CC BY
111
ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
УДК 504.064.4: 622.7
А. А. Байченко. А. В. Кардашов
ДЕЙСТВИЕ КОМПОЗИЦИЙ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ФЛОКУЛЯНТОВ ПРИ ОБЕЗВОЖИВАНИИ ФЛОТАЦИОННОГО УГОЛЬНОГО КОНЦЕНТРАТА
Широкое использование высокомолекулярных флоку-
лянтов в угольной промышленности, в частности для очистки сточных и оборотных вод, а также для улучшения фильтрационных свойств осадков отходов и угольных кеков, вызвало необходимость глубокого изучения физико-химических
свойств этих полиэлектролитов.
Одним из способов интенсификации процесса фильтрации флотационного концентрата является применение композиций катионных и анионных флокулянтов. В этом случае особое внимание уделялось таким свойствам водорастворимых полимеров, как адсорбция их на разделе фаз, механизм их действия при дестабилизации различных дисперсных систем. Однако механизм совместного действия катионного и анионного флокулянтов при фильтровании, например, угольного флотационного концентрата изучен недостаточно.
Первоначальный принцип взаимодействия полимеров с твердыми частицами (адсорбция на поверхности частиц) при осветлении и фильтровании практически является одинаковым, т. е. происходит объединение отдельных частиц в агрегаты под влиянием флокулянтов. Однако явления, наблюдаемые на последующих стадиях обоих процессов, существенно отличаются друг от друга. При осветлении суспензий под влиянием полимеров в жидкости обычно возникает ускоренное падение сформированных флокул. В этом случае необходимо
иметь чистый слив сгустителя, а не плотный осадок. В то время как при фильтровании важно получить обезвоженный продукт. В процессе фильтрования происходит просасывание воды, а затем и воздуха через созданный на фильтровальной перегородке слой из агрегированных частиц. В этом случае важную роль играют не только скорость фильтрации, но и чистота полученного фильтрата, конечная влажность и толщина кека
Для раскрытия механизма действия высокомолекулярных соединений (ВМС) при фильтровании флотоконцентрата целесообразно рассмотрение таких свойств полимеров, как их поверхностная активность в водных растворах, адсорбционная способность, а также особенности строения адсорбционного слоя на поверхности частиц, влияние полимеров на степень гидратации поверхности и их структурообразующая способность. Молекулы полимеров образуют серию повторяющихся групп атомов. Полимерная макромолекула может линейную или разветвленную структуру.
Как известно [1, 2], на поверхности минеральных частиц, погруженных в воду, образуется двойной электрический слой. С помощью электрокинетиче-ских методов, например, электрофореза [3,
4] можно определить электрокинетический потенциал (9, знак заряда и значение потен-
циала, действующего на поверхности частицы (рис. 1).
Ионы одноименного знака, связанные поверхностными силами в слое Штерна и двойном электрическом слое увеличивают электростатические силы отталкивания, что способствует стабилизации твердых частиц в суспензии. Изменение £- потенциала при адсорбции полимерных молекул может быть связано с возникновением адсорбционного скачка потенциала и (или) с движением плоскости скольжения в глубь жидкой фазы [5]. Известно [1], что для описания структуры ДЭС необходимо знание трех параметров
- потенциала поверхности - ус, потенциала слоя Штерна - ^ и электрокинетического потен-
циала - £.
Следует отметить, что существуют весьма разноречивые мнения о влиянии адсорбции полимеров на гидратирован-ность флокулируемых частиц [6-8]. Некоторые исследователи считают, что адсорбция макромолекул, происходящая путем
иметь закрепления лишь небольшого
Рис. 1. Строение двойного электрического слоя и величина С- потенциала на поверхности минеральной частицы
числа функциональных групп (сегментов) на твердой поверхности, должна вызывать ее гид-рофилизацию за счет значительной гидратной оболочки, которой обладает остальная часть молекулы, направленная в раствор [6]. В то же время снижение степени гидратации поверхности под действием полимеров [7, 8], можно объяснить ориентацией макромолекул,
подобной для низкомолекулярных ПАВ, т. е. когда в раствор обращены гидрофобные группы полимера [7, 8].
Очевидно процессы, происходящие при адсорбции полимерных молекул на поверхности раздела фаз настолько сложны, что о влиянии полимеров на степень гидратации поверхности частиц не всегда можно говорить однозначно. В зависимости от химического состава по-
лимера, его молекулярной массы, конформационных особенностей и концентрации в растворе, свойств адсорбента, ориентации в адсорбционном слое макромолекул и других факторов действие макромолекул на смачиваемость поверхности может быть различным. Так, например, неокисленные угли, характеризуемые сравнительно большими краевыми углами смачивания, являются естественно гидрофобными минералами, а степень гидратирован-ности угольной поверхности зависит от химического состава и строения этой поверхности. Причем у углей в основном преобладают ОН-группы. К соединениям, содержащим эти группы, присутствие которых возможно в угольном веществе
относятся: алифатические и
ароматические спирты, гидроперекиси, фенолы и хелаты [9]. Важным фактором, определяющим возможность флокуляции, является достаточно прочное связывание макромолекул с частицами, чему способствует образование водородных связей или химических соединений между активными центрами поверхности и функциональными группами флокулянта. В то же время образование избыточного числа контактов макромолекулы с поверхностью, приводящее к значительной деформации полимера при адсорбции, ухудшает условия флокуляции. Итак, влияние природы ВМС на флокуляцию в основном определяется характером адсорбционных взаимодействий макромолекул с поверхностью частиц. Но при этом нельзя не учиты-
вать и другие виды взаимодействия в сложной полимерсодержащей системе (полимер -растворитель, поверхность частицы - растворитель, частица -полимеры), влияющие на характеристики адсорбционных слоев ВМС и соответственно условия флокуляции дисперсий полимером.
Отдельные участки на поверхности угольной частицы могут быть гидрофильными. Как правило, это те места, где расположены функциональные кислородсодержащие группы, а также вкрапления глины кальцита и других гидрофильных минералов. На смачиваемость поверхности угля оказывают влияние степень его углефика-ции, петрографический состав, окисленность, а также адсорб-
ция некоторых газов. Все это и выделение гуминовых кислот [10], пептизирующих дисперсии, способствуют гидрофили-зации угольных частиц, что, несомненно, отражается на величине £- потенциала. При длительном контакта угля с водой величина £- потенциала, достигает - 40-50 мВ. Чем выше значения отрицательного £- потенциала, тем больше электростатические силы отталкивания, и тем меньше вероятность образования флокул. Поэтому необходимо сводить до минимума время пребывания угольных частиц в воде [11]. Сложность химического состава углей, их неоднородность и содержание различных минеральных примесей приводят к чередованию гидрофобных и гидрофильных участков. Поэтому гидрофиль-ность поверхности таких частиц будет зависеть от соотношения этих участков и их мозаичной структуры.
Известно [12], что оптимальные результаты интенсификации фильтрования достигаются при использовании комбинации флокулянтов, состоящей из 30 % катионактивного и 70 % анионактивного полимеров. Это соотношение полимеров использовалось и в нашей работе. Необходимо отметить, что на результаты обезвоживания флотоконцентрата так же влияют добавки катионных флокулянтов, которые, адсорбируясь на поверхности частиц, снижают их заряд и электроки-нетический потенциал [13] и способствуют уменьшению количества твердого в фильтрате за счет агрегации тонких угольных шламов с образованием плотных микрофлокул. Добавка анионного полимера приводит к образованию крупных флокул, которые увеличивают скорость фильтрования. При этом формирование вторичных флокул происходит по мостичному механизму связывания отдельных агрегатов через адсорбированный полимер.
В нашей работе основными
Таблица 1
Гранулометрическая характеристика флотоконцентрата
Классы, мм Выход угля, %
Марка К Марка Ж
+0,5 10 11
0,315-0,5 12,5 9,7
0,2-0,315 18,9 24
0,16-0,2 12,9 15,7
0,05-0,16 14 16,5
-0,05 31,7 23,1
Фильтрация флотоконцентрата
14
г
г
ге
ы
я>
ы
Ц= 12
::
з
с
о
10
30
20 о о
X
X
ги
с
Ш
10
0
10
20
30
40
Суммарный расход ВПК-402 + М 525, г/т (соответсвенно 30 % + 70 %)
б
Фильтрация флотоконцентрата
5
5
га"
х
е
к
а
н
и
3
л
о
Суммарный расход ВПК -402 + М 365 (соответсвенно 30 % + 70 %)
Рис. 2. Влияние применения катионного полиэлектролита ВПК- 402 в комбинации с высокомолекулярными анионными полимерами на фильтрацию флотационного концентрата]-уголь марки Ж, 2-уголь
марки К; ▲- влажность кека, ♦ - толщина кека.
а
Фильтрация флотационного
концентрата
Є
£ зо і п_
£
л \ ^ X, ■
% 25 ■
X ■*: 1 / 2 3 4
® 20
00
10 20 30
Суммарный расход Флокулянтов, г Л
а сответственно (30 % +70 X)
Фильтрация флотационного
£
£
Ш
га
С
о
Суммарный расход Флокулянтов, г/г сответственно (30 % +70 X)
Рис. 3. Влияние флокулянтов на фильтрацию флотоконцентрата марки Ж 1 - полиэтиленоксид, 2 - 2 7529 + 5250, 3 - ВПК-402 + полиэтиленоксид,
4 - 2 7504 + 333, 5 - 2 7504 +5250, 6 - 2 7529 + 525
объектами исследования были пробы флотационного концентрата марки Ж с зольностью 7,6 % и марки К с зольностью Ла = 8,8 % имеющие различные
классы крупности, которые были получены мокрым рассевом на лабораторных ситах (табл. 1). Суспензии готовились при содержании твердого 200 г/л, что соответствовало промышленному питанию вакуум-
фильтров.
В работе использовались высокомолекулярные флоку-
лянты: магнафлоки М 525, М 365 - анионные; магнафлок М 333, полиэтиленоксид - неионогенные; Зетаг Ъ 7504, Ъ 7529, ВПК-402 - катионные. Прове-
дены опыты по интенсификации фильтрования угольных частиц, к которым добавляли композиции водных растворов флокулянтов. Влажность кека определялась по методикам, описанным в статье [14].
Для фильтрации крупнозернистых угольных пульп применяют анионные полимеры. Но в настоящее время в угольной промышленности идет увеличение тонкодисперсных частиц в суспензиях, поэтому возникает необходимость применения катионных полиэлектролитов. При введении этих химических веществ в угольные дисперсии происходит коагуляция микрочастиц, которые
обычно загрязняют оборотные воды и ухудшают технологические процессы обогащения. Добавка в суспензию флотокон-центрата катионного флокулянта, а затем анионного высокомолекулярного полимера приводит к изменению структуры кека. Обезвоженный продукт получается более рыхлым и пористым, в результате чего отделяется большее количество влаги при фильтровании. Так как зарубежные флокулянты, как правило, дороже целесообразно было провести исследования с отечественным катионным полиэлектролитом ВПК-402.
Как видно из рисунка для кека марки Ж характерна мень-
шая влажность для композиции полиэлектролит ВПК-402 +
магнафлок М 525 (рис. 2. а), который более анионный по сравнению с полимером М Зб5 (рис. 2. б).
В качестве объекта сравнения при изучении влияния комбинаций флокулянтов (рис. 3) на влажность концентрата использовали полиэтиленоксид [15], который обладает линейной структурой цепи макромолекулы. Его воздействие на фильтрацию можно рассматривать как определенный эталон при изучении существующих флокулянтов (см. рис. 3. а)
Кроме того, взаимодействие анионного и катионного полимеров с поверхностью частиц происходит как физическим, так и химическим путями, а взаимодействие неионогенных -преимущественно физическим. Дальнейшие исследования проводились на флотационном концентрате марки Ж - у него большая степень метаморфизма по сравнению с углем марки К. Содержание твердого в фильтрате во всех опытах изменялось в пределах 10-25 г/л.
Закрепление флокулянта на угольных частицах, при котором одни группы полимера на-
правлены к поверхности, а гидрофобные - в водную фазу может привести к дегидратации поверхности, что справедливо для рассмотренных композиций флокулянтов. Таким образом, установлено, что применение комбинаций в области малых концентраций данных высокомолекулярных полимеров обеспечивает увеличение производительности вакуум-фильтра
при небольшой влажности кека за счет направленного дегидратирования поверхности угольных частиц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Запольский А. К., Баран А. А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: свойства, получение, применение. - Л.: Химия. 1987. 208 С.
2. Духин С. С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. - Киев. Наукова думка. 1975. 247 С.
3. Байченко А. А., Байченко Ал. А., Дудкина Л. М., Митина Н. С. Использование измерений дзета-потенциала для изучения гидратированности частиц дисперсных систем // Интенсификация процессов обогащения полезных ископаемых. - Новосибирск. 1982. С. 29-34.
4. Байченко А. А., Баран А. А., Митина Н. С., Кочерга И. И. Электроповерхностные характеристики и устойчивость суспензий угля марки К. // Химия твердого топлива. 1987. № 4. С. 107-110.
5. Еременко Б. В., Платонов Б. Э., Петров А. И. и др. Адсорбция ПОЭ и электрокинетический потенциал частиц сернистой сурьмы в водных растворах // Колодный ж. 1975. т. 37. № 6. С. 1083-1089.
6. Борц М. А. Теория и технологические факторы флокуляции угольных суспензий // Дис. на соиск. учен. степени докт. техн. наук. - М.: 1972.
7. Ахмедов К. С., Арипов Э. А., Вирская Г. М. и др. Водорастворимые полимеры и их взаимодействие с дисперсными системами. - Ташкент: АН УзССР. 1969.
8. Киселев Г. П., Сквирский Л. Я. Некоторые особенности флокуляции суспензии глин полиэтиле-ноксидом // В кн. Флотация растворимых солей.// Наука и техника - Минск. 1971. С. 81-86.
9. Каминский В. С., Соколова М. С., Сафронова К. И. и др. Исследование адсорбционной способности полиоксиэтилена // Проблемы обогащения твердых горючих ископаемых. 1975. вып. 2. С. 90-96.
10. Кухаренко Т. А. Современное состояние наших знаний о структуре и свойствах гуминовых кислот ископаемых углей.// Труды института горючих ископаемых, изд-во - М.: АН СССР. 1955.
11. Байченко А. А., Байченко Ал. А., Мельтинисов М. А. Исследование электроповерхностных свойств угольных частиц. // ФТРПИ.1985. № 2. С. 90-93.
12. Ackermann M. F. Die Siebbandpresse ihre Eigenschaften und Eignung fur den Einsatz im steinkohlen-bergbau.-Bergbau. 1978. 29. № 3. P. 104.
13. Байченко А. А., Байченко Ал. А., Мельтинисов М. А. Исследование электроповерхностных свойств угольных частиц. // ФТРПИ. 1985. № 2. С. 90-93.
14. Байченко А. А., Кардашов А. В. Интенсификация процесса фильтрования флотоконцентрата ЦОФ «Березовская». // Вестник КузГТУ. 2005. № 1. С. 54-56.
15. Байченко А. А., Баран А. А., Митина Н. С., Налепа В. Ф. Очистка оборотных вод углеобогащения методом флокуляции. // Химия и технология воды. 1985. т. 7. № 4. С. 38-42.
□ Авторы статьи:
Байченко Арнольд Алексеевич
- докт. техн. наук, проф. каф. обогащения полезных ископаемых
Кардашов Андрей Вячеславович
- аспирант каф. обогащения полезных ископаемых
