Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Разработка и совершенствование процессов переработки угольной мелочи при очистке шламовых и сточных вод шахт, разрезов и обогатительных фабрик требуют расширения представлений об агрегатообразовании угольных дисперсий и механизме воздействия на этот процесс физико-технических методов. '
Агрегация тонкодисперсных частиц в воде приводит к ускорению их седиментации и интенсификации технологических процессов. Необходимо отметить, что угли и'сопутствующая порода пластов и шахт имеют различные электрокинетическиз характеристики, а значит и различную способность к образованию агрегатов в суспензии, что нужно учитывать не только при прогнозировании целесообразности разработки тех или иных пластов, но и при составлении оптимальных реагентных режимов флокуляции и флотации.
В последние годы расширяется область применения флокулянтов для очистки природных и промышленных сточных вод. В связи с этим возникает необходимость подбора новых флокулянтов, позволяющих существенно улучшить в целом технологические показатели этого процесса. Перспективность использования метода агрегации для очистки шламовых вод обусловлена незначительными расходами реагентов и высокими экономическими показателями. Одним из существеннах факторов, ограничивающих практическое применение данного метода на угольных предприятиях является недостаточная изученность процесса агрегации угольной дисперсии и способов его управления. Разработка научных основ использования высокомолекулярных флокулянтов, подбор оптимальных режимов флокуляции угольно-глинистых дисперсий . возможны лишь на основе экспериментальных данных о закономерностях адсорбции водорастворимых полимеров, структуры их адсорбционных слоев и их влияния на параметры двойного электрического слоя частиц. Одновременно с этими проблемами возникают дополнительные трудности, связанные с рациональным использованием флокулянтов для интенсификации технологических процессов. В первую очередь это касается приготовления, дозирования и подачи в пульпу растворов флокулянтов в наиболее эффективной форме - в.виде гомогенного раствора.
Решение этих проблем будет способствовать быстрейшему осуществлению экологических и ресурсосберегающих задач в Кузбассе.
Тематика исследований диссертации является составной частью важнейших научно-технических проблем - созданием научных основ.экологически чистых технологий углеобогащения и связана с региональной
научно-исследовательской программой "Сибирь" (подпрограмма "Уголь Кузбасса"), утвержденной постановлением Госкомитета по науке и технике при Совете Министров СССР И АН СССР ОТ 17.12.75 N542 И ОТ 13.07.84 N 385/96. Исследования выполнялись также в рамках Программы СО АН СССР 12.91,2.3 "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых".
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: *' Исследование закономерностей и механизма агрегации угольных дисперсий и разработка метода управления этим процессом с помощью гомогенных растворов полимерных флокулянтов.
ИДЕЯ РАБОТЫ состоит в избирательном изменении соотношения электростатических сил отталкивания и сил притяжения; действующих на частицу в водных растворах, что позволяет с помощью полимерных флокулянтов управлять процессом агрегации угольных суспензий.
изучение электроповерхностных свойств угольных частиц в водных растворах различного солесодержания и закономерностей взаимодействия их с электролитами и полиэлектролитами;
развитие физико-химических основ процесса приготовления и использования водных растворов высокомолекулярных полимеров, повышенной флокулирующей способности для агрегации угольных частиц;
разработка и совершенствование технологии и режимов растворения флокулянтов;
внедрение на углеобогатительных фабриках ресурсо- и энергосберегающих технологий агрегации угольных шламов и рекомендаций по применению более эффективного оборудования для приготовления растворов флокулянтов.
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые в диссертации:
концентрация флокулянтов в шламовых водах, при которых происходит их полная адсорбция на поверхности дисперсных частиц, не должна превышать 4 мг/л, что исключает накопление полимеров в оборотной воде;
действие полимерных флокулянтов в молекулярной форме агрегации угольных дисперсий является необходимым условием, т.к.. в этом случае обеспечивается сокращением расходов полимеров на целый порядок;
метод управления агрегацией угольных дисперсий с помощью полимерных флокулянтов позволяет создать эффективные технологии для интенсификации процессов сгущения и фильтрования на углеобогатительных фабриках.
предложен новый научный подход в исследовании агрегации угольных частиц в дисперсных системах, заключающегося в учете и анализе баланса дальнодействующих поверхностных сил между микрообъектами. Это позволяет рассматривать все агрегативные процессы в по-лимерсодержащих дисперсных системах - адсорбцию полимеров, флокуля-цию и стабилизацию дисперсий, агрегацию макромолекул и дисперсных частиц с единых теоретических позиций;
предложен механизм адсорбции макромолекул из растворов на поверхности твердых тел и обоснованы зависимости величины адсорбции и формы изотерм от времени и концентрации флокулянтов;
предложен метод определения уалых концентраций флокулянта в растворе (мг/л), разрешающая способность которого на порядок выше, чем у стандартных оптических методов;
выявлена отрицательная роль гелей и ассоциатов макромолекул в водных растворах на агрегацию частиц и обоснована необходимость приготовления гомогенных растворов флокулянтов, когда обеспечивается наиболее эффективная молекулярная форма их действия;
установлены, на основе комплексных исследований электроповерхностных свойств и агрегативной устойчивости угольных дисперсий, закономерности и механизм агрегации угольных частиц, определены оптимальные режимы, обеспечивающие более полное разделение фаз при заданном расходе флокулянта.
анализ и научное обобщение ранее проведенных исследований в области агрегативной устойчивости угольных дисперсий, процессов растворения и деструкции;
экспериментальные исследования процесса агрегации частиц на модельных и природных дисперсных системах;
методы вискозиметрии, для изучения вязкостных характеристик полимерных флокулянтов в водных растворах;
методы электронной микроскопии и лазерной техники для изучения процесса растворения и микроэлектрофореза для определения электроповерхностных свойств дисперсных частиц;
усовершенствованные методы ультрафиолетового и ультразвукового облучения растворов полимеров при изучении деструкции макромолекул в растворах;
производственные эксперименты по определению технологических показателей при внедрении разработанных рекомендаций. в производство.
ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, ВЫВОДОВ и рекомендаций подтверждается:
экспериментально-аналитическими исследованиями угольных суспензий и полимерсодержащих дисперсных систем на основе современных физико-химических методов;
удовлетворительной сходимостью результатов, полученных различными современными методами в лабораторных и промышленных условиях;
высокой эффективностью предложенных технологических разработок, подтвержденных результатами лабораторных и промышленных испытаний.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем:
разработан метод прогнозирования эффективности действия промышленных образцов флокулянтов для агрегации угольных суспензий;
разработана и внедрена новая технология и автоматическая установка для приготовления водных растворов флокулянтов;
разработаны и внедрены в 1990-1994 г.г. в производство на ЦОФ "Кузнецкая" и АО "Сибкон" интенсивные технологии осветления шламовых вод и фильтрования флотационного концентрата;
: - определены оптимальные условия флокуляции угольных шламов ЦОФ "Кузнецкая" и АО "Сибкон" с использованием высокоэффективных анионных - Магнафлоков-525, 365 и катионных - Магнафлок 1440 флокулянтов, реализация которых позволила повысить производительность вакуум-фильтров на 30-50%, снизить влажность флотационного осадка концентрата на 2% и уменьшить содержание угольно-глинистых частиц в осветленной воде до 1-5 г/л. Комплексные мероприятия, внедренные на этих углеобогатительных фабриках, позволили сократить расходы флокулянтов с 100 г/Т до 10-20 Г/Т.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях в Кузбасском политехническом институте, 1990 г., 1991 г., на международных семинарах и конференциях СИБЕ-КО-92, г.Киев, октябрь 1992 г.;г.Будапешт, Мишкольцы,май 1993 г.; СИБЕКО-93, г.Иркутск, август 1993 г.; Ужгород, июнь 1994 г.; Москва, январь 1995 г.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 16 работ.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, приложения. Диссертация изложена на 200-страницах машинописного текста, включая 38 рисунков, 16 таблиц и 7 приложений. Библиография содержит 130 наименований.