CC BY
94
© Г.В. Иванов, А.А. Байченко, В.И. Басарыгин, 2004
УДК 622.765. 061
Г.В. Иванов, А.А. Байченко, В.И. Басарыгин
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ АПОЛЯРНЫХ РЕАГЕНТОВ ПРИ ФЛОТАЦИИ УГЛЯ В ПРИСУТСТВИИ ФЛОКУЛЯНТОВ
Семинар № 21
~П последнее время в связи с ухудшением
X.# качества перерабатываемых углей все большее значение приобретает селективное извлечение тонких шламов из оборотной воды углеобогатительной фабрики. Это вызвано тем, что глинистые вещества породы рядовых углей при неэффективном их выводе из водношламовой схемы фабрики приводят к накоплению в оборотной воде большого количества высокозольных шламовых частиц, которые, попадая в пенный продукт флотации, увеличивают зольность концентрата. При фильтровании такого концентрата высокозольные глинистые шламы попадают в фильтрат и накапливаются в оборотной воде. Накопление илов в оборотной воде приводит к ухудшению всех технико-экономических показателей обогатительной фабрики.
Наиболее рациональным способом очистки оборотной воды, необходимой для обеспечения высокой эффективности работы всей фабрики в условиях жестко замкнутой водно-шламовой схемы, является использование эффективных флокулянтов и флотационных реагентов.
С увеличением содержания глинистых минералов в каменных углях и накопления большого количества частиц с высокой зольностью в регенерируемой воде возникает две проблемы - проблема вывода тонко-дисперсных частиц из оборотной воды фабрики за счет применения флокулянтов и проблема селективного разделения угольных и глинистых частиц флотацией в разбавленных гидросмесях с содержанием ми-
Рис. 1. Влияние концентрации флокулянта на показатели осветления суспензии: а-скорость осаждения частиц, мм/с, в- концетрация частиц (мг/л) в осветленном слое.
неральных частиц меньше чем 30-80 г\л. с применением селективно действующих флотационных реагентов.
На рис. 1 приведены результаты сравнения эффективности флокуляции при сгущении угольных суспензий по скорости осаждения и содержании твердого в осветленном слое. Установлено, что эффективность действия флокулянта по скорости осаждения частиц увеличивается в ряду: ВПК 402, <Магнафлок 525, <Праестол 2500. Эффективность флокулянтов при уменьшении содержания твердого в осветленном слое увеличивается в последовательности: ВПК 402, > Магнафлок 525, >Праестол 2500.
Из теоретических и экспериментальных исследований известно, что образование флокул минеральных частиц и агрегатов пузырек - частица определяется силами взаимодействия между частицами и гидродинамическими силами, действующими в аппарате. Решающим для устойчивости флокул в условиях турбулентности с учетом гидродинамического поля потока является баланс адгезионных сил и сил отталкивания. Если в системе твердое - жидкое - газ силы адгезии определяются, в основном, краевым углом смачивания, поверхностным натяжением и площадью контакта (с учетом размера частиц и пузырьков), то прочность флокулы
зависит, главным образом, от сил взаимодействия между частицами и от сил, возникающих в результате адсорбции макромолекул в процессе гидрофобной или мостиковой флокуляции.
Установлено [1], что при использовании полимерных флокулянтов радиус устойчивых флокул может составлять 50-100 мкм даже в сравнительно жестких гидродинамических полях ^ = 100-1000 с -1), которые имеют место во флотационных машинах. Характерно, что максимальный размер флокул, получаемых при использовании неорганических коагулянтов, на 1-2 порядка меньше, что, естественно, снижает их ценность [1].
Таким образом, можно заключить, что основным преимуществом полимерных флоку-лянтов является образование контактов частиц в агрегате повышенной прочности. Но при этом гидрофильные макромолекулы флокулян-тов, адсорбируясь на поверхности угольных частиц, уменьшают гидрофобность частиц и, тем самым, увеличивают время индукции и уменьшают вероятность результативного прилипания частиц к пузырьку. Кроме того, снижение гидрофобности угольных частиц уменьшает силы прилипания частиц к пузырьку воздуха. И это отрицательно повлияет на флотацию крупных угольных частиц.
Для проверки такого предположения были поставлены опыты по измерению сил отрыва частиц угля крупностью 0,5 - 1,0 мм от пузырька воздуха. На рис. 2 приведены результаты измерений. Во всех случаях в присутствии флокулянтов ВПК 402, Магнафлок 525, Прае-стол 2500 прочность закрепления частиц на пузырьках значительно снижается. Особенно это заметно при повышенных концентрациях фло-кулянтов в системе. То есть, образование агрегатов, происходящее под воздействием флоку-лянтов может привести к ухудшению показателей процесса флотации крупнозернистой части шлама.
Перспективным способом решения этих проблем - совместное использование эффективных аполярных реагентов и флокулянтов при флотации угольных шламов крупностью менее 0,3 мм.
Дальнейшее развитие флокулярной флотации, по-видимому, должно идти по двум направлениям: поиск флокулянтов, обеспечивающих высокую прочность агрегатов и обла-
Рис. 2. Влияние расхода флокулянта на прочность закрепления частицы на пузырьке воздуха
дающих селективным действием (последнее крайне важно при флотационном обогащении); поиск флотореагентов, наиболее совместимых с флокулянтами, обеспечивающих необходимую прочность контакта агрегата частиц с пузырьком.
Положительное действие углеводородных масел при флотации крупных и зернистых угольных шламов связано, в основном, с увеличением скорости прилипания и прочности закрепления частиц на пузырьке. Однако, при флотации тонких шламов (менее 50 мкм) действие аполярных реагентов состоит не только в этом. Как было показано [3], эффективность захвата отдельных малых частиц пузырьком воздуха очень мала и, следовательно, процесс флотации будет идти очень медленно, тем более в условиях разбавленных пульп. В этом случае приобретает особое значение способность аполярных реагентов образовывать в пульпе агрегаты за счет гидрофобной флокуляции. Годэн [4] показал, что действие углеводородов состоит не только в гидрофобизации поверхности минералов, но и в формировании агрегатов из омасленных частиц.
В случае мелких капелек масел они налипают на относительно более крупные частицы и при их контакте через слой масла образуют агрегаты частиц. При этом масляная пленка между частицами способствует более быстрому и прочному их прилипанию за счет дополнительных сил, возникающих при вогнутом мениске масла обусловленных дефектом давления в масляной пленке.
Агрегаты из множества мелких капель масла и угольных частиц могут укрупняться, образуя отдельные флокулы, что обеспечивает резкое увеличение скорости флотации тонких шламов.
20 -----------,---------1-----------т----------1---------1
0 1 2 3 4 5
расход флокулянта, мг/л ♦ впк ■ М525 д П2500
Селективная флокуляция, так же как и селективная флотация, наблюдается в условиях селективной адсорбции гидрофобизующих реагентов на поверхности минеральных частиц. Однако, для процессов флокуляции и флотации требуются различные расходы собирателя, т.е. условия оптимальной флокуляции и флотации частиц различного размера неодинаковы. При больших расходах собирателя происходит интенсивная флокуляция и флотация мелких частиц но, в то же время, нарушается селекция частиц большого размера. При малом расходе, наоборот, создаются благоприятные условия для селекции зернистых шламов, но не происходит флокуляции и флотации мелких частиц.
Теоретические и экспериментальные исследования в наиболее важном процессе закрепления частицы позволили выделить следующие этапы [5]:
- сближение твердой частицы и газового пузырька или твердого тела в гидродинамическом поле потока и образование тонкой жидкой пленки между ними,
- утоньшение жидкой пленки и закрепление частицы за счет минимальной внутренней энергии или на расстоянии в соответствии с протяженностью петли макромолекул, выполняющей функцию мостика в случае флокуляции;
- разрыв жидкой пленки и образование трехфазного контакта (слияние) при флотации;
- стабилизация агрегатов в условиях турбулентности в аппарате.
Одним из перспективных способов решения указанных проблем является совместное применение аполярных реагентов и полимерных флокулянтов при флотации тонких угольных шламов. Этим путем достигается селективная агрегация угольных частиц и эффективное их извлечение во флотационный концентрат.
Из вышеизложенного можно заключить, что флокуляция оказывает благотворное влияние на флотационное извлечение только в том случае, если размеры агрегатов не превышают некоторого критического значения, определяемого силой адгезии единичных частиц к пузырьку размером частиц и их плотностью. В противном случае агрегаты будут просто отрываться от пузырьков. В работе [1]было показано, что прочность и максимальный размер флокул существенно зависят от размера исходных частиц, градиента сдвига и типа флокулянта.
В этом случае селективная флокуляция и флотация мелких шламов достигается сочетанием реагента-собирателя с полимерными флокулянтами.
В ряде работ [6, 7, 8] показано влияние состава аполярного реагента на его адсорбционные и флотационные свойства. Показано влияние свойств поверхности на величину адсорбции. На основании этих результатов можно предположить о взаимном влиянии аполярного реагента и флокулянта на показатели процесса флотации при подаче собирателя после флокулянта. Влияние флокулянтов на флотацию при подаче их после собирателя показано ранее. В условиях замкнутых водно-шламовых схем необходимость интенсификация процессов сгущения и более эффективное осветление воды флокулянтами приводит к взаимодействию собирателя с поверхностью частиц уже обработанных флокулянтом.
Изменение собирательных свойств аполяр-ных реагентов изучалось методом беспенной флотации.
В качестве собирателя использован продукт 0-2, который показал высокую эффективность действия при флотации тонких шламов. Реагент получен из среднедистиллятных фракций нефти. Состоит из ароматических соединений с 10-12 атомами углерода. По строению представляет собой бензольное кольцо с минимальным алкильным обрамлением. Имеет показатели - коэффициент преломления Ш20 - 1,5311, плотность при 20 0С - 0,9369, кинематическая вязкость при 200С - 1,72 сСт, температура застывания -60 0С, фракционный состав 0С: температура начала перегонки-190, конец кипения - 365, содержание фракции 200-300 0С составляет 70 %.
Флокулянт Магнафлок 525 представляет синтетический, растворимый в воде анионный полимер высокой молекулярной массы.
ВПК- 402 - катионный флокулянт, продукт полимеризации диметилдиаллиламоний хлорила, полученного алкилированием хлористого аллила диметиламином.
Праестол 2500 представляет собой неионногенный высокомолекулярный полимер на основе полиакриламида.
Изменение собирательных свойств оценивалось в аппарате беспенной флотации. Угольные частицы предварительно обрабатывались водным раствором флокулянта, затем подавалась тонко дисперс-ная эмульсия собирателя ^ = 3,5 мкм) и в течение 1 минуты проводилось
Рис. 3. Влияние совместного применения аполярного реагента - собирателя и флокулянтов на показатели бес-пенной флотации (уголь ГЖ, Аа= 11,2)
контактирование образовавшихся флокул с собирателем.
После контактирования с угольными частицами (1 мин) подавался воздух и проводилась флотация. Предварительная обработка угольных частиц флокулянтом приводила к образованию в пульпе микроагрегатов, которые хорошо взаимодействовали с эмульсией собирателя, образовавшиеся агрегаты прилипали к пузырькам воздуха и легко извлекались в концентрат. Результаты флотации приведены на рис. 3.
Как видно по приведенным результатам, применение реагента 0-2 обеспечивает получение высоких показателей флотации.
Применение собирателя обеспечивает выход концентрата 78-81 %. При предварительной обработке флокулянтом происходит увеличение размера флокул, взаимодействующих с собирателем. В результате выход угольных частиц в концентрат увеличивается и увеличи-
вается извлечение горючей массы в концентрат. Полимерные флокулянты не подавляют флотацию, а способствуют более полному извлечению угольных частиц из суспензии. Увеличение концентрации флокулянта приводит к ухудшению показателей флотации за счет образования флокул избыточного размера и гид-рофилизации поверхности.
Полученные результаты позволяют рекомендовать в процессах осветления шламовой воды в условиях жестко замкнутой водношламовой схемы для предотвращения накопления илов в оборотной воде применение в качестве флокулянта полиэлектролита ВПК 402 при флотации материала крупностью менее 0,3 мм.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Muhle K., lvanauskas Д., НееВе Th. A Model of Floc Stability on the Basis of Adhesive Forces Acting between Solid -Particles. Vll-th European "Chemistry of Interfaces" Conference, Siofok, Hungary, May 11-15, - P.25-35. 20
2. Дерягин Б.В., Духин С.С. Теория движения минеральных частиц вблизи всплывающего пузырька в применении к флотации// Известия АН СССР. Серия металлургия и топливо. -1950, - N 1. - С.82- 89.
3. Байченко А.А., Иванов Г.В. Флокулярная флотация тонких угольных шламов // Материалы науч.-техн. конф. 19-20 ноября 1999. - Кемерово, 1999. С. 9-29.
4. Годен А.М. Флотация. М., Госгортехиздат, 1959
5. Руле в Н.Н,, Духин С.С. Закрепление частицы у поверхности пузырька при флотации и расклинивающее давление смачивающих пленок/ Коллоидный журн. -1983. - 45, N 6. - С. 1146-1153.
6. Флотационная активность нефтяных реагентов для обогащения угольных шламов / Мин Р.С., Бессараб Н.А., Басарыгин В.И., Иванов Г.В. // Химия в интересах устойчивого развития. Изд-во СО РАН, г. Новосибирск.
- 2001.- № 9 - С. 575-580.
7. Адсорбция нефтяного реагента из водной эмульсии углями разных марок.//Химия нефти и газа / Материалы lV международной конференции/ Бессараб Н.А., Бауэр Л.Н., Басарыгин В.И., Иванов Г.В., Николаева Т.Л., Байченко А.А., Васькин В.В., Савиных Ю.В., Мин Р.С. -Томск, 2000. том 2, С. 432-437.
8. Baichenko A.A.,Ivanov G.V., Bacarigin V.I. Selective separation of coal dispersions. //10 International conference on coal science (ICCS-99). - Chine, 1999. - Р. 1107-1110.
— Коротко об авторах
Иванов Г.В., Байченко А.А. - КузГТУ. Басарыгин В.И. - ЦОФ «Беловская».
