CC BY
41
гидроциклона диаметром 75 мм - до 700-900 кг/ч. При крупности исходных золотосодержащих песков -1 мм с содержанием золота 0,8 - 1,0 г/т и при равном выходе концентрата концентрационный стол и коротко конусный гидроциклон обеспечивают извлечение ценного до 95-96%, отсадочная машина - до 90%, причём потери наблюдаются по классу -0,1 мм. Коротко конусные гидроциклоны в ряде случаев могут заменить нетехнологические шлюзовые процессы. Для первичного обогащения условия гравитационно- центробежного обогащения зернистых материалов могут реализоваться только в определенном узком интервале значений параметра Q / ш, при которых обеспечивается движение зерен в полувзвешенном состоянии, характерном для гравитационного обогащения, протекающем в наклонном безнапорном потоке. Это обусловливает повышенную чувствительность работы таких аппаратов к любым колебаниям технических и технологических параметров.
Рассматриваемые аппараты весьма чувствительны к отклонению частоты вращения от оптимальной, даже вызванному излишней нагрузкой. Отклонение частоты вращения чаши концентратора на +20-25% снижает извлечение золота на 18-20%. Эффективность обогащения в этих аппаратах зависит от частоты вращения пульпы в обогатительной чаше /89/:
Частота вращения чаши диаметром 400 мм 170 200 230 260 290 320 350 400 Извлечение золота, % 65 85 94 98 92 79 62 54
Не оправдано утверждение многих исследователей предельно повышать частоту вращения чаши сепаратора с целью увеличения ускорения до технически возможной. Практика показала, что безнапорные чашевые центробежные концентраторы не рекомендуются для предварительного и первичного обогащения исходных металлоносных руд и песков, но с успехом могут применяться для доводки грубых (черновых) концентратов. Применение безнапорных чашевых центробежных концентраторов в операциях доводки золотосодержащих продуктов позволяет порой заменить концентрационные столы и обеспечить при этом получение более богатых концентратов. Гравитационная схема, включающая первичное обогащение в циклонном аппарате (коротко конусные гидроциклоны), а доводку - в безнапорных чашевых центробежных концентраторах, является эффективной для обогащения золотосодержащих продуктов. Появилась определенная направленность в деле совершенствования процессов расслоения взвешенных минеральных смесей по плотности и крупности зерен.
УДК 544.77
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДНО-ТАЛЬКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ А.А.Яковлева1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены физико-химические свойства водно-тальковых композиций, используемых для очистки бумажной массы от смолы. Исследованы марки талька Онотского месторождения (г.Черемхово). Изучено влияние температуры и рН среды на плотность, вязкость и электрическую проводимость тонкодисперсной, седиментационно устойчивой части системы «вода-тальк». Получены уравнения зависимости энергий активации вязкого течения и электрической проводимости в системе «вода - тальк». Ил. 7. Табл. 5. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: дисперсные системы, вязкость, плотность, электрическая проводимость, рН среды, тальк.
THE STUDY OF PHISICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF WATER-TALCUM COMPOSITIONS A.A. Yakovleva
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The author examines physical and chemical properties of water-talc compositions used for cleansing the paper pulp from resin. The marks of the talc from Onot deposition (Cheremhovo town) are examined. The influence of the temperature and medium's pH on the density, viscosity and electrical conductivity of finely dispersed, sedimentation stable part of a "water-talc" system is studied. The equations of dependence of activation energies of a viscose flow and electrical conductivity in the "water-talc" system are obtained. 7 figures. 5 tables. 8 sources.
Key words: dispersed systems, viscosity, density, electrical conductivity, medium's pH, talc.
Введение. Наши исследования касаются процессов производства бумаги и проблемы добавления талька к бумажной массе для удаления смолянистых включений и улучшения качества бумаги [1].
Для целлюлозно-бумажной промышленности тальк - это не только эффективное средство борьбы
со смоляными затруднениями, он используется как наполнитель и мелованный пигмент, удешевляющий бумагу и улучшающий её белизну. Кроме того, тальк может быть исключительно полезен при переработке макулатурной массы, содержащей много липких включений.
1Яковлева Ариадна Алексеевна, доктор технических наук, профессор кафедры химии, тел.: 405 -178, e-mail: [email protected]. Yalovleva Ariadna Alekseevna, a doctor of technical sciences, a professor of the Chair of Chemistry, tel.: 405 -178, e-mail: [email protected].
Долгие годы в России использовали тальковые продукты зарубежного производства, главным образом, австрийского и финского. Вместе с тем, Россия располагает значительными запасами тальковых руд. Предпринимались неоднократные попытки организовать производство отечественных марок талька для бумажной промышленности. Однако в недавнем прошлом такие продукты появились, наконец, на рынке.
В частности, компания «Байкальские минералы», занимающаяся эксплуатацией Онотского месторождения (г.Черемхово), выпустила специальные марки талька для борьбы со смоляными затруднениями при производстве и отбеливании целлюлозы, смолистой древесной массы, изготовления газетной бумаги, смолистой сульфитной целлюлозы и т. д. [2].
Цель работы - изучение физико-химических свойств водно-тальковых композиций, используемых в качестве адсорбентов для очистки бумажной массы от смолянистых включений. Эти свойства необходимы при анализе поверхностных явлений, в частности, таких, как адсорбция смолянистых фракций на частицах талька. При этом такие свойства, как плотность и вязкость суспензий необходимы при оценке устойчивости систем как агрегативной, так и седиментационной. Электрическая проводимость используется во многих физико-химических расчетах.
Изучение электрической проводимости водно-тальковых композиций имеет важное значение при рассмотрении электрокинетических явлений в дисперсных системах. Не до конца решенным вопросом до настоящего времени считается характер влияния электрической проводимости на электрокинетический потенциал на поверхности частиц дисперсной фазы седиментационно устойчивых дисперсных систем.
Известно, что тальк разных месторождений отличается своими характеристиками. Это отражается на свойствах композиций, используемых в бумажной промышленности. Тальк как адсорбент должен удовлетворять определенным требованиям по дисперсному составу, удельной поверхности и электроповерхностным свойствам. Поэтому нужно знать особенности физико-химических свойств продуктов из талька (порошков и гранул) того или иного месторождения.
Объектом исследования является порошкообразный тальк марки «Талькон ММ-30», выпускаемый предприятием «Байкальские минералы».
Методика исследования. Исследования проводили с 10% - ными суспензиями талька.
Особенность методики работы заключается в том, что исследуются физико-химические свойства дисперсных систем, которые во многом зависят от фракционного состава.
При приготовлении суспензии навеску талька в количестве 10 г, взятую на технических весах с точностью до ± 0,02 г, помещали в стакан на 100 мл и доводили до метки дистиллированной водой, закрывали крышкой и перемешивали на магнитной мешалке в течение 10 минут. Полученную смесь оставляли на сутки для осаждения всех макрочастиц. Изучали свойства верхних фракций суспензии с микрочастицами талька, размер которых по данным седиментационно-го анализа составляет менее 1-2 мкм.
Для изменения рН среды добавляли раствор 0,1 М соляной кислоты. Определение рН растворов проводили с помощью рН-метра марки рН-410 со стеклянным электродом ЭСК-10601/7.
Определение плотности, вязкости и электрической проводимости проведено с использованием классических методов исследования физико-химических свойств веществ, включая и дисперсные системы. Необходимые значения вязкости воды в зависимости от температуры, электрической проводимости растворов хлорида калия и других параметров брали в справочниках [3-6].
Относительную плотность суспензии талька (р) определяли пикнометрическим методом, который заключается во взвешивании пикнометра с суспензией талька и с водой при одинаковой температуре:
Р
т2 - т0 т1 - т0
где т2 - масса пикнометра с суспензией талька; т1 -масса пикнометра с водой; т0 - масса пустого пикнометра.
Для каждого опыта проводили несколько замеров плотностей. Для примера в табл. 1 показан расчет погрешности эксперимента для трех параллельных опытов при разных рН среды. Видно, что оценка плотности суспензии проведена с относительной ошибкой до 3%.
Кинематическую вязкость суспензии талька измеряли капиллярным вискозиметром типа ВПЖ-4 по времени истечения тонкой фракции водно-тальковых композиций в капилляре вискозиметра.
Кинематическую вязкость тонкой фракции суспензии (и) определяли по формуле
и =
&
■ т • К, 9,807
где К - постоянная вискозиметра; т - время истечения жидкости; д - ускорение свободного падения.
Постоянную вискозиметра К определяли по времени истечения воды и она оказалась равной 0,03 мм2/с.
Таблица 1
Определение погрешности при измерении плотности в системе «вода - тальк»
рН р-10"3, кг/м3 р ср-10"3, кг/м3 е=Х(л- рср)2 N-1 N т Ар %
2,96 1,00667; 1,00889; 1,00667 1,00741 1,65.10-6 0,00074 7,458 0,00552 1,98
1,55 1,01210; 1,01008; 1,00807 1,01008 4,06.10-6 0,00116 7,458 0,00868 0,86
Таблица 2
Определение погрешности при измерении кинематической вязкости в системе «вода - тальк»_
рН ^106, м2/с V ср, м2/с N-1 ы х109 т А V. 106 %
3,57 0.969296;0.966296;0.972297; 0.978299;0.984301 0,974098 5,22. 10-17 3,232 4,773 0,01543 1,58
2,12 0.972297;0.960294;0.984301; 0.984301 ;0.984301 0,977099 1,15. 10-16 4,801 4,773 0,02292 2,35
Таблица 3
Определение погрешности измерений электрического сопротивления в системе «вода - тальк»_
Добавка 0.1М НС1,(%) вх Т Ах £ (%)
2 4,42.10-6 3,5814 1, 58.10-5 2,0334
3 4,81. 10-6 3,5814 1,72. 10-5 1,9316
4 4,30. 10-6 3,5814 1,54. 10-5 1,6012
В табл. 3 показано определение погрешности для пяти параллельных опытов при разных рН среды. Видно, что относительная ошибка определений кинематической вязкости не превышает 5%.
Электрическую проводимость водно-тальковых композиций определяли кондуктометрическим методом, основанным на классической мостовой схеме, применяемой для проводников первого рода. Использовали при этом реохордный мост Р4833 со стандартной электролитической ячейкой. Помещали тонкодисперсную часть водно-тальковых композиций в электролитическую ячейку и измеряли сопротивление в ней. Определение постоянной электролитической ячейки ф провели, измеряя в ней электрическое сопротивление растворов хлорида калия разных концентраций.
Зная постоянную ячейки, удельную электрическую проводимость тальковых взвесей рассчитывали по уравнению
С X
Ях
где Р - сопротивление исследуемой системы.
При определении электрического сопротивления проводили несколько параллельных измерений. Для оценки погрешности этой серии опытов представлены данные при различных значениях рН среды (в табл. 3 показан % добавки электролита).
Видно, что оценка электрической проводимости суспензий проведена с относительной ошибкой до 5%.
1,014 1,012 1,01 1,008 1,006 1,004 1,002
1
р.10,
кг/м3
♦ Т = 298 ±2 К Т = 308 ±2 К Т = 318 ±2 К Т = 328 ±2 К
рН
10
Рис. 1. Зависимость относительной плотности суспензии талька от рН при разных температурах Результаты экспериментов и их обсуждение.
На рис. 1 показано изменение плотности водной суспензии талька при разных рН среды. Для описания зависимости плотности суспензии от рН для рассмотренного диапазона температур наиболее пригодными оказываются уравнения степенного типа, например для температуры 298±3 р = 1,0126.рН"00042 , а для температуры 338±3 р = 1,0042.рН-0, . Достоверность этих уравнений, оцениваемая по коэффициенту Р2, достаточно высока и изменяется от 0,70 до 0,96.
Анализ уравнений показывает, что с повышением температуры снижаются численные значения обоих коэффициентов в уравнениях. Наиболее резко это снижение выражено для кислых сред со значениями кислотности, равными двум (рН = 2).
0
2
4
6
8
1,011 1,01 1,009 1,008 1,007 1,006 1,005 1,004 1,003 1,002 1,001 1
288
308
328
Т, К
348
Рис. 2. Зависимость относительной плотности от температуры при разных значениях рН
На рис. 2 показано влияние температуры на плотность водных суспензий талька при разных рН среды. Для их описания пригодны уравнения линейного типа с коэффициентом Р2, близким к единице.
Экспериментальные данные по кинематической вязкости при известной плотности системы использовали для расчета динамической вязкости м, имеющей размерность Пас:
М = ^р ,
где V и р - соответственно кинетическая вязкость и плотность водно-тальковой системы (рис. 3).
0,99
0,94
0,89
0,84
0,79
0,74
0,69 -
0,64
0,59
m.io3,
293
303
313
323
333
-T51K 343
Рис. 3. Зависимость динамической вязкости водно-тальковых композиций от температуры при разных значениях рН среды
Для нахождения энергии активации вязкого течения полученные данные были представлены в полулогарифмических осях в соответствии с уравнением температурной зависимости вязкости [7]:
RT
По углу in m = f
m = k • e наклона
можно рассчитать энергию активации
a зависимости в осях
вязкого течения ЕИ = R • tga .
В табл. 4 представлены уравнения зависимости lnp = f(1/T), полученные с помощью Excel [8]. Коэффициент перед 1/Т как раз и связан с углом наклона линии в рассматриваемых осях.
Таблица 4
Уравнение зависимости lny = f(1/T)
рН Вид уравнения lnp = f(1/T) Достоверность, R2
2 lnp = 1085,2/T - 10,605 0,9709
4 lnp = 1124,6 /T- 10,739 0,9780
5 lnp = 1127,2 /T- 10,751 0,9783
6,5 lnp = 1135,6/T - 10,782 0,9779
На рис. 4 показано, как энергия активации вязкого течения зависит от рН среды.
9500 п 9400 9300 -9200 9100 -9000
, Дж/ (моль. К)
PH
Рис. 4. Зависимость энергии активации вязкого течения от рН среды
Видно, что в кислых средах энергия активации имеет минимальное значение, с повышением рН среды энергия активации вязкого течения возрастает.
Уравнение зависимости энергии активации вязкого течения от рН среды с коэффициентом корреляции 0,96 имеет вид Ер = 361,81- 1п (рН) + 8793,3.
0,01
адж
X ,Ом"1-см"1
ПН
I ' ь б
Рис. 5. Зависимость х=ЦрН) при 25 ± 2 0С
На рис. 5 для примера показана одна из зависимостей удельной электрической проводимости тальковых композиций (х) от рН среды при комнатной температуре. В целом исследования проведены вплоть до температур, приближающихся к температурам кипения, когда могут появляться пузырьки пара в жидкости, предшествующие кипению и способные повлиять на явление электрической проводимости.
На рис. 6 показано, что удельная электрическая проводимость водно-тальковых композиций линейно растет с температурой при всех рН среды.
Для определения энергии активации электрической проводимости был произведе н пересчет удельной электрической проводимости на молярную 1 при известной концентрации С ионов Н+в растворе по с
формуле 1 = С ■
2
4
5
7
Рис. 6. Зависимость электрической проводимости от температуры
Известно, что зависимость молярной электрической проводимости от температуры имеет вид
-
Я _ к ■ е КТ [7]. В табл. 5 показаны уравнения зависимости !пЛ _ /• (1
Т> ■
По коэффициентам перед рН определяли энергию активации электрической проводимости. На рис. 7 эта зависимость представлена в явном виде.
15000 12000 -9000 -6000 3000
Г)
Ex , Дж/ моль
о
5
1>Н
10
Рис. 7. Зависимость энергии активации эквивалентной электрической проводимости системы «тальк -раствор» от рН среды
Таблица 5
Уравнения зависимости 1п(А) от обратной величины температуры 1/Т
рН C, (М) Вид уравнения InA = f(1/T) R2
2 10-2 InA = -590,66/Т - 1,0005 0,9017
4 10-4 InA = -1162,9/Т + 4,5233 0,9244
5 10-5 InA = -1347,2/Т + 7,1216 0,9167
6.5 3,16.10" InA = -1563,8/Т + 10,923 0,908
8 10-8 InA = -1215,3/Т + 12,956 0,6919
Зависимость энергии активации электрической проводимости от рН имеет линейной характер с коэффициентом корреляции 0,97:
Ех= 1809,6-рН + 1778,4.
Электрическая проводимость зависит от тех структурных изменений, которые происходят на поверхности микрочастиц талька и это находит отражение в рассмотренных результатах.
Выводы
1. Проведены систематические исследования физико-химических свойств водно-тальковых композиций, используемых в качестве адсорбентов для очистки бумажной массы от смолянистых включений.
2. Изучено влияние рН среды на плотность, вязкость и электрическую проводимость тонкодисперсной, седиментационно устойчивой части системы «вода-тальк».
3. Показано, что в условиях постоянства температуры повышение рН среды приводит к снижению плотности и вязкости и увеличению электрической проводимости .
4. Показано, что повышение температуры при постоянной кислотности среды приводит к существенному снижению плотности, вязкости и электрической проводимости системы.
5. Получено уравнение зависимости энергии активации вязкого течения в системе «вода - тальк» от рН среды: Ер = 361,81- In (рН) + 8793,3 с коэффициентом корреляции 0,96.
6. Получено уравнение зависимости энергии активации электрической проводимости системы «вода -тальк» от рН среды в виде: Ех= 1809,6-рН + 1778,4 с коэффициентом корреляции 0,97.
6. Полученные результаты могут быть использованы для расчетов в последующих исследованиях поверхностных явлений в системы «вода - тальк».
Библиографический список
1. Производство бумаги /С. Ф. Примаков. - М.: Лесная пром-сть, 1987. - 224 с.
2. Лапин В.В. Проблема выбора талька для борьбы со смоляными затруднениями / В.В.Лапин // Целлюлоза, бумага, картон. - 2006. - №9. - С. 56-58.
3. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии: учеб. пособие для хим. - технол. спец. вузов / под ред. Ю.Г. Фролова, А.С. Гродского. - М.: Химия, 1986. - 214 с.
4. Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 8-е, перераб / под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. - Л.: химия, 1983. - 232 с.
5. Леончик Б.И. Измерения в дисперсных потоках / Б.И.Леончик, В.П.Маякин. - М.: Энергия, 1971. - 248 с.
6. Столяров Е.А. Расчет физико-химических свойств жидкостей / Е.А.Столяров, Н. Г.Орлова. - Л.: Химия, 1976.-114с.
7. Щукин Е.Д. Коллоидная химия / Е.Д.Щукин, А.В.Перцов, Е.А.Амелина. - М.: Высш. шк., 2006 - 443 с.
8. Тюрин Ю.Н. Анализ данных на компьютере / Ю.Н.Тюрин, А.А.Макаров. - М.: Финансы и статистика, 1995.-384 с.
