Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МіНіСТЕРСТВО ОСВіТИ і НАУКИ УКРАїНИ
НАЦіОНАЛЬНА ГіРНИЧА АКАДЕМіЯ УКРАїНИ
ЗАЛЕВСЬКИЙ Валерій іполитович
СЕЛЕКТИВНА ФЛОКУЛЯЦіЯ ВУГіЛЬНИХ ШЛАМіВ
СИНТЕТИЧНИМИ ЛАТЕКСАМИ
Спеціальність 05.15.08 "Збагачення корисних копалин"
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі збагачення корисних копалин Донецького держав-
ного технічного університету, Міністерство освіти і науки України.
Науковий керівник – доктор технічних наук, доцент
Назимко Олена іванівна,
професор кафедри збагачення корисних копалин
Донецького державного технічного університету,
Міністерство освіти і науки України.
Офіційні опоненти:
–доктор технічних наук Полулях Олександр Данилович,
начальник Придніпровської лабораторії удосконалення технології
збагачення вугілля Західного Донбасу та Львівсько-Волинського
басейну інституту УкрНДівуглезбагачення (м. Луганськ),
Міністерство палива та енергетики України;
–кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Нікітін іван
Микитович, ведучий науковий співробітник Українського державного
науково-дослідного вуглехімічного інституту (м. Харків),
Державний комітет промислової політики України.
Провідна установа -
Криворізький технічний університет, кафедра збагачення корисних
копалин, Міністерство освіти і науки України
Захист відбудеться " "квітня 2001 р. о 14годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 при Національній гірничій академії
України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії
України Міністерства освіти і науки України (49027, м.Дніпропетровськ, просп.
К. Маркса, 19).
Автореферат розісланий "25" березня2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
канд. техн. наук, доцент Панченко В.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Механізація операцій по видобутку та транспортуванню вугілля сприяє утворенню чималої кількості дрібних і тонких класів. Зараз значна частина шламів переробляється флотацією. Однак найбільш тонкі частинки, маючи велику питому поверхню, ускладнюють флотаційне збагачення більш крупних зерен, підвищують витрати реагентів, знижують продуктивність обладнання, підвищують втрати горючої маси з відходами. Зростання вимог до якістно-кількістних показників збагаченого вугілля обумовлює актуальність задач підвищення ефективності збагачення шламів. Одним з перспективних напрямків рішення вказаних проблем є застосування процесів агрегації тонких класів вугілля різними методами й, зокрема, селективної флокуляцiї латексними полімерами. Попередня обробка вугільної пульпи латексом, що забезпечує вибіркову агрегацію дрібнодисперсних вугільних частинок в мікрофлокули, сприяє зростанню виходу флотоконцентрату, підвищує селективність і швидкість процесів подальшого збагачення та зневоднення, знижує втрати органічної сировини з відходами й зменшує їх вплив на природне середовище, що особливо актуально для Донбасу. Відомі роботи по селективній флокуляцiї синтетичними латексами носять, переважно, прикладний характер, відсутнє теоретичне обгрунтування закономірностей окремих стадій процесу. В зв’язку з цим подальший розвиток теорії процесу селективної флокуляцiї (СФ) тонкодисперсного вугілля синтетичними латексами й удосконалення на цій основі технології СФ є актуальною науково-практичною задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Тема дисертації пов’язана з напрямками наукових досліджень, що проводяться ДонДТУ з проблем селективної агрегацiї вугiлля: науково-дослідні роботи № ДР 01900004526, 01890004526, 01910014708, 01910043360, в яких автор приймав участь як виконавець.
Метою роботи є удосконалення технології селективної флокуляцiї вугiльних шламів синтетичними латексами на основі встановлення основних закономірностей формування вуглелатексних комплексів.
Для її досягнення були поставлені задачі:
- систематизувати знання про процес СФ вугiльних шламів латексами й розробити структурну модель процесу, що найбільш повно відбиває його сутність;
- виконати теоретичні та експериментальні дослідження фізико-хімічних властивостей взаємодіючих фаз і визначити ступінь їх впливу на процес;
- встановити основні закономірності формування вуглелатексних комплексів;
- визначити умови ефективної флокуляції високозольних вугільних та антрацитових шламів;
- розробити математичну регресійну модель процесу та виконати її аналіз для найбільш значущих технологічних параметрів;
- розробити технологічну схему процесу й провести її промислові випробування в умовах конкретного підприємства.
Об’єкт дослідження –процес селективної агрегації тонких вугільних шламів.
Предмет дослідження – селективна флокуляцiя вугільних шламів синтетичними латексами.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження основних закономірностей і механізмів стадій СФ виконані на основі положень фізичної та колоїдної хімії, фізико-хімічної гідродинаміки, теорії сталості й коагуляції ліофобних дисперсних систем (ДЛФО), сучасних теорій адгезії. Для визначення фізико-хімічних властивостей вугiльних шламів, синтетичних латексів та їх агрегатів застосовані методи технічного та елементного аналізу, інфрачервоної (іЧ)-спектроскопії, метод низькотемпературної адсорбції (БЕТ), метод електроосмотичного визначення ξ-потенціалу. Адгезійні взаємодії в міжфазній зоні оцінювалися калориметричними дослідженнями теплоти змочування вугілля латексами. Для визначення характеру й ступеня впливу на процес найбільш важливих технологічних параметрів були використані методи математичного моделювання та планування експериментів. Усі експериментальні дані оброблялися на комп’ютері методами математичної статистики.
Достовірність одержаних результатів підтверджується достатнім об’ємом і задовільною збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень, адекватністю регресійних математичних моделей процесу при 5%-му рівні значущості, апробацією в промислових умовах.
Наукові положення, що виносяться на захист:
. Утворення первинних агрегаційних структур для пар "вугiльна частинка-глобула" визначається турбулентним інерційним механізмом зіткнення, а для пар "глобула-глобула" –турбулентним дифузійним.
2. Вирішальний вклад в сумарну роботу адгезії латексу до вугільної поверхні вносять міжмолекулярні ван-дер-ваальсові сили різної природи, йонно-електростатичні взаємодії й, особливо, водневі зв’язки.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Вперше застосований системний підхід до розгляду селективної флокуляцiї тонкого вугілля синтетичними латексами, що дало можливість розробити структурну модель процесу й визначити особливості та вплив кожної його стадії.
2. Дістали подальший розвиток дослідження впливу складу і фізико-хімічних властивостей латексних полімерів на ефективність процесу селективної флокуляцiї вугілля, що дозволило розробити рекомендації по підбору найбільш придатних латексів та їх емульгаторів.
3. Вперше розкриті гідродинамічні закономірності контактних взаємодій вугільних частинок і латексних глобул при селективній флокуляцiї, що дало можливість оптимізувати режимні параметри процесу перемішування.
4. Вперше визначені особливості виникнення адгезійного зв’язку при селективній флокуляцiї вугілля латексами та встановлена природа сил, відповідальних за адгезійні взаємодії у вуглелатексному комплексі. Це дозволило визначити умови досягнення максимальної міцності зв’язків в мікрофлокулі й розробити рекомендації по підбору найбільш придатних латексних флокулянтів.
5. Встановлені кінетичні залежності процесу селективної флокуляцiї вугілля латексами, що дало можливість визначити шляхи та параметри керування швидкістю протікання процесу флокулоутворення.
. Вперше досліджені закономірності селективної флокуляцiї латексними полімерами антрацитів, що дозволило встановити оптимальні технологічні параметри процесу і дає можливість використовувати його для збагачення антрацитових шламів.
Практичне значення одержаних результатів:
- розроблені науково обгрунтовані рекомендації по підбору латексних флокулянтів та їх емульгаторів;
- визначені умови раціонального застосування синтетичних латексів для збагачення вугiльних шламів зольністю до 45 %;
- розроблені математичні регресійні моделі процесу для кам’яновугільних шламів і для антрацитів, які дають змогу прогнозувати результати флокуляційно-флотаційного збагачення в залежності від технологічних параметрів і можуть бути використані при розробці технологічних режимів в промислових умовах;
- на основі результатів досліджень та промислових випробувань розроблені варіанти технології, які дозволяють підвищити ефективність флотаційного збагачення вугільних шламів, знизити втрати органічної сировини з відходами й зменшити техногенний вплив вуглезбагачувальних фабрик на навколишнє середовище.
Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, винесених на захист, полягає у формулюванні наукової задачі, мети, наукових положень і завдань досліджень; проведенні теоретичних та експериментальних досліджень фізико-хімічних властивостей вугiльних шламів, синтетичних латексів та їх агрегатів, а також стадій формування вуглелатексних комплексів; розробці технологічних схем збагачення вугільних шламів з використинням процесу селективної флокуляцiї; впровадженні результатів досліджень на вуглезбагачувальній фабриці.
Впровадження результатів дисертації.
Технологія СФ вугільних шламів латексами пройшла промислові випробування в умовах ЦЗФ "Дзержинська" ДП "Донецьквуглепереробка" й рекомендована до впровадження. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження даної технології на ЦЗФ "Дзержинська" складає 371,6 тис.грн. в цінах 1998 року.
Основні прикладні результати роботи використовуються при читанні курсів "Проектування збагачувальних фабрик", "Зневоднення продуктів збагачення", при виконанні курсових та дипломних проектів, в науково-дослідній роботі студентів.
Апробація результатів дисертації.
Основні результати роботи обговорювались та дістали схвалення на конференціях молодих збагачувачів (Донецьк, 1993-1998 рр.), на технічних радах ДП "Донецьквуглепереробка", науково-практичній конференції "Проблемы и особенности обогащения углей Западного Донбасса и Львовско-Волынского бассейна" (Дніпропетровськ, 2000 р.), наукових семінарах при кафедрі "Збагачення корисних копалин" ДонДТУ (Донецьк, 1991-2000 рр.) та Національної гірничої академії України (Дніпропетровськ, 2000 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 праць, 5 з яких - статті у провідних фахових виданнях, 1 стаття - у збірнику наукових праць, 2 - тези доповідей на конференціях.
Структура і об’єм роботи.
Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків та 3 додатків. Викладена на 173 сторінках тексту, містить 22 рисунки на 20 сторінках, 12 сторінок додатків, а також список використаних літературних джерел з 122 найменувань на 10 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
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–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:
Wa = Wad + Wap + Wai + Wae + Wah + Wac + Wak + Wa ,
де Wad, Wap, Wai - робота адгезії, обумовлена, відповідно, дисперсійними, орієнтаційними диполь-дипольними та індукційними взаємодіями; Wae - робота адгезії, обумовлена йонно-електростатичними взаємодіями при перекритті подвійного електричного шару на поверхні контактуючих фаз; Wah, Wac, Wak, та Wa - 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.
Таблиця 1
інтегральна теплота змочування вугілля, Дж/м
|
Реагент |
Марка вугілля |
|
Г |
Ж |
К |
Т |
А |
|
|
Вода |
3,3 |
,1 |
,3 |
,5 |
,0 |
|
Латекс ПС-100 |
3,4 |
,3 |
,2 |
,3 |
,6 |
|
Латекс БС-50 |
4,7 |
,3 |
,9 |
,6 |
,0 |
|
Латекс БС-30Ф |
5,0 |
,6 |
,4 |
,1 |
,3 |
|
Латекс СКД 1С |
5,3 |
,7 |
,6 |
,6 |
,7 |
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.
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.
:
Рис. 1. Залежність крупності сфлокульованого продукту від
тривалості флокуляції при витратах латексу:
–г/т; 2 –г/т; 3 –г/т.
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)·10–для кам’яного вугіля та Re=(2,5-2,8)·10–для антрацитів. З метою більш глибокого вивчення регресійних моделей одержані часткові перерізи їх поверхонь (рис.2). 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 (рис.3), 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.
Рис. 2. Часткові перерізи регресійної моделі процесу
селективної флокуляції латексом антрациту:
Х1 –витрати латексу; Х2 –інтенсивність перемішування;
Х3–тривалість флокуляції.
В процесі промислового випробування варіанту подання латексного флокулянту в витратомірний бак живлення флотації (рис. 3, а), 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 (рис. 3, б). 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.
Рис. 3. Технологiчна схема збагачення шламiв ЦЗФ "Дзержинська"
з поданням латексного флокулянту:
а) в витратомiрний бак живлення флотацii;
б) в злив пiрамiдального вiдстiйника.
,2 - баки для транспортування та зберiгання латексу;
- буферний бак; 4 - дозатор латексу; 5 –пiрамiдальний вiдстiйник;
- радiальний згущувач; 7 - витратомiрний бак; 8 –апарат АКП;
- флотацiйна машина.
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".
Таблиця 2
Результати промислових випробувань
|
Схема |
Зольність живлення флотації,% |
Витрати реагентів, г/т |
Технологічні результати |
|
латексу БС-50 |
гасу (а) ААР(б) |
"Оксалю" |
концентрат, % |
відходи,% |
||||
|
вихід |
зольність |
вихід |
зольність |
|||||
|
а |
28,5 |
,85 |
,8 |
,15 |
,2 |
|||
|
,41 |
,6 |
,59 |
,2 |
|||||
|
,51 |
,0 |
,49 |
,6 |
|||||
|
,9 |
,81 |
,3 |
,19 |
,6 |
||||
|
,98 |
,3 |
,02 |
,8 |
|||||
|
,55 |
,1 |
,45 |
,9 |
|||||
|
б |
16,2 |
- |
,78 |
,5 |
,22 |
,3 |
||
|
,13 |
,2 |
,87 |
,7 |
|||||
|
,3 |
- |
,10 |
7,0 |
,9 |
,1 |
|||
|
,85 |
,8 |
,15 |
,1 |
|||||
|
,65 |
,7 |
,35 |
,1 |
ВИСНОВКИ
У дисертації вирішена науково-практична задача подальшого розвитку теорії процесу селективної флокуляцiї (СФ) тонкодисперсного вугілля синтетичними латексами й удосконалення на цій основі технології СФ, що полягає у встановленні основних закономірностей формування вуглелатексних комплексів, а саме: визначенні механізмів зіткнення вугільних частинок і латексних глобул, встановленні особливостей виникнення адгезійного зв’язку "вугілля-латекс", що дозволило визначити шляхи підвищення ефективності процесу СФ вугiлля латексними полімерами й розширити область застосування латексів для збагачення високозольних кам’яновугільних та антрацитових шламів.
Найбільш важливі наукові та практичні результати, висновки і рекомендації містяться у наступному:
1. Селективна флокуляцiя синтетичними латексами є одним з перспективних напрямків підвищення ефективності збагачення вугільних шламів і дозволяє при відносно малих витратах реагентів забезпечити селективне розділення тонкодисперсних частинок. Недостатня вивченість закономірностей флокулоутворення й відсут-ність досліджень в області флокуляції антрацитів і високозольного вугілля виклика-ють необхідність у подальшому розвитку теорії процесу й удосконаленні технології.
Селективна флокуляцiя тонкодисперсного вугілля латексами розглядається як сукупність послідовно протікаючих елементарних актів: коагуляції латексних глобул в турбулентному потоці в ланцюжкові та просторові структури; закріплення латексних структур на вугільних частинках; асоціації вугільно-латексних агрегатів у мікрофлокули.
2. Для вугілля при селективній флокуляцiї латексами найбільш важливими є поверхневі властивості органічної фази. Ефективна агрегація можлива для вугільних шламів всього метаморфічного ряду. Максимальну флокуляційну активність має вугілля середньої стадії метаморфізму.
3. Флокуляційна здібність синтетичних латексів визначається їх природою та колоїдно-хімічними властивостями. Зі збільшенням концентрації в полімерному ланцюжку бутадієнових фрагментів та вмісту йоногенних груп флокуляційна здатність латексів зростає. Врахування цих факторів дозволило розробити рекомендації до вибору латексних флокулянтів та їх емульгаторів.
4. Формування первинних агрегаційних структур відбувається в турбулентному потоці суспензії. При зіткненнях для утворення пар "вугiльна частинка-глобула" визначаючим є турбулентний інерційний механізм зустрічей, а для пар "глобула-глобула" –турбулентний дифузійний. Встановлення цього дало можливість оптимізувати режимні параметри процесу перемішування.
. Особливості утворення комплексів "вугілля-латекс" полягають в наступному:
- виникнення адгезійного зв’язку між латексом та вугільною поверхнею обумовлено дією міжмолекулярних ван-дер-ваальсових сил різної природи, йонно-електростатичними взаємодіями й, особливо, водневими та, імовірно, хімічними зв’язками;
- крупність і міцність мікрофлокул залежить від концентрації в суспензії флокулянта, його колоїдно-хімічних властивостей, гідродинамічного режиму перемішування, міцності адгезійного й когезійного зв’язку на межі "вугілля-латекс" і "латекс-латекс" відповідно. Міцність когезійних зв’язків у полімерних місточках збільшується при рості коалесценції глобул в результаті дифузійних процесів у зоні їх контакту;
–підвищення витрат флокулянту, за інших рівних умов, приводить до прискорення процесу агрегації й скороченню, а потім зникненню індукційного періоду низької швидкості росту флокул, що присутній при малих витратах латексу. При цьому характер кінетичних залежностей змінюється з двохсходинкового (при 50 г/т) до експоненційного (при 200 г/т);
–ведення процесу флокуляції в слабколужному средовищі сприяє підвищенню ефективності розподілу за рахунок зниження дзета-потенціалу вугільних частинок та збільшення поверхневої активності емульгатора латексу.
6. Додаткове збільшення концентрації емульгатора в 1,5-2 рази дозволяє розширити область застосування латексних флокулянтів для збагачення вугiльних шламів зольністю до 45 %. При цьому найбільший технологічний ефект досягається при додаванні додаткової кількості емульгатора безпосередньо у флокулянт.
7. Відповідно розробленим регресійним моделям, ефективність процесу флокуляційно-флотаційного збагачення, як для кам’яного вугілля, так і для антрацитів, зростає зі збільшенням витрат флокулянту й тривалості флокуляцiї та зменьшується при рості зольності вихідного шламу. Залежність ефективності процесу від інтенсивності перемішування має екстремальний характер.
8. При селективній флокуляції антрацити вимагають більш високих (250-300 г/т) витрат латексу та більш інтенсивного перемішування (Re=(2,5-2,8)·10), ніж кам’яне вугілля (відповідно, 100-200 г/т і Re=(2,0-2,6)·10).
9. Використання технології СФ дозволяє підвищити ефективність збагачення тонких вугільних шламів й знизити техногенний вплив вуглезбагачувальних фабрик на навколишнє середовище, що підтвердили промислові випробування флокуляційно-флотаційної технології збагачення в умовах ЦЗФ "Дзержинська". Очікуваний річний економічний ефект при впровадженні розробленої технології на ЦЗФ "Дзержинська" склав 371,6 тис.грн. в цінах 1998 року.
Основні прикладні результати роботи використовуються при читанні курсів "Проектування збагачувальних фабрик", "Зневоднення продуктів збагачення", при виконанні курсових та дипломних проектів, в науково-дослідній роботі студентів.
СПИСОК ОПУБЛіКОВАНИХ РОБіТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦії
1. Залевский В.И. Механизм формирования углелатексных ассоциатов при селективной флокуляции угольных шламов синтетическими латексами // Збагачення корисних копалин. - Дніпропетровськ: НГА України. - 1999. - №4(45). - С. 108-113.
2. Залевский В.И. Исследование влияния концентрации эмульгатора в латексе на эффективность селективной флокуляции высокозольных угольных шламов // Збагачення корисних копалин. - Дніпропетровськ: НГА України. - 2000. - № 9 (50). - С. 88-92.
3. Закономерности селективной флокуляции углей / П.В. Сергеев, В.И. Залевский, А.Т. Елишевич, Л.Я. Галушко // Химия твердого топлива. -1995. - №6. - С. 3-8.
. Исследование методом ИК-спектроскопии межфазной зоны уголь-латекс при селективной флокуляции угля / В.С. Белецкий, П.В. Сергеев, В.И. Рыбаченко, В.И. Залевский // Химия твердого топлива. - 1993. - №5. - С. 93-96.
. Сергеев П.В., Залевский В.И. Исследование кинетики флокулообразования при селективной агрегации углей латексами // Сборник трудов ДонГТУ. - Донецк: ДонГТУ. - 1996. - С. 59-60.
. Селективная флокуляция углей латексами как способ интенсификации процесса флотации / П.В. Сергеев, В.И. Залевский, В.С. Белецкий, А.Т. Елишевич, Н.И. Мельник // Переработка мелкозернистых углей и углесодержащих материалов. - Донецк: ЦБНТИ угольной промышленности. - 1993. - С. 12-15.
. Лученко М.В., Залевский В.И. Повышение эффективности процесса селективной флокуляции высокозольных угольных шламов // Сб. тезисов докладов конф. молодых обогатителей Украины. - Донецк: ДонГТУ. - 1995. - С.5.
. Хацько Л.А, Залевский В.И. Влияние ионного состава и степени минерализации жидкой фазы на селективную флокуляцию // Сб. тезисов докладов конф. молодых обогатителей Украины. - Донецк: ДонГТУ. - 1996. - С.14.
Особистий внесок автора в роботах, опублікованих в співавторстві: в роботі [3] виконано теоретичний аналіз стадій формування вуглелатексних комплексів, калориметричні дослідження, обробка й аналіз одержаних результатів; в роботах [4, 5] автором обгрунтовані й виконані експериментальні дослідження та обробка одержаних результатів, в роботі [6] прийнята участь в розробці технологічної схеми та проведенні промислових випробувань.
Анотація
Залевський В.і. Селективна флокуляція вугільних шламів синтетичними латексами. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.08 "Збагачення корисних копалин". –Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2001.
Дисертація присвячена питанням удосконалення технології селективної флокуляцiї вугiльних (СФ) шламів синтетичними латексами. В роботі дістала розвиток теорія СФ, а саме: визначені основні закономірності всіх стадій процесу, встановлені механізми формування вуглелатексних мікрофлокул. Досліджені закономірності й особливості адгезійної взаємодії "вугілля-латекс", встановлена наявність водневого зв’язку і хімічних взаємодій у міжфазній зоні. Наведені результати досліджень вугілля та синтетичних латексів, як об’єктів селективної флокуляції. Сформульовані вимоги до латексних флокулянтів і їх емульгаторів. Одержані математичні регресійні моделі процесу для вугiльних шламів і антрацитів, які дозволили встановити вплив на ефективність процесу основних технологічних параметрів. Викладені результати промислових випробувань флокуляційного способу збагачення вугiльних шламів та рекомендації до його застосування.
Ключові слова: вугільні шлами, селективна флокуляція, синтетичні латекси.
Аннотация
Залевский В.И. Селективная флокуляция угольных шламов синтетическими латексами. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.08 "Обогащение полезных ископаемых". - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2001.
Диссертация посвящена вопросам усовершенствования технологии селективной флокуляции (СФ) угольных шламов синтетическими латексами. В работе получила развитие теория СФ латексами, в частности: создана структурная модель процесса, на основе которой выполнены исследования основных закономерностей всех его стадий, установлены механизмы образования углелатексных микрофлокул. Проведены комплексные исследования углей и синтетических латексов, как объектов СФ. Наиболее важными для угольных шламов являются поверхностные свойства органической фазы. Максимальной флокуляционной активностью обладают угли средней стадии метаморфизма. Флокулирующая способность латексов возрастает с ростом концентрации в их полимерной цепи бутадиеновых фрагментов и содержания ионогенных групп.
Исследованы возможные механизмы столкновений угольных частиц и латексных глобул. Установлено, что определяющим для пар "угольная частица-глобула" является турбулентный инерционный механизм, а для пар "глобула-глобула" –турбулентный диффузионный. При определенных условиях в пристенных слоях суспензии присутствует градиентный механизм встреч.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования явлений, возникающих в зоне контакта "уголь-латекс". Определены особенности возникновения адгезионной связи в углелатексном комплексе и установлено, что решающий вклад в суммарную работу адгезии вносят межмолекулярные ван-дер-ваальсовые силы различной природы, ионно-электростатические взаимодействия и, особенно, водородные и химические связи. Наличие последних способствует повышению селективности процесса флокуляции.
Определено, что крупность и прочность микрофлокул зависит от концентрации в суспензии флокулянта, его коллоидно-химических свойств, гидродинамического режима перемешивания, прочности адгезионной и когезионной связей на границах "уголь-латекс" и "латекс-латекс" соответственно. Установлено, что упрочнение когезионных связей в полимерных мостиках происходит при росте коалесценции глобул в результате диффузионных процессов в зоне их контакта. Определены условия, способствующие росту коалесценции глобул.
Исследована кинетика процесса флокулообразования. Установлено, что характер зависимости средней крупности сфлокулированного угля от времени флокуляции определяется концентрацией латекса, увеличение которой, при прочих равных условиях, приводит к ускорению процесса агрегации и сокращению, а затем и исчезновению индукционного периода низкой скорости роста флокул, присутствующего при малых расходах флокулянта. При этом характер кинетических кривых изменяется от двухступенчатого до экспоненциального.
Установлено, что увеличение концентрации эмульгатора в латексе в 1,5-2 раза обеспечивает повышение эффективности разделения на 1,7-2,5% и позволяет расширить область применения латексных флокулянтов для обогащения высокозольных угольных шламов. На основании результатов исследований разработаныаны рекомендации по выбору латексных флокулянтов.
В результате анализа разработанных математических регрессионных моделей процесса определены характер и степень влияния основных технологических параметров. Установлено, что эффективность флокуляционно-флотационного обогащения, как для каменных углей, так и для антрацитов, возрастает с увеличением расхода флокулянта и времени флокуляции и уменьшается по мере роста зольности исходного шлама. Зависимость эффективности процесса от интенсивности перемешивания имеет экстремальный характер с областью рациональных значений турбулентности Re = (2,0-2,6)·10–для каменных углей и Re = (2,5-2,8)·10–для антрацитов. Оптимальный расход латекса при обогащении каменных углей составляет 100-200 г/т, а для антрацитов –-300 г/т.
приведены результаты промышленных испытаний в условиях ЦОФ "Дзержинская" флокуляционно-флотационного способа обогащения угольных шламов и рекомендации по его рациональному использованию. Представлен расчет ожидаемого годового экономического эффекта, учитывающий конкретные условия действующего предприятия.
Применение технологии СФ латексами имеет существенное значение для практики обогащения тонкодисперсных углей всех стадий метаморфизма, обеспечивая решение задачи глубокого селективного разделения шламов при минимальных расходах реагентов и высокой эффективности процессов дальнейшей переработки и обезвоживания. Отсутствие необходимости изменений в технологическом цикле фабрики и дополнительных затрат на освоение и подготовку данной технологии, позволяет использовать ее для совершенствования существующих схем переработки угольных и антрацитовых шламов.
Ключевые слова: угольные шламы, селективная флокуляция, синтетические латексы.
Annotation
Zalevskiy V.I. the selective flocculation of the coal by synthetic latexes. -Manuscript.
Thesis for a Master’s degree by speciality 05.15.08 "Minerals processing". -National Mining University of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2001.
the dissertation is devoted to problems of coal fine of the improvement of the coal selective flocculation (SF) technology by synthetic latexes. the theoretical positions of SF by synthetic latexes have been developed. Principal regularities of all stages of the process have been established in consider of coal-latex flocks form mechanism. regularities and peculiarities of adhesive “coal-latex” interaction have been determined a presence of hydrogen bond and chemical interactions in interphase zone. Results of coal and synthetic latexes investigations as objects of selective flocculation have been presented. Conditions for synthetic latexes and emulsions have been formulated. mathematics regression models of coal and anthracite selective flocculation by synthetic latexes have been obtained and analyzed. the influence of main technological factors of the process on its results has been researched. Results of industrials trials of the flocculation method for coal preparation and recommendations by utilization have been presented.
Key words: coal slimes, synthetic latexes, selective flocculation.