Исследование устойчивости латексных систем в процессе флокуляционно-флотационного обогащения угольных шламов.

Окрушко К.Н., Сергеев П.В.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Материалы научно-технической конференции молодых ученых и студентов. — Донецьк, ДонНТУ — 2010, с. 79-80.

Недостатком традиционной технологии обогащения угольных шламов —, пенной флотации, — является ее низкая эффективность при повышенном содержании в исходном питании тонких частиц крупностью мене 50мкн. В результате неселективного разделения этих частиц ухудшается качество как концентрата, так и отходов. Альтернативой этой технологии может являться флокуляционно-флотационный метод обогашщения угольных шламов, котрый пердусматривает предварительную обработку питания флотации латексным флокулянтом. Этот флокулянт обеспечивает предварительно избирательную агрегацию тонких угольных частиц в микрофлокулы, последующее отделение которых от минеральной суспензии осуществляется в штатном флотационном режиме. Породные частицы в образовании флоккул не участвуют и остаются во взвешенном состоянии в объеме суспензии. В результате флотации получают сфлокулированный концентрат и флотоотходы. При расходе латексного флокулянта до 100 гр/т обеспечивается увеличение выхода флотоконцентрата в среднем на 3-4% по сравнению со штатным флотационным режимом и повышение зольности отходов с 70-72 до 78-79 %.

Рис.1 — Электронные микрофотографии бутадиен-стирольного латекса[3]

Латексы представляют собой водные эмульсии тончайших синтетических каучуковых частиц (латексных глобул) крупностью 50-200 нм (рис. 1). Агрегативная устойчивость латеукксных систем обеспечивается за счет наличия на поверхности латексных глобул защитного слоя реагента-эмульгатора ионогенного типа, сообщающего поверхности глобул отрицательный заряд. Коллоидно-химические свойства латексов во многом определяют эффективность флокуляционно-флотационного процесса[3]. При введении латекса в водо-угольную суспензию защитный слой эмульгатора может полностью или частично вымываться с поверхности глобул. Это в свою очередь приводит к различным механизмам коагуляции латексных глобул.(рис.2) В соответствии с теорией устойчивости коллоидных систем (теории ДЛФО), основанной на взаимодействии сил притяжения и отталкивания между частицами, механизмы коагуляции делятся на: медленную и быстую коагуляцию. Ионно-электростатические взаимодействия — отталкивание, а межмолекулярные дисперсионные — силы притяжения.

Рис.2 — Механизмы коагуляции латексных глобул

При быстрой коагуляции (за несколько секунд) к слипанию латексных частиц приводят все их столкновения, т.е. все они являются эффективными. И чем медленнее будет становиться скорость коагуляции, чем ближе она будет приближаться к нулю (порогу коагуляции), тем агрегативно устойчивее будет становиться система.

Устойчивость дисперсных(в данном случае латексных) систем и коагуляция отражают непосредственно взаимодействие «глобула — угольная частица» и «глобула — глобула». Высокая устойчивость латексных структур обусловлена высоким энергетическим барьером отталкивания (потенциальный барьер) в глобулах, который определятся электростатическими и неэлектростатическими факторами (рис.2). Уменьшение этого барьера происходит в ходе гидрофобизации поверхности глобулТак вот, согласно теории ДЛФО при низком потенциальном барьере (∆Е приближается к нулю) взаимодействие латексных глобул происходит на малых расстояниях в первичном минимуме потенциальных кривых (рис. 2 (3)). Взаимодействие осуществляется между частицами, утратившими значительную часть защитного слоя эмульгатора. Подобная коагуляция необратима и относится к быстрой коагуляции, механизм которой не пригоден для процесса селективной флокуляции. Непригодность объясняется спонтанной потерей латексами флокуляционных свойств в ходе быстрой коагуляции. При частичной десорбции эмульгатора и более высоком потенциальном барьере взаимодействие частиц происходит на больших расстояниях — во вторичном минимуме кривых (рис. 2 (2)). Коагуляция подобного рода относится к «медленной», которая приемлема для процесса селективной флокуляции, т.к. она приводит к формированию цепочных разветвлений, способствующих слипанию чистиц. В этом случае наиболее активными являются гидрофобные участки поверхности глобул[1]. Вымывание эмульгатора в водную фазу, его десорбция все время гидрофобизирует поверхность агрегатов и цепочных структур. Процесс десорбции по данным [2] резко ускоряется за счет выборочной адсорбции свободных ионов эмульгатора из суспензии на поверхности минеральных частиц. За счет этого обеспечиваются условия для закрепления самих латексных агрегатов и их взаимодействия с угольными частицами.

Таким образом, для флокуляционно-флотационного обогащения приемлемым является механизм медленной коагуляции латексных глобул.

Для определения условий реализации этого механизма проведен анализ математического уравнения теории ДЛФО применительно к частицам сферической формы. Графический анализ этого уравнения проведен с использованием программы MathCAD. Результаты приведены на рисунке ниже уравнения. Суммарная энергия взаимодействия двух сферических латексных глобыл в жидкости (воде), определяется следующим образом:

,

где Ес — суммарная энергия взаимодействия двух сферических латексных глобул в жидкости (воде); εа — абсолютная диэлектрическая проницаемость воды; d — диаметр латексных глобул, м; φδ — потенциал диффузной части двойного двойного электрического слоя на поверхности угольных частиц, В; χ — обратный дебаевский радиус, м-1; h — расстояние между глобулами, м.

Рис.3 — Зависимости энергии взаимодействия двух латексных глобул от расстояния между ними при разных диаметрах глобул: 1–100 нм; 2–50 нм; 3–25 нм.

На рис. 3 приведены полученные на основе уравнения кривые Ec (h) для латексов с разным диаметром глобул при потенциале глобул φ = 100 мВ и константе Гамакера А =3,5 •10-19 Дж. Как видно, с увеличением крупности латексных глобул увеличивается энергетический барьер их отталкивания. Это обуславливает увеличение агрегативной устойчивости, т.к. этот барьер препятствует быстрой и необратимой коагуляции глобул в «первой потенциальной яме».

Рис.4 — Зависимости энергии взаимодействия двух латексных глобул (Dгл = 50нм) от расстояния между ними при разных потенциалах глобул: 1–100 мВ; 2–50 мВ; 3–20 мВ.

На рис. 4 Даны кривые Ec (h) при изменении потенциала поверхности латексных глобул в пределах 20–100 мВ. Поскольку диаметр глобул dгл большинства синтетических латексов колеблется в пределах 50–200 нм кривые Ec (h) приведенные для наименее устойчивых к агрегации латексов с dгл = 50нм.

Анализ полученных кривых показывает, что возрастание потенциала латексных глобул приводит к появлению и увеличению энергетического барьера их отталкивания. Этот барьер появляется при φ ≈ 50 мВ. При φ < 50 мВ. Латексы теряют агрегативную устойчивость. Их глобулы под действием дисперсионных ван-дер-ваальсовых взаимодействий безвозвратно коагулируют между собой, в следствии чего латексы теряют флокуляционную способность.

Таким образом, формирование полимерных цепочек между угольными частичками возможно при потенциале поверхности латексных глобул не менее 50 мВ. При меньших значениях этого потенциала латексы теряют флокуляционную способность в следствии быстрого исчезновения агрегативной устойчивости.

Литература

1.  И.М. Нікітін, П.В. Сергеєв, В.С. Білецький. Селективна флокуляція вугільних шламів латексами./ — Донецк: ДонНТУ, «Східний видавничій дім», 2001. — 152с.

2.  П.В. Сергєєв, В.С. Білецький. Селективна флокуляція вугілля гідрофобними реагентами.// — Донецьк, ДонНТУ, — 1999./[Электронный ресурс]. - Режим доступа:[2]

3. Р.Э. Нейман. Коллоидная химия синтетических латексов.//Р.Э. Нейман. Очерки коллоидной химии синтетических латексов./ — Воронеж: Воронежский государственный университет,1980.— 236c.