Технології УХІНа
Співробітники Українського вуглехімічного інституту (м. Харків, (Нікітін І.М., Преображенський Б.П. та інш.) наприкінці 70-х років першими в Україні розпочали систематичні дослідження технології селективної флокуляції вугілля синтетичними латексами, які далі були продовжені в Донецькому державному технічному університеті (П.В.Сергєєв, В.В.Білецький, А.Т.Єлішевич, В.П.Залевський).
Завдяки багаторічним випробуванням в лабораторних та промислових умовах ряду латексів, що серійно виготовлялися в СРСР, а також нових, спеціально синтезованих для умов вуглезбагачення, розроблені основи цієї технології, визначені характер та ступінь впливу на процес основних технологічних факторів, розроблено елементи теорії селективної флокуляції вугілля латексами [1,2,3-8] .
Синтез нових флокулянтів та їх компонентів, а також вивчення колоїдно-хімічних властивостей латексів виконано спільно Воронежським заводом СК та Воронежською філією інституту ВНИИСК.
Апробація технології здійснювалася в умовах вуглепідготовчих цехів коксохімічних заводів Донбасу. Лабораторні випробовування довели, що інтенсивність турбулентного режиму змішування (по критерію Рейнольдса) під час флокуляції повинна знаходитися в межах 5х104 — 9х104. При цьому оптимальний час флокуляції складає 40 с, а густина суспензії — 80–120 кґ/м3. Також експериментально встановлено, що зростання зольності вихідного шламу знижує ефективність дії латексу, а зольність більше 32-33% стає критичною для процесу — селективність розподілу практично зникає. Для вугілля зольністю 28% і більше рекомендовано попереднє обезшламлювання вихідного продукту. При витратах латексу 0,2-0,3 кґ/т шламу і флотаційному розділенні продукту флокуляції вихід флотокон-центрату підвищується на 2-5% при зниженні тривалості флотації на 30-40%.
Спеціальні лабораторні та промислові дослідження вказують на те, що застосування латексу не має негативного впливу на процес згущення відходів флотації за допомогою поліакриламіду, а також не погіршує екологічної обстановки на фабриках.
Випробування в умовах Ясинівського КХЗ довели, що використання латексу (при витратах 0,24 кґ/т шламу) дозволяє значно підвищити швидкість (на 50 %) флотації та її селективність. При зольності вихідного шламу 21,8 % концентрат флотації мав зольність 11,1 %, а відходи — 81,8%. Застосування латексу значно підвищує ефективність процесу вакуумної фільтрації пінного продукту — проду. Флокуляційно-флотаційний спосіб збагачення шламів фабрики реалізовано з використанням як флокулянта латексу БС-30Ф. При переробці вугільних шламів зольністю 15,9% та витратах флокулянту 150 ґ/т вихід флотоконцентрату зріс на 6,1%, швидкість флотації — на 40%, продуктивність вакуум-фільтрів — на 30%. Фактичний економічний ефект від впровадження процесу складав 67,3 тис. карбованців СРСР в рік (за курсом 1988 р). В кінці 80-х років до розробки теоретичних основ та прикладних аспектів технології селективної флокуляції вугілля активно підключився Донецький державний технічний університет. Роботи провадилися як індивідуально, так і у співдружності з ВУХІНом, ВЗФ Донбасу. Основною метою робіт була апробація технології селективної флокуляції латексами в умовах вуглефабрик ВО «Донецьквуглезбагачення».
В лабораторних умовах визначені параметри раціональних режимів селективної флокуляції латексом БС-30Ф вугільних шламів ряду вуглезбагачувальних фабрик об'єднання «Донецьквуглезбагачення» як можливих об'єктів впровадження технології. Дослідження проводили за схемою: селективна флокуляція — флотація — аналіз продуктів збагачення. Процес флокуляції виконували в турбінній імпелерной мішалці, а флотації — в лабораторній флотомашині ФЛ-1. Реагентний режим відповідав загальноприйнятому на вуглезбагачувальних фабриках Донбасу [10] . Всього виконано три серії експериментів. В першій вирішувалася задача визначення оптимальних витрат флокулянту. Як показали дослідження, їх зміни в інтервалі 0–300 ґ/т суттєво впливають на ефективність процесу. Найкращі результати досягнуто при витратах латексу 150 ґ/т. Як правило, при селективній флокуляції високозольних шламів витрати флокулянту більші, ніж при обробці малозольних.
Другу та третю серії експериментів виконано з метою визначення оптимальних умов турбулентного перемішу-вання суспензії на стадії флокуляції. При цьому контролювали тривалість флокуляції та лінійну швидкість перемішування. Було встановлено, що залежність ефективності вилучення вугілля в мікрофлокули від тривалості флокуляції носить експоненціальний характер. Загальна тривалість агітації суспензії при флокуляції для досягнення максимального вилучення вугілля у флокульований продукт в залежності від якості вихідного продукту складає 30-90 с. Для всіх шламів висока ефективність флокуляції досягнута при лінійній швидкості перемішування імпелера флокулятора в межах 6,3-8 м/с.
Встановлено, що для одержання найбільш чистого концентрату потрібен багатостадійний процес селективної флокуляції. В ході тристадійного процесу зольність вугільного концентрату була знижена в середньому з 10,63% до 3,55% при середньому вилученні вугілля в концентрат 92,5% . При цьому загальний вміст сірки зменшується з 1,59% до 1,1%, піритної — з 1,05% до 0,59%. Витрати флокулянту по стадіях складали: перша — 100; друга — 60 і третя — 20 ґ/т. Таким чином, багатостадійний процес забезпечує значне зменшення вмісту сірчаних речовин у вугіллі. Усього на всіх стадіях процесу було вилучено до 40% загальної та ~ 50% піритної сірки без використання спеціального диспергуючого агенту.
Теоретичними та експериментальними дослідженнями встановлено [ 14,15,17] , що головним механізмом адсорбції латексного флокулянту FR-7 на поверхні вугілля є «гідрофобний ефект» між аполярною частиною макромолекули полімеру та ароматичними кільцями вугільної поверхні. Але також можливе утворення Н-зв'язків між групами СООН та ОН на вугільній поверхні і молекулами ПАР, що сорбуються на поверхні латексних ґлобул. Значний вплив на характер взаємодії флокулянту FR-7 з вугільними частками має рН середовища. В умовах кислих суспензій спостерігається неселективна адсорбція флокулянту як на вугільних, так і на мінеральних частках, тобто порушується селективність розподілу. В лужних суспензіях при умові використання метафосфату натрію в якості диспергатора породної фази спостерігається вибіркова флокуляція латексом вугільних часток. При цьому присутність у флокулах гідрофобного полімеру значно підвищує ефективність процесу зневоднення концентрату фільтруванням [ 17] .
В роботі [13] наведені результати досліджень комбінованої флокуляційно-флотаційної технології збагачення вугілля по золі та сірчаним речовинам. Об'єктом експериментів було вугілля зольністю 15,57% , вмістом сірки 3,97% та розміром зерен 6-10 мкм. Спочатку в водовугільну суспензію дозували метафосфат натрію (загальний диспергатор мінеральної складової) і поліакрилксантагенат (диспергатор піриту), а потім — полімер FR-7 як селективний флокулянт вугільної фази. Тривалість агітації суспензії з диспергаторами складала 5 хв, флокуляції з латексом — 1 хв. При витратах флокулянту FR-7 5 мґ/л, метафосфату натрію - 300 мґ/л і поліакрилксантогенату — 200 мґ/л з послідуючим флотаційним розділенням (витрати реагенту збирача (гасу) -700 ґ/т) продуктів флокуляції вилучення зольних фракцій і піриту у камерний продукт складало 50 і 75% відповідно. Вилучення вугілля в пінний продукт складало 81%.
У Великобританії розроблено способи селективної флокуляції вугілля з використанням як флокулянту суміші аполярних масел і гідрофобних полімерів [18,19] . При цьому гідрофобний полімер спочатку розчиняється в органічному носії — масляному реагенті. Як полімер може використовуватися полібутадієн, полівініл-етиловий або полівініл-ізобутиловий ефіри, в якості органічного носія застосовують газойль, дизельне пальне або гас. Розділення продуктів флокуляції здійснюється звичайною флотацією, для чого в зазначену суміш реагентів ще додається спінювач. В цілому суміш включає 5-25% гідрофобного полімеру, 5-25% спінювача та 50-90% органічного носія. Загальні витрати комбінованого реагенту — 0,5-5 кґ/т шламу. При зольності вихідного вугілля 46%, крупнисті вугілля 80% класу — 63 мкм та вмісті твердого в суспензії 5% було одержано флотоконцентрат зольністю 5-9% при його виході 48,6-52,8%. Зольність відходів флотації складала 80,9%. Встановлено, що вилучення з суміші реагентів гідрофобного полімеру підвищує зольність концентрату на 2,5% при зниженні його виходу на 14,4%.
В технології, що розроблена авторами [20] , запропоновано використання латексу як модифікатора (гідрофобізатора) окисненого вугілля при його флотаційному збагаченні. Модифікатор представляє собою водну емульсію поліакрилата натрію з молекулярною масою 105- 106. Він застосовується спільно з водно-масляним емульгатором і реагентом-спінювачем спиртового типу. Латексна емульсія сприяє вилученню у флотоконцентрат часток вугілля + 0,1 мм при збагаченні шламів крупнисті 0,2-0,5 мм.
В роботі [21] приведені дослідження по застосуванню в процесі селективної флокуляції тонких класів вугілля полімера-диспергатора мінеральної фази типа SD-C. Особливістю цієї технології є одночасне використання диспергатора SD-C та селективного флокулянта органічної маси (Floc-67 та інш.). Встановлено, що заряджені макромолекули диспергатора SD-C вибірково закріплюються за рахунок хемосорбції на поверхні мінеральних часток значно підвищуючи енергетичний бар'єр їх відштовхування. З вугільними частками диспергатор може утворювати незначну кількість Н-зв'язків, яких недостатньо для надійного закріплення на вугільній поверхні в умовах турбулентного перемішування суспензії при флокуляції. В той же час цей диспергатор не знижує вибірковості дії флокулянта органічної речовини. При витратах SD-C 50 ґ/т (витрати флокулянта не вказані) і зольності вихідного вугілля 26,34% зольність флокульованого продукту (осаду) складала 15,02% при його виході 81,3%. Вихід і зольність диспергованих у воді відходів були 18,7 і 75,68% відповідно.
Всі дослідники підкреслюють, що технологія селективної флокуляції гідрофобними полімерами відзначається високою екологічністю за рахунок незначних втрат реагенту з відходами флокуляції або флотації. Але при передозуваннях та аварійних ситуаціях можливі втрати флокулянту з водною фазою суспензії відходів. В цьому аспекті дуже цікавими є дослідження японських вчених, які вивчали закономірності взаємодії латексних систем з водними розчинами ПАА [22] . Як відомо саме ці розчини застосовуються на вуглезбагачувальних фабриках для згущення та прояснення шламових вод і відходів флотації. Тому визначення характеру та механізму взаємодії латексів з розчинами ПАА має важливе теоретичне та практичне значення.
Встановлено, що водні розчини ПАА призводять до втрати латексами агреґаційної стійкості. В залежності від концентрації ПАА та його молекулярної маси можливі три механізми агреґації латексних ґлобул: — мікрофлокуляція ; — «ґранулоподібна» флокуляція з утворенням відносно великих гранул полімеру; - високошвидкісна конгломерація всіє маси ґлобул в просторові полімерні пластівчаті структури .
В будь якому випадку, приведені дослідження вказують на те, що латексні ґлобули ефективно зв'язуються макромолекулами ПАА і переходять до осаду разом з твердою фазою суспензії. Це запобігає накопиченню латексних флокулянтів в оборотних водах вуглезбага-чувальних фабрик.