CC BY
46
ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
MINERALSPROCESSING
УДК 532.64
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА
ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦА НА СМАЧИВАЕМОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЯ
Архипов В.А., 2Коротких А.Г., 3Патраков Ю.Ф., 1Усанина А.С.
1Томский государственный университет, Томск 2Томский политехнический университет, Томск 3ИнститутугляСОРАН, Кемерово
EXPERIMENTAL STUDY OF INFLUENCE OF SAMPLE PREPARATION METHOD ON THE COAL WETTABILITY
1Arkhipov V.A., 2Korotkikh A.G., 3Patrakov Yu.F., 1Usanina A.S. 1Tomsk State University, Tomsk
2 Tomsk Polytechnic University, Tomsk
3 Institute of coal of the Siberian Branch of the RAS, Kemerovo
Представлены результаты экспериментального исследования смачиваемости углей при различных способах приготовления рабочей поверхности образца. В качестве характеристики смачиваемости использовался равновесный краевой угол. Получены зависимости краевого угла смачивания поверхности от химического состава углей.
Ключевые слова: уголь, краевой угол смачивания, прессование, шлифование, плоский скол монолитного образца.
The results of experimental study of coals wettability at different preparation methods of sample working surface are presented. The stationary contact angle has been used as a wettability characteristic. The relations between contact wetting angle and chemical composition of coals have been obtained.
Key words: coal; contact angle; pressing; grinding; monolith sample.
В ряде технологических и промышленных процессов используется консолидированная система аэровзвесей, в частности частицы угольной пыли в шахтах. В задаче гидроподавления угольной пыли используется смачивание данной взвеси. Эффективность данного процесса определяется гидрофобностью или гидрофильностью частиц угля. Поскольку уголь представляет собой органическую осадочную горную породу со сложной структурой, то вопрос определения его смачиваемости является достаточно сложным и неоднозначным.
Определение смачиваемости угольной поверхности является предметом интенсивных исследований, как российских, так и зарубежных ученых. В последние десятилетия появилось большое количество публикаций, посвященных
экспериментальным исследованиям в данном направлении [1-4]. Обзоры как классических, так и современных результатов исследования смачиваемости угольной поверхности представлены в работах [5-8].
В настоящее время применяются две основные методики непосредственного измерения краевого угла смачивания твердой поверхности: метод сидящей капли и метод висящего пузырька [9]. В этих методах измерение краевого угла проводится по форме капли или пузырька, соответственно, находящихся на поверхности, проведением касательной к контуру частицы в точке трехфазного контакта.
Анализ известных работ показал, что смачиваемость углей зависит от большого числа параметров из-за сложности и неоднородности структуры угля, что приводит к неоднозначности определения краевого угла смачивания на границе взаимодействия фаз - твердое тело и жидкость. Обобщение полученных экспериментальных данных по зависимости равновесного краевого угла смачивания от характеристик угля (в частности, от его химического состава) затрудняется применением разных технологий подготовки рабочей поверхности исследуемого образца угля. В работах разных авторах поверхность угольного образца получали шлифованием [1, 7], брикетированием из порошка [2, 5, 6] или получением плоского скола монолитного образца угля [10].
Целью настоящей работы является исследование влияния способа приготовления рабочей поверхности угольного образца на величину равновесного краевого угла смачивания, измеренную методом сидящей капли. При проведении экспериментов особое внимание уделялось обеспечению постоянства температуры и влажности окружающей среды, а также контролю изменения объема капли за счет ее испарения.
В работе использовались три способа приготовления поверхности образца -прессование угольного порошка, получение плоского скола монолитного образца угля и тщательное шлифование поверхности этого скола.
Первый способ основан на механическом измельчении угля до порошкообразного состояния с последующим прессованием в брикет цилиндрической формы диаметром 20 мм и высотой 5 мм. При этом максимальный диаметр частиц порошка не должен превышать 100 мкм, а давление прессования брикета должно быть не менее 400 МПа [10, 11]. Это позволяет существенно снизить пористость образца, получить плоскую рабочую поверхность, исключить просачивание жидкости в образец и получить стабильную каплю на рабочей поверхности. На рис. 1 приведены дифференциальная
/и интегральная ^(d) функции распределения частиц угольного порошка по размерам. Из приведенных графиков следует, что модальный диаметр частиц составляет 22 мкм, а максимальный - не превышает 100 мкм.
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0.1
10
100
1000
(I, мкм
Рис. 1. Дифференциальная и интегральная функции распределения частиц угольного
порошка по размерам Пористость полученных брикетов рассчитывалась по формуле
е = [1 - .100%,
I Рш)
где рш, рь - плотность монолитного образца угля и прессованного брикета, соответственно.
Плотность монолитных образцов определялась методом вытеснения жидкости из мерного сосуда и рассчитывалась по формуле
рш
У
где т - масса образца; V - объем вытесненной жидкости.
Плотность брикетированного образца определялась по формуле
4ш
Рь '
рад
где т - масса брикета; кь, - высота и диаметр брикета.
Второй способ приготовления образца состоит в получении плоского скола образца угля без какого-либо механического воздействия на рабочую поверхность. В третьем способе плоскую поверхность угля получали тщательным шлифованием монолитного образца наждачной бумагой «0», а затем более мелкой «00». В последних двух способах перед началом эксперимента рабочая поверхность образца очищалась от угольной пыли напорной струей воздуха и обезжиривалась этиловым спиртом.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2. С помощью капилляра 1 на образец угля 2 помещается капля жидкости 3. Равновесная форма и краевой угол капли регистрируется с помощью скоростной видеокамеры 4. Скоростная видеосъемка используется для того, чтобы определить момент установления равновесной формы капли до начала физико-химических процессов на границе трехфазного контакта, которые приводят к фазовым переходам и, следовательно, к изменению величины краевого угла смачивания [11].
ш
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для определения краевого угла смачивания угольной поверхности: 1 - видеокамера; 2 - капилляр; 3 - капля; 4 - образец угля
Во всех экспериментах использовали капли дистиллированной воды одинакового диаметра D=3 мм. С целью уменьшения времени установления равновесной формы (и, следовательно, равновесного краевого угла) капли после столкновения жидкости с поверхностью образца, скорость столкновения капли жидкости с угольной поверхностью не превышала 1 см/с. Диаметр капли определялся методом по видеокадрам исследуемого процесса с погрешностью не более 3 %.
Поскольку наряду с растеканием капли и установлением равновесной формы происходит ее испарение, вследствие чего величина краевого угла смачивания изменяется. Для контроля степени изменения объема капли, помещаемой на рабочую
поверхность образца, проводилось сравнение начального объема капли рБ /6) с объемом равновесной формы капли
где Ь(г) - зависимость высоты капли от радиальной координаты г (рис. 3), измеренная по полученному видеоряду процесса растекания капли.
Экспериментально обнаружено, что заметное испарение капли (отклонение ее объема от начального на 0.5 %) начинается при 1>6 с. Это значение времени г можно рассматривать как нижнюю границу, начиная с которой капля подвергается влиянию физико-химических процессов, а именно испарению. В проведенных экспериментах измерение равновесного краевого угла смачивания проводилось при г=(0.2 б) с после помещения капли на рабочую поверхность угля.
Наряду с расчетом объема капли по формуле (1) проводилось сравнение экспериментальной и численно рассчитанной по методу [12] равновесной формы капли для измеренного значения равновесного краевого угла. Расхождение полученных форм не превышало 5%, что свидетельствует о достоверности полученных данных по равновесному значению краевого угла смачивания.
Для всех трех способов приготовления рабочей поверхности величина краевого угла смачивания 0 определялась путем проведения касательной в точке трехфазного контакта при помощи программы для анализа и обработки видеоизображения ImageJ.
Для экспериментов были отобраны пробы бурых и каменных углей месторождений Хакасии, Тувы, Монголии и Кузбасса. Результаты элементного и технического анализа
(1)
0
Рис. 3. Капля жидкости, расположенная на рабочей поверхности образца
исследуемых образцов углей приведены в табл. 1 (где С - углерод, Н - водород, S - сера; N - азот, О - кислород, W - влажность, Z - зольность).
Таблица 1
Образец С, % на с^ Н, % на Caf О+И+Б, % на Caf W, мас. % Ъ, мас. %
А1 84.9 5.9 9.2 0.8 4.5
А2 65.6 4.0 30.4 4.2 7.1
А3 74.2 4.6 21.2 1.4 4.6
А4 76.9 4.0 19.1 4.4 38.8
А5 82.9 4.1 13.0 4.6 18.4
А6 90.1 4.6 5.3 1.6 10.7
А7 85.5 5.8 8.7 1.1 13.6
А8 81.1 5.8 13.1 3.2 3.8
А9 88.1 5.1 6.8 0.8 1.8
*daf - органическая масса угля
Плотность монолитного угля измерялась по пяти дублирующим опытам. Масса отобранных образцов для измерения плотности составляла т=(9.3+15.2) г. Результаты измерений плотности монолитных образцов угля рт приведены в табл. 2. По измеренной
плотности монолитного образца угля определялась масса навески т угольного порошка для прессования; для проведенных экспериментов т=10 г. Значения плотности образцов р^, полученных прессованием в таблетку цилиндрической формы, а также пористости
брикетов е приведены в табл. 2. Погрешность определения рт не превышала 9.5 % и
р^ - 1 % при доверительной вероятности а =0.95. Большая погрешность определения
рт связана с неоднородной структурой монолитного образца угля.
Таблица 2
_Плотность и пористость исследуемых образцов углей_
Образец рт ■ г/см3 5рот, % р^ , г/см3 6р*. % е, %
А1 1.21+0.09 7.4 1.07+0.01 0.9 13
А2 1.3+0.1 7.7 1.32+0.01 0.7 0.7
А3 1.2+0.1 9.2 1.12+0.01 0.9 6.2
А4 1.33+0.06 4.5 1.20+0.01 0.8 10.8
А5 1.4+0.1 7.1 1.19+0.01 0.8 16
А6 1.24+0.04 3.2 1.15+0.01 0.9 7.8
А7 1.23±0.05 4.1 1. 12±0.01 0.9 8.9
А8 1.24±0.07 5.6 1. 18±0.01 0.8 4.8
А9 1.3±0.1 7.7 1.23±0.01 0.8 5.4
Получены фоторяды по растеканию капли дистиллированной воды на поверхности угля, приготовленной тремя способами. Качественная картина растекания капли воды на образце угля одинакова и имеет колебательный характер (рис. 4).
1 мм
t=22 мс <=30 мс <=2732 мс
Рис. 4. Видеоряд процесса растекания капли дистиллированной воды на прессованном образце А6
Результаты измерений краевого угла смачивания для рассматриваемых образцов углей, приготовленных тремя способами, приведены в табл. 3. Сравнение данных, полученных путем прессования, с известными литературными источниками показало качественное совпадение результатов в пересекающемся диапазоне параметров. В частности, для образцов угля, содержащих углерод в диапазоне от 80% до 90%, с зольностью менее 15% масс. значения угла смачивания лежат в пределах 8»75°+90°, а в работе [7] для соответствующего диапазона изменения углерода в образце, величина краевого угла варьируется в диапазоне 8»75°+88°. Экспериментальных данных по исследованию монолитных образцов угля в литературе не найдено.
Таблица 3
Значения равновесного краевого угла 8 (в градусах) для угольной поверхности
Образец Способ приготовления рабочей поверхности
прессование 5, % шлифование 5, % скол 5, %
А1 90.1 ± 0.3 0.3 89.0±0.5 0.6 58±1 1.7
А2 53 ± 10 18.9 57±10 17.5 - -
А3 61 ± 7 11.4 57±6 10.5 - -
А4 67 ± 3 4.5 60.1±0.3 0.5 - -
А5 60 ± 3 5.0 57±2 3.5 - -
А6 87 ± 2 2.3 90±2 2.2 58±2 3.4
А7 91+7 7.7 88+1 1.1 60+8 13.3
А8 91+7 7.7 86+6 6.9 57+7 12.2
А9 80+2 2.5 77+1 1.3 65+1 1.5
Из анализа результатов измерений 0 на различных рабочих поверхностях, приведенных в табл. 3 следует, что значение краевого угла на прессованном брикете и шлифованном монолите совпадает. Значение 0, полученное для поверхности скола образца угля, существенно ниже. По-видимому, это объясняется отклонением реальной поверхности скола от плоской и неоднородностью минералогического состава угля.
Для прогнозирования смачиваемости различных образцов углей представляет интерес исследование зависимости этой характеристики от химического состава угля. Регрессионный анализ показал, что наилучшая сходимость результатов наблюдается для зависимости 6(р), где р =0+И+Б - массовая доля кислорода, азота и серы в органической массе угля. На рис. 5 приведены зависимости краевого угла от суммы р. Сплошной линией на рис. 5 показана аппроксимационная кривая 6 = а - ьр ,полученная методом наименьших квадратов (а, Ь - константы аппроксимационной формулы). Коэффициенты корреляции к2 для полученных регрессий приведены на рис. 5.
Из рис. 5 следует, что качественная картина изменения краевого угла в зависимости от величины р одинаковая для трех способов приготовления поверхности. По мере увеличения р значение 0 уменьшается. Однако количественное согласование результатов измерения 0 наблюдается только для прессованных и шлифованных образцов.
Из табл. 3 видно, что для каждого способа приготовления рабочей поверхности образца наблюдается разброс значений угла смачивания 0: для прессованных образцов среднее значение погрешности определения 0 составляет бср=6.7%, для шлифованных образцов - бср=4.9%, для отколотого образца - бср=6.4%.
а) б) в)
Рис. 5. Зависимость равновесного краевого угла смачивания от параметра р для разных технологий
приготовления образцов: а - прессование (а=96.9, Ь=1.5); б - шлифование (а=94.1, Ь=1.5); в - плоский скол
монолитного образца (а=63.8, Ь=0.5)
Результаты экспериментального исследования смачиваемости поверхности угля, приготовленной тремя способами (прессование, шлифование, скол) позволяют сделать следующие выводы.
• Показано, что погрешность определения краевого угла смачивания угольной поверхности для рассматриваемых способов приготовления рабочей поверхности образца практически совпадает и составляет ~ 5ср=5+6%. При этом значения краевого угла 0, полученные для прессованных и шлифованных образцов, превышают величины 0, измеренные на монолитном образце, примерно в 2+3 раза. Это отклонение связано с тем, что величина краевого угла на сколе монолитного образца определяется геометрией и минералогическим составом поверхности, на которой производится измерение угла смачивания капли, и не позволяет получить осредненное значение краевого угла.
• Показано, что с увеличением содержания массовая доля кислорода, азота и серы в составе органической массы угля от 5.3 до 30.4 величина краевого угла уменьшается от 90 до 53 градусов для прессованных образцов, от 90 до 57 градусов для шлифованных образцов и от 65 до 57 градусов для монолитных образцов. Наименьший диапазон изменения краевого угла 0 для рассматриваемого диапазона ß наблюдается для монолитного образца.
• Для определения смачиваемости поверхности угля рекомендуется применять методы приготовления рабочей поверхности, основанные на прессовании угольного порошка и шлифовании монолитного угля. Определение краевого угла на сколотом образце угля характеризуется большой погрешностью ввиду неоднородного минералогического состава угля.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда
(проект №15-19-10014).
Библиографический список
1. Чандер, С., Хогг, Р., Фуерстенау, Д.У. Исследование смачиваемости и несмачиваемости порошковых материалов // KOHA. 2007.№ 25.С. 56-75.
2. Ли, М., Ксу, Х.Б Шу, К. Исследование смачиваемости угольного порошка на основе метода холодного брикетирования // Журнал о науке об угле. 2008.Т. 14, № 4. С. 571-574.
3. Джбасоузор, А. И. Влияние размера частицы на смачиваемость угля на основе методики непрерывного потока // Материалы международного конгресса по прикладным и компьютерных наукам. 2011. Т. 2. Октфбрь 19-21. Сан-Франциско. США.
4. Шоджай, Л. Н., Рудолф, Е. С. Дж., Вольф, К. Х., А.А., Ашрафизадех, С. Н. Определение смачиваемости путем измерения краевого угла: система вода hvBb - уголь совместно с синтетическим дымовым газом и СО2 // Журнал о науке коллоидных веществ и поверхностей раздела. 2011. Т. 364, № 1. С. 237-247.
5. Мурата, Т. Смачиваемость угля, определяемая с помощью краевого угла // Топливо. 1981. Т. 60, № 8. С. 744-746.
6. Хе, Йю Б., Ласковский, Дж. С. Измерения краевого угла на образцах, полученных прессованием угольного порошка // Подготовка угля. 1992. Т. 10. С.19-36.
7. Дрелич, Дж., Ласковский, Дж. С., Паулик, М. Улучшенный способ подготовки образца и анализа поверхности для измерений краевого угла на угольных (гетерогенных) поверхностях // Подготовка угля. 2000. Т. 21, № 3 С. 246-275.
8. Орумуенсе, Ф. Ф. О. Смачиваемость угля - сравнительны анализ // Скандинавский журнал по металлургии. 2001. Т. 30, № 4. С. 204-211.
9. Зимон, А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия, 1974. 146 с.
10. Пат. № 2457464 РФ: МПК G 01 N 24/08. Способ определения смачиваемости порошковых материалов / В. А. Архипов, Д. Ю. Палеев, В. Ф. Трофимов, А. С. Усанина; заявл. 28.02.2011; опубл. 27.07.2012. Бюл. № 21.
11. Архипов, В.А., Палеев, Д.Ю., Патраков, Ю.Ф., Усанина А.С.Определение краевого угла смачивания угольной поверхности // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2011. № 5. С. 23-28.
12. Пономарева, М.А., Усанина, А.С., Якутенок, В.А. Расчет равновесных форм капли, расположенной на горизонтальной поверхности // Известия ВУЗов. Физика. 2009. Т. 52. №7/2. С. 162-166.
Bibliographicheskiy spisok
Тувинский государственный университет
1. Chander, S., Hogg, R. Fuerstenau, D.W. Characterization of the Wetting and Dewetting Behavior of Powders // KONA. 2007.№ 25.Р. 56-75.
2. Li Man, Xu Hai-Hong, Shu Xin-qian. Study on coal dust wettability measurement using cold briquetting technique // Journal of coal science and engineering. 2008.Vol. 14, № 4. P. 571-574.
3. Gbasouzor Austin Ikechuks. The effect of particle size on the wettability of akwuke coal using continuous flow technique // Proceedings of the world congress on engineering and computer science. 2011. Vol. 2. October 19-21. San-Francisco. USA.
4. Shojai Kaveh N., Rudolph E.S.J., Wolf K.-H.A.A., Ashrafizadeh S.N. Wettability determination by contact angle measurements: hvBb water-coal system with injection of synthetic flue gas and CO2 // Journal of Colloid and Interface Science. 2011. Vol. 364, № 1. P. 237-247.
5. Murata, T. Wettability of coal estimated from the contact angle // Fuel. 1981. - Vol. 60, № 8 - P. 744-746.
6. He, Y.B., Laskowski, J.S. Contact angle measurements on discs compressed from fine coal // Coal Preparation. 1992. Vol. 10. P.19-36.
7. Drelich, J., Laskowski, J.S., Pawlik, M. Improved sample preparation and surface analysis methodology for contact angle measurements on coal (heterogeneous) surfaces // Coal Preparation. 2000. Vol. 21, № 3 P. 246-275.
8. Orumwence, F.F.O. Wettability of coal - a comparative study // Scandinavian Journal of Metallurgy. 2001. Vol. 30, № 4. P. 204-211.
9. Zimon, A.D. Adgeziya gidkosti i smachivanie. М.: Khimiya, 1974. 146 s.
10. Pat. № 2457464 RF: MPK G 01 N 24/08. Sposob opredeleniya smachivaemosti poroshkovikh materialov/ V. А. Arkhipov, D. Yu. Paleev, V. F. Trofimov, А. S. Usanina; zayavl. 28.02.2011; opubl. 27.07.2012. Bul. № 21.
11. Arkhipov, V.A., Paleev, D.Yu., Patrakov, Yu.F., Usanina A.S. Determination of contact angle on the coal surface // Journal of mining science. 2011. Vol. 47. № 5. P. 561-565.
12. Ponomareva, М.А., Usanina, A.S., Yakutenok, V.A. Raschet ravnovesnikh form kapli raspologennoy na gorizontalnoy poverkhnosti // Izvestiya VUZov. Fizika. 2009. Vol. 52. №7/2. S. 162-166.
Архипов Владимир Афанасьевич - доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом 10 НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета, г. Томск
Усанина Анна Сергеевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры динамики полета Томского государственного университета, г. Томск
Патраков Юрий Федорович - доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией научных основ технологий обогащения угля Института угля СО РАН, г. Кемерово
Коротких Александр Геннадьевич- доктор физико-математических наук, доцент, доцент кафедры атомных и тепловых электростанций Томского политехнического университета, г. Томск
Arkhipov Vladimir - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of department 10 of Research Institute of applied mathematics and mechanics of Tomsk State University, Tomsk, E-mail: leva@niipmm.tsu.ru
Usanina Anna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate professor of flight dynamics department of Tomsk State University, Tomsk, E-mail: usaninaanna@mail.ru.
Patrakov Yuriy - Doctor of Chemical Sciences, Professor, Head of laboratory of scientific basis of technology of the coal processing of Institute of Coal of the Siberian Branch of the RAS, Kemerovo, E-mail:yupat@icc.kemsc.ru
Korotkikh Aleksandr - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate professor, Associate professor of nuclear and thermal stations department of Tomsk Polytechnic University, Tomsk, E-mail: korotkikh@tpu.ru
