Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние теории и практики флотации каменных углей и представлений о твердых горючих ископаемых 10
1.1 Анализ исследований в области разработки реагентных режимов флотации углей и установления механизма действия реагентов 10
1.2 Состав и химическое строение органической массы углей, и их влияние на флотацию твердых горючих ископаемых 28
Глава 2 Методы и объекты исследований 35
2.1 Методы исследований 35
2.2 Характеристика объектов исследования 41
2.3 Физико-химические параметры исследованных углей 46
Глава 3 Интенсификация флотации углей с применением нового реагента собирателя 57
3.1 Исследование механизма действия чистых химических соединений и их флотационной активности при флотации угля 57
3.2 Разработка реагентного режима флотации углей с использованием новых реагентов собирателей 65
3.2.1.Исследование влияния плотности пульпы на показатели флотации углей 73
3.2.2 Исследование влияния расхода реагента вспенивателя на показатели флотации шлама углеобогатительных фабрик 75
3.3 Экономическая эффективность использования реагента собирателя КО ИПБ на УОФ КХП ОАО «Северсталь» 77
Глава 4 Интенсификация флотации углей с применением нового реагента модификатора 84
4.1 Влияние молекулярного строения реагентов модификаторов на флотацию угля 84
4.2 Исследование влияния технологических параметров процесса флотации на эффективность использования реагентов модификаторов 94
4.2.1 Исследование влияния расхода оксиэтилированных химических соединений на эффективность и селективность их действия 94
4.2.2. Исследование влияния расхода реагентов собирателей и их группового химического состава на эффективность и селективность действия реагента модификатора «Синтерона» 107
4.2.3. Исследование влияния эффективности и селективности действия реагента модификатора «Синтерона» при флотации углей различной минерализации и стадии метаморфизма 111
4.3 Исследование структурных изменений в водных растворах, вызваных оксиэтилированными алкилфенолами 114
4.3.1 Структура водных растворов 115
4.3.2 Исследование механизма действия реагента «Синтерон» в малых концентрациях 118
Заключение 125
Библиографический список 127
Приложение 1 141
Приложение 2 142
Приложение 3 143
Приложение 4 145
- Анализ исследований в области разработки реагентных режимов флотации углей и установления механизма действия реагентов
- Разработка реагентного режима флотации углей с использованием новых реагентов собирателей
- Исследование влияния расхода оксиэтилированных химических соединений на эффективность и селективность их действия
- Исследование механизма действия реагента «Синтерон» в малых концентрациях
Введение к работе
Актуальность проблемы исследования. Улучшение экономического состояния топливно-энергетического комплекса России во многом зависит от применения новейших технологий добычи, а таюке от увеличения объемов выработки и эффективности использования добываемого сырья, повышения качества сырья и конечных продуктов [93]. Всё вышеперечисленные факторы определяют рост добычи угля. Дефицит углей высокой коксуемости вызывает увеличение объемов добычи труднообогатимых углей, запасы которых составляют более половины мировых запасов угля. Таким образом, развитие обогащения углей представляется как основное направление развития производственного потенциала угольных бассейнов.
При этом существующие критерии выбора флотационных реагентов не могут быть с одинаковым успехом распространены на широкий спектр веществ и технических продуктов, предлагаемых .к использованию. Кроме того, при разработке реагентных режимов зачастую не учитываются свойства поверхности угольных частиц, зависящие от структурногруппового и минералого-петрографического состава органической массы углей и влияющие на показатели процесса. Отсутствует единое мнение о том, какие из физико-химических параметров углей в наибольшей степени определяют их флотацию. Следует также отметить значительные изменения органического и минерального составов ископаемых каменных углей не только в рамках одной технологической марки, но даже в пределах одного разрабатываемого участка месторождения.
Данные обстоятельства не позволяют с достаточной точностью прогнозировать действие реагентов при флотации каменноугольной мелочи и делают затруднительным, как целенаправленный синтез селективно действующих флотационных реагентов, так и успешный их выбор из числа технических продуктов или отходов, получаемых в народном хозяйстве.
Поэтому углеобогатительные фабрики страны используют в качестве флотационных реагентов дешевые и низкоэффективные продукты, отличаюш;иеся значительным непостоянством группового химического состава, что обуславливает низкую эффективность действия таких реагентов, их повышенный расход, а также высокие потери угля с отходами обогапдения.
Актуальным направлением становится разработка реагентных режимов флотации каменноугольной мелочи на основе установления механизма действия реагентов.
Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью повышения эффективности процесса флотации, а также выбора реагентов флотации на основе физико-химического подхода.
Неудовлетворительная теоретическая изученность и практическая значимость проблемы подбора реагентов при флотации углей обусловили формулировку цели исследования.
Цель работы: разработка реагентного режима, позволяюпдего повысить технико-экономические показатели флотации каменных углей.
Идея работы заключается в оптимизации реагентного режима флотации на основе применения реагентов с изостроением углеводородных радикалов и ок-сиэтилированными группами. В связи с обозначенной целью исследования и выдвинутой идеей работы в ходе исследования решались следуюш;ие основные задачи:
• установление структурно-группового состава и поверхностных свойств углей, определяюш;их их флотируемость; установление физико-химических характеристик растворов органических соединений, входящих в состав используемых флотореагентов;
• установление связи полученных характеристик с флотационной активностью;
• оценка степени влияния реагентов на эффективность флотационного процесса;
• разработка реагентного режима на основе исследования механизмов действия реагентов, позволяющих повысить эффективность процесса флотации углей.
Объект и методы исследования. В качестве объекта исследования выбраны процессы, происходящие при флотации углей различных стадий метаморфизма, и реагентные режимы, приводящие к интенсификации флотации. Предметами исследования выбраны:
• угли Кузнецкого и Печорского бассейнов, отличающихся стадией метаморфизма, степенью минерализации, обогатимостью.
• собиратели из числа нефтепродуктов с различным групповым химическим составом, а также модификаторы из числа водорастворимых полимеров с различным строением молекул, характером и количеством функциональных групп.
Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследований: программы в базисном наборе AMI расчета дипольных моментов и межатомных расстояний, комплекс химических, физикохимических и физических методов исследования: методы химического анализа для изучения состава органической массы угля; газовая хроматография; инфракрасная спектроскопия; определение петрографического состава; определение пенообразующей способности; измерение электрокинетического потенциала (^-потенциала) угольных частиц; измерение краевых углов смачивания; измерение оптической плотности эмульсии собирателя и определение дисперсности эмульсии собирателей в жидкой фазе пульпы с использованием графического анализатора S1AMS-600; измерение вязкости, электросопротивления, поверхностного натяжения водных растворов реагентов; флотация.
Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1. Наличие сопряженных тг-связей в молекулах кубовых остатков производства изопропилбензола обуславливает лучшую адсорбционную активность этого соединения, что определяется ароматическими структурами в органической массе исследуемых углей.
2. Использование при флотации каменных углей водорастворимого реагента «Синтерон» в качестве модификатора при его подаче в кондиционирование пульпы перед собирателем и пенообразователем в количестве
0,1-2,00 г/т позволяет повысить выход концентрата и селективность процесса.
3. Модификатор «Синтерон» при оптимальном расходе увеличивает дисперсность эмульсии собирателя, что приводит к повышению показателей флотации и снижению расхода собирателей. При расходах выше оптимального «Синтерон» повышает гидрофильность угольных частиц и депрессирует флотацию.
4. Расход модификатора «Синтерон», при котором достигаются лучшие показатели флотации каменных углей, уменьшается от 2 до 0,1 г/т при увеличении стадии их метаморфизма от «К» до «ОС». При этом изменения в структуре водного раствора пульпы, косвенно определяемые путем измерения вязкости, электросопротивления и величины поверхностного натяжения раствора, обуславливают изменение гидрофобизирующих свойств реагента «Синтерон».
Научная новизна работы:
1. Установлено, что лучшей адсорбционной активностью и наибольшим сродством к поверхности угля обладают кубовые остатки производства изопропилбензола, содержащие арены изомерного строения с длиной углеводородного радикала С12-С15.
2. Теоретически и экспериментально установлено, что оптимальный расход модификатора {х-изононилфеноксидекаэтиленокси-карбоната натрия («Синтерон») находится в пределах от 0,1 до 2 г/т в зависимости от минерализации углей, поступающих на флотацию.
3. Впервые установлено, что введение «Синтерона» оптимальной концентрации в кондиционирование пульпы приводит к увеличению поверхностного натяжения и вязкости водных растворов. При последующем увеличении концентрации модификатора поверхностное натяжение и вязкость снижаются.
4. Предложен механизм действия модификатора «Синтерона». Путем исследования вязкости и поверхностного натяжения водных растворов, установлено, что при оптимальных расходах модификатора в растворе пульпы происходит упорядочивание молекул воды. Одновременно с этим, происходит уменьшение толщины гидратного слоя'угольной поверхности, что повышает её гидрофобность.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждается: использованием современного комплекса физико-химических методов исследования; удовлетворительной сходимостью результатов исследований, полученных различными методами; подтверждением результатов исследования показателями лабораторных флотационных экспериментов.
высокой вероятностью доверительных интервалов.
Практическая значимость работы заключается в следующем: результаты исследования позволяют проводить поиск эффективно действующих концентраций растворимых реагентов модификаторов для флотации углей на основе исследования физикохимических параметров их растворов в фильтрате угля и воде; предложен для практического применения технический продукт нефтяного производства (кубовые остатки производства изопропилбензола), содержащий в своем групповом составе алкилзамещенные бензольные углеводороды, действующие как реагенты-собиратели и позволяющие интенсифицировать процесс флотации.
предложенные реагенты - собиратель кубовый остаток изопропилбензола (КО ИПБ) и модификатор «Синтерон», а также реагентные режимы их использования способствуют повышению эффективности флотации углей, повышению технико-экономических показателей процесса, а именно - к снижению расхода реагентов собирателей на 20-25 % и увеличению выхода флотоконцентрата на 1,5-2,1% по сравнению с используемым реагентным режимом на УОФ ОАО «Северсталь».
Апробация работы и публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано И статей, получен патент РФ на изобретение «Способ флотации углей». Материалы диссертационной работы представлены на VI и VII Конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, МИСиС, 2007 - 2009 г.), научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета (Магнитогорск, 2006 - 2008 г.), а также на научно-технических конференциях, прошедших в ОАО «Уральская Сталь» по итогам научноисследовательских работ (г. Новотроицк, 2006-2008 гг.). Материалы диссертации были использованы при подготовке курса лекций по дисциплине «Экология» в Орском гуманитарно-технологическом институте
(филиале) ГОУ «Оренбургский государственный университет» и в курсе «Подготовка угля к коксованию» в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержание работы изложено на 147 страницах машинописного текста, включая 23 рисунка и 24 таблицы, библиографический список, содержащий 109 наименований, и 4 приложения.
Анализ исследований в области разработки реагентных режимов флотации углей и установления механизма действия реагентов
Основное внимание при разработке новых реагентных режимов и совершенствовании существующих, как правило, уделяется изысканию эффективных и селективно действующих флотационных реагентов. Одной из причин этого является отсутствие необходимости строительства и введения в эксплуатацию новых или модернизации существующих основных средств флотационных отделений углеобогатительных фабрик при переходе на новые реагентные режимы. Поиски эффективных флотационных реагентов преимущественно ведутся по следующим направлениям: исследование влияния на процесс флотации углей технических продуктов или отходов, получаемых в народном хозяйстве; модификация известных и применяемых на углеобогатительных фабриках реагентов (например, путем введения в их состав веществ, , улучшающих те или иные свойства реагента); целенаправленный синтез реагентов.
Реагенты для флотации каменных углей по своему действию условно разделяют на три основных вида: собиратели или коллекторы, пенообразователи и дополнительные реагенты, как, например, регуляторы, депрессоры и модификаторы.
Реагенты собиратели.
Основное назначение собирателей - способствовать быстрому и прочному прилипанию угольных частиц к воздушным пузырькам. Реагентами собирателями для флотации каменных углей являются аполярные и гетерополярные органические вещества. Так, молекулярно адсорбированные аполярные собиратели увеличивают скорость истечения жидкости из разделяющей частицу и пузырек пленки после ее локального прорыва, что ускоряет образование флотационного комплекса «частица-пузырек» [39], а также понижают поверхностное натяжение на границе «жидкость-газ», что приводит к значительному сопротивлению отрыва частицы от пузырька [19]. В промышленных масштабах в качестве реагентов собирателей для флотации каменноугольной мелочи в основном -используют различные продукты нефтяной, химической или коксохимической промышленностей, а также их отходы [12].
Большинство исследователей связывают эффективность действия реагентов собирателей с их физико-химическими характеристиками. Так, В.А. Глембоцкий отмечает, что влияние состава углеводородов проявляется лишь в той мере, в какой он влияет на вязкость реагента [27]. При этом рациональное использование вязкости углеводородов с определенной поляризуемостью для различных технологичесісих марок углей является, по его мнению, перспективным направлением изыскания эффективных аполярных реагентов собирателей для флотации. Кроме того, В.А. Глембоцким с сотрудниками установлено, что заметное увеличение флотационной активности углеводородов по отношению к угольным частицам наблюдается при изменении их вязкости от 3 до 200 ест [26]. Также отмечается, что величина оптимальной вязкости углеводородов для углей различных марок может колебаться в широких пределах.
Авторами в работе [38] установлено, что с ростом вязкости масляных реагентов, зависящей от строения молекул, вероятность прилипания угольных частиц к пузырькам воздуха уменьшается, а прочность флотационного комплекса, наоборот, увеличивается, в связи с чем для флотации крупных частиц целесообразно применять вязкие реагенты.
Напротив, в работе В.И. Мелик-Гайказяна с сотрудниками указывается, что в случае аполярных реагентов собирателей, действующих в капельном виде, фактором, определяющим их флотационную активность, является не столько строение молекул, сколько ее оптимальный размер или молекулярный вес соединения [50].
М.В. Циперович с соавторами при исследовании влияния различных классов углеводородов на флотацию петрографических микрокомпонентов органической массы углей расположили углеводороды по их флотационной активности в следующий повышающий ряд: алифатические нафтеновые ароматические непредельные [96]. При этом указывается, что большую эффективность проявляют углеводороды с асимметричным строением молекул, а также химические соединения, дипольный момент молекул которых больше нуля [97]. Также отмечается, что более активными являются плоские молекулы ароматических углеводородов с неразветвленными цепями в радикалах замещения. Оптимальным является наличие в боковых цепях ароматических углеводородов от 5 до 7 атомов углерода. Авторами сделана попытка оценить флотационную активность ароматических углеводородов в зависимости от электронной структуры их молекул, определяемой, в свою очередь, количеством, взаимным расположением и природой замещения. При этом флотационная активность данных соединений рассматривается одновременно в зависимости от положения заместителей и количества в них углеводородных групп, что затрудняет оценку отдельных изменяющихся параметров молекул реагентов на эффективность их действия при флотации.
Проведенными исследованиями, представленными в работе [105], показано, что введение ароматического кольца в молекулу додекана, как типичного аполярного собирателя, позволяет существенно увеличить его собирательные свойства.
Следует отметить, что в настоящее время на большинстве углеобогатительных фабриках Кузнецкого угольного бассейна в качестве аполярного собирателя используется газойль легкий каталитического крекинга и коксования, имеющий следующий групповой химический состав: ароматические углеводороды 41 %, непредельные углеводороды 29 %, парафиновые и нафтеновые углеводороды 30 % [66].
В.Н. Петухов связывает различие флотационной активности углеводородов с особенностями электронной структуры их молекул [63]. Так, наличие я-электронов кратных углерод-углеродных связей в непредельных и ароматических углеводородах приводит к увеличению энергии межмолекулярного взаимодействия данных соединений с угольной поверхностью. Отмечается, что вклад специфических сил межмолекулярного взаимодействия, таких как водородная связь или донорно-акцепторное взаимодействие ж - электронов кратных связей с активными положительными центрами органической массы углей увеличивается для углей низкой стадии метаморфизма. Повышение прочности закрепления углеводородов с кратными связями на угольной поверхности оказывает положительное влияние на показатели флотации [63]. Такого же рода закономерности флотационной активности углеводородов установлены в работе [72] для низко метаморфизованных газовых углей.
В.Н. Петуховым и Т.Г. Волощук был предложен собиратель «полифлор» [64] - остаточный продукт отбора легкого полимер дистиллята из продуктов процесса полимеризации бутан-бутиленовой фракции газов термического и каталитического крекинга. Лабораторные исследования, а затем и промышленные испытания подтвердили его повышенную флотационную активность по сравнению с печным бытовым топливом. Однако ресурсы полифлора ограничены и поэтому внедрение его на углеобогатительные фабрики затруднено.
А.Б. Таубман и Л.П. Янова рассматривают эффективность действия углеводородов при флотации с позиции их растворимости в пульпе и давления насыщенного пара [91]. В случае использования высокомолекулярных соединений с минимальной растворимостью в воде и низким значением давления насыщенного пара, для достижения высоких показателей флотации достаточно относительно низких расходов таких реагентов. Расход реагентов собирателей повышается со снижением их молекулярной массы.
В ряде работ критерием выбора аполярных собирателей предлагается использовать пределы температур кипения фракций углеводородов, при которых достигаются наиболее высокие показатели флотации углей. Так, Назаренко Н.М. с сотрудниками при исследовании некоторых собирателей установлено, что наиболее эффективной является фракция реагентов с пределами кипения от 200 до 250 С, плотностью не менее 0,83 г/см3 и коэффициентом рефракции более 1,4700 [54].
В Кузбасском государственном техническом университете были исследованы различные температурные фракции легкого каталитического газойля в качестве собирателей при флотации высокозольной угольной мелочи Ш/У «Сибирское» марки КСН, зольностью 28,9 % и крупностью -0,5 мм. Показано, что лучшей собирательной активностью обладает фракция, выкипающая в пределах 180-280 С. Эксперименты проводили с использованием установки беспенной флотации, созданной в университете [17].
Разработка реагентного режима флотации углей с использованием новых реагентов собирателей
На основании полученных результатов нами был выбран для исследования новый реагент собиратель — кубовый остаток производства изопропилбензола, содержащий в своём групповом химическом составе до 86 % аренов с изомерным строением, а также пентамеры пропилена, содержащих в групповом химическом составе 100% непредельных углеводородов Сіз-Сі5 . Групповой состав и физико-химические свойства КО ИПБ приведены во 2-й главе, с.43.
Для сравнения эффективности их действия при флотации углей различной стадии метаморфизма и обогатимости были исследованы реагенты собиратели, широко применяемые на УОФ РФ, а именно:
— лёгкий газойль каталитического крекинга (ЛГКК);
—топливо ТС-1;
—тракторный керосин;
— дизельное топливо.
В качестве исходного шлама были выбраны угли Кузнецкого бассейна различных шахт и разрезов с зольностью от 13,5% до 33,3%.
Применение в качестве реагентов собирателей «ЛГКК» и «ТС-1» показало их низкую флотационную активность при сравнительно высоких расходах.
Так, например, при расходе собирателей в количестве 1,3 — 1,8кг/т выход флотоконцентрата составляет от 53,8% до 76,3%, а зольность отходов изменялась в пределах 44,3 — 46,1% (для угля разреза «Березовский» Ad=19,8%) до 59,7 — 64,3% (уголь ш/у «Сибирское» Ad=33,3%).
Увеличение расхода собирателей до 2,3кг/т привело к закономерному увеличению выхода концентрата, однако при флотации углей с исходной зольностью 17,8 — 19,8% зольность отходов не превышает 56,2 — 58,6%, что приводит к значительным потерям органической массы с отходами флотации (табл. 3.6). Лучшие результаты из исследованных собирателей по флотационной активности и селективности действия получены в случае применения топлива «ТС-1».
В случае флотации высокозольных и труднообогатимых углей ш/у «Сибирское», использование в качестве собирателя топлива «ТС—1» позволяет повысить извлечение горючей массы угля в концентрат с 66,8 — 76,3%о, до 72,6—83,4%, а зольность флотоконцентрата снижается при равном выходе с 10,6—11,3% до 10,4—10,9%) (табл.3.6).
Подобные закономерности по селективности действия исследованных собирателей прослеживаются также при флотации углей с зольностью 17,8% и 19,8%). Использование «ТС-1» позволяет получать флотоконцентрат с зольностью на 0,3 — 0,5% ниже по сравнению с собирателем «ЛГКК» (табл. 3.6). Это можно объяснить тем, что в состав реагента собирателя «ЛГКК» входят химические соединения более высокой молекулярной массы и которые увеличивают вязкость реагента «ЛГКК» и влияют на степень эмульгирования их.
Исследование гранулометрического состава эмульсии реагентов «ЛГКК» и «ТС-1» в воде позволили установить, что средний размер эмульсии собирателя «ЛГКК» составляет 12,4 мкм, а «ТС-1» — снижается до 5,5 мкм. При этом содержание частиц с размером 5мкм составляет 30% , в то время как в эмульсии собирателя «ТС-1» количество капель с размером 5мкм повышается до 45 %. Снижение размера капель эмульсии собирателя «ТС-1» подтверждается изучением оптической плотности водных растворов собирателей в воде с использованием фотоколориметра.
При равной концентрации собирателя в воде оптическая плотность эмульсии собирателя «ТС-1» изменяется с 0,55— 0,97 , а эмульсии «ЛГКК» снижается до 0,5—0,8 (рис.3.2).
Из исследованных реагентов собирателей наиболее крупная эмульсия в воде установлена для дизельного топлива, а наиболее тонкая — для мотоалкилата.
Ввиду низкой флотационной активности рассмотренных выше реагентов, нами были проведены исследования по разработке реагентного режима флотации углей с использованием новых реагентов собирателей.
Результаты обогащения исходного шлама поступающего на флотацию в условиях УОФ КХП ОАО «Северсталь» с использованием в качестве реагентов собирателей технических продуктов , нефтепереработки и нефтехимии показывают, что лучшие показатели по выходу концентрата получены в случае использования кубовых остатков производства изопропилбензола (КО ИПБ).
При расходе собирателей в количестве 1,50 кг/т и равном расходе вспенивателя КОБС (0,08 кг/т) выход концентрата в случае применении КО ИПБ повышается с 73,5— 85,0% до 87,5% в зависимости от используемого реагента собирателя.
Наиболее низкие показатели флотации получены при применении дизельного топлива и «ЛГКК». В случае их использования выход концентрата снижается на 14,0 и 8,2% соответственно. Для получения примерно одинакового извлечения горючей массы в концентрат, в пределах 94— 95%о, необходимо увеличить расход реагентов собирателей (ТС-1, тракторного керосина) с 1,50 до 2,00 кг/т.
Хорошие результаты по флотируемости углей получены в случае-применения в качестве реагента собирателя пентамеров пропилена. При расходе в количестве 1,50— 2,00 кг/т выход концентрата составил 85,8— 89,4%, что на 6,0— 9,8% выше по сравнению с использованием топлива «ТС-1», «ЛГКК» и дизтоплива (табл.3.7).
Наиболее высокая эффективность флотации угля установлена в случае применения в качестве собирателя КО ИПБ.
Коэффициент эффективности при выходе концентрата 85,5% составляет для КО ИПБ 875, а для ТС—1 он снижается до 840, для тракторного керосина 795 (рис.3.3).
Некоторое снижение эффективности флотации при использовании в качестве реагента собирателя пентамеров пропилена объясняется снижением селективности процесса флотации угля по сравнению с применением топлива ТС-1 и тракторного керосина. Зольность концентрата в случае применения пентамеров пропилена повышается на 0,2— 0,3% при общем повышении выхода концентрата (табл.3.7).
Исследование влияния расхода оксиэтилированных химических соединений на эффективность и селективность их действия
При изучении влияния расхода модификаторов на эффективность и селективность процесса флотации угля нами в качестве реагентов собирателей использовали — ТС-1, легкий газойль каталитического крекинга, -тракторный керосин, в качестве реагентов вспенивателей — КОБС и ВПП-86.
Исследованием установлено, что при использовании модификатора «Синтерона» с собирателем тракторным керосином в случае флотации угольной мелочи УОФ «Томусинская» наиболее высокие результаты флотации получены в случае расхода модификатора в количестве 0,001-0,0015 кг/т. Извлечение горючей массы в концентрат повышается с 88,3 до 91,5-89,6% соответственно.
Повышение расхода реагента модификатора до 0,002 кг/т приводит к незначительному снижению выхода концентрата на 0,8% при одновременном повышении его зольности до 6,0% (Табл.4.4).
Подобные закономерности улучшения флотируемости угля при подаче в процесс реагентов модификаторов наблюдаются также в случае флотации угольного шлама УОФ КХП ОАО «Северсталь», при использовании реагентов собирателей «ТС-1» и «ЛГКК». Подача «Синтерона» в количестве 0,001 кг/т, в случае использования собирателя «ЛГКК» позволяет повысить выход концентрата на 2,2% при одновременном снижении его зольности на 0,4%, а зольность отходов повышается с 43,0 до 51,2%. Коэффициент селективности флотации повышается с 0,705 до 0,727. Использование в качестве реагента собирателя ТС-1 при флотации угля с зольностью 13,0% также приводит к улучшению показателей флотации при использовании в процессе кондиционирования угольного шлама модификаторов.
При этом селективность процесса флотации угля наиболее высокая в случае применения «Синтерона». При расходе модификатора «Синтерона» в количестве 0,001 кг/т выход концентрата повышается с 86,7 до 88,7%, при снижении его зольности с 6,6 до 6,3 %. Коэффициент селективности увеличивается с 0,722 до 0,737. Применение модификатора «Неонола АФ9-10» несмотря на незначительное повышение выхода концентрата по сравнению с использованием «Синтерона» приводит к снижению коэффициента селективности с 0,737-0,748 до 0,734-0,740.
Это объясняется тем, что при кондиционировании с угольной пульпой модификатора «Неонола АФ9-10» он не оказывает существенного влияния на флокуляцию минеральных частиц по сравнению с «Синтероном».
Тонкие глинистые частицы в процессе кондиционирования угольной пульпы не образуют флокул и могут выделяться при флотации в пенный продукт, повышая зольность флотоконцентрата (Рис.4.2 и Рис.4.3).
Исследования флокуляции угольных частиц при различной концентрации реагентов - модификаторов позволили установить, что в случае подачи «Синтерона» процесс флокуляции наблюдается при концентрации модификатора в воде в количестве 1 г/т твердого (Рис. 4.4.).
При этой концентрации модификатора в воде установлено:
- наивероятнеишии радиус угольных частиц «г» увеличивается с 25 мкм до 30 мкм.;
- увеличивается количество частиц с радиусом близким к «г» -наивероятнеишему, что подтверждается повышением площади S2 по сравнению с площадью Si.;
- увеличивается максимальный размер сфлокулированных частиц с 65 до 75 мкм.
При концентрации «Синтерона» 0,1 г/т заметной флокуляции не наблюдается (Рис 4.5).
В случае увеличения концентрации «Синтерона» до 5 г/т эффективность флокуляции угольных частиц улучшается. Наивероятнейший радиус угольных частиц - «г» увеличивается с 28 мкм до 35 мкм (Рис.4.6).
Подобные закономерности установлены при исследовании флокуляции берлинской глины.
При расходе «Синтерона» в количестве 1 г/т наивероятнейший радиус глинистых частиц увеличивается с 7 мкм до 9,5 мкм (Рис.4.3). Количество частиц с радиусом большим «г наивероятнейший» в случае подачи в процесс флокуляции «Синтерона» значительно больше, что указывает на эффективность действия реагента при флокуляции глины.
При увеличении расхода «Синтерона» до 5 г/т наблюдаются подобные закономерности, однако количество флокул с размерами более 17 мкм меньшее по сравнению с расходом «Синтерона» 1 г/т (Рис.4.7).
Установлено, что подача «Неонола» в количестве 1 г/т не оказывает существенного влияния на процесс флокуляции глины, так как не изменяется наивероятнейший, минимальный и максимальные радиусы частиц (Рис.4.2).
Эффективная флокуляция глинистых частиц при подаче «Синтерона» в процесс может оказывать положительное влияние на селективность процесса.
Увеличение расхода реагентов модификатора до 0,010 кг/т приводит к снижению флотируемости угля. Выход концентрата снижается на 2,5 % при использовании модификатора «Синтерона» и на 2,3 % в случае применения «Неонола АФ9-Ю» (Табл.4.4).
Это объясняется полимолекулярной адсорбцией реагента на угольной поверхности с ориентацией полярных групп молекулы модификатора в водную фазу, что повышает гидрофилизацию угольной поверхности. Это было установлено в работе [78] при измерении прочности, обработанной различным количеством модификатора «Дэман».
Одной из причин повышения флотационной активности собирателя «ЛГКК» при подаче реагентов — модификаторов в процесс флотации является улучшение эмульгирования собирателя в воде. Это подтверждают исследования эмульгирования собирателя «ЛГКК» в воде до и после предварительной подачи в процесс реагента модификатора «Синтерона».
Исследования эмульгирующей способности «ЛГКК» в воде проводились с использованием системы обработки и анализа изображений SIAMS-600, представляющей собой комплекс программ, обеспечивающих профессиональную обработку произвольных видеоизображений, распознавание и анализ изображаемых предметов, а также формирование графических отчетов по результатам анализа.
Система SIAMS-600 позволяет получать гистограммы распределения различных параметров по частицам изображения, а также вычислять различные усредненные характеристики частиц.
Фотосъемка эмульсии собирателя в воде и его смеси с модификатором «Синтероном» с использованием микроскопа и дальнейшая обработка изображений на ЭВМ с помощью системы программ SIAMS-600, позволило определить дисперсность водной эмульсии реагента собирателя.
Характеристика эмульсии чистого «ЛГКК» и в смеси его с «Синтероном» представлена в таблице 4.5 и на рисунках. 4.8, 4.9.
Исследование механизма действия реагента «Синтерон» в малых концентрациях
Установлено, что реагент модификатор «Синтерон» при очень низких концентрациях в воде, в пределах 8 10"5 до 8 10"4мг/мл оказывает существенное влияние на физико-химические параметры водных растворов. Так, например, при поверхностном натяжении водопроводной воды 72,5дж/м, добавление «Синтерона» до концентрации его в растворе 0,0004мг/мл приводит к повышению поверхностного натяжения воды до 75,77дж/м2 (рис 4.17), а при дальнейшем повышении концентрации «Синтерона» в растворе происходит закономерное снижение поверхностного натяжения. Так, при концентрации «Синтерона» 0,0016мг/мл поверхностное натяжение снижается до 67,0 дж/м . С реагентом «Неонол», подробно изученным в работах Сирченко А.С. [74-85], подобных явлений не происходит.
При изучении электросопротивления водных растворов «Синтерона» при температуре 20,8С было установлено, что в случае добавки в водопроводную воду «Синтерона» в количестве 0,125 мг/л происходит повышение электросопротивления воды с 1346 Ом до 1406 Ом. Повышение концентрации «Синтерона» в растворе до 0,625мг/л приводит к плавному снижению электросопротивления до 1297 Ом. Несколько другие закономерности установлены при изучении электросопротивления водных растворов фильтрата углей при добавлении «Синтерона». Подача «Синтерона» в фильтрат угля марки КЖ до концентрации 0,125мг/л приводит к повышению сопротивления с 552 Ом до 580 Ом. Увеличение концентрации «Синтерона» до 0,625мг/л приводит к дальнейшему повышению сопротивления до 595 Ом, с последующим снижением сопротивления в случае повышения концентрации «Синтерона» в растворе. Аналогичные результаты получены для других температур (рис. 4.18) Из рисунка видно, что «Синтерон» ведет себя подобно флокулянту ВПК-42, при этом его поведение качественно отличается от реагента «Неонол».
Исследованиями также установлено, что подача «Синтерона» в водопроводную или в дистиллированную воду оказывает влияние на их вязкость. При вязкости водопроводной воды при температуре 21,0 С -1,352мм /с, а дистиллированной при температуре 20,8 С -1,291мм /с подача «Синтерона» до его концентрации в водах в пределах 0,08-0, Ібмг/л приводит к закономерному снижению вязкости растворов до 1,217-1,290мм7с и 1,212-1,237мм2/с соответственно. Повышение концентрации «Синтерона» в растворе до 0,40 мг/л приводит к увеличению вязкости водных растворов до 1,377мм2/си 1,421мм7с.
При изучении вязкости растворов «Синтерона» в водопроводной воде при температуре 21.7С были получены следующие данные: вязкость воды составила 1,0551 мм7с, при концентрации «Синтерона» в растворе 0,080 мг/л происходит снижение вязкости воды до 1,0176 мм7с. Последующее увеличение концентрации «Синтерона» до 0,400 мг/л ведет к плавному увеличению вязкости до 1,0817 мм/с (рис.4.19) с последующим её снижением.
Аналогичные результаты получены и при других температурах.
На основании выше представленных данных можно сделать вывод о том, что в диапазоне концентрации реагента «Синтерон» от 0 до 10 мг/л максимальная упорядоченность структур воды наблюдается при концентрации исследуемого реагента в растворе 0,400 мг/л, о чем свидетельствует максимальные значения вязкости и поверхностного натяжения в этих точках. Вблизи этих значений, при концентрации реагента 0,625 мг/л, можно наблюдать снижение, по сравнению с водопроводной водой, электросопротивления раствора «Синтерона», и максимальное увеличение электросопротивления раствора фильтрата угля. При этом в структуре воды возможны следующие изменения: вследствие наличия в структуре «Синтерона» анионно — катионных структур при добавке этого реагента происходит упорядочивание структур воды в растворе, происходит частичное замещение молекул воды в узлах кластерной структуры молекулами реагента, что способствует укрупнению кластеров. Вместе с тем, адсорбируясь на поверхности твердых частиц пульпы и ориентируясь гидрофобным радикалом (аполярной частью) в раствор, реагент разрыхляет, разупорядочивает структуру воды в диффузионном слое, тем самым повышая гидрофобность угольных частиц. Наряду с этим, повышение силы взаимодействия молекул воды друг с другом оттягивает воду от твердой поверхности, водный раствор ведет себя подобно талой воде.
Изменение разупорядоченности ионов гидроксильных групп в диффузном слое при подаче реагента модификатора перед собирателем установлено по изменению дзета-потенциала двойного электрического слоя угольной поверхности (см. рис.4.2, с.96).
Изменение величины краевого угла смачивания до и после подачи реагента модификатора позволили подтвердить повышение гидрофобизации угля при использовании «Синтерона» (см. табл. 4.2, с.89).
Повышение упорядоченности структуры водного раствора ведет к увеличению поверхностного натяжения воды (ов), что при выделении газов из раствора в зоне импеллера ведет к образованию более крупных пузырьков на поверхности твердых частиц. Становится возможным аэрофлокуляция угольных частиц. Диспергированные в растворе пузырьки воздуха быстрее закрепляются на поверхности, скорость флотации возрастает. В присутствии «Синтерона» образуется устойчивый гидратный слой вокруг пузырьков, препятствующий их коалесценции.
Замечено также, что «Синтерон», в силу своей ионогенной структуры (см. приложение 4), проявляет в водных растворах эмульгирующие свойства по отношению к аполярному собирателю (см. табл. 4.5, с Л 00; табл. 4.6, с. 101). Это, в свою очередь, приводит к увеличению выхода концентрата и улучшению его качества.
Также было замечено, что добавка реагента модификатора «Синтерон», вследствие его ориентации полярными группами в водный раствор, придает эмульсии большую стабильность, в отличие от эмульсии одного реагента собирателя, которая разрушалась очень быстро.
Замечено флокулирующее действие реагента «Синтерон». Причем наблюдается флокуляция как угольных частиц, так и глинистых. При этом происходит незначительное снижение гидрофильности глинистых частиц, при расходе «Синтерона» 1 г/т не оказывающее существенное влияние на извлечение глинистых частиц в пену, вместе с тем флокулы глинистых частиц быстрее оседают в растворе, снижается вероятность их попадания в продукт флотации. Для поднятия этих частиц в пену требуется большая подъемная сила, нежели для поднятия одиночной частицы, при этом необходимым условием флотации глинистых частиц будет являться не только вероятность контакта с пузырьком, но и прочность его закрепления на поверхности частицы.
