УДК 622.765

С.О. ФЕДОСЕЕВА,

О.А. МОРОЗОВ, канд. техн. наук

(Украина, Луганск, ГП «Укрнииуглеобогащение»)

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ АКТИВНОСТИ И ПЕНООБРАЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГЕТЕРОПОЛЯРНЫХ РЕАГЕНТОВ НА ИХ ФЛОТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Результаты флотации во многом зависят от реагентного режима, т.е. от правильного подбора сочетания реагентов, их расхода и места подачи в процесс. Для изучения механизма взаимодействия флотационных реагентов с поверхностью угольных частиц важно знать не только суммарный флотационный эффект, но и причины, его обусловливающие, к которым относятся пенообразующая и собирательная способность реагентов. Поиск новых реагентов для ведения флотации углей различной степени метаморфизма, обладающих разными свойствами поверхности, выбор правильного сочетания веществ как правило сложного химического состава являются актуальной задачей.

Анализ исследований и публикаций. Анализ многочисленных исследований показал [1...7], что наиболее перспективными вспенивателями следует считать гетерополярные неионогенные соединения, содержащие полярные кислородсодержащие группы: гидроксильную, карбонильную, эфирную и кетогруппу. Указанные группы соединений слабо закрепляются на границе раздела твердое-жидкость, что благоприятно влияет на селективность флотации. При этом наличие таких веществ на поверхности раздела фаз и в составе аполярных реагентов-собирателей благоприятно сказывается на их адсорбции и гидрофобизирующем действии. Следовательно, необходимо выбирать реагенты-вспениватели, удовлетворяющие этим требованиям.

Постановка задачи. Целью данной работы является определение влияния поверхностной активности и пенообразующей способности гетерополярных реагентов на их флотационные свойства.

Изложение материала и результаты. Исследование поверхностной активности  и пенообразующей способности  гетерополярных реагентов направлено, главным образом, на решение задачи об установлении связи между физико-химическими характеристиками  реагентов вспенивателей  и их флотационной активностью, что позволит определить новые и уточнить существующие  критерии их флотационной активности. Для исследования приняты кислородсодержащие гетерополярные соединения, охватывающие практически все классы неионогенных соединений. В табл. 1 представлена характеристика реагентов, принятых к исследованию.

В настоящей работе пенообразующая способность вспенивателей изучалась как на двухфазных  (газ-жидкость), так и на трехфазных (газ-жидкость-твердое) пенах. При исследовании двухфазных пен  пенообразующая способность реагентов оценивалась по количеству  жидкой  фазы, вынесенной воздушными пузырьками  в пенный слой [8].

Таблица 1

Определение выполнялось следующим образом. Исследуемый реагент  в течение 1 минуты перемешивался  с водой в камере  лабораторной  флотационной машины объемом 0,5 л. Затем в машину подавался  воздух и в течение 30 сек. проводился съем пенного продукта. Оценка полученных результатов производилась в относительных единицах по сравнению с эталонным реагентом, в качестве которого выбран МИБК в соответствии с вводимым в действие на Украине ISO 8858-1 «Уголь каменный-Испытание пенной флотации. Часть 1». Концентрация реагентов составляла 50 мг/л, что близко к значениям их в производственных  флотационных пульпах.

Пенообразующая  способность трехфазных пен  оценивалась по количеству образующегося пенного слоя во флотоконцентрате (объемные %). Твердой фазой служили шламы газовых углей и антрацита близкого гранулометрического состава.

Сравнивая пенообразующую способность реагентов в двухфазных пенах (табл. 2 – Пенообразующая способность и поверхностная активность водных растворов гетерополярных реагентов), можно отметить низкое ее значение у многоатомных спиртов (побочный продукт производства полиглицидола) и первичных одноатомных спиртов (СФК). Несимметричные ацетали (синтанол БВ) и простые олигоэфиры (лапрол 1601) отличаются наиболее высокой пенообразующей способностью. Реагент   оксаль  Т-66 и  выбранный в качестве эталона МИБК, обладают близкой пенообразующей способностью.

Таблица 2

Следует отметить, что метод исследования двухфазных пен по сравнению с трехфазными  отличается  более высокой чувствительностью. Пределы изменения пенообразующей  способности реагентов для двухфазных пен – 8…583 отн. ед., а для трехфазных – 11…37% об. Сопоставляя пенообразующую способность  реагентов на трехфазных пенах, необходимо подчеркнуть, что природа и дисперсность твердой фазы оказывают существенное влияние на объем пенного продукта. При  использовании в качестве  твердой фазы антрацитовых шламов, по сравнению  со шламами газовых углей объем пенного продукта в большинстве случаев  в 1,5…2,0 раза больше.

Поверхностная активность исследованных реагентов оценивалась коэффициентом поверхностной активности (К_а), характеризующим способность реагентов понижать поверхностное натяжение их водных растворов при изменении концентрации. Поверхностное натяжение водных растворов флотационных реагентов определялось методом максимального давления в пузырьке [9].

Результаты исследования поверхностной активности  различных технических продуктов представлены графически на рис. 1. Исходя из линейной зависимости  снижения поверхностного  натяжения  от концентрации  вспенивателя  в области  низких значений последней, рассчитаны коэффициенты поверхностной активности (табл. 2).

\s  Рис. 1. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации водных растворов гетерополярных реагентов (t=25⁰С)

Из приведенных данных видно, что в ряду исследованных классов технических продуктов наибольшей  поверхностной активностью обладают представители одноатомных вторичных алифатических спиртов (КОБС, КЭТГОЛ, ВС-1), несимметричных ацеталей и альдегидов (побочный продукт производства масляного альдегида), а наименьшей - многоатомные алифатические спирты  (побочный продукт производства полиглицидола) и циклические спирты (масло ПОД). Это позволяет сделать вывод о том, что поверхностная активность гетерополярных реагентов зависит не только от  количества функциональных групп  и их строения, но и от строения углеводородного радикала. Так, например, алифатические  и циклические спирты, имея одну и ту же полярную группу, существенно отличаются по значению поверхностной активности. Результаты исследований, приведенные в табл. 2 и на рис.1, позволяют классифицировать исследованные технические продукты, исходя из значений коэффициента поверхностной активности (К_а), на 2 группы:

1 – поверхностно-активные реагенты;

(К_а=0,071…0,110 Дж_*м/кг)

11 – поверхностно-малоактивные реагенты

(К_а=0,002…0,033 Дж_*м/кг)

На рис. 2 схематически представлены изотермы поверхностного натяжения для обеих групп технических продуктов в области низких значений концентраций их водных растворов.

Предложенная классификация может служить руководством при выборе реагентов для флотации углей.

Рис. 2.  Зависимость поверхностного натяжения от концентрации водных растворов для поверхностно-активных (І) и поверхностно-малоактивных (II) реагентов.

Оценка флотационной активности  исследуемых продуктов проводилась непосредственно  при  флотации указанных шламов газовых углей и антрацитов в сопоставимых условиях. В качестве собирателя в обоих случаях применялся аполярный реагент легкий газойль  каталитического крекинга, как аналог используемого ранее наиболее эффективного собирателя ААР-2.

Результаты исследования флотационной активности исследуемых реагентов вспенивателей приведены в табл. 3.

Таблица 3

Из представленных в табл. 2 и 3 данных видно, что наибольшей флотационной активностью, которая является наиболее надежным показателем эффективности реагента, обладают следующие реагенты: побочный продукт производства масляного альдегида, КЭТГОЛ, реагент ВС-1, КОБС. Особенностью перечисленных реагентов является высокая поверхностная активность и умеренная пенообразующая способность. Практически все исследованные продукты, имеющие более высокие по сравнению с оксаль Т-66 значения флотационной активности (№ 6…8, 12…15), отличаются и более высоким  значением поверхностной активности, а пенообразующая способность их не превышает ее значения у Т-66 и принятого за эталон МИБК.

Реагенты-вспениватели, имеющие одновременно относительно высокие значения  и поверхностной активности и пенообразующей способности (Синтанол БВ и Лапрол 1601) проявляют низкую флотационную активность. Эти реагенты обладают высокой вспенивающей способностью, т.к. объем двухфазной пены по сравнению с другими исследованными веществами больше в 2-20 раз, а трехфазной – только на 30-40%. По сравнению с эталоном МИБК объем двухфазной пены выше в 5,8 раз, а поверхностная активность – в 1,7раза. Указанные реагенты, по-видимому, недостаточно адсорбируются на поверхности угля, чем и объясняется их низкая флотационная активность. При этом поверхностная активность этих реагентов в 3,3-3,9 раза ниже, чем у реагента КОБС.

С точки зрения физико-химических свойств наиболее эффективные реагенты вспениватели должны обладать достаточно высокой поверхностной  активностью (не менее 0,005 Дж_*м/кг) и оптимальной пенообразующей способностью. Полученные результаты находятся в согласии с литературными данными. Авторами работы [1] отмечалось, что в ряде случаев отсутствует однозначная прямая зависимость между пенообразующими и флотационными свойствами соединений.

Выводы и направления дальнейших исследований.  Таким образом, результаты исследований широкого ассортимента кислородсодержащих гетерополярных  реагентов, принадлежащих к различным классам соединений, показали, что их флотационная активность существенно зависит как от состава полярной группы, так и от строения углеводородного радикала. Реагенты, относящиеся к  разным классам соединений, могут обладать близкой флотоактивностью и наоборот, имея одну и ту же функциональную  группу, показывать разную флотоактивность. Высокую флотоактивность проявляют реагенты с изостроением радикала и содержащие ненасыщенные углеводороды. Наиболее перспективными следует считать вспениватели, содержащие в своем составе вторичные одноатомные спирты, простые моноэфиры или их сочетания.

Следует подчеркнуть, что эффективность применения указанных классов вспенивателей зависит от свойств поверхности флотируемой твердой фазы. При флотации антрацитовых шламов более высокую флотоактивность проявляют вспениватели, содержащие вторичные одноатомные спирты. В случае флотации малометаморфизованных газовых углей высокую флотационную активность обеспечивает применение эфирсодержащих вспенивателей.

Физико-химические свойства наиболее эффективных реагентов указанных классов должны обеспечивать поверхностную активность не менее 0,005 Дж*м/кг и умеренную пенообразующую способность: по отношению к газовым углям  не более 20% отн., по отношению к антрацитам не более 30% отн.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на подбор сочетаний реагентов и способов их подачи с учетом специфических свойств не только реагентов, но и флотируемой твердой фазы, особенно для такого сложного объекта как окисленные угольные шламы.

Список литературы

1.                  Н.С. Власова, В.И. Классен, И.Н. Плаксин. Исследование действия реагентов при флотации каменных углей. – М.: Изд-во АН СССР, 1962, с. 81.

2.                  Глембоцкий В.А., Классен В.И. Флотационные  методы обогащения – М.: Недра, 1981. – 304 с.

3.                  Гарковенко Е.Е., Назимко Е.И., Самойлов А.И., Папушин Ю.Л. Особенности флотации и обезвоживания тонкодисперсных углесодержащих материалов. – Донецк: НОРД-ПРЕСС, 2002. – 266 с.

4.                  В.О. Смирнов, В.С. Білецький. Флотаційні методи збагачення корисних копалин. – Донецьк: Східний видавничий дім, 2010. 492 с.

5.                  Саранчук В.И., Аровин И.А., Галушко Л.Я. Флотирование углей реагентами из продуктов коксохимии. – Донецьк: Східний видавничий дім, Кальміус. – 2006. – 192 с.

6.                  Пилов П.И., Анисимов Н.Т. Флотационный процесс, перспективы развития технологии и техники в угольной промышленности // Обогащение полезных ископаемых. Днепропетровск. – 2003. – вып. 18(59). – С. 93-95.

7.                  Васько И.П., Морозов О.А. Эффективный реагент-вспениватель для флотации углей // Кокс и химия. – 1991. – № 2. – С. 8-10.

8.                  Madigan D.C. Notes оn the testing of Flotation frothers, AMDEZ Bull, 1972, № 13, р.р. 41-50.

9.                  Практикум по коллоидной химии: Учеб. Пособие для хим.-технол. спец. вузов/ Баранова В.И., Бибик Е.Е., Кожевникова Н.М. и др.; под ред. Лаврова И.С. – М.: Высш. шк.,  1983 – 216 с.