Сергєєв Павло Всеволодович. Розвиток наукових основ селективної флокуляції вугілля гі-дрофобними органічними реагентами

Короткий опис

Сергєєв Павло Всеволодович. Розвиток наукових основ селективної флокуляції вугілля гі-дрофобними органічними реагентами. : Дис... д-ра наук: 05.15.08 2008

Сергєєв П.В. Розвиток наукових основ селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.08 „Збагачення корисних копалин” Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.
На основі феноменологічного та імовірнісного підходу розроблені структурні моделі процесів селективної флокуляції тонкодисперсного вугілля маслами та синтетичними латексами. На базі цих моделей та основних теоретичних положень колоїдної хімії, фізико-хімічної гідродинаміки та вуглехімії розвинуто наукові основи процесів селективної флокуляції вугілля, зокрема, розкриті закономірності плівково-адгезійного та місточкового механізмів вибіркової агрегації органічної маси вугільних шламів маслами та синтетичними латексами відповідно. При цьому розглянуті як загальні, притаманні обом різновидам процесу, так і специфічні особливості механізму флокулоутворення, обумовлені відмінностями в природі та властивостях масляних та латексних реагентів. На основі планованого експерименту одержано і проаналізовано сімейство математичних регресійних моделей процесів селективної флокуляції вугілля маслами і латексами, які розкривають закономірності цих процесів, дозволяють оцінити характер та ступінь впливу на них основних технологічних факторів та забезпечують орієнтовний технологічний прогноз результатів флокуляції. Здійснено апробацію технологій селективної флокуляції на стендових установках та в умовах вуглезбагачувальних фабрик.

В дисертаційній роботі вирішена важливанаукова проблемавстановлення закономірностей формування вугільних флокул за різними механізмами їх утворення, а також якісних та кількісних залежностей процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами від технологічних параметрів. Встановлення закономірностей формування вугільних флокул дозволило обґрунтувати застосування гідрофобних реагентів (масел та синтетичних латексів) в якості селективних флокулянтів, вибирати режимні параметри процесів селективної флокуляції вугілля в залежності від властивостей сировини і вимог до якості продуктів збагачення, в цілому значно підвищити ефективність збагачення та зневоднення тонких класів вугільних шламів. Це забезпечило подальший розвиток теорії процесів селективної флокуляції вугілля маслами та синтетичними латексами, а також удосконалення на цій основі промислових технологій збагачення тонкодисперсного вугілля.
Основні наукові і практичні результати, висновки і рекомендації роботи полягають у наступному.
1. Процеси селективної флокуляції гідрофобними органічними реагентами є перспективним напрямком збагачення та зневоднення тонкодисперсних вугільних шламів. Однак, протиріччя та недостатність експериментальних досліджень, відсутність чітких теоретичних положень, низька надійність та обмеженість рекомендацій стримують широке використання цих процесів в промисловості.
2. Розроблені структурні (феноменологічні) моделі процесів селективної флокуляції вугілля маслами та синтетичними латексами. Аналіз моделей показав, що вони мають як загальні, притаманні обом різновидам процесу, так і специфічні, притаманні для кожного з них, закономірності механізму флокулоутворення, обумовлені відмінностями в природі та властивостях масляних та латексних реагентів.
3. Сумарне число зіткнень частинок вугілля і флокулянта буде визначатися проявом і відносним внеском різних механізмів їх зустрічей. Для зерен вугілля і частинок реагенту крупністю менш 10-100 мкм характерний турбулентний дифузійний механізм зустрічей, а для зерен і частинок крупністю більше 100 мкм - турбулентний інерційний. В «пристінних» шарах гідросуміші товщиною 30-200 мкм можливий градієнтний механізм зустрічей. Зростання інтенсивності турбулентного перемішування водовугольної гідросуміші з флокулянтом збільшує число зустрічей за найбільш ефективним інерційним механізмом.
4. Адгезійні контакти флокулянту з вугільною поверхнею обумовлені не тільки простою фізичною адсорбцією флокулянта за рахунок міжмолекулярних ван-дер-ваальсових сил, але й проявом специфічних і хімічних взаємодій, зокрема, водневих. Ці зв’язки різко збільшують міцність адґезії та визначають її вибірковість.
5. Міцність адгезійного закріплення масляного реагента на вугільних частинках тим вище, чим більша концентрація в реагенті і на вугільній поверхні кисневих функціональних груп, найпростіших і конденсованих ароматичних сполук з невеликою кількістю (не більше 2 або 3) бензольних ядер.
Флокулююча здатність реагентів-нафтопродуктів та їх композицій є функцією їх групового хімічного складу і властивостей. Вона зростає в міру збільшення густини, в'язкості, молекулярної маси індивідуальних сполук, а також вмісту ароматичних сполук.
Ефективність селективної флокуляції вугілля композиційними реагентами на основі продуктів коксохімії залежить від ступеня хімічної зрілості вугілля та ароматичності масляного флокулянта. По мірі зростання хімічної зрілості вугілля для його ефективної флокуляції потрібно підвищувати ступінь ароматичності композиційного флокулянта.
6. Залежності крупності вугільних флокул від тривалості селективної флокуляції носить двоступінчастий характер. Для першого ступеня характерний швидкий контакт зерен вугілля з реагентом на гідрофобних ділянках поверхні з виникненням первинних агрегатів. Після цього наступає найбільш тривалий період контактів первинних агрегатів за дифузійним механізмом. Вторинне укрупнення флокул (друга ступінь) обумовлене переходом від дифузійного до переважно інерційного більш ефективного механізму зустрічей первинних агрегатів.
Кінетична залежність вилучення вугільних фракцій у концентрат при селективній флокуляції синтетичними латексами змінює характер від екстремальної при низькій до убутної при високій зольності вихідного вугілля. Ця зміна обумовлена негативним впливом мінеральної компоненти на процес селективної флокуляції латексами.
7. Адгезійна міцність вуглелатексних комплексів тим вища, чим більший вміст у глобулах бутадієнового мономеру. Латекси з рівномірним розподілом електронної щільності між вуглецевими атомами полімерного ланцюга мають низьку флокуляційну здатність до вугілля. Адґезія латексів до вугілля зростає з підвищенням вмісту в полімері йонногенних груп. Особливою умовою для агрегаційної ефективності латексу є наявність у його макромолекулі подвійних С=С-зв’язків. Максимальна міцність вуглелатексних комплексів досягається на вугіллі середнього ступеню метаморфізму.
8. Вторинна агрегація обмаслених вугільних часток в мікрофлокули відбувається по аутогезійному механізму. Найбільша ефективність аутогезійного контакту досягається при контакті вугільних зерен по граничних шарах масляного реагенту, що мають максимальну когезійну міцність за рахунок структурованості адгезиву. Раціональні межі витрат флокулянта повинні забезпечувати товщину плівки флокулянта на твердій поверхні не більш 50-200 нм, оскільки подальше збільшення товщини плівки флокулянта практично не позначається на міцності закріплення масляного флокулянта на вугільній поверхні.
9. Розроблені аналітичні вирази для визначення раціональних витрат масляного флокулянта, ступеню покриття вугільної поверхні масляним флокулянтом та діаметру масляних крапель в залежності від фізико-хімічних характеристик вугілля і флокулянтів, а також конструктивних особливостей апаратів флокуляції та режиму перемішування.
10. При флокуляції вугілля латексами формування полімерних ланцюжків між вугільними частинками можливе при потенціалі поверхні латексних глобул не менше 50 мВ. При менших значеннях цього потенціалу латекси втрачають флокуляційну здатність внаслідок швидкого зникнення агрегаційної стійкості. Латекси з великим вмістом в полімерному ланцюгу дисоціюючих груп, які створюють високий енергетичний бар’єр відштовхування глобул, мають знижену флокуляційну здатність.
Міцність латексних місточків, що зв’язують вугільні частинки, визначається кількістю і крупністю глобул в зкоагульованій структурі, а також міцністю адгезійних і когезійних зв’язків „вугілля-латекс” та „глобула-глобула”.
Довжина латексних містків в межах 100-300 нм забезпечує максимальну міцність вуглелатексних флокулі, і, відповідно, селективність розділення. При довжині латексних містків менше 100 нм можливе ослаблення зв'язків між вугільними частинками у флокулі за рахунок посилення в зоні контакту іонно-електростатичних сил відштовхування. При довжині зв'язків більше 100-300 нм в зоні контакту зникають дальні взаємодії (притягування) вугільних часток у вторинному потенційному мінімумі за рахунок міжмолекулярних ван-дер-ваальсових дисперсійних сил. Одержаний в роботі аналітичний вираз дозволяє теоретично оцінити оптимальні межі витрат флокулянта залежно від властивостей вихідного вугілля, колоїдно-хімічних характеристик використовуваного синтетичного латексу і довжини місточкових зв'язків
11. Інтенсифікація процесу вакуумного фільтрування флотоконцентратів за допомогою латексів обумовлена значним (в десятки разів) зменшенням питомого опору осаду за рахунок агрегації тонкодисперсних вугільних частинок в мікрофлокули. Це суттєво збільшує пористість осаду, знижує його опір, внаслідок чого зростає швидкість фільтрації води.
12. На основі планованого експерименту за допомогою ПК одержано і проаналізовано сукупність математичних регресійних моделей процесів селективної флокуляції вугілля маслами і латексами, які розкривають закономірності зміни цих процесів, дозволяють визначити характер і ступінь впливу на них основних технологічних факторів, є експериментальною основою для вивчення їх механізмів і забезпечують орієнтовний технологічний прогноз результатів флокуляції в промислових умовах.
Дослідно-промислова апробація розроблених технологій селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами на ряді збагачувальних фабрик України свідчить про їх високу ефективність на широкій низці шламів коксівного та енергетичного вугілля і підтверджує достовірність теоретичних і експериментальних результатів роботи. Розрахунковий річний ефект від впровадження технології на ЦЗФ „Дзержинська” складає 2,35 млн. грн в цінах 2005 року.