Цевма Наталья Анатольевна

Содержание

1) Вступление.

2) Методы интенсификации процесса обезвоживания мелкого угля.

3) Дисперсность и устойчивость минеральных суспензий.

4) Теоретический анализ механизма обезвоживающих действия реагентов-гидрофобизаторов и флокулянтов.

4.1) Поверхностно-активные вещества.

4.2) Механизм взаимодействия поверхностно-активных веществ с угольными частицами.

5) Направления и задачи исследований.

5.1) Теоретические исследования.

5.2) Экспериментальные исследования.

6) Литература.

 

Вступление

На современных обогатительных фабриках важным звеном технологического процесса является обезвоживание.

Операции обезвоживания мелких продуктов обогащения можно разделить на три группы: сгущения и обезвоживания под действием гравитационной силы, механическое обезвоживание и термическая сушка.

Методы интенсификации этих процессов могут быть разнообразными.

С увеличением степени механизации горных работ повысилось количество мелочи, которая добывается и обогащается. Особое значение интенсификация обезвоживания мелких продуктов обогащения имеет для горно-рудной и горно-химической промышленности, в связи с тем, что глубокому измельчению подвергается практически вся исходное сырье, которое поступает на переработку методами магнитной сепарации и флотации с последующим обезвоживанием. В практике обогащения флотация применяется как для обогащения шламов, так и для своевременного удаления тонких илов с оборотной воды, что создает условия замыкания водно-шламовых циклов. Увеличивается количество мелких продуктов обогащения подлежат обезвоживанию.

Значительные перспективы имеют методы физико-химической интенсификации работы существующего оборудования, которые позволяют повысить эффективность обезвоживания без значительных капитальных вложений. Опыт промышленного внедрения реагентов-интенсификаторов на обогатительных фабриках дал положительные результаты. Таким образом, применение реагентов-интенсификаторов служит одним из существенных факторов в решении проблемы улучшения водно-шламового хозяйства на обогатительных фабриках и предотвращении загрязнения окружающей среды.

В качестве реагентов-интенсификаторов могут быть использованы неорганические электролитов, низкомолекулярные поверхностно-активные вещества синтетического и нефтяного происхождения, водорастворимые полимеры, а также вязкие органические жидкости.

Методы интенсификации процесса обезвоживания мелкого угля

Методы интенсификации процессов обезвоживания мелких продуктов обогащения могут быть разными. В данной работе рассматриваются только физико-химические методы интенсификации механических процессов обезвоживания и главным образом процесса фильтрации мелких продуктов обогащения. Эти методы позволяют не только увеличить производительность фильтровального оборудования, но и уменьшить вынос твердых частиц с фильтратом и в ряде случаев снизить влажность осадка. Сокращение выноса флотоконцентрата повышает выход товарной продукции и приводит к улучшению технологических показателей процессов обогащения в целом в результате уменьшения степени зашламлености оборотной воды.

В последние годы внимание специалистов привлекают тепло-физические методы интенсификации обезвоживания, которые заключаются в использовании в период просушки осадка, отложился на сетке, горячего газа (продукты сжигания органического топлива, атмосферный воздух). И хотя применение горячего газа имеет ту же цель, что и нагрева перед фильтрованием суспензии, оно не только более эффективное, но и экономичнее. Преимущество этого метода обусловлена ??прежде всего малыми затратами тепла на нагрев относительно небольшого количества влаги, покрывающей поверхность внутренних полостей осадка после вытеснения из них жидкости. Основная часть влаги вследствие непродолжительности контакта ее с горячим газом нагревается незначительно. Однако этого нагрева достаточно для изменения вязкости воды и ослабление энергии его связи с поверхностью материала, что обусловливает гидродинамическую течение воды под действием напора газа, который движется в капилярах.

Обезвоживание осадка перегретым паром проводилось в промышленных условиях. Для этого метода характерны минимальные потери тепла с отработанным воздухом, высокая безопасность и технологическая эффективность. В перегретом пару не содержится кислород, поэтому окисление или возгорания угля исключено. Просушка перегретым паром дает эффект при обезвоживании пористого осадка.

Температура пара, оС	120	120-140	140-160	160-180	> 180
Влажность осадка, %	25.3	21.0	18.6	18.5	17.0

Рис 1 — Зависимость влажности осадка от температуры перегретого пара

Интенсифицировать процесс обезвоживания мелкого угля в фильтровальных аппаратах можно также изменением структуры осадка на фильтре или уменьшением энергии связи поверхности частиц с водой. Под изменением структуры подразумевают увеличение пористости осадка и уменьшение его удельной поверхности в результате агрегирования тонких частиц под действием коагулянтов (электролитов) или флокулянтов (органических соединений и водорастворимых полимеров). Добавление гидрофобных реагентов по типу масел обеспечивает увеличение краевого угла смачивания q, а применение поверхностно-активных веществ снижает поверхностное натяжение воды.

В результате этого высота капиллярного подъема воды и капиллярное давление уменьшаются, и следовательно, количество удерживаемой мелким углем влаги снижается. Применение поверхностно-активных веществ, вместе с уменьшением поверхностного натяжения воды, приводит к повышению смачиваемости частиц, и следовательно, к росту высоты капиллярного подъема воды в слое отфильтрованного осадка и увеличению влажности. Таким образом, для лучшего обезвоживания нужно применять реагенты, которые, снижая поверхностное натяжение воды, уменьшают и смачиваемость угля.

Коагуляция мелкого угля, которая предшествует его фильтрования, приводит к тому, что мельчайшие частицы, соединяясь в относительно крупные флокулы, увеличивают пористость осадка. Благодаря этому растет его проницаемость и ускоряется образование слоя на фильтре. Поверхностно-активные вещества в определенных условиях способствуют возникновению осмотического давления, который увеличивает скорость фильтрации жидкости или явления капиллярного осмоса, снижает влажность осадка в период просушки. На основе вышеизложенного выбираем для интенсификации процессов обезвоживания мелкого угля применения поверхностно-активных веществ (реагентов-гидрофобизаторов) и флокулянтов [2].

Дисперсность и устойчивость минеральных суспензий

Пульпы процессов обогащения и гидрометаллургии являются полидисперсными системами с частицами крупностью от сотой доли микрометра до нескольких миллиметров. В зависимости от размера частиц, которые преобладают, различают крупнозернистые, тонкозернистые, шламисти и илистые пульпы. В крупнозернистых относят пульпы, в которых преобладают частицы крупнее 0,5 — 0,3 мм. Тонкозернистым считаются пульпы с частицами мельче 0,5 — 0,3 мм. Шламами называют суспензии с частицами крупностью менее 50 — 70 мкм, иногда выделяют наиболее тонкую часть шламов — илы с частицами размером менее 10 — 5 мкм. В угольной промышленности к шламов часто относят частицы менее 2 мм.

К шламовым относят пульпы, в которых шламы преобладают над другими частицами количественно или качественно. По таким же признакам относят пульпы в илистых при соответствующей количественной или качественной преимуществ илов. Граница между суспензиями и коллоидами колеблется в пределах крупности 0,1 — 1,0 мкм.

Таким образом, к собственно суспензий относят дисперсные системы с преобладанием частиц крупнее 5 мкм. Они не являются коллоидными дисперсиями, однако имеют с ними много общих свойств и гораздо большее практическое значение, чем зола. При кислотном выщелачивании руд и концентратов золота, цветных, редких, радиоактивных и других металлов суспензии обогащаются коллоидными дисперсиями кремниевых и алюминиевых кислот. В щелочных пульпа появляются гидраты окислов железа, алюминия и других металлов. Стабилизации дисперсных фракций рудных пульп способствуют различные механические воздействия в процессах их обработки (интенсивное перемешивание, растирание), особенно при повышенных температурах. Химическая пептизация происходит при введении в пульпу реагентов, способствующих гидрофилизации частиц и повышению электрических зарядов их поверхности (жидкое стекло, поле фосфаты), снижению концентрации коагулирующих электролитов при промывании осадка водой, изменении других свойств среды, которое приводит к увеличению зарядов коллоидных частиц и их диспергированию.

Устойчивость дисперсных систем является одним из центральных вопросов коллоидной химии. Рассмотрение этого вопроса по суспензий связывается с интенсификацией процессов сгущения и фильтрации [1].

Теоретический анализ механизма обезвоживающих действия реагентов-гидрофобизаторов и флокулянтов

Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активными веществами называют такие химические соединения, которые при растворении или диспергировании в жидкости избирательно адсорбируются на поверхности раздела фаз, в свою очередь определяет совокупность их физико-химических или химических свойств, которые имеют практическое значение.

К основным физико-химических свойств ПАВ, на которых основаны многие технологических процессов, в том числе и те, которые выполняются на обогатительных фабриках, можно отнести: снижение поверхностного натяжения, поверхностная активность, критическая концентрация мицеллообразования, смачивания и гидрофобизация, эмульгирование, пенообразование, стабилизация и др..

На свойства ПАВ влияет не только число, но и порядок соединения отдельных атомов, входящих в состав молекул.

Свойствами, по которым отличаются ПАВ, являются:

— Снижение поверхностного натяжения в очень разбавленных растворах вследствие адсорбции и ориентации молекул на поверхности раздела фаз;

— Образование мицелл при уничтожении соответствующей концентрации раствора

ПАВ в результате снижения свободной энергии системы.

Рис. 2 — Мицелла.

Все синтетические ПАВ является дифильными соединениями, состоящие из гидрофобной и гидрофильной части.

Гидрофильной частью служат карбоксильная СОО-, сульфатная OSO-3 и сульфонатных SO-3 группы, а также сочетание гидрофильных остатков с группами эфирного — СН2 — СН2 — О — СН2 — СН2 -, полигликолевой — (СН2СН2О) n, или группами, которые содержат азот.

Гидрофобная часть состоит преимущественно из парафинного цепи, прямого или ветвистого, бензольного или нафталинового кольца с алкильных радикалов.

Можно утверждать, что возможность использования ПАВ носит почти универсальный характер, потому что каждый производственный процесс так или иначе связанный с взаимодействием поверхности [6].

Синтетические поверхностно-активные вещества, применяемые в настоящее время, делятся на 4 класса:

— Анионные ПАВ — соединения, которые в водных растворах диссоциируют с образованием анионов, обусловливающих поверхностную активность. Среди них наибольшее значение имеют линейные алкилбензолсульфонаты, сульфаты и сульфоэфиры жирных кислот;

Рис.3 — Анионные поверхностно-активные вещества [5].

— Амфотерные (амфолитни) ПАВ — соединения, которые в водных растворах ионизируются и ведут в зависимости от условий (главным образом от рН — среды), т.е. в кислом растворе проявляют свойства катионных ПАВ, а в щелочном растворе — анионных ПАВ. Среди основных амфотерных ПАВ следует отметить алкилбетаины, алкиламинокарбоновые кислоты, производные алкил имидазолинов, алкиламиноалкансульфонаты;

Рис 4- Амфотерные поверхностно-активные вещества [5].

— Неионогенные ПАВ — соединения, которые растворяются в воде, не ионизируясь. Растворимость неионогенных ПАВ в воде объясняется наличием в них функциональных групп. Как правило, они образуют нитраты в водном растворе вследствие возникновения водородных связей между молекулами воды и атомами кислорода полиетиленгликольовий части молекулы ПАВ. К ним относятся: полигликолевые эфиры жирных спиртов и кислот, полигликолевые эфиры амидов жирных кислот, алкилированных полигликолевые эфиры алкиламиды.

Рис.5 — Неионогенные поверхностно-активные вещества [5].

— Катионные ПАВ — соединения, которые в водном растворе диссоциируют с образованием катионов, определяющих поверхностную активность. Среди катионных ПАВ наибольшее значение имеют четвертичные аммониевые соединения, имидазалины, жирные амины.

Рис.6 — Катионные поверхностно-активные вещества [5].

Механизм взаимодействия поверхностно-активных веществ с угольными частицами

Смачивание каждой поверхности протекает тем лучше, чем сильнее жидкость снижает поверхностную энергию тела, смачивается, тем ниже становится эта энергия на границе раздела двух фаз. Поэтому для уменьшения смачиваемости угля водой, то есть для его гидрофобизации, необходимо увеличить поверхностное натяжение на границе раздела твердое-жидкость σ т-ж. Однако поверхностное натяжение как на границе раздела твердое-жидкость, так и на границе раздела твердое-газ σ т-г не может быть измерен непосредственно. Оно определяется косвенным путем. Угол смачивания q и величина поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-газ σ ж-г могут быть определены экспериментально.

Из условий равновесия следует:

σ т-г — σ т-р = σ р-г cos q = β,

где β — поверхностное натяжение смачивания, кг / м.

Чем больше эта величина, тем легче смачивается угля водой и тем труднее его обезвоживать. С понижением поверхностного на притяжение смачивания гидрофобность угля возрастает. Из уравнения видно, что для интенсификации обезвоживания необходимо снизить поверхностное на притяжение воды на границе раздела вода-воздух и увеличить краевой угол смачивания угля. Однако величина угла смачивания находится в прямой зависимости не только от поверхностного натяжения на границе уголь-вода, но и от взаимодействия этой величины с силами на тяжести на поверхности раздела других фаз. При обезвоживании мелкого угля в период просушки осадка на фильтровальной поверхности находится трехфазная система, потому что после отделения основной части воды в осадке всегда присутствует воздух.

К числу примесей, которые снижают поверхностное натяжение, относят вспениватель (терпинеол, производные от фенола, алифатические спирты) и такие поверхностно-активные вещества, как алкилсульфаты, акрилсульфонат, скипидар, мылонафт, сивушные масла, синтол, Некаль, пасты ААС и Р16 и др [4].

Направления и задачи исследований

Проведенный обзор и анализ состояния вопроса обезвоживания мелких и тонких угольных классов показывает следующее. Во-первых, базисные процессы механического обезвоживания, — дренирование, центрифугирование, фильтрация, грохочение, — которые обладают достаточной теоретической базой и имеют широкое применение на современных обогатительных предприятиях в технологическом отношении практически исчерпали себя. Во-вторых, высокоэффективные специальные физико-химические методы обезвоживания тонкого и мелкозернистого угля, разработанные как за рубежом, так и отечественные их варианты не доведены до широкого промышленного использования, очевидно, из-за ряда имеющихся недостатков: громоздкости специального оборудования, доровизны применяемых реагентов, их дефицитности. Кроме того, очевидным недостатком схем обезвоживания с применением новейших физико-химических методов, обеспечивающих ослабление связей на границе фаз уголь-вода, является примение на заключительных стадиях влагоотделения все тех же традиционных способов и аппаратов механического обезвоживания, не способных реализовать в полной мере эффект физико-химического воздействия. В-третьих, следует констатировать появление и развитие нового перспективного процесса обезвоживания зернистого материала, в частности мелкодисперсного угля — метода аэромеханического срыва водной пленки в инжекторном слое. Однако глубоких исследований этого метода на угольном сырье не проведено. Вопрос его сочетания с физико-химическими методами остается открытым. Научно обоснованого аппаратурного оформления не разработано. Процес не подготовлен, ни в научном, теоретическом плане, ни в технологическом для использования на современных обогатительных фабриках. Вместе с тем, тенденция к ухудшению сырьевой базы перерабатываемых углей — увеличения доли мелких и тонких фракций в исходной горной массе, увеличение ее зольности — требует разработки новых высокоэффективных процессов обогащения и обезвоживания углей [2].

Задачей настоящей работы является разработка и исследование технологии обезвоживания мелкозернистого угля в газоструйном потоке, разработка рекомендаций, технологических режимов и схем использования этого процесса в промышленности.

Для решения поставленных задач необходимо выполнить следующие теоретические и экспериментальные исследования.

1. Теоретические исследования

— разработать структурную и факторную модели процесса;

— развить теоретическую интерпретацию эффекта влагоотделения в газоструйном потоке с учетом предварительного физико-химического воздействия на межфазную границу уголь-вода;

— выполнить анализ сил сцепления водных пленок с угольной поверхностью;

— выполнить анализ факторов интенсифицирующих влагоотделение в газоструйном потоке и определить методы эффективного управления процессом, пути рационального воздействия на конечный результат обезвоживания угля [7].

2. Экспериментальные исследования

— определить рациональные постоянные параметры обезвоживания мелкозернистого угля в газоструйном потоке, в частности рациональное соотношение воздух-твердое, рациональный уровень предварительной гидрофобизации угольной поверхности, рациональную крупность исходного материала;

— методом планированного эксперимента получить математическую модель процесса обезвоживания мелкозернистого угля в газоструйном потоке и выполнить ее анализ;

— дать сравнительную экспериментальную оценку существующих и разрабатываемого метода аэромеханического обезвоживания на угольном сырье, на основании чего выделить перспективную область его использования.

3. В области разработки промышленной технологии: выполнить промышленные испытания технологии обезвоживания мелкозернистого угля в газоструйном потоке; разработать вариант промышленной технологии обезвоживания мелкозернистого угля омасливание — эжектирование для энергетических углей Донецкого бассейна; разработать рекомендации по промышленному использованию технологии аэромеханического обезвоживания мелкозернистого угля в газоструйном потоке [7].

 

Литература

1. Майдуков Г.Л. Технология фильтрования продуктов обогащения углей, М., Недра, 1975, 144 с.
2. Каминский В.С., Барбин М.Б., Долина Л.Ф. Интенсификация процессов обезвоживания, М., Недра, 1982, 224 с.
3. Флокулянты — Слаф Реагент
   Флокулянты органические — синтетические полимеры (полиэлектролиты), используемые для механической очистки воды от взвешенных и коллоидных ...
4. Статьи по КМЦ, NaКМЦ и обойному клею. — Давос-Трейдинг: КМЦ ...
   8 авг 2011 — Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц ...
5. Классификация ПАВ
   ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОЮЩИХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ. 1.1. Классификация ПАВ. Все поверхностно-активные ...
6. ПАВ
   30 мар 2009 — ПАВ — органические соединения, молекулы которых имеют в строении полярную гидрофильную часть (функциональные группы —OH, ...
7. Жужиков В.А. Фильтрование.Теория и практика разделения суспензій,М.
   Химия,1971,439 с.