Удаление «свободной» воды из ультратонкодисперсной угольной суспензии механическим способом может быть достигнуто за счет модификации оборудования или модификации процесса. Модификация оборудования включает в себя фильтр под высоким давлением [3], высокоскоростные центрифуги [4], мембранный напорный фильтр [5] и электрозвуковое обезвоживание [6]. Использование такого модифицированного оборудования уже продемонстрировало успешные результаты, но оно требует либо слишком больших капитальных затрат или эксплуатационных расходов, либо находится на ранних стадиях разработки. Модификация процесса учитывает снижение вязкости, флокуляцию и добавление поверхностно-активного вещества. Модификация процесса, включающая в основном модификацию поверхности угольных частиц, является экономичной, т.к. стандартное оборудование для фильтрации / обезвоживания может использоваться более эффективно. Флокуляция или коагуляция ультратонких частиц может достигаться путем добавления ионов полиэлектролита или металла. Адсорбция ионов метала на субстрате при изменяющемся пределе рН, обычно выявляет трехзарядное реверсирование или нулевую точку заряда (НТЗ) [7, 8]. Осажденный гидроксид метала способствует формированию флокулянта. НТЗ гидроксида металла, учитывает аккумуляцию мелких частиц, что в свою очередь увеличивает гранулометрический состав частиц и способствует усилению процесса обезвоживания.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
В исследовании использовался концентрат, обогащенный во флотационной машине, полученный из угольного пласта Иллинойс № 6. Пенный продукт содержал около 20 процентов твердой фазы от веса, 7,1 процент золы, а средний размер частиц d50 составлял 21 ед. измерения. Испытания вакуумной фильтрации проводились с использованием стендовой установки, диаметр которой составляет 7 см. Измерения электрофоретической подвижности проводились с использованием прибора для измерения дзета-потенциала Модель 3.0.
РАССМОТРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Исходные данные вакуумного обезвоживания ультратонкодисперсного обогащенного угля без добавления каких-либо реагентов. Следует обратить внимание на то, что после пятиминутного процесса фильтрации / обезвоживания фильтрационный осадок содержал 35 процентов влаги; дополнительная фильтрация в течение некоторого времени не уменьшила влажность фильтрационного осадка существенно. Толщина фильтрационного осадка при проведении вышеуказанного исследования поддерживалась на уровне 0,5 см. Все исследования, описанные в данной работе, проводились при толщине фильтрационного осадка, составляющей 0,5 см.
Влияние ионов метала и поверхностно-активных веществ на влажность фильтрационного осадка.
Перед проведением флотации, уголь имел нулевую точку заряда (НТЗ) при рН 4,7. После флотации нулевая точка заряда не наблюдается, а уголь остается негативно заряженным. Это может иметь место вследствие адсорбции негативно-заряженной капли нефтепродукта на угольной поверхности.
Электрофоретическая подвижность и данные влажности фильтрационного осадка по отношению к рН при наличии приблизительно 104 (46 промиль) ионов меди (Cu+). Обратите внимание, что реверсия заряда поверхности твердой фазы происходит при увеличении рН, демонстрируя НТЗ при рН 4,8 и 6,3. Также влажность фильтрационного осадка снижена приблизительно на 31 процент в области НТЗ. Аналогично, влажность фильтрационного осадка уменьшилась до 31 процента около НТЗ при использовании ионов алюминия.
Исследование обезвоживания, проводимое с использованием различного количества поверхностно-активных веществ, выявило, что анионные (натрий 2-этилгексил сульфат) и катионные (цетил пиридиний хлорид) поверхностно-активные вещества имели незначительный эффект при уменьшении влажности фильтрационного осадка даже при высокой дозировке, равной 1,5 кг/т. Однако неионогенные (актил фенокси полиэтокси этанол) поверхностно-активные вещества снизили влажность фильтрационного осадка до 20 процентов при дозировке 1,5 кг/т
Совместное влияние ионов метала и поверхностно-активных веществ
Начальные исследования процесса обезвоживания проводились при комбинированном использовании катионных (цетил пиридиний хлорид) поверхностно-активных веществ в количестве 1,5 кг/т и различных доз ионов Cu+ и Al+. Было установлено, что минимальная влажность фильтрационного осадка, равная 23 процентам, получается при использовании 50 мг/л ионов Cu+ или 5 мг/л ионов Al+. Также, при изучении изотермы абсорбции было установлено, что концентрация ионов Cu, равная 50 мг/л и ионов Al, равная 5 мг/л, соответствует мономолекулярному слою ионов этих металлов на поверхности угля. [10].
Далее были проведены дополнительные исследования для того, чтобы определить оптимальную концентрацию поверхностно-активного вещества ионов металлов для достижения наименьшей влажности фильтрационного осадка.
Наблюдаем различный эффект от изменения концентрации анионного и катионного поверхностно-активного вещества при наличии 50 мг/л ионов Cu+2 и 5 мг/л ионов Al. Обратите внимание на то, что наименьшая влажность фильтрационного осадка, составляющая 22 процента, была достигнута при использовании 0,5 кг/т анионных или 0,25 кг/т катионных поверхностно-активных веществ. Неионогенные поверхностно-активные вещества (0,25 кг/т) вместе с 5 мг/л ионов Al+ также способствуют снижению влажности фильтрационного осадка до 21 процента [9].
Длительные исследования вакуумной фильтрации были проведены с использованием вакуумного ротационного фильтра, диаметр которого составлял 15,24 см. Экспериментальные данные показали, что в результате непрерывной шестиминутной фильтрации был получен фильтрационный осадок, влажность которого, без каких-либо добавок, составляла 28,4 процента. Добавление 50 мг/л ионов Cu+ снизило влажность фильтрационного осадка до 27,8 процентов, в то время как добавление смеси 50 мг/л ионов Cu и 0,5 кг/т анионных поверхностно-активных веществ обеспечивает 22,8-процентную влажность фильтрационного осадка. Аналогично, смесь 10 мг/л алюминия с 0,5 кг/т катионного поверхностно-активного вещества обеспечивает 24,1-процентную влажность фильтрационного осадка.
ВЫВОДЫ
- Добавление 50 мг/л ионов металла меди и 5 мг/л ионов металла алюминия снижает влажность фильтрационного осадка тонкодисперсного угля с 35 процентов до 31 процента у нулевой точки заряда системы, т.е. ~ рН 5 для ионов Cu+2 и рН 8 для ионов Al+3.
- Добавление 1,5 кг/т анионного (натрий 2-этилгексил сульфат) или катионного (цетил пиридиний хлорид) поверхностно-активного вещества не снижает влажность фильтрационного осадка.
- Однако, добавление 1,5 кг/т неионогенного (актил фенокси полиэтокси этанол) поверхностно-активного вещества снизило влажность фильтрационного осадка до 20 процентов.
- Комбинация 50 мг/л ионов Cu+ или 5 мг/л ионов Al+ и 0,5 кг/т анионного или 0,25 кг/т катионного поверхностно-активного вещества обеспечивает 22-процентную влажность фильтрационного осадка. Неионогенное поверхностно-активное вещество в количестве 0,25 кг/т вместе с 5 мг/л ионов Al+ также снижает влажность фильтрационного осадка до 21 процента.
- Результаты периодического фильтрования при синергетическом влиянии комбинации ионов металла и поверхностно-активного вещества на уменьшение фильтрационного осадка тонкодисперсного угля, были подтверждены при продолжительной вакуумной фильтрации в ротационном фильтре.