Селективная флокуляция угольных шламов синтетическими латексами

В.И. Залевский

Источник:   Реферат диссертации на получение научной степени кандидата технических наук./ — Днeпропетровск, 2001.

У вступі обгрунтована актуальність та доцільність роботи, сформульовані наукова задача, об’єкт, предмет, мета, завдання та методи досліджень, відображена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведені дані щодо апробації та публікації основних положень дисертації.

У першому розділі «Стан питання селективної агрегації вугілля й задачі досліджень» виконаний порівняльний аналіз процесів селективної агрегації, що використовуються на вуглезбагачувальних фабриках для переробки дрібнодисперсного вугілля. За основу класифікації був прийнятий тип використаного реагенту й виділені три основні різновиди процесів: агрегація електролітами, масляними зв’язуючими та полімерами. На основі робіт С. Ніколя, А. Свенсона, Д. Саркара, І. Аттіа, А.Т. Єлішевича, В.С. Білецького, П.В. Сергеєва, І.Н. Нікітіна, В.П. Небери, І.І. Мнушкіна, А.А. Байченко були розглянуті недоліки та переваги цих процесів, перспективи використання. Виходячи з критеріїв технологічної ефективності, економічної рентабельності та екологічної безпеки, зроблений висновок, що технологія селективної флокуляції вугілля синтетичними латексами є однією з самих перспективних в галузі збагачення ультратонкого вугілля. Однак відомі роботи носять, переважно, прикладний характер, відсутні дослідження явищ в зоні контакту «вугілля-латекс», теорія процесу в цілому та його окремих стадій розроблена недостатньо повно, не досліджені умови флокуляції високозольних вугільних та антрацитових шламів.

У другому розділі «Теоретичні дослідження процесу селективної флокуляції вугілля синтетичними латексами» викладено теоретичне обгрунтування закономірностей окремих стадій процесу. Аналіз загальних особливостей агрегації вугілля гідрофобними реагентами та проведені дослідження дозволили розробити структурну модель процесу, згідно з якою, селективна флокуляція вугілля синтетичними латексами є процес, що складається з послідовно протікаючих стадій: введення флокулянту в водовугільну суспензію при безперервному її турбулентному перемішуванні; коагуляції латексних глобул в просторові та ланцюжкові каучукові структури; взаємодії коагульованих каучукових структур з вугільними частинками та формування вуглелатексних мікрофлокул; виділення мікрофлокул із суспензії.

Дослідження впливу на процес селективної флокуляції вугільних шламів латексами властивостей компонентів вуглелатексних агрегатів показало, що для вугілля найважливішими факторами є: гранулометричний склад і питома поверхня, форма й мікрорельєф поверхні зерен, пористість та її характер, зольність і характеристика мінеральної компоненти, знак та абсолютна величина заряду вугільних частинок в водній фазі, ступінь окислення й неоднорідність вугільної поверхні. Встановлено, що поверхневі властивості вугілля обумовлюються їх молекулярною структурою та надмолекулярною організацією, характером і інтенсивністю процесів механо-хімічної, окислювальної й гідролітичної деструкції органічної маси при її видобутку, транспортуванні, зберіганні та переробці. Аналіз синтетичних латексів, як селективних флокулянтів, дозволив зробити висновок про визначальний вплив на їх флокулюючу здатність таких колоїдно-хімічних властивостей, як питома міжфазна поверхня та крупність глобул, розподіл емульгатора між полімерною й водною фазами, структурованість і насиченість адсорбційних шарів, абсолютна величина та знак заряду поверхні глобул, ступінь її гідратації.

На основі законів фізичної та колоїдної хімії, положень фізико-хімічної гідродинаміки, теорії ДЛФО, сучасних теорій адгезії досліджені основні закономірності та можливі механізми окремих стадій СФ. При розгляді закономірностей зіткнення глобул латексу та вугільних частинок з позицій фізико-хімічної гідродинаміки встановлено, що для вугільних частинок й для пари «вугільна частинка — глобула» визначаючим є турбулентний інерційний механізм зустрічей, а для латексних глобул — турбулентний дифузійний. При певних умовах в пристінних шарах суспензії присутній градієнтний механізм зіткнень.

Встановлено, що при введенні латексу в мінералізовану суспензію відбувається часткова десорбція емульгатора, яка сприяє притягненню глобул на далеких відстанях (10–100 нм) і виникненню швидкозростаючих агрегатів первинних сферичних частинок, а також просторових та ланцюжкових структур. Зміцнення коагуляційного латексного зв’язку в асоціатах здійснюється за рахунок процесів самодифузії сегментів макромолекул глобул в зоні їх контакту.

Взаємодію латексних структур з вугільними частинками розглянуто на основі аналізу сумарного впливу молекулярної, дифузійної, електричної та механічної складових адгезії. Встановлено, що ефективність адгезійного зв’язку «вугілля — латекс» залежить головним чином від комплексного впливу міжмолекулярних сил різної природи:

— робота адгезії, обумовлена, відповідно, дисперсійними, орієнтаційними диполь-дипольними та індукційними взаємодіями;
— робота адгезії, обумовлена йонно-електростатичними взаємодіями при перекритті подвійного електричного шару на поверхні контактуючих фаз;
— робота адгезії, обумовлена, відповідно, водневими, ковалентними хімічними, координаційними та зв’язками.

Теоретичний аналіз фізико-хімічних властивостей контактуючих фаз дозволив припустити можливість виникнення в зоні контакту будь-якої з вказаних взаємодій. Вирішальним є внесок в роботу адгезії високоенергетичних водневих та хімічних зв’язків, передумовою виникнення яких в зоні контакту є присутність на вугільній поверхні кисневих полярних груп, ненасиченість С-С зв’язків в аліфатичних та ароматичних сполуках, наявність кратних зв’язків та власних йоногенних груп в полімерному ланцюжку латексу, а також йонів емульгатора на поверхні глобул. Максимальна міцність адгезійного комплексу «вугілля — латекс» може бути досягнена при відсутності різниці в полярностях контактуючих фаз. При окисленні вугільної поверхні та її поляризації встановлення міцності адгезійного комплексу забезпечується застосуванням латексів, що мають полярні функціональні групи, аналогічні вугільним.

Агрегація коагульованих латексних глобул й вугільних частинок у мікрофлокули досліджена з позицій сучасних поглядів на аутогезію та когезію. Встановлено, що крупність й міцність мікрофлокул обумовлюються концентрацією в суспензії латексу, його колоїдно-хімічними властивостями, гідродинамічним режимом перемішування, міцністю адгезійного та когезійного зв’язку на межі «вугілля — латекс» й «латекс — латекс», відповідно. Визначено, що зростанню міцності когезійних зв’язків в полімерних місточках, обумовленої ступенем коалесценції глобул, сприяють: підвищення температури й тривалості перемішування суспензії; збільшення повноти контакту при зростанні тиску (до певної межі), що визначається інтенсивністю впливу турбулентних потоків; зниження полярності флокулюючого полімеру; зменшення жорсткості латексних глобул; зниження молекулярної маси полімеру латексу; зростання кількості макромолекул з удовженими сегментами.

У третьому розділі "Експериментальні дослідження закономірностей селективної флокуляції вугілля латексами" наведені результати експериментальної перевірки розроблених теоретичних положень. В якості об’єктів СФ було вибрано характерне вугілля Донбасу: марки Г, Ж, К, Т, а також антрацити. Як флокулянти випробовувались синтетичні латекси: полістирольний ПС-100, бутадієн-стирольні БС-50 та БС-30Ф, бутадієновий карбоксилатний СКД-1С. Природна гідрофобність вугільного субстрату та ліофобні властивості латексних колоїдів є передумовою виникнення у водному середовищі високоефективних адгезійних зв’язків «вугілля-латекс», що підтвердили дані ІЧ-спектроскопічних та калориметричних досліджень.

Методом ІЧ-спектроскопії проведені досліди з різними зразками вугілля, латексів та вуглелатексних агрегатів. Порівняльний аналіз спектральних характеристик дозволив зробити висновки, що при контакті вугілля з латексом відбувається взаємодія емульгатора та кисневих функціональних груп на вугільній поверхні. В міжфазній зоні виникають специфічні водневі зв’язки, а фрагменти СН=СН приймають участь в утворенні комплексів з перенесенням заряду. Крім того, результати досліджень дають непрямі свідчення про можливість розриву подвійних С=С зв’язків в бутадієновому фрагменті макромолекули латексу та імовірність хімічної взаємодії латексу з поверхнею вугілля.

Для визначення адгезійної міцності вуглелатексних комплексів та флокулюючої здібності синтетичних латексів проведені мікрокалориметричні дослідження теплоти змочування донецького вугілля латексами різних типів (табл. 1). З наведених даних видно, що теплота змочування всіх досліджуваних марок вугілля зростає в ряду реагентів: вода–латекс ПС-100–латекс БС-50–латекс БС-30Ф–латекс СКД-1С. Це вказує на те, що адгезійна міцність вуглелатексних комплексів тим вища, чим більший вміст у глобулах бутадієнового мономеру. Тому латекси з йоногенними групами в полімерних ланцюжках та подвійними С=С-зв’язками в бутадієнових фрагментах мають високу адгезійну здібність до вугільної поверхні й підвищену флокуляційну здатність. Залежність теплоти змочування бутадієновими і бутадієн-стирольними латексами від ступеня хімічної зрілості вугілля має екстремальний характер з екстремумом-максимумом в області вугілля марки К. Отже максимальна міцність вуглелатексних комплексів досягається на вугіллі середнього ступеня метаморфізму, що цілком підтверджують результати технологічних досліджень.

Визначення впливу на СФ латексами електроповерхневих властивостей вугілля та його агрегатів проведено методом електроосмосу. Встановлені залежності електрокінетичного потенціалу вугілля різних стадій метаморфізму від рН суспензії, а також залежності ξ-потенціалу вуглелатексних флокул від витрат латексу БС-30Ф. Аналіз результатів показав, що ведення процесу СФ в слабколужному середовищі сприяє підвищенню ефективності розділення за рахунок зниження в цих областях ξ-потенціалу вугільних частинок та підвищення поверхневої активності емульгаторів, що стабілізують латексні глобули саме в лужному середовищі. Встановлено, що підвищення ξ-потенціалу при зростанні витрат латексу не має значного впливу на селективність розділення, але при цьому власний заряд флокул визначає агрегативну стійкість сфлокульованої суспензії.

Рис.1 - Залежність крупності сфлокульованого продукту від тривалості флокуляції при витратах латексу: 1–50 г/т; 2–100 г/т; 3–200 г/т.

Проведені дослідження впливу параметрів процесу на розміри утворюваних флокул. Встановлено, що для вугілля всього метаморфічного ряду зростання витрат латексу приводить до збільшення середньої крупності матеріалу: в 1,2-1,7 рази при дозуванні латексу 50 г/т й в 1,7-2,5 рази — при 200 г/т. Максимальний ефект флокулоутворення досягнуто на вугіллі середньої стадії метаморфізму. Характер залежності розміру флокул від тривалості процесу визначається концентрацією в суспензії латексного полімеру та змінюється від двохсходинкового при малих, до експоненційного при великих витратах латексу (рис.1). Залежність крупності асоціатів від інтенсивності перемішування суспензії має екстремальний характер й визначається співвідношенням між швидкістю процесів флокулоутворення та їх руйнування.

Експерименти по визначенню оптимальної концентрації емульгатора, як в латексі, так і в суспензії, показали можливість розширення області застосування латексних полімерів для збагачення шламів з високою зольністю. Встановлено, що додаткове підвищення концентрації емульгатора в 1,5-2 рази забезпечує зростання ефективності збагачення високозольних вугільних шламів на 1,7-2,5 %. Найбільший технологічний ефект досягнуто при введенні емульгатора (10 г/т шламу) безпосередньо в флокулянт.

На базі теоретичного аналізу та експериментальних досліджень, сформульовані основні вимоги до синтетичних латексів та їх емульгаторів: висока адгезійна активність глобул до вугільної поверхні; оптимальна концентрація в полімерних ланцюжках власних йоногенних та інших полярних груп; полідисперсність полімерної фази з перевагою крупних глобул; пептизуюча дія емульгатора на мінеральну складову вугілля; застосування йоногенних емульгаторів з високими значеннями критичної концентрації міцелоутворення й гідрофільно-ліпофільного балансу та пониженою піногенеруючою здатністю; ненасиченість адсорбційних шарів емульгатора на поверхні глобул; низька в’язкість латексного флокулянту; стійкість при транспортуванні та зберіганні; нетоксичність.

Для визначення характеру й ступеня впливу на процес найбільш важливих технологічних параметрів були розроблені математичні регресійні моделі з використанням повного факторного експерименту. Досліди проводилися на шламах коксуючого вугілля ЦЗФ «Дзержинська» ДП «Донецьквуглепереробка» й антрацитах ЦЗФ «Комендантська» з використанням латексу БС-30Ф. Для кам’яного вугілля реалізовано центральний композиційний ротатабельний план (ЦКРП) для чотирьох факторів: витрат латексу, зольності вихідного шламу, тривалості та інтенсивності турбулентного перемішування при флокуляції; для антрациту — ЦКРП для трьох факторів: витрат латексу, інтенсивності перемішування та тривалості флокуляції. За цільову функцію прийнято вилучення вугільних фракцій у концентрат. Обробка даних експерименту, розрахунок та оцінка коефіцієнтів регресії моделей виконані на комп’ютері. Перевірка адекватності за критерієм Фішера показала, що одержані регресійні моделі адекватні досліджуваному процесу СФ вугілля латексами, а рівняння регресії можуть бути використані для аналізу факторного взаємозв’язку, визначення раціональних значень основних параметрів при промисловій реалізації процесу. Встановлено, що ефективність процесу СФ латексом, як для кам’яного вугілля, так і для антрацитів, підвищується при збільшенні витрат флокулянту та тривалості флокуляції, й зменшується при зростанні зольності збагачуваного вугілля. Залежність ефективності процесу від інтенсивності перемішування має екстремальний характер з областю раціональних значень Re=(2,0-2,6)•105 — для кам’яного вугіля та Re=(2,5-2,8)•105 — для антрацитів. З метою більш глибокого вивчення регресійних моделей одержані часткові перерізи їх поверхонь. Одержані результати були використані при підготовці й проведенні промислових випробувань технології.

У четвертому розділі «Промислові випробування та підготовка до впровадження технології СФ вугільного шламу на збагачувальних фабриках Донбасу» наведені технологічні схеми процесу селективної флокуляції, розроблені на основі аналізу результатів роботи та існуючого технологічного циклу ЦЗФ «Дзержинська». Їх перевага в тому, що вони не вимагають змін у технологічному циклі фабрики й додаткових витрат на підготовку й освоєння технології.

В процесі промислового випробування варіанту подання латексного флокулянту в витратомірний бак живлення флотації, як недолік, була відмічена відносно невелика тривалість контакту реагенту з пульпою та мала турбулентність потоку при поданні шламу до флотомашини, що приводило до зниження ефективності СФ. Причиною цього є компонувальні рішення, прийняті при проектуванні фабрики. Для вирішення даної проблеми була запропонована й випробувана схема дозування латексу в злив пірамідального відстійника. В цьому випадку час проходження пульпи по трубопроводу та інтенсивність потоку на всьому шляху до подання суспензії в радіальний згущувач були достатні для повного завершення процесу СФ. На згущення поступали вже повністю сфлокульовані вугільні частинки та несфлокульований високозольний мул, а радіальний згущувач починав працювати не тільки як згущувач, але й, частково, як збагачувальний апарат. При цьому СФ обумовлювала збільшення густини згущеного продукту, зниження густини зливу та зростання зольності твердого у зливі. Крім того, необхідно відмітити, що застосування латексних флокулянтів дає можливість збільшити швидкість флотації на 20-30% і створити резерв у продуктивності флотомашин.

Результати промислових випробувань (табл. 2) підтвердили можливість ефективного використання технології СФ синтетичними латексами для збагачення дрібнодисперсних вугільних шламів. Очікуваний річний економічний ефект від застосування запропонованої технології в умовах ЦЗФ «Дзержинська» складає 371,6 тис. грн. в цінах 1998 року. Оскільки спосіб подання латексу в злив пірамідального відстійника забезпечує підвищення селективності не тільки флотації, але й, частково, процесу згущення, він був рекомендований для впровадження на ЦЗФ «Дзержинська».