Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ работ по изысканию эффективных реагентных режимов флотации углей 10
1.1. Реагентные режимы флотации углей и механизм действия реагентов 11
1.2. Физико-химические свойства каменных углей и их влияние на флотацию 31
2. Объекты и методы исследования 39
2.1. Характеристика каменноугольной мелочи 39
2.2. Физико-химические свойства реагентов для флотации угля 49
2.3. Методы исследования 53
3. Исследование водорастворимых сополимеров в качестве модификаторов, активирующих флотацию каменных углей 61
3.1. Изучение флотационной активности собирателей из числа нефтепродуктов 61
3.2. Влияние молекулярной структуры водорастворимых сополимеров на их действие в качестве модификаторов 67
3.3. Порядок подачи и расход модификаторов при кондиционировании пульпы 71
3.4. Эффективность флотации углей, различающихся стадией метаморфизма и минералого-петрографическим составом, в присутствии модификаторов 77
3.5. Влияние модификаторов на флотационную активность собирателей 87
4. Механизм действия модификаторов и разработка на его основе реагентного режима флотации углей 95
4.1. Установление механизма действия модификаторов 96
4.2. Разработка реагентного режима флотации каменноугольной мелочи 107
4.3. Экономическая эффективность нового реагентного режима 112
Заключение 117
Список используемых источников 120
Приложение 1. Результаты расчета электронной плотности и заряда на атомах мономеров молекул сополимеров дэман, «пр-мак-Na» и ПАВ-2 в программе HyperChem 7.0 по методу zmt 132
Приложение 2. Справка о внедрении научных положений диссертации в учебный процесс 136
Приложение 3. ИК-спектры проб угля шахты «Распадская» 137
- Физико-химические свойства каменных углей и их влияние на флотацию
- Физико-химические свойства реагентов для флотации угля
- Влияние молекулярной структуры водорастворимых сополимеров на их действие в качестве модификаторов
- Разработка реагентного режима флотации каменноугольной мелочи
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное развитие способов механизированной добычи каменных углей, а также снижение легкодоступных запасов ценных технологических марок приводит к значительному повышению содержания в рядовом угле высокозольных классов крупностью менее 0,5 мм. Образование таких классов происходит также в результате разрушения угля при транспортировке и прохождении через цепь аппаратов в процессе обогащения. В результате этого на отечественных углеобогатительных фабриках (УОФ) общее количество шламов, обогащаемых методом пенной флотации, достигает 25-35 % от массы угля, поступающего на переработку.
Полнота извлечения органической массы угля при пенной флотации и себестоимость концентрата, а также рациональность ведения и экологическая безопасность водно-шламового хозяйства фабрик во многом зависят от выбранного реагентного режима. В настоящее время на УОФ страны в качестве собирателей применяются в основном недорогие технические продукты и отходы нефтехимической промышленности (нефтепродукты), которые отличаются низкой флотационной активностью и непостоянством группового химического состава, что обуславливает низкие показатели флотации при высоком расходе реагентов. Использование неэффективных реагентов не способствует увеличению доли каменных углей в топливно-энергетическом балансе страны.
Флотационная активность собирателей, как показывают исследования, может быть увеличена за счет использования дополнительных реагентов-модификаторов из числа различных сополимеров. Их применение, в сравнительно малых количествах, позволяет заметно повысить выход и качество концентрата, снизить потери угля в отходы и расход собирателей. Однако разработке и широкому применению модификаторов препятствует отсутствие ясного представления о механизме их активирующего действия, а также недостаточный ассортимент растворимых в воде сополимеров, удобных в ис пользовании. В связи с этим, поиск новых модификаторов из числа водорастворимых сополимеров, установление механизма их действия и разработка на этой основе реагентных режимов флотации угля, позволяющих использовать даже недорогие низкоэффективные собиратели, является актуальной научно-технической задачей.
Разработке новых реагентных режимов флотации углей, а также теории флотации большое внимание было уделено в работах И.Н. Плаксина, В.И. Классена, В.А. Глембоцкого, В.А. Чантурия, В.И. Мелик-Гайказяна, Н.С. Власовой, Ю.Б. Рубинштейна, В.Н. Петухова, А.А. Байченко и др. отечественных и зарубежных учёных.
Цель работы - повышение технико-экономических показателей флотации каменных углей за счет использования новых реагентных режимов.
Задачи исследования: -установление влияния группового химического состава нефтепродуктов на их собирательную способность при флотации угля;
-исследование синтезированных водорастворимых сополимеров с разным строением аполярной части, характером и количеством функциональных групп в качестве модификаторов-активаторов при флотации углей различных марок;
-выявление механизма действия модификаторов в процессе флотации углей;
—разработка новых реагентных режимов флотации углей на основе использования модификаторов из числа водорастворимых сополимеров.
Идея работы заключается в исследовании влияния молекулярного строения водорастворимых сополимеров на их флотационную активность с целью использования в качестве модификаторов, активирующих флотацию углей.
Объекты исследования:
-рядовые каменные угли крупностью -0,5 мм различной стадии метаморфизма, а также угольные шламы, являющиеся исходным питанием флота ции центральной углеобогатительной фабрики (ЦОФ) «Сибирь» и УОФ КХП ОАО «Северсталь»; -собиратели из числа нефтепродуктов с различным групповым химическим составом, а также модификаторы из числа водорастворимых сополимеров с разным строением аполярной части макромолекул, характером и количеством функциональных групп.
Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследований: определение дисперсности эмульсии собирателей в жидкой фазе пульпы, а также петрографического состава углей с помощью графического анализатора изображений SIAMS 600; инфракрасная (ИК-) спектроскопия угольной мелочи по методике «Спектротест»; расчет электронных плотностей и зарядов атомов макромолекул модификаторов в программе Ну-perChem 7.0; измерение силы отрыва угольной частицы от пузырька воздуха; измерение электрокинетического потенциала ( -потенциала) угольных частиц; измерение краевых углов смачивания полированной угольной поверхности методом висячего пузырька; измерение оптической плотности эмульсии собирателя с помощью фотоколориметра; беспенная флотация в монопузырьковом аппарате; флотация в лабораторной машине механического типа.
Научная новизна работы:
1. Основной причиной эффективного действия водорастворимых сополимеров метилметакрилата с метакриламидом и с аммонийной солью метакри-ловой кислоты (дэман), метилметакрилата с метилметакрилатэтаноламидом (флучан), а также тримеров и тетрамеров изобутилена, входящих в состав собирателя - тяжелого полимер-дистиллята (УГФ), — при флотации углей является строение их молекул, представляющих собой сегменты, связанные группами -СНг- и состоящие из атома углерода, соединённого с метальным радикалом и группой, взаимодействующей с угольной поверхностью.
2. Выявлено различное влияние расхода модификаторов дэман, флучан и сополимера нонилфенола и окиси этилена (ПАВ-2) на флотацию угольной мелочи и изменение физико-химических свойств её поверхности, что позволило установить механизм их действия:
- при расходах от 0,01 до 1,00 г/т (710"-7 10"ммоль/л) функциональные группы макромолекул модификаторов вступают во взаимодействие, по-видимому, электростатического характера, как при образовании водородной связи, с адсорбционно-активными кислородсодержащими группами угольной поверхности, вследствие чего молекулы модификатора ориентируются аполярными радикалами в жидкую фазу, что приводит к повышению гидрофобности поверхности угля и увеличению показателей флотации;
- при расходах более 1,0 г/т происходит обратно ориентированная сорбция избыточного количества молекул модификатора, что приводит к повышению гидрофильности поверхности угля и депрессии флотации.
3. Установлена линейная зависимость повышения оптимального расхода модификатора дэман (от 0,01 до 0,50 г/т) при флотации углей различной стадии метаморфизма от увеличения содержания кислорода в их органической массе.
Практическая значимость работы заключается в том, что использование для флотации углей различной стадии метаморфизма водорастворимых сополимеров дэман, флучан и ПАВ-2 в качестве модификаторов позволяет повысить эффективность процесса с применением недорогих низкоэффективных собирателей. В результате извлечение горючей массы в концентрат повышается на 3-6 % при одновременном увеличении зольности отходов на 1-10 %, а расход собирателей снижается на 10-16 %. Реализация результатов работы.
Разработанный реагентный режим на основе использования водорастворимого сополимера дэман проверен в лабораторных условиях при флотации обогащаемого на УОФ КХП ОАО «Северсталь» угольного шлама. Ожидаемый экономический эффект составляет 16,4 млн. руб./год. Научные положения диссертации отражены в содержании курса лекций, читаемых при подготовке инженеров по специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» в ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в работе, подтверждается использованием современных методов исследований, воспроизводимостью-и сопоставимостью результатов теоретических и практических исследований, а также высокой вероятностью доверительных интервалов.
К защите представляются следующие основные положения:
1. Использование при флотации каменных углей водорастворимых сополимеров дэман, флучан и ПАВ-2 в качестве модификаторов при их подаче в кондиционирование пульпы перед собирателем и пенообразователем в количестве 0,01-1,00 т/т (7 10"7-7 10І імоль/л) позволяет повысить технологические показатели процесса.
2. Модификаторы дэман, флучан и ПАВ-2 при их оптимальном расходе повышают гидрофобность угольной поверхности, упрочняют комплекс «частица-пузырек» и увеличивают дисперсность эмульсии собирателя, что приводит к повышению показателей флотации и снижению расхода собирателей. При расходах выше оптимального модификаторы повышают гидро-фильность угольных частиц и уменьшают прочность флотационного комплекса.
3. Расход модификатора дэман, при котором достигаются лучшие показатели флотации каменных углей, линейно уменьшается от 0,50 до 0,01 г/т при увеличении стадии их метаморфизма от II до VI, что может быть использовано в качестве критерия определения оптимального расхода модификатора при разработке новых реагентных режимов.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на V и VI Конгрессах обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2005, 2007 г.), 4-й Международной научной школе молодых ученых и специалистов (ИПКОН РАН, Москва, 2007), IV Международной научной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 2006 г.), X Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири — «Сибресурс 2004» (г. Кемерово, 2004 г.), Научном симпозиуме «Неделя горняка-2005» (г. Москва, 2005 г.), VII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия, химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2006 г.), Всероссийской научной конференции «Проблемы повышения экологической безопасности производственно-технических комплексов промышленных регионов» (г. Магнитогорск, 2004 г.), а также на научно-технических конференциях, прошедших В ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» и ОАО «ММК» по итогам научно-исследовательских работ (г. Магнитогорск, 2004-2005 гг.). Часть исследований выполнена при поддержке программы Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «УМНИК-2007».
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 научных статьях и 1 патенте на изобретение.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержание работььизложено на 138 страницах машинописного текста, включая 19 рисунков, 23 таблицы, а также библиографический список, содержащий 111 наименований.
Личный вклад автора заключается в анализе существующего уровня развития флотации каменноугольной мелочи с целью выбора направлений и методик для изучения механизма действия модификаторов, в проведении исследований, а также в установлении механизма действия модификаторов и разработке на этой основе новых эффективных реагентных режимов флотации углей.
Физико-химические свойства каменных углей и их влияние на флотацию
Поверхность каменных углей не является эквивалентной вследствие неоднородности химического состава и молекулярного строения угольного вещества, а также наличия пор, минеральных включений и шероховатости, что оказывает влияние на элементарный акт флотации [83].
При исследовании характеристик смачивания водой поверхностей с различной степенью химической неоднородности, а также при изучении сил отрыва пузырька воздуха от химически чистых поверхностей и химически неоднородных смесей установлено, что природа поверхности существенным образом влияет на характеристики ее смачивания и является определяющей для сил, действующих при отрыве пузырька воздуха от поверхности [32, 84].
В настоящее время на основе анализа многочисленных экспериментальных материалов и работ, посвященных изучению структуры и свойств каменных углей, предложена обобщенная модель среднестатистической структурной единицы органической массы, которая, отражая ее главные особенности, не конкретизирует химическое строение [85]. Модель содержит пять структурных фрагментов: конденсированные ароматические кольца (от одного до пяти), циклоалкановые фрагменты, функциональные группы (—ОН; -СООН; -NH2; -SET), алкильные заместители и «мостиковые» группы {-(СН2)П-; -О-; -0-СН2-; -NH-; -S-; -СА-}. Общность модели состоит в том, что она учитывает изменение соотношения структурных фрагментов в зависимости от стадии метаморфизма угольного вещества. Так, с ростом стадии метаморфизма органической массы углей количество конденсированных ароматических колец увеличивается, а циклоалкановых фрагментов, функциональных групп, алкильных заместителей и «мостиковых» групп - уменьшается. Достоинством данной модели является отражение самых значимых элементов макромолекулы угольного вещества, в наибольшей степени влияющих на смачивание угольных частиц водой, адсорбцию реагентов на их поверхности, а также на образование комплексов «частица-пузырек» при флотации твердых горючих ископаемых.
Анализ современных данных о строении органической массы углей, позволил выдвинуть новую концепцию надмолекулярного строения угольного вещества — мультимерную модель [85]. Основу этой концепции составляет постулат о множественности невалентных взаимодействий в структуре органической массы углей, обуславливающих связывание между собой отдельных органических и органоминеральных блоков с различной молекулярной массой и разнообразной химической структурой. Под невалентными взаимодействиями авторы работы [85] понимают межмолекулярные взаимодействия, условно делящиеся на два типа. Первый - приводит к образованию направленных квазихимических связей, обусловленных наличием в молекулах функциональных групп. К таковым относятся комплексы с переносом заряда и комплексы с водородной связью. Второй тип взаимодействия, который является универсальным и существует для всех без исключения молекул, назы вается ван-дер-ваальсовым. К нему относятся ориентационные, индукционные и дисперсионные взаимодействия.
При определении степени влияния реагентов в процессе флотации углей на величину адсорбции, прочность закрепления и избирательность действия реагентов Поповой Л.А. и Гиревой Х.Я. было установлено, что гете-роатомы макромолекул органической массы резко различаются по величине заряда в зависимости от того, где они расположены в молекуле [86]. Например, для кислорода заряд изменяется от -0,4399 до -0,1229 е. Кроме того, ге-тероатомы во многом определяют смещение электронной плотности в образующемся комплексе, но сами при этом не всегда являются центрами взаимодействия. Так, атомы азота и серы не являются реакционными центрами, однако в значительной мере влияют на характер взаимодействия. Наиболее активным из гетероатомов является кислород [86].
Несмотря на наличие существенных достижений в раскрытии вопроса о строении каменных углей, некоторые его практические аспекты освещены недостаточно. Некоторые исследователи объясняют повышение флотационных свойств углей при переходе от низкой стадии метаморфизма к средней уменьшением содержания гидрофильных функциональных групп, а также изменением пористости и характера пор. Снижение флотируемости при переходе к тощим углям и антрацитам объясняется ими удалением в процессе метаморфизма наиболее гидрофобных компонентов углей - углеводородов [41]. Другие, наоборот, связывают изменение флотационной активности углей главным образом с их надмолекулярной структурой, а не с молекулярным строением [87].
Костромитиным А.В. предпринята попытка установить корреляционную зависимость выхода и зольности концентрата от выхода и зольности легких фракций угля ( 1350 кг/м3 и 1350-1400 кг/м3) при флотации [88]. Показано, что деление по плотности 1350 кг/м3, выявляет различие двух групп витринитов углей, отличающихся содержанием углерода и атомными соотношениями Н/С, О/С, N/C. С увеличением плотности теряются в ароматиче 34 ских соединениях группы -ОН, -СООН, -СНз, что несомненно приводит к изменению поверхностных свойств и, тем самым, к различию во флотации угля. При определении возможности флотационного разделения шламов обогатительной фабрики «Нерюгринская» установлено, что трудноразделимые, с точки зрения гравитационной технологии, промежуточные фракции не являются труднообогатимыми для флотации, так как в значительной мере представлены низкозольными агломератами с более плотными фракциями витри-нита, что позволило исключить операцию контрольной флотации [89].
Физико-химические свойства реагентов для флотации угля
Несмотря на то, что уголь является гидрофобным, флотация угольных частиц возможна только при использовании специальных реагентов. Анализ работ по исследованию реагентов для флотации углей (см. гл. 1) указывает на отсутствие единого мнения о том, какой из физико-химических параметров реагента наиболее полно отражает его флотационную активность, поэтому были исследованы реагенты из числа нефтепродуктов, имеющие различные физико-химические свойства и групповой химический состав.
На основании анализа работ по совершенствованию реагентных режимов флотации каменных углей установлено, что лучшие флотационные свойства будут проявлять модификаторы из числа водорастворимых сополимеров метилметакрилата и производных метакриловой кислоты (см. гл. 1). В работе были исследованы в качестве модификаторов синтезированные водорастворимые сополимеры на основе метилметакрилата, амида и этаноламида, а также натриевой и аммонийной солей метакриловой кислоты. Для сравнения действия модификаторов на флотацию угля были также синтезированы и исследованы водорастворимые сополимеры на основе пиперилена, стирола, г\[,1М-диметил-3,4-метиленпирролидина, нонилфенола и окиси этилена, отличающиеся строением макромолекулы, характером и количеством в них функциональных групп.
Измерение силы отрыва угольной частицы от пузырька воздуха В камере флотационной машины, вследствие наличия мощных турбулентных потоков, на прилипшую к воздушному пузырьку угольную частицу постоянно воздействуют отрывающие усилия. Одной из функций флотационных реагентов является обеспечение необходимого запаса прочности комплекса «частица-пузырек» для успешного выноса частицы в пенный слой. В связи с этим влияние предварительной обработки угольных частиц реагентами-модификаторами на прочность флотационного комплекса изучалось путем измерения силы отрыва угольной частицы от пузырька воздуха. Измерения производили на разработанной в Кузбасском государственном техническом университете установке, общий вид которой представлен на рисунке 2.5 а. Установка состоит из торсионных весов 5, коромысло 3 которых жестко соединено тонкой стеклянной нитью с держателем частицы, помещенным в кювету. Держатель частицы имеет противовес и свободно перемещается в , вертикальной плоскости кюветы. Вал торсионных весов 5 соединен через редуктор, имеющий большое передаточное число (рис. 2.5 б) с электродвигателем. Благодаря такой конструкции вторичный вал редуктора, после выключения питания электродвигателя, останавливается мгновенно.
Определение силы отрыва угольной частицы от пузырька воздуха производили по следующей методике. Угольную частицу диаметром 3-4 мм неподвижно закрепляли на держателе и помещали в кювету с дистиллированной водой или раствором модификатора при температуре 18-20 С. Время адсорбции модификатора на угольной частице составляло одну минуту. Затем под держатель 4 вдували пузырек воздуха 1 диаметром 2 мм и осуществляли контакт поверхности угольной частицы с пузырьком путем перемещения держателя пузырька воздуха. После этого фиксировали нагрузку на шкале торсионных весов 5 и включали электродвигатель. В момент, когда происходил отрыв частицы от пузырька, электродвигатель отключали и снова фиксировали показания весов. Измерения повторяли не менее трех раз. Среднее арифметическое разностей показаний торсионных весов в пределах одной серии измерений принимали за силу отрыва угольной частицы от пузырька воздуха.
С целью исключения влияния силы Архимеда на значение измеряемой силы отрыва, производили отрыв угольной частицы вниз от неподвижного пузырька воздуха. Возможное искажение результатов измерения за счет действия релаксационного механизма упрочнения контакта частица-пузырек устранялось путем использования равновесных пузырьков воздуха при каждом новом измерении. Концентрация модификаторов в пределах серии измерений изменялась от меньшего ее значения к большему путем добавления; новых количеств реагента. Статистическая оценка полученных результатов показала, что ширина доверительного интервала при вероятности 95% составляет 2 мН.
Определение дисперсности эмульсии реагента-собирателя Для повышения эффективности действия и снижения расхода1 аполяр-ных собирателей при? флотации угольной мелочи возникает необходимость подачш их в виде водных, эмульсий, поскольку, чем меньше размер капель эмульсии собирателя; тем выше вероятность столкновения его капель с угольными; частицами. Однако, согласно [96], увеличение дисперсности эмульсии собирателя негативно сказывается на ходе процесса из-за резкого повышения:границы раздела фаз «собиратель-вода»,.способной адсорбировать растворенный; в. пульпе реагент-пенообразователь. Результаты, много-численных исследований -показывают, что оптимальный размер? капель эмульсии аполярных собирателей пршфлотациилежит в пределах 4-8 мкм.
Влияние модификаторов? на распределение собирателя в жидкой фазе пульпы определяли посредством измерения дисперсности эмульсии собирателей:. Дисперсионную» среду эмульсии? готовили: путем; фильтрации жидкой фазьыгульпы после контакта угольного шлама с водой; что позволило учесть возможное влияние ионного состава пульпы на дисперсность эмульсии собирателя при сравнении результатов1 измерения. Время перемешивания угля с водой составляло две минуты, а время кондиционирования, угольной пульпы с модификатором и время эмульгирования собирателя составляло одну минуту. Отрезки времени, выбраны такие же, как и в методике проведения лабораторной флотации.
Для серии измерений готовились эмульсии с равной концентрацией дисперсной фазы. Полученную эмульсию собирателя в объеме одной; капли, помещали на предметное стекло микроскопа МИН-9 и стабилизировали вод 56 ным раствором желатина. Вместо окуляра в микроскоп устанавливалась цифровая камера с высокой разрешающей способностью, после чего производили цифровое фотографирование различных участков площади, занимаемой эмульсией. Обработку цифровых фотографий производили при помощи промышленного аппаратно-программного комплекса обработки и анализа изображений SIAMS-600, обеспечивающего профессиональную обработку произвольных видеоизображений, распознавание и анализ изображенных предметов, а также формирование графических отчетов по результатам анализа.
Определение краевого угла смачивания водой угольной поверхности Метод флотационного разделения минералов основан на различии в смачивании их жидкостью, в частности водой для пенной флотации. Смачивающая способность воды и ее адгезионное взаимодействие с угольной поверхностью, как известно, определяется в основном состоянием последней. Природу поверхности твердого тела, а значит, и характер контактного взаимодействия его со смачивающей жидкостью можно изменять посредством модифицирования поверхности, например, при адсорбции на ней водных растворов ПАВ. В результате адсорбции ПАВ изменяется не только значение равновесного краевого угла смачивания, но и скорость растекания смачивающей жидкости [97].
Влияние молекулярной структуры водорастворимых сополимеров на их действие в качестве модификаторов
Анализ опубликованных данных о действии модификаторов, активирующих флотацию углей (см. гл. 1) показал, что основное назначение таких реагентов заключается в улучшении флотационной активности собирателей. При этом не полностью раскрыты вопросы о влиянии молекулярного строения модификаторов на эффективность их действия. В связи с этим, в данной работе были исследованы водорастворимые сополимеры как на основе производных метакриловой кислоты, так и другие (см. гл. 2), отличающиеся строением макромолекул, а также количеством и характером функциональных групп.
При флотации угольной мелочи технологической марки К разреза «Первомайский» с использованием сополимера ПАВ-2 установлено, что его подача в кондиционирование пульпы перед основными реагентами в количестве 0,01-0,10 г/т позволяет увеличить выход концентрата на 1,0-1,6 % при одновременном повышении зольности отходов на 2,3-4,7 % по сравнению с показателями флотации без модификатора (табл. 3.3). Анализ результатов флотации с использованием собирателя мотоалкилат (1,1 кг/т) и пенообразователя КОБС (0,08 кг/т) угля технологической марки КСН разреза «Черниговский» в присутствии сополимера np-S02, а также угля марки КС разреза «Барзасский» с применением сополимера урпас показал, что использование указанных сополимеров в качестве модификаторов при их расходе от 0,01 до 10,00 г/т не оказывает существенного влияния на технологические показатели процесса (табл. 3.4).
Результаты флотации угольного шлама ЦОФ «Сибирь» в присутствии водорастворимых сополимеров, подаваемых в процесс кондиционирования пульпы перед собирателем и пенообразователем, показали, что использование модификаторов из числа производных метакриловой кислоты дэман и флучан приводит к увеличению выхода концентрата на 0,7-0,8 % по сравнению с базовым реагентным режимом, а использование сополимеров пр-мак-Na, CT-Ma-NHU и урпас, наоборот, снижает показатели флотации (табл.3.5).
Рассматривая молекулярную структуру исследованных водорастворимых сополимеров, следует отметить, что в них содержатся эфирные, сложно-эфирные и амидные функциональные группировки, которые, согласно [103], обладают высокими значениями силовых полей и дипольных моментов, что обуславливает возможность их взаимодействия с функциональными группами других молекул. Вместе с тем, установлено, что на поверхности ОМУ присутствуют кислородсодержащие группы (см. гл. 2), которые, согласно [85], могут вступать во взаимодействие с другими функциональными группами, образуя комплексы с переносом заряда или с водородной связью. Это позволяет предположить, что функциональные группы макромолекул сополимеров вступают во взаимодействие, по-видимому, электростатического характера, как при образовании водородной связи, с кислородсодержащими группами угольной поверхности, в результате чего аполярная часть макро молекулы сополимера оказывается ориентированной в сторону гидратного слоя [104]. Как показывает анализ работ по исследованию реагентов для флотации угля (см. гл. 1), наиболее глубоко дезинтегрируют гидратный слой и значительно повышают гидрофобность угольной поверхности реагенты, углеродная цепь молекул которых имеет разветвление у атомов углерода, связанных непосредственно центрами адсорбции молекул, за счет которых они закрепляются на угле. Поэтому повышение технологических показателей флотации углей происходит при использовании водорастворимых сополимеров на основе производных метакриловои кислоты дэман и флучан, имеющих такое строение, а также в присутствии сополимера ПАВ-2, имеющего высокогидрофобный алкилзамещенный ароматический радикал.
Расчет в программе HyperChem 7.0 зарядов атомов в мономерах молекул соединений дэман, ПАВ-2, а также пр-мак-Na показал, что максимальная разность зарядов между разноименно заряженными атомами достигается в функциональных группах сополимера пр-мак-Na (см. приложение 1, табл. 1.1). Это указывает на увеличенный дипольный момент и повышенное силовое поле его функциональных групп, что, согласно [93], должно в большей мере способствовать их взаимодействию с кислородсодержащими группами угольной поверхности по сравнению с функциональными группами сополимеров дэман и ПАВ-2. Однако использование пр-мак-Na в качестве модификатора не позволяет увеличить технологические показатели флотации угля (табл. 3.3), что подтверждает доминирующее влияние на процесс именно строения аполярной части молекул сополимеров, а также указывает на правильность выбора направления синтеза и исследования в качестве модификаторов водорастворимых сополимеров на основе производных метакриловои кислоты. Кроме того, от строения химических соединений зависит их поверхностная активность, на что указывается в работе [93].
Таким образом, существенное влияние на флотацию каменноугольной мелочи в присутствии модификаторов из числа водорастворимых сополимеров оказывает строение аполярной части макромолекул таких реагентов. При этом повысить технологические показатели флотации позволяет использование сополимеров дэман и флучан на основе производных метакриловой кислоты, а также ПАВ-2 на основе нонилфенола и окиси этилена, что делает целесообразным дальнейшее исследование эффективности применения указанных соединений в качестве модификаторов, активирующих флотацию.
Использование модификаторов - дэмана, флучана и ПАВ-2, которые являются ПАВ, при флотации углей может изменить не только физико-химические свойства твердой поверхности, но и свойства поверхности «апо-лярный реагент - вода» в случае их адсорбции. Характер таких изменений зависит от количества ПАВ в растворе, от свойств поверхности, на которой происходит адсорбция [103], а также от вида кислородсодержащих групп реагента [105]. Поэтому исследование влияния порядка подачи модификаторов в кондиционирование пульпы, а также их расхода на технологические показатели флотации позволит определить условия достижения максимального эффекта от применения модификаторов и обозначить направления исследования механизма их действия.
Разработка реагентного режима флотации каменноугольной мелочи
С целью лучшей адаптации к применению в промышленной практике флотации реагентных режимов на основе использования водорастворимых сополимеров были проведены исследования по совершенствованию флотации угольной мелочи, перерабатываемой во флотационном отделении УОФ КХП ОАО «Северсталь». При разработке нового реагентного режима в качестве собирателя и пенообразователя использовали нефтепродукты ТС-1 и ВПП-86, применяемые на фабрике, а в качестве модификатора - водорастворимый сополимер дэман.
Результаты флотации угольного шлама УОФ КХП ОАО «Северсталь» при различных расходах пенообразователя ВПП-86 и постоянном расходе собирателя ТС-1 показали, что с увеличением количества пенообразователя наблюдается повышение выхода концентрата и извлечения горючей массы в концентрат при снижении селективности процесса (табл. 4.2).
Так, при расходе ВПП-86 в количестве 0,06 кг/т выход концентрата увеличивается на 3,7 %, а извлечение горючей массы в концентрат на 3,5 % при одновременном повышении зольности концентрата на 0,6 %, по сравнению с расходом пенообразователя 0,03 кг/т (табл. 4.2). При этом 0,03 кг/т пенообразователя ВПП-86 недостаточно для получения удовлетворительных показателей флотации угля. В случае увеличения расхода пенообразователя до 0,08 кг/т показатели флотации ухудшаются, что выражается в повышении зольности концентрата на 0,3 %, снижении извлечения минеральных компонентов в отходы на 2,1 % с одновременным снижением коэффициента селективности процесса на 0,012 по сравнению с расходом ВПП-86 в количестве 0,06 кг/т (табл. 4.2).
Следует отметить, что зольность полученных концентратов (табл. 4.2) из-за легкой степени обогатимости данной угольной мелочи и низкого содержания в ней минеральных компонентов, даже при практически полном извлечении угольных частиц (86-87 %), не превышает значения 5,3 % и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к концентратам, поступающим на коксование. В связи с этим, необъективный анализ полученных результатов может привести к ошибочному выбору расхода ВПП-86 в пределах 0,06-0,08 кг/т, при котором снижается извлечение минеральных компонентов в отходы на 5,1-7,2 % при одновременном уменьшении коэффициента селективности на 0,014-0,105 (табл. 4.2). При таких расходах реагент ВПП-86 проявляет собирательные свойства по отношению к сильно минерализованным угольным частицам, на возможность чего указывается в работах [25,41]. Для основного назначения пенообразователя при флотации, заключающегося в снижении поверхностного натяжения на границе «жидкость-газ», повышении дисперсности пузырьков воздуха в пульпе, противодействии их коалесценции и стабилизации размеров, а также увеличении числа угольных частиц, закрепившихся на пузырьках [41], достаточно использовать ВПП-86 в количестве 0,04 кг/т. При этом наблюдаются оптимальные показатели разделения угольных и минеральных частиц (табл. 4.2).
Результаты исследований влияния расхода собирателя ТС-1 на флотацию угольного шлама УОФ КХП ОАО «Северсталь» при постоянном расходе ВПП-86 (0,04 кг/т) позволили установить асимптотический характер зависимости между выходом концентрата и расходом собирателя (рис. 4.8, кривая 1). Так, при увеличении расхода собирателя с 1,4 до 1,9 кг/т выход концентрата повышается с 82,3 до 87,0 % (рис. 4.8, кривая 1) при одновременном повышении его зольности с 4,3 до 5,4 % (рис. 4.8, кривая 2). Увеличение расхода ТС-1 до 2,1 кг/т не приводит к существенному повышению выхода концентрата, однако увеличивает его зольность до 5,6 % (рис. 4.8, кривая 1). При этом близость значений выхода концентрата (около 87,0 %), полученных при расходах собирателя ТС-1 в количестве от 1,9 до 2,1 кг/т, указывает на пре по
Расход модификатора дэман (0,1 г/т) для флотации угольной мелочи УОФ КХП ОАО «Северсталь» выбран согласно установленной зависимости оптимального расхода указанного сополимера от стадии метаморфизма углей (см. гл. 3, п. 3.4). Результаты флотации с использованием модификатора дэман при различных расходах собирателя ТС-1 показали, что количества собирателя 1,65 кг/т не достаточно для полного извлечения угольных частиц. При этом выход концентрата составляет 86,3 % (табл. 4.3), что несколько ниже его возможного значения 87 % (рис. 4.8, кривая 1). Лучшие технологические показатели флотации в присутствии дэмана достигаются при расходе ТС-1 1,72 кг/т, на что указывает снижение, при равном выходе концентрата, зольности отходов на 1,1 %, а также уменьшение коэффициента селективности разделения на 0,012 при увеличении расхода собирателя до 1,90 кг/т (табл. 4.3). Следует отметить, что реагентный режим с использованием модификатора дэман, собирателя ТС-1 и пенообразователя Bill 1-86 также мо Таблица 4.3
Таким образом, новый реагентный режим для условий УОФ КХП ОАО «Северсталь», предусматривает предварительное кондиционирование пульпы водорастворимым сополимером дэман в количестве 0,1 г/т, дробную подачу собирателя ТС-1 при общем расходе 1,72 кг/т, а также использование пенообразователя ВПП-86 в количестве 0,04 кг/т.
Полученные технологические показатели флотации позволяют рассчитать ожидаемый экономический эффект применения нового реагентного режима в условиях УОФ КХП ОАО «Северсталь». Расчет экономической эффективности произведен в соответствии с методикой, разработанной Центральным научно-исследовательским институтом экономики и научно-технической информации угольной промышленности для определения эффективности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений.
Зольность исходного питания, поступающего во флотационное отделение углеобогатительной фабрики, также как и зольность получаемых концентратов, могут отличаться в зависимости от качества обогащаемых рядовых углей, поступающих в различные периоды на фабрику, что делает расчет экономической эффективности предлагаемого реагентного режима довольно затруднительным. Предложенная методика позволяет привести качественно-количественные показатели флотации каменноугольной мелочи к одному из сравниваемых вариантов и значительно облегчить задачу.
Разработанный новый реагентный режим флотации исходного питания УОФ КХП ОАО «Северсталь» предполагает расходы реагентов: собирателя ТС-1 в количестве 1,72 кг/т, пенообразователя ВПП-86 - 0,04 кг/т, модификатора дэман - 0,1 г/т. При этом выход концентрата зольностью 5,5 % составляет 87,1 % при зольности отходов флотации 69,1 % (табл. 4.4).
