Постановка проблеми. Традиційні методи збагачення вугілля – флотація, відсадка, важкосередовищна сепарація, а також ґвинтова сепарація та концентрація на столах малоефективні для тонкого матеріалу крупністю менше 50–30 мкм. Розробка високоефективних технічних рішень, які забезпечують вилучення з пульпи ультратонких класів вугілля – одна з найбільш актуальних проблем вуглезбагачення [1, 2].
Аналіз досліджень і публікацій. Перспективним методом підготовки тонкодисперсного вугілля 0–100 (50) мкм до флотації є його селективна агрегація (флокуляція, агломерація) гідрофобними реагентами. У роботах Г.Румпфа, Д.Невiтта, А.Єлiшевича, В.Бiлецького, Ю.Папушина, С.Сергеєва [1, 3–5] розглянута адгезійна гіпотеза селективної агрегації гідрофобних матеріалів. Термодинамiчна гiпотеза висунута В.Шилаєвим та М.Нiколаєвим. «Амальгамна» гiпотеза розвинута А.Єлiшевичем та Ю.Папушиним. «Коалесцентна» гіпотеза висунута В.Шилаєвим та М.Нiколаєвим, потiм розвинута В.Бiлецьким та П.Сергеєвим. Масово-статистичну гiпотезу селективної агрегації обстоює П.Сергеєв. Разом з тим, найбільш продуктивним підходом до аналізу процесу селективної агрегації вугілля є феноменологічний, який застосовується, зокрема в роботах В.Білецького, Ю.Папушина, П.Сергєєва, А.Кхелуфі, В.Залевського та ін.
Мета роботи – розгляд і аналіз близької і далекої гідродинамічної взаємодії у процесах селективної агрегації вугілля гідрофобними реагентами.
Виклад основного матеріалу. Феноменологічна модель селективної агрегації включає як основний субпроцес елементарний акт контакту реагенту-зв’язуючого та вугiльних зерен. Основнi фази контакту об’єктiв – вугiльних зерен та крапель реагенту: «зустріч» – «зближення» – «прорив водної плівки» – «розтiкання реагенту». Для визначення ефективності зiткнень агрегатоутворюючих об’єктiв важливо окремо. розглянути їх близьку i далеку гiдродинамiчну взаємодiю (БГВ та ДГВ), що є домiнуючими факторами у фазах «зустрiч» та «зближення».
Близька гiдродинамiчна взаємодiя агрегатоутворюючих об’єктiв визначається властивостями тонких поверхневих шарiв води, які можуть бути двох принципово рiзних типiв – зi зменшеною та збiльшеною тангенсiйною рухливiстю молекул води. Першi мають мiсце на гiдрофiльних поверхнях, другi – на гiдрофобних. Так як для поверхнi агрегатоутворюючих компонент (вугiлля та зв’язуючого) характерний великий дiапазон промiжних етапiв та гiдрофiльно-гiдрофобна мозаїчнiсть, нам необхiдно розглянути обидва цi типи. У першому випадку диполi води орiєнтуються перпендикулярно поверхнi речовини. Товщина цього шару може досягати 1–100 мкм. В ньому вода має пiдвищену в декiлька разiв в’язкiсть, дещо бiльшу густину, знижену розчинну здатнiсть та дiелектричну проникнiсть, збiльшений порiвняно з об’ємною фазою тиск (Ph > P0). При пiдвищеннi температури товщина аномального шару зменшується, особливо рiзко при 65-70° (до моношару молекул води). Згiдно теорiї нерозчинного об’єму Б.Дерягiна, збiльшення концентрацiї розчинюваної речовини призводить до потоншення плiвки води. За даними [6] руйнування особливої структури граничних шарiв води починається при концентрацiї електролiту > 10–2 моль/л. Стiйкiсть товстих β-плiвок (рис. 1) визначається в основному дальнодiючими електростатичними силами, тобто фактором подвійного електричного шару (ПЕШ).
Останнє особливо важливе для розумiння впливу pH-регулятора на процес СМА. В другому випадку диполi води орiєнтуються паралельно поверхнi речовини. Вода в граничному шарi має на порядок меншу в’язкiсть, зменшений порiвняно з об’ємною фазою тиск (Ph < P0) [6].
Таким чином, БГВ агрегатоутворюючих об’єктiв в процесi селективної масляної агрегації (СМА) вугілля залежить вiд гiдрофобно-гiдрофiльних властивостей поверхонь об’єктiв, pH водного розчину, його температури tс, твердості води. Цей висновок добре підтверджується зафіксованим впливом pH-регуляторiв на результати СМА вугiлля (рис. 2), а також ефектом суттєвого прискорення агрегації при збільшенні температури пульпи (рис. 3).
При Ph > P0 БГВ перешкоджає, а при Ph < P0 сприяє контакту агрегатоутворюючих часточок. Кiлькiсною оцiнкою БГВ є розклинюючий тиск П(h)=Ph-P0, який при Ph < P0 є мiрою гiдрофобної взаємодiї. В першому наближеннi, вважаючи вклад сил рiзної природи в розклинюючий тиск адитивним, для П(h) в загальному випадку маємо [7]:
де Пe – йонна-електростатична складова, пов’язана з перекриттям дифузних йонних шарiв; Пm – молекулярна складова, обумовлена силами дисперсiйної взаємодiї мiжфазних зон, в яких тензор флуктуацiйного електромагнiтного поля анiзотропний; Пs – структурна складова, викликана перекриттям граничних шарiв рiдини зi змiжною структурою; Пa – адсорбцiйна складова, пов’язана з перекритям дифузних адсорбцiйних шарiв нейтральних молекул в нейонних розчинах; Пc – складова, обумовлена «стеричною» взаємодiєю адсорбцiйних шарiв ПАР або полiмерiв.
Дальнiсть дiї БГВ визначається, очевидно, найбiльш дальнодiючою складовою Пe(h) i оцiнюється ≈ 200-300 нм. Всi фактори, якi спричиняють руйнування аномального граничного шару води при П(h)> 0, сприяють зменшенню БГВ i, отже, сприяють процесу селективної агрегації ультратонких вугільних зерен. До таких факторiв, крiм перерахованих вище, належить також перепад температур δtс мiж середовищем та агрегатоутворюючими об’єктами. Чим бiльше δtс, тим бiльший потiк енергiї «об’єкт-середовище», який «розмиває» граничний шар i зменшує БГВ. Це пояснює спостерiгаємий ефект прискорення агрегацiї при збiльшеннi δtc.
Суттєвим чинником, який зменшує БГВ, є, очевидно, також форма зерен. Так як товщина аномального шару води на гранях i ребрах потоншується, то iмовiрнiсть агрегацiї «кутастих» зерен збiльшена.
Далека гiдродинамiчна взаємодiя агрегатоутворюючих об’єктiв полягає в тому, що крупна частинка (вугiльне зерно, крапля зв’язуючого) викривляє лiнiї току води в ламiнарному режимi течiї i таким чином змiнює траекторiю малих частинок (рис. 4), утруднюючи їх контакт з крупним об’єктом. Нас цiкавлять два моменти: по-перше, крупнiсть зерен, що «ухиляються» вiд зустрiчi (i таким чином – вiд агрегацiї); по-друге, способи нейтралiзацiї негативного впливу ДГВ на агрегацiю дрiбних частинок. Розглянемо їх послiдовно.
Для ефективностi зiткнень за [7] маємо:
де λ – критерiй Стокса;
де li – вiдстань, яку мала частинка радiусу r спроможна подолати за рахунок початкової швидкостi Vп
З iншого боку для Ез маємо [8]: (r < < R)(3), де r, R – радiуси малої i великої частинки.
Використовуючи рiвняння (2) та (3) для критичного радiусу rкр, при перевищеннi якого має мiсце механiзм iнерцiйного зiткнення частинки i об’єкту, одержуємо:
Враховуючи, що λкр=1/24 [8] для R=3 і 1 мм, маємо відповідно rкр=6 і 2 мкм. Вугiльнi зерна r < 6 мкм у фугатi центрифуги НОГШ-325 (Fr = 2000, аналог супер-декантер центрифуги фiрми PENVOLT) за нашими даними складають ~ 50%. Для таких тонких матеріалiв, як сажi, r &le 1 мкм. Все це свiдчить про можливий серйозний вплив ДГВ на результати селективної агрегації тонких матерiалiв, що обумовлює актуальнiсть нейтралiзацiї ДГВ.
Так, для турбулентного режиму течiї у [8] одержано:
де n0 – середнє число частинок в одиницi об’єму,
jтурб – потiк тонких частинок дiаметра r на поверхню частинки R;
u(r) – швидкiсть частинки r.
Аналiзуючи рiвняння (5), В.Левiч [8] показав, що при турбулентному режимі і r=1–10 мкм Ез.турб &asymp 1. Це свiдчить про велику роль турбулентної дифузiї, яка практично згладжує негативний вплив ДГВ.
Розглядаючи рiвняння (5), зупинимося на параметрi jтурб. В результатi тангенціальної рухливостi поверхнi краплi зв’язуючого, тобто рiзних граничних умов для поверхнi вугільного зерна V1кп=0, i краплі реагента (зв’язуючого) Vпзв за даними [8] Jзвтурб > > Jзертурб. Вiдси Eзвз.турб > > Eзерз.турб. Пiдвищена ефективнiсть зiткнень Eзвз.турб може, на наш погляд, пояснювати рiзкий сплеск агрегацiйної активностi на початку перемiшування водо-масло-вугiльної суспензії, описаної в [1]. Але слiд зазначити, що при зменшеннi розмiру крапель зв’язуючого, а також при збiльшеннi концентрацiї ПАР [8], тобто часточки надтонкої емульсії уподібнюються твердим мінеральним зернам що, очевидно, обумовлює iснування оптимальних або мінімально припустимих розмiрiв часточок емульсiї масляного зв’язуючого та концентрацiї ПАР Vпзв (з точки зору ефективності їх зіткнення з зернами вугілля, наприклад, в процесi селективної агрегації).
Збiльшення числа Re до 2000...3000 (розвинена турбулентність) є засобом нейтралiзацiї негативного впливу далекої гідравлічної взаємодії (ДГВ) на агрегацiю дрiбних частинок вугiлля r ≤ 1...6 мкм. При Re ≥ 2000...3000 можна вважати, що кожна зустрiч часточок r та R розрахована на основi прямолiнiйних траекторiй призводить до їх фактичної зустрiчi та подальшого імовірного злипання. Такий висновок експериментально пiдтверджується кривою τа(nв), яка свiдчить про активiзацiю агрегатоутворення з ростом nв~Re (рис. 5).
Крім того, у подальшому слід зупинитися на детальному вивченні власне механізму зустрічі та контакту вугільних зерен між собою, крапель реагенту і вугільних зерен, а також закріпленні реагенту на вугільній поверхні.