Введение к работе
Актуальность проблемы исследования. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» предусматривает доведение добычи угля до 430 млн. т. в год, при доле коксующихся углей около 20%. Анализ добычи углей за последние годы показывает, что намеченные планы выполняются, наблюдается ежегодный рост объемов добычи угля. В условиях увеличения объемов добычи, качество добываемых углей ежегодно снижается, возрастает зольность, влажность рядовых углей, а также содержание в них мелких классов. Обогащение пенной флотацией является наиболее эффективным способом обогащения мелких классов углей (шламы < 0,5 мм) и входит в технологическую цепочку практически каждой обогатительной фабрики. Наиболее действенным способом повышения эффективности процесса флотации является совершенствование реагентного режима, а так же подбор оптимальных параметров процесса.
Подбор высокоэффективного реагента затруднен в связи с тем, что механизм закрепления реагента на поверхности обогащаемого угля однозначно не установлен. Поэтому первостепенной задачей является установление механизма флотации углей. Так же трудности вызывает недостаточная изученность поверхности углей и отсутствие определенной методики подбора реагентов для флотации.
Наиболее перспективным направлением при подборе реагентов является визуализация образующихся водородных связей при взаимодействии реагента и функциональных группировок на поверхности углей, с дальнейшей оценкой их энергетических характеристик. В случае, когда энергия водородной связи в комплексе «поверхность угля – реагент» больше, чем в комплексе «поверхность угля – вода», молекулы реагента смогут составить конкуренцию молекулам воды за активные адсорбционные центры угольной поверхности.
Цель работы: разработка реагентного режима с использованием нового реагента комплексного действия РНХ-3010, состоящего из гетерополярных органических соединений, для повышения технико-экономических показателей флотации углей различных стадий метаморфизма.
Идея работы заключается в использовании в качестве критерия эффективности реагента энергии водородной связи, образующейся между ним и активными центрами на поверхности ОМУ
В связи с обозначенной целью исследования и выдвинутой идеей работы в ходе исследования решались следующие основные задачи:
- анализ особенностей структурно-группового состава исследуемых углей;
- исследование взаимодействия функциональных групп, находящихся на поверхности угля, с молекулами реагентов и воды, с образованием водородных связей;
- разработка реагентного режима на основании проведенных исследований, обеспечивающего повышение технико-экономических показателей флотации.
Объект и методы исследования. В качестве объектов исследования выбраны угли различных стадий метаморфизма, обогащаемые на ЦОФ «Беловская» ОАО «Белон»: шахта «Костромовская» марка «Ж» (зольность 13,8%), шахта «Южная» марка «КС» (зольность 21,5%), шахта «№12» марка «ОС» (зольность 20,7%); реагенты, являющиеся техническими отходами и продуктами, и состоящие из полярных органических соединений различных классов.
Для решения поставленных задач в работе использовались программы HyperChem 8.0.8 для расчета параметров реагентов и водородной связи, образующейся при флотации, и комплекс химических, физико-химических и физических методов исследования: методы химического анализа для изучения состава органической массы угля; хромато-масс-спектроскопия; инфракрасная спектроскопия; определение петрографического состава; определение пенообразующей способности; определение теплоты смачивания реагентами поверхности углей; флотация.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1. Структурно-групповой состав органической массы угля содержит полярные центры, включающие функциональные группы и гетероатомы O, N, S, определяющие гидрофильные свойства угольной поверхности и адсорбцию реагента.
2. Гетерополярные органические соединения, входящие в состав реагента РНХ-3010, ориентировано закрепляются на активных центрах угольной поверхности за счет образования водородных связей. Энергия водородной связи между реагентами и соединениями, моделирующими органическую массу угля, составляет 9,34-28,58 кДж/моль и может являться параметром, характеризующим адсорбционную способность реагента.
3. Экспериментально определено, что изучаемый комплексный реагент - РНХ-3010 обладает высокой флотационной активностью по сравнению с традиционными реагентами (Термогазойль в сочетании с КОБС). Применение нового реагента позволяет, при снижении расхода 1,5-2,5 раза, повысить выход концентрата на 1,5-3,2% при флотации углей различных стадий метаморфизма.
4. Экспериментально доказано, что применение РНХ-3010 в сочетании с аполярным реагентом - кубовыми остатками производства изопропилбензола (КОИПБ) в соотношении 3:1 позволит, при снижении расхода реагента в 2,4 раза, увеличить выход концентрата на 4,2%.
Научная новизна работы:
1. Гетерополярные соединения, такие как спирты, простые и сложные эфиры, ди- и триоксаны способны взаимодействовать с активными центрами угольной поверхности с образованием водородной связи.
2. Энергия водородной связи в комплексе «функциональная группа ОМУ - реагент» должна быть выше, чем в комплексе «функциональна группа ОМУ – вода», что предопределяет преимущество реагента перед молекулами воды при адсорбции на активных центрах поверхности ОМУ и ее гидрофобизацию.
3. Применение комплексных реагентов, содержащих в групповом химическом составе полярные и аполярные химические соединения, позволяет повысить технико-экономических показатели процесса флотации угля за счет синергизма их действия.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждается:
-использованием комплекса физико-химических
методов исследования;
-удовлетворительной сходимостью результатов исследований,
полученных различными методами;
-подтверждением результатов теоретических расчетов показателями лабораторных флотационных экспериментов, при доверительной вероятности 95%.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- результаты исследования позволяют проводить поиск эффективно действующих реагентов для флотации углей различных марок;
- предложенный реагент-собиратель РНХ-3010 и реагентные режимы его использования способствуют повышению эффективности флотации углей, улучшению технико-экономических показателей процесса за счет снижения расхода реагентов в 2,5 раза и увеличения выхода флотоконцентрата на 4,2% по сравнению с широко используемым собирателем термогазойлем «Омского нефтехимического завода»;
- результаты теоретических исследований и технология использования нового комплексного реагента РНХ-3010 могут использоваться в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 130405 «Обогащение полезных ископаемых» в курсе лекций «Флотационные методы обогащения».
Личный вклад автора заключается в анализе последних достижений в области флотации каменных углей, разработке реагентных режимов, а также представлений о структуре органической массы угля; в обосновании и разработке реагентного режима с применением нового комплексного реагента РНХ-3010 в сочетании с КОИПБ на углях различной степени метаморфизма
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей. Из них 3 - в изданиях из перечня ВАК РФ. Материалы диссертационной работы докладывались на VIII Конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, МИСиС, 2010 г.), V Всероссийской молодежной научно-практической конференции по проблемам недропользования (Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2011 г), Научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова (Магнитогорск 2010-2013 г.).
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений. Содержание работы изложено на 139 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 30 таблиц, а также библиографический список, включающий 85 наименований, и 4 приложения.
