CC BY
33
ГОРН
МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
ысокая эффективность гидрообеспыливания технологических процессов при добыче угля может быть достигнута при условии создания такой удельной поверхности жидкости, которая обволакивала все пылевые частицы и обнаженную поверхность угля слоем толщиной 510 мкм [1].
Для реализации этого условия необходимо: иметь достаточное количество воды, приходящейся на тонну отбитого или отбиваемого угля; равномерно распределить влагу в орошаемом или увлажняемом объеме; обеспечить смачиваемость угольной пыли.
От смачиваемости угольной пыли зависит и равномерность распределения влаги в увлажняемом объеме полезного ископаемого, и рациональный удельный расход жидкости. Последний может быть определен экспериментально через объем жидкости, удерживаемый капиллярными силами в горной массе при равномерном увлажнении и полном смачивании угля [2]. Таким образом, смачиваемость угля играет первостепенную роль в гидрообеспыливании.
Анализ сил адгезии при контакте частиц с водой показал, что действие смачивающих добавок будет эффективным, если силы адгезии при использовании ПАВ будут больше сил адгезии при использовании чистой воды. Это условие записывается в виде tfj • cos0j ^ а • cos0 (1)
где cti и а - поверхностное натяжение соответственно раствора ПАВ и чистой воды, а 01 и 0 - краевые углы смачивания угля соответственно растворами ПАВ и водой.
Так как а=72 эрг/см2 и а-|=30 эрг/см2 (для растворов ДБ, ДТ-7), то краевой угол смачивания 0, при котором действие ПАВ будет эффективным, должен превышать 65,80, то есть 0>65,8°
Это условие соблюдается при смачивании углей всех стадий метаморфизма, кроме длиннопламенных и частично газовых.
В случае шероховатых поверхностей реальный краевой угол смачивания будет больше представленного в таблице 1.
Следует иметь в виду, что смачиватели способны
не только улучшать связь угольных частиц с водой и, следовательно, с поверхностью увлажняемого угля, но и ускорять процесс растекания воды, увеличивать площадь контакта частиц с увлажняемой шероховатой поверхностью кусков горной массы.
При использовании смачивателей следует учитывать некоторые особенности.
Первая связана с временем формирования адсорбционного слоя при образовании новой (свежей) поверхности раствора. Это явление имеет место при орошении, когда время с момента образования капли до ее встречи с пылевыми частицами составляет десятки миллисекунд. За лекулы ПАВ должны выйти на поверхность капли и заполнить ее. Это время можно оценить, используя формулу Стокса-Эйнштейна для скорости диффузии молекул [3].
dx ^
— =---------- (2)
dt влтщ
установленную нами по литературным данным [4-7] зависимость вязкости жидкости от глубины (от поверхности раздела)
•10-
(З)
и связь концентрации ПАВ в растворе с предельной глубиной, с которой молекулы ПАВ должны продиффун-дировать к поверхности раздела, заполнив ее
^ М
С =------- (4)
SNx
После подстановки в (2) формул (3) и (4) и интегрирования по х в пределах от 10-8 см до х и по t в пределах от 0 до t получим
t = -
nr •lO 4kT
M
sNc
-10-
(5)
Здесь г - радиус молекулы или мицеллы, см; Т -абсолютная температура, К; х - предельная глубина раствора (см), при которой в объеме жидкости с концентрацией (с) ПАВ содержится количество молекул, достаточное для заполнения поверхности раздела; S -площадь «посадки» молекулы, см2; N - число Авогад-ро; М - молекулярный вес ПАВ; С - концентрация ПАВ в растворе.
В таблице 2 приведено сравнение расчетного времени t с texp, полученным экспериментально по измерению поверхностного натяжения раствора при разных промежутках времени существования поверхности раздела.
Расчетные и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются между собой. С одной стороны, это свидетельствует о преобладающем действии рассмотренного механизма в формировании адсорбционного слоя на границе раздела раствор - воз-
1.5
3
Рис. 1. Зависимость исходной концентрации смачивателя ДБ от толщины пленки d(a), радиуса капель Щб), радиуса капилляра Р'(в) для различных значений предельной концентрации: 1 - 0,3 %, 2 - 0,1 %, 3 -0,001 %
Рис. 2. Зависимости кратности связывания пыли от удельного расхода воды при различной концентрации ДБ: 1 - 1%,
2 - 0,5 %, 3 - 0,25 %, 4 - 0,125 %
Здесь Sa/V - удельная поверхность раствора; См - предельная концентрация ПАВ в растворе или ККМ.
По формуле (6) можно подсчитать концентрацию смачивателя при пропитке отбитого угля, положив толщину пленки равной d:
С =
2М -(1 - См ) + См
-100%
дух. С другой - говорит о том, что для эффективного улавливания взвешенных частиц пыли ^ = 0,1 с) необходимо повышать концентрацию ПАВ в 2-3 раза по сравнению с ККМ. Для смачивания осевшей или не успевшей подняться в воздух пыли ^ > 1 с) достаточно иметь концентрацию, равную или чуть большую ККМ. При этом следует учитывать удельную поверхность распыляемой жидкости.
Вторая важная особенность применения смачивателей при гидрообеспыливании - это малое количество раствора ПАВ, приходящееся на 1 м3 увлажняемой или орошаемой горной массы. Это значит, что при большой удельной поверхности смачиваемого материала или распыляемой жидкости поверхностно-активного вещества может не хватить, чтобы покрыть упомянутую поверхность.
Исходная концентрация смачивателя сс, при которой достигается насыщение адсорбционного слоя, то есть когда концентрация смачивателя после адсорбции сохраняется на уровне предельной (ПК) или равной ККМ, определяется выражением
С =
МА■с )+С
SN V М
■100%
(6)
(7)
где р - плотность смачивателя.
Если раствор диспергируется форсункой (при орошении), то чтобы смачиватель вышел на поверхность раздела до контакта капли с пылинкой, необходима его концентрация
С =
3М
р-R
■(1 - СМ ) + СМ
-100%
(8)
где R - радиус капли.
Величина СМ здесь выбирается с учетом времени жизни капли до столкновения с частицами (таблица 2).
Подобное выражение получено для капилляров.
Графики на рис. 1 показывают зависимость исходной концентрации смачивателя от толщины пленки d (а), радиуса капель R (б), радиуса капилляра R' (в). Таким образом, рекомендованная ранее концентрация смачивателя, равная ККМ, недостаточна для борьбы с пылью или из-за кратковременности существования поверхности раздела до столкновения с пылью, или из-за большой удельной поверхности раствора при малом отношении жидкость - твердое тело, или из-за того и другого.
Еще одним практически важным вопросом для борьбы с пылью в угольной промышленности является вопрос о сокращении удельных расходов воды за счет применения ПАВ. Этот вопрос возник из-за переувлажнения угля при стремлении достичь высокой эффективности гидрообеспыливания.
Таблица 1
КРАЕВЫЕ УГЛЫ СМАЧИВАНИЯ ВОДОЙ УГЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК [3]
Марка угля К ПЖ ПС Т А Г Д
e 90-86 85-83 82-79 75-71 73 72-65 63-60
Таблица 2
РАСЧЕТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ ФОРМИРОВАНИЯ АДСОРБЦИОННОГО СЛОЯ МОЛЕКУЛ ДБ НА ПОВЕРХНОСТИ КАПЛИ
С 0,0001 0,001 0,002 0,003 0,005
t, с 20 0,62 0,22 0,12 0,05
texp, с 30 1,3 0,3 0,13 0,03
Таблица 3
ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА СМАЧИВАТЕЛЯ М (Г/Т) ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ЕГО В РАСТВОРЕ ПРИ ПОСТОЯННОЙ КРАТНОСТИ СВЯЗЫВАНИЯ ПЫЛИ
С, % m0/m = 10 m0/m = 15 m0/m = 20 m0/m = 25 m0/m = 30
q, дм3/т M, г/т q, дм3/т M, г/т q, дм3/т M, г/т q, дм3/т M, г/т q, дм3/т M, г/т
1 13,8 138 15 150 17 170 18,8 188 20 200
0,5 20,6 103 23,3 116 26 130 28,5 142,5 30,8 154
0,25 25,5 63 30,8 77 35 87,5 40 100 43 107,5
qM (сред.) 1880 2440 3110 3870 4450
На рис. 2 приведены результаты экспериментов по связыванию пыли растворами ПАВ. По этим данным составлена табл. 3.
Заметим, что произведение q- M = const для данной кратности связывания пыли. Так, при m°/m = 15 qm«2440, при m°/m = 20 qm«3110. Эффективность связывания пыли зависит от qM или qC2, что позволяет уменьшать расход жидкости (q), за счет увеличения концентрации смачивателя в растворе и его удельного расхода (М). Однако, значительно повышать расход смачивателя невыгодно из-за его большой стоимости по сравнению с водой и экологически небезопасно из-за отрицательного воздействия растворов ПАВ на окружающую среду. Удельный расход раствора должен быть не более того, который удерживается капиллярными силами в увлажненной горной массе, и его необходимо определять экспериментально.
На основании представленных материалов можно заключить следующее.
При использовании воды для борьбы с пылью углей всех стадий метаморфизма (кроме марки Д) необходимо применять смачивающие добавки.
Концентрация раствора смачивателя определяется временем формирования адсорбционного слоя его молекул на поверхности раздела: раствор -воздух при образовании свежей поверхности (капель), раствор - твердое тело при контакте раствора с угольной пылью, а также величиной удельной поверхности раствора при образовании капель и при растекании его по пылящей горной массе. Концентрация смачиватель всегда должна быть больше ККМ.
Параметром, определяющим эффективность связывания пыли, служит произведение qM = const (или qC2 = const). Величины, входящие в это произведение, можно изменять в соответствии с поставленной задачей с учетом экономической целесообразности и экологической допустимости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кудряшов В.В. Научные основы гидрообеспыливания шахт Севера. М.: Наука, 1984. 260 с.
2. Кудряшов В.В., Уманцев Р.Ф., Шуринова М.К. Термовлажностная обеспыливающая обработка многолетнемерзлого разрушенного угольного массива. М.: ИПКОН АН СССР, 1991.136 с.
3. Мелвин-Хьюз Э.А. Физическая химия. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. 1132 с.
4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. 568 с.
5. Netzel D., Hoch G, Marx T. Adsorption studies of surfactants at the liquid-vapor interface: apparatus and method for rapidly determining the dynamic surface tension. J. of colloid science, v. 19, 1964, p. 774-785.
6. Трапезников А.А. Поверхностная вязкость и методы ее измерения. В кн.:
Вязкость жидкостей и коллоидных растворов. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1941, с. 67-86.
7. Дерягин Б.В., Самыгин М.М. Измерение вязкости тонких полимолеку-лярных слоев жидкости. В кн.: Вязкость жидкостей и коллоидных растворов. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1941, с. 59-66.
1Р^: :У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У:У::
Кудряшов В.В., Соловьева Е С. - Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
