Изучение процессов сорбции на угле Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК 622.831.32

В.В. Дырдин, И.С. Елкин, Я.В.Логинов ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СОРБЦИИ НА УГЛЕ

Газовыделение из угля при различной степени влажности описывается зависимостью [1]:

„ аг

О = 1Г~<, (1)

Ь + г

где О - объем метана, выделившегося из угля за время а, Ь - постоянные, значения, которых находятся экспериментально.

Скорость метановыделения определится как производная по времени от выражения (1):

аЬ

Ч =---------2 . (2)

(Ь + г)2

Постоянные в уравнениях (1) и (2) в общем случае будут зависеть от технологических условий состояния угля и физических условий: температуры,

сорбционных процессов на границе раздела уголь-газ, давления и др. Кроме того, они будут зависеть от наличия жидкости в пористой структуре угля, препятствующей выходу газа, и величины краевого угла смачивания.

Нами были проведены аналогичные исследования процессов сорбции в угле, но в качестве адсорбата был взят атмосферный воздух, содержащий пары влаги. С помощью вакуумной установки нами проведены исследования процессов сорбции данной 2-х фазной системы углем. В основе исследований лежит принцип аналогии процессов сорбции и десорбции метана и воздуха в угле. С другой стороны, существует анало-

гия между газовыделением из газонасыщенного угля при высоком давлении и газовыделе-нием при вакуумировании угля. Два процесса протекают одинаково по экспоненциальному закону.

Целью исследований являлось изучение процессов сорбции и десорбции в каменном угле в зависимости от внешнего воздействия на уголь. Исследовалось влияние степени разрушения образца на изменение сорбционной способности угля. Также изучалось влияние растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) на изменение сорбции воздуха углем.

Методика эксперимента заключается в следующем. Образцы угля вакуумировались

.й

о

о

га

ф

I

Ф

1

Ф

2

м

I

.0

с

ф

н

О

0

1

н

О

время вакуумирования: □ 5 мин

Д16 мин

Х29 мин

40 мин

Рис.1. Поглощение воздуха углем до воздействий на образец

10

В.В. Дырдин, И.С. Елкин, Я.В.Логинов

при давлении 1500 Па с помощью форвакуумного насоса в течение 20-40 мин. Затем вакуум снимался и образец взвешивался с интервалом времени 1-5 мин в течение 40 мин.

Основным параметром, характеризующим сорбционный процесс, была выбрана масса адсорбированного вещества.

Результаты экспериментальных исследований в виде зависимостей сорбированного воздуха от времени приведены на рис.1.

Относительное количество сорбированного адсорбата определялось по формуле т - тсух

О =------сус ,

тсух.

где т - масса угля в момент времени г после снятия вакуума; тсух. - масса сухого образца угля.

На диаграмме сорбции можно выделить несколько интервалов в диаграмме сорбции. На первой стадии протекает процесс активной адсорбции при интенсивной ламинарной и турбулентной фильтрации молекул адсорбата из внешней окружающей среды внутрь образца. Процесс имеет ярко вы-

раженный нелинейный характер. Второй интервал характеризует переходный процесс от интенсивной ламинарной

фильтрации к слабой ламинарной фильтрации абсорбата с последующим адсорбированием. На третьем интервале наблюдается слабая линейная фильтрация и адсорбция, описываемая линейным законом. Как можно заметить из графиков на величину сорбции оказывает влияние в первую очередь время вакуумирования и, соответствующее ему, начальное количество адсорбата -масса адсорбата перед снятием вакуума. Полученные экспериментальные данные могут быть описаны уравнением вида

О = к1п(г) + Од .

Постоянные коэффициенты зависят от множества факторов: наличия адсорбата в порах, количества пор участвующих в сорбционном процессе, размеры пор, их геометрия и др.

Установлено, что к является функцией от О0, если основным фактором, влияющим на процесс сорбции, будет являться наличие адсорбата в порах. Ап-роксимируем эксперименталь-

ные данные линейной функцией вида

к =а<2о + 0,

где а, р - эмпирические постоянные.

На рис.2 приведена линейная зависимость к=/(Ос) .

Эмпирические постоянные в уравнении зависят от разницы между массами в воздушносухом состоянии и сухим

а = /(твозд.сух., тсух. )> р = !(твозд .сух., тсух. ).

Так, при линейной связи это можно выразить в виде

р = твозд.сух. - т

При этом, необходимо полагать, что при нормальном атмосферном давлении масса угля в равновесном состоянии с окружающей средой приближенно равна массе в воздушно-сухом состоянии твозд.сух, а масса предельно вакуумированного угля равна массе сухого угля тсух , высушенного при температуре 110 0С до постоянной массы образца.

Сушка как температурное воздействие на образец может

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012

параметр О о

Одо воздействий Хсушка Ддробление до фракции 5-10 мм

Рис. 2. Изменение параметров диаграммы сорбции в зависимости от воздействий на образец

существенно оказывать влияние на сорбционные свойства угля. Как видно из экспериментальных данных, это влияние проявляется в увеличение сорбционных пор образца.

В работе также исследовалось влияние степени разрушенности угля на процесс сорбции. Результаты показывают, что механическое разрушение ведет к увеличению количества пор, участвующих в сорбционном процессе, уменьшается длина фильтрующих капилляров. Результаты исследований показывают, что в образцах угля по данным многих авторов существует большое количество закрытых пор, которые не принимают участия в сорбционных процессах. Объем этих пор можно оценить исходя из связи между поверхностью пор сорбента и сорбционными показателями. Удельное количество закрытых пор уменьшается с уменьшением фракционного состава угля. Процесс сорбции на мелких фракциях протекает интенсивнее.

При обработке угля ПАВ характер протекания процесса сорбции воздуха будет зависеть от класса, к которому относится ПАВ, его химической активности. Агрессивные химически-активные среды вызывают растворения макромолекул угля, увеличивая при этом поперечные сечение микрокапилляров, разрушая одновременно с этим изолированность закрытых пор.

Поверхностно-активные вещества с низкой активностью, напротив, будут закупоривать микропоры, изолируя тем самым адсорбированный газ от процессов сорбции. Количество изолированных пор, не участвующих в адсорбционных процессах, будет увеличиваться.

Влияние механических воздействий на уголь, повторяющихся периодично, также не однозначно. Определяется с одной стороны амплитудой воздействия, с другой частотой повторения напряженно-

деформационного состояния в образце (события). В общем случае зависит от энергии пере-

данной образцу за период колебаний. При низкой частоте это воздействие приводит к механическому разрушению, превращения микропор в макротрещины. При высоких значениях частоты возможен переход в новое фазовое состояние, активизация процессов межфазо-вого взаимодействия между адсорбатом и адсорбентом, снижение краевого угла смачивания.

Таким образом, изменение физического состояния угля в результате физико-химического или физико-механического воздействия на уголь приводит к эквивалентным изменениям его сорбционных свойств.

На основе результатов исследований и разработанной методики предлагается метод выбора поверхностно-активного вещества в целях снижения газовыделения и пылеобразова-ния на угольных шахтах. В основе метода лежит задача определения адсорбционной способности угля по отношению к ад-сорбату.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чернов О.И., Пузырев В.Н., Вологодский В.А, Панасейко С.П. Метановыделение из увлажненных угольных пластов/ Вопросы безопасности в угольных шахтах: науч. тр. ВостНИИ.- Кемерово: Книжн. изд., 1972.- Т. 12. - С. 128-137.

□ Авторы статьи:

Дырдин Валерий Васильевич

- докт. техн. наук, проф., зав.

каф. физики

Елкин Иван Сергеевич канд. техн. наук, доц. каф. физики

Логинов Ярослав Владимирович

- студент ГЭМФ