Цевма Наталія Анатоліївна

Зміст

1) Вступ.

2) Методи інтенсифікації процесу зневоднення дрібного вугілля.

3) Дисперсність та стійкість мінеральних суспензій.

4) Теоретичний аналіз механізму зневоднюючої дії реагентів-гідрофобізаторів та флокулянтів.

4.1) Поверхнево активні речовини.

4.2) Механізм взаємодії поверхнево-активних речовин з вугільними частками.

5) Напрями і задачі дослідження.

5.1) Теоретичні дослідження.

5.2) Експериментальні дослідження.

6) Література.

Вступ

На сучасних збагачувальних фабриках важливою ланкою технологічного процесу є зневоднення.

Операції зневоднення дрібних продуктів збагачення можна розділити на три групи: згущення та зневоднення під дією гравітаційної сили, механічне зневоднення та термічна сушка.

Методи інтенсифікації цих процесів можуть бути різноманітними.

Із збільшенням ступеня механізації гірничих робіт підвищилася кількість дрібноти, яка здобувається та збагачується. Особливе значення інтенсифікація зневоднення дрібних продуктів збагачення має для горно-рудної та горно-хімічної промисловості, у зв’ язку з тим, що глибокому подрібненню піддається практично вся вихідна сировина, яка надходить на переробку методами магнітної сепарації та флотації, з подальшим зневодненням. У практиці збагачення флотація застосовується як для збагачення шламів, так і для своєчасного видалення тонких мулів з оборотної води, що створює умови замикання водно-шламових циклів. Збільшується кількість дрібних продуктів збагачення, що підлягають зневодненню.

Значні перспективи мають методи фізико-хімічної інтенсифікації роботи існуючого обладнання, які дозволяють підвищити ефективність зневоднення без значних капітальних вкладень. Досвід промислового впровадження реагентів-інтенсифікаторів на збагачувальних фабриках дав позитивні результати. Таким чином, застосування реагентів-інтенсифікаторів служить одним з істотних факторів у вирішенні проблеми покращення водно-шламового господарства на збагачувальних фабриках та запобіганні забруднення навколишнього середовища.

У якості реагентів-інтенсифікаторів можуть бути використані неорганічні електролити, низькомолекулярні поверхнево-активні речовини синтетичного та нафтового походження, водорозчинні полімери, а також в’ язкі органічні рідини.

Методи інтенсифікації процесу зневоднення дрібного вугілля

Методи інтенсифікації процесів зневоднення дрібних продуктів збагачення можуть бути різними. У даній роботі розглядаються тільки фізико-хімічні методи інтенсифікації механічних процесів зневоднення та головним чином процесу фільтрування дрібних продуктів збагачення. Ці методи дозволяють не тільки збільшити продуктивність фільтрувального обладнання, але й зменшити винос твердих часток з фільтратом та у ряді випадків знизити вологість осаду. Скорочення виносу флотоконцентрату підвищує вихід товарної продукції та призводить до покращення технологічних показників процесів збагачення в цілому в результаті зменшення ступеню зашламованості оборотної води.

В останні роки увагу спеціалістів привертають тепло-фізичні методи інтенсифікації зневоднення, що полягають у використанні в період просушки осаду, який відклався на сітці, гарячого газу (продукти спалювання органічного палива, атмосферне повітря). Та хоча застосування гарячого газу має ту ж мету, що й нагрівання перед фільтруванням суспензії, воно не тільки більш ефективне, але й економічніше. Перевага цього методу обумовлена перш за все малими витратами тепла на нагрівання відносно невеликої кількості вологи, що покриває поверхню внутрішніх порожнин осаду після витіснення з них рідини. Основна частина вологи внаслідок нетривалості контакту її з гарячим газом нагрівається трохи. Однак цього нагрівання достатньо для змінення в’ язкості води та послаблення енергії її зв’ язку з поверхнею матеріалу, що обумовлює гідродинамічну течію води під дією напору газу, який рухається у капілярах.

Зневоднення осаду перегрітим паром проводилося у промислових умовах. Для цього методу характерні мінімальні втрати тепла з відпрацьованим повітрям, висока безпечність та технологічна ефективність. У перегрітому пару не міститься кисень, тому окислення чи загоряння вугілля виключено. Просушка перегрітим паром дає ефект при зневодненні пористого осаду.

Інтенсифікувати процес зневоднення мілкого вугілля у фільтрувальних апаратах можна також зміною структури осаду на фільтрі або зменшенням енергії зв’ язку поверхні часток з водою. Під зміною структури мають на увазі збільшення пористості осаду та зменшення його питомої поверхні в результаті агрегування тонких часток під дією коагулянтів (електролитів) або флокулянтів (органічних сполук та водорозчинних полімерів). Додавання гідрофобних реагентів по типу масел забезпечує збільшення кураєвого кута змочування q, а застосування поверхнево-активних речовин знижує поверхневе натяжіння води.

В результаті цього висота капілярного підйому води та капілярний тиск зменшуються, та отже, кількість утримуваної дрібним вугіллям вологи знижується. Застосування поверхнево-активних речовин, разом із зменшенням поверхневого натяжіння води, призводить до підвищення змочуваності часток, та отже, до росту висоти капілярного підйому води у шарі відфільтрованого осаду й збільшенню вологості. Таким чином, для кращого зневоднення потрібно застосовувати реагенти, котрі, знижуючи поверхневе натяжіння води, зменшують й змочуваність вугілля.

Коагуляція дрібного вугілля, яка передує його фільтруванню, призводить до того, що найдрібніші частки, з’єднуючись у відносно крупні флокули, збільшують пористість осаду. Завдяки цьому зростає його проникність та прискорюється утворення шару на фільтрі. Поверхнево-активні речовини у певних умовах сприяють виникненню осмотичного тиску, який збільшує швидкість фільтрування рідини, або явища капілярного осмосу, що знижує вологість осаду в період просушки. На основі викладеного вище обираємо для інтенсифікації процесів зневоднення дрібного вугілля застосування поверхнево-активних речовин (реагентів-гідрофобізаторів) та флокулянтів [2].

Дисперсність та стійкість мінеральних суспензій

Пульпи процесів збагачення та гідрометалургії є полідисперсними системами з частками крупністю від сотих долів мікрометра до декількох міліметрів. У залежності від розміру часток, що переважають, розрізняють грубозернисті, тонкозернисті, шламисті та мулисті пульпи. До грубозернистих відносять пульпи, у яких переважають частки крупніше 0,5 — 0,3 мм. Тонкозернистими вважаються пульпи з частками дрібніше 0,5 — 0,3 мм. Шламами називають суспензії з частками крупністю менш ніж 50 — 70 мкм, іноді виділяють найбільш тонку частину шламів — мули з частками розміром менш ніж 10 — 5 мкм. У вугільній промисловості до шламів часто відносять частки менше ніж 2 мм.

До шламистих відносять пульпи, у яких шлами переважають над іншими частинками кількісно або якісно. За такими ж ознаками відносять пульпи до мулистих при відповідній кількісній чи якісній перевазі мулів. Границя між суспензіями та колоїдами коливається у межах крупності 0,1 — 1,0 мкм.

Таким чином, до власне суспензій відносять дисперсні системи з перевагою частинок крупніше 5 мкм. Вони не є колоїдними дисперсіями, однак мають з ними багато загальних властивостей та набагато більше практичне значення, ніж золі. Крім того, пульпи багатьох виробництв часто збагачені колоїдами. Так, при кислотному вилуговуванні руд та концентратів золота, кольорових, рідких, радіоактивних та інших металів суспензії збагачуються колоїдними дисперсіями кремнієвих та алюмінієвих кислот. У лужних пульпах з’ являються гідрати окислів заліза, алюмінію та інших металів. Стабілізації дисперсних фракцій рудних пульп сприяють різні механічні впливи в процесах їхньої обробки (інтенсивне перемішування, розтирання), особливо при підвищених температурах. Хімічна пептизація відбувається при введенні в пульпу реагентів, що сприяють гідрофілізації часток та підвищенню електричних зарядів їх поверхні (рідке скло, полі фосфати), зниженню концентрації коагулюючих електролитів при промиванні осаду водою, зміненні інших властивостей середи, яке призводить до збільшення зарядів колоїдних часток та їх диспергуванню.

Стійкість дисперсних систем є одним з центральних питань колоїдної хімії. Розгляд цього питання стосовно суспензій зв’ язується з інтенсифікацією процесів згущення та фільтрування [1].

Теоретичний аналіз механізму зневоднюючої дії реагентів-гідрофобізаторів та флокулянтів.

Поверхнево-активні речовини.

Поверхнево-активними речовинами називають такі хімічні з’єднання, які при розчиненні або диспергуванні у рідині вибірково адсорбуються на поверхні розділу фаз, що у свою чергу визначає сукупність їх фізико-хімічних чи хімічних властивостей, які мають практичне значення.

До основних фізико-хімічних властивостей ПАР, на яких засновано багато технологічних процесів, у тому числі й ті, що виконуються на збагачувальних фабриках, можна віднести: зниження поверхневого натяжіння, поверхнева активність, критична концентрація міцелоутворення, змочування та гідрофобізація, емульгування, піноутворення, стабілізація та ін.

На властивості ПАР впливає не тільки число, але й порядок сполучення окремих атомів, що входять до складу молекул.

Властивостями, за якими відрізняються ПАР, є:

— зниження поверхневого натяжіння у дуже розбавлених розчинах у наслідок адсорбції та орієнтації молекул на поверхні розділу фаз;

— утворення міцел за умови привищення відповідної концентрації розчину

ПАР у наслідок зниження вільної енергії системи.

Рис. 1 — Міцела [5].

Усі синтетичні ПАР є дифільними сполуками, що складаються з гідрофобної та гідрофільної частини.

Гідрофільною частиною служать карбоксильна СОО-, сульфатна OSO-3 та сульфонатна SO-3 групи, а також поєднання гідрофільних залишків з группами ефірної — СН2 — СН2 — О — СН2 — СН2 — , полігліколевої — (СН2СН2О)n, або групами, які містять азот.

Гідрофобна частина складається переважно з парафінного ланцюга, прямого чи ветвистого, бензольного або нафталинового кільца з алкільними радикалами.

Можна стверджувати, що можливість використання ПАР носить майже універсальний характер, тому що кожний виробничий процес так або інакше пов, язаний із взаємодією поверхні.

Синтетичні поверхнево-активні речовини, що застосовуються в даний час, діляться на 4 класи:

— аніонні ПАВ — з’єднання, які у водних розчинах диссоціюють з утворенням аніонів, що обумовлюють поверхневу активність. Серед них найбільше значення мають лінійні алкілбензосульфонат, сульфати і сульфоефіри жирних кислот;

Рис.2 — Аніонні поверхнево-активні речовини [5].

— амфотерні (амфолитні) ПАВ — з’єднання, які у водних розчинах іонізуються і поводяться залежно від умов (головним чином від рН — середовища), тобто в кислому розчині проявляють властивості катіонних ПАВ, а в лужному розчині — аніонних ПАВ. Серед основних амфотерних ПАВ слід зазначити алкілбетаїни, алкіламінокарбонові кислоти, похідні алкіл імідазолінів, алкіламіноалкансульфонати;

Рис.3 — Амфотерні поверхнево-активні речовини [5].

— неіоногенні ПАВ — з’єднання, які розчиняються у воді, не іонізуючись. Розчинність неіоногенних ПАВ у воді обумовлюється наявністю в них функціональних груп. Як правило, вони утворюють нітрати у водному розчині унаслідок виникнення водневих зв'язків між молекулами води і атомами кисню поліетіленглікольовій частини молекули ПАВ. До них відносяться: полігліколеві ефіри жирних спиртів і кислот, полігліколеві ефіри амідів жирних кислот, що ацилюють або алкіловані полігліколеві ефіри алкіламідів.

Рис.4 — Неіоногенні поверхнево-активні речовини [5].

— катіонні ПАВ — з’єднання, які у водному розчині диссоціюють з утворенням катіонів, що визначають поверхневу активність. Серед катіонних ПАВ найбільше значення мають четвертинні амонієві з’єднання, імідазаліни, жирні аміни.

Рис.5 — Катіонні поверхнево-активні речовини [5].

Механізм взаємодії поверхнево-активних речовин з вугільними частками.

Змочування кожної поверхні протікає тим краще, чим сильніше рідина знижує поверхневу енергію тіла, яке змочується, тим нижче стає ця енергія на границі розділу двох фаз. Тому для зменшення змочуваності вугілля водою, тобто для його гідрофобізації, необхідно збільшити поверхневе натяжіння на границі розділу тверде-рідина sт-р. Однак поверхневе натяжіння як на границі розділу тверде-рідина, так і на границі розділу тверде-газ sт-г не може бути виміряно безпосередньо. Воно визначається косвенним шляхом. Кут змочування q та величина поверхневого натяжіння на границі розділу рідина-газ sр-г можуть бути визначені експериментально.

З умов рівноваги витікає:

s_т-г — s_т-р = s_р-г cosq = b,

де b — поверхневе натяжіння змочування, кг/м.

Чим більше ця величина, тим легше змочується вугілля водою і тим важче його зневоднювати. Із зниженням поверхневого на тяжіння змочування гідрофобність вугілля зростає. З рівняння видно, що для інтенсифікації зневоднення необхідно знизити поверхневе на тяжіння води на границі розділу вода-повітря та збільшити краєвий кут змочування вугілля. Однак величина кута змочування знаходиться у прямій залежності не тільки від поверхневого натяжіння на границі вугілля-вода, але й від взаємодії цієї величини з силами на тяжіння на поверхні розділу інших фаз. При зневодненні дрібного вугілля у період просушки осаду на фільтрувальній поверхні знаходиться трифазна система, тому що після відокремлення основної частини води в осаді завжди присутнє повітря.

До числа домішків, які знижують поверхневе натяжіння, відносять спінювачі (терпінеол, похідні від фенола, аліфатичні спирти) та такі поверхнево-активні речовини, як алкілсульфат, акрилсульфонат, скипидар, милонафт, сивушні масла, синтол, некаль, пасти ААС та Р16 та інщі [4].

Напрями і завдання досліджень

Проведений огляд та аналіз стану питання зневоднення дрібних і тонких вугільних класів показує наступне. По-перше, базисні процеси механічного зневоднення, — дренування, центрифугування, фільтрація, грохочення, — які мають достатню теоретичну базу і мають широке застосування на сучасних збагачувальних підприємствах в технологічному відношенні практично вичерпали себе. По-друге, високоефективні спеціальні фізико-хімічні методи зневоднення тонкого і дрібнозернистого вугілля, розроблені як за кордоном, так і вітчизняні їх варіанти не доведені до широкого промислового використання, очевидно, через низку наявних недоліків: громіздкість спеціального обладнання, доровизни застосовуваних реагентів, їх дефіцитності. Крім того, очевидним недоліком схем зневоднення із застосуванням новітніх фізико-хімічних методів, що забезпечують ослаблення зв'язків на межі фаз вугілля-вода, є примение на заключних стадіях влагоотделения все тих же традиційних способів і апаратів механічного зневоднення, не здатних реалізувати в повній мірі ефект фізико-хімічного впливу. По-третє, слід констатувати появу і розвиток нового перспективного процесу зневоднення зернистого матеріалу, зокрема дрібнодисперсного вугілля — методу аеромеханічний зриву водної плівки в инжекторном шарі. Однак глибоких досліджень цього методу на вугільному сировина не проведено. Питання його поєднання з фізико-хімічними методами залишається відкритим. Науково обгрунтованого апаратурного оформлення не розроблено. Процес не підготовлений, ні в науковому, теоретичному плані, ні в технологічному для використання на сучасних збагачувальних фабриках. Разом з тим, тенденція до погіршення сировинної бази переробляються вугілля — збільшення частки дрібних і тонких фракцій у вихідній гірничій масі, збільшення її зольності — вимагає розробки нових високоефективних процесів збагачення і зневоднення вугілля [2].

Завданням цієї роботи є розробка і дослідження технології зневоднення дрібнозернистого вугілля в газоструйном потоці, розробка рекомендацій, технологічних режимів і схем використання цього процесу в промисловості.

Для вирішення поставлених завдань необхідно виконати наступні теоретичні та експериментальні дослідження.

1. Теоретичні дослідження

— Розробити структурну та факторну моделі процесу;

— Розвинути теоретичну інтерпретацію ефекту влагоотделения в газо-струменевому потоці з урахуванням попереднього фізико-хімічного впливу на міжфазну межу вугілля-вода;

— Виконати аналіз сил зчеплення водних плівок з вугільною поверхно-стю;

— Виконати аналіз факторів інтенсифікують влагоотделенієм в газоструйном потоці і визначити методи ефективного управління процесом, шляхи раціонального впливу на кінцевий результат зневоднення вугілля [7].

2. Експериментальні дослідження

— Визначити раціональні постійні параметри зневоднення дрібнозернистого вугілля в газоструйном потоці, зокрема раціональне співвідношення повітря-тверде, раціональний рівень попередньої гідрофобізації вугільної поверхні, раціональну крупність вихідного матеріалу;

— Методом планованого експерименту отримати математичну модель процесу зневоднення дрібнозернистого вугілля в газоструйном потоці і виконати її аналіз;

— Дати порівняльну експериментальну оцінку існуючих і розробляється методу аеромеханічний зневоднення на вугільному сировину, на підставі чого виділити перспективну область його вико-вання.

3. В області розробки промислової технології: виконати промислові випробування технології зневоднення дрібнозернистого вугілля в газоструйном потоці; розробити варіант промислової технології зневоднення дрібнозернистого вугілля омасліваніе — ежектування для енергетичного вугілля Донецького басейну; розробити рекомендації по промисловому використанню технології аеромеханічний зневоднення дрібнозернистого вугілля в газоструйном потоці [7].

Література

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.