CC BY
23
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;(12):86-101
УДК 622.807.2 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-86-101
ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УГЛЕЙ С ПОЛИМЕРНЫМИ ЭМУЛЬСИЯМИ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА
Д.И. Гаврилова
НИТУ «МИСиС», Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация: В настоящей работе для оценки эффективности смачивания и агломерации угольных частиц полимерными эмульсиями применен комплекс методов, включающий изотермическую калориметрию, определение краевого угла смачивания, изучение проникновения капли эмульсии, ситовый анализ обработанных эмульсиями углей, электронную сканирующую микроскопию, определение водостойкости агломератов угольных частиц. Показано, что полимерные эмульсии различного состава проявляют схожие свойства при взаимодействии с углем. В результате полученных экспериментальных данных тепловых потоков углей при контакте с эмульсиями выявлены зависимости смачивания углей от их крупности и от концентрации эмульсии. Полученные значения краевых углов смачивания углей полимерными эмульсиями и оценка проникающей способности капли свидетельствуют о высокой эффективности их смачивания углей. Данные гранулометрического состава и электронной сканирующей микроскопии позволили установить, что применение полимерных эмульсий приводит к агломерации мелких угольных частиц, а также к образованию пленочного покрытия на поверхности углей. Показано, что образующиеся агломераты гидрофобны и устойчивы при взаимодействии с водой. Полученные данные согласуются с результатами проведенного опытно-промышленного испытания по обработке угля полимерной эмульсией для подавления угольной пыли на площадке перегрузочного пункта ООО «Разрез Аршановский».
Ключевые слова: уголь, полимерная эмульсия, смачиваемость, краевой угол смачивания, гранулометрический состав, водостойкость, электронная сканирующая микроскопия.
Благодарность: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-77-10052).
Для цитирования: Гаврилова Д. И. Изучение взаимодействия углей с полимерными эмульсиями различного состава // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. -№ 12. - С. 86-101. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-86-101.
Interaction of coal with polymeric emulsions of different composition
D.I. Gavrilova
National University of Science and Technology «MISiS», Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract: This study into efficiency of wetting and agglomeration of coal particles by polymeric emulsions used a set of methods including isothermic calorimetry, determination of wetting angle, examination of emulsion drop permeation, screen analysis of coal treated by emulsions, scanning electron microscopy and water resistance test of agglomerates of coal particles. It is shown that polymeric emulsions of different composition expose similar properties in interaction with coal. From the experimental data on heat flows from coal in contact with emulsions, the dependences
© A.M. raBpM^OBa. 2019.
of coal wetting on particle size and emulsion concentration are revealed. The obtained values of the wetting angles for coal and polymeric emulsions, as well as the estimate of the emulsion drop penetrability prove high efficiency of emulsions in wetting of coal. The grain-size analysis and scanning electron microscopy find out that treatment with polymeric emulsions results in agglomeration of coal fines and in formation of a film coating on coal surface. It is shown that the agglomerates are hydrophobic and stable in interaction with water. The obtained results agree with the pilot test outcome on coal treatment by polymeric emulsion for coal dust suppression at the rehandling site at Arshanovsky Open Pit Mine.
Key words: coal, polymeric emulsion, wettability, wetting angle, grain size composition, water resistance, scanning electron microscopy.
Acknowledgements: The research was supported by the Russian Science Foundation (grant No 1877-10052).
For citation: Gavrilova D. I. Interaction of coal with polymeric emulsions of different composition. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(12):86-101. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-086-101.
Введение
В настоящее время пыление углей при их добыче, перемещении и хранении является весьма актуальной проблемой. Выделение мелкодисперсной пыли приводит к существенному загрязнению территорий и атмосферного воздуха не только в санитарно-защитных зонах предприятий, но и за их границами — в населенных пунктах и на территориях, прилегающих к угольным складам, местам перегруза и транспортировки. В связи с этим задачу снижения содержания пыли при транспортировании углей можно считать приоритетной. Для целей пылепо-давления в последние годы активно используют различные химические реагенты и эмульсии, имеющие полимерную природу. Однако выбор таких реагентов осуществляется, исходя преимущественно из экономических соображений, и не обеспечен обоснованными критериями, определяющими эффективность предлагаемых технологий. В связи с этим цель настоящей работы — изучение влияния полимерных эмульсий разного состава на эффективность пылеподавления.
Для оценки эффективности поверхностно-активных веществ (ПАВ) в процессах подавления угольной пыли применяют два вида методов: статические и
динамические (рис. 1) [1]. Статические методы направлены на изучение взаимодействия между частицами угля и раствором ПАВ, находящимися в контакте в течение определенного периода времени. Динамические испытания оценивают эффективность применения ПАВ для осаждения взвешенных в воздухе частиц угля.
Для исследования взаимодействия ПАВ с углем обычно используют следующие методы: определение поверхностного натяжения ПАВ, оценку адсорбции ПАВ на углях, а также определение дзета-потенциала. Как известно, добавление ПАВ к воде, даже в небольшом количестве, приводит к снижению поверхностного натяжения воды, тем самым улучшая смачиваемость углей. Для эффективного смачивания частиц угля критическое поверхностное натяжение составляет около 45 мН/м [2]. Поэтому определение поверхностного натяжения является одним из способов определения эффективности того или иного ПАВ [3].
Также эффективность смачивания оценивают по адсорбции ПАВ на поверхности частиц угля путем определения количества адсорбированного реагента. Дзета-потенциал может быть использован для изучения адсорбции ПАВ на по-
Рис. 1. Методы оценки эффективности ПАВ [1] Fig. 1. Methods to evaluate efficiency of surfactants [1]
верхности частиц угля и стабильности частиц угля в растворе реагента. Большая разница между дзета-потенциалом угля в воде и в растворе ПАВ может рассматриваться как один из показателей повышения эффективности. Этот тест обычно применяют только к катионным и анионным поверхностно-активным веществам [4].
Наиболее распространенным методом оценки влияния ПАВ на смачиваемость углей является испытание по определению поглощения частиц раствором ПАВ. Данный метод является стандартным [5]. Также используют модифицированный метод, называемый тестом Уокера [6].
Еще одним способом определения смачиваемости является определение краевого угла смачивания на аншлиф-брикетах угля [7, 8].
Для оценки смачиваемости порошков компанией Crowl and Wooldridge был разработан метод определения капиллярного подъема исследуемой жидкости по стеклянной трубке с уплотненной
в ней угольной пробой [8]. В этом тесте существует два показателя смачиваемости угля: высота фронта поглощенной жидкости и прирост массы поглощенной жидкости.
При испытании на проникновение капли, которое также называют испытанием на впитывание реагента слоем частиц, измеряют скорость проникновения растворов ПАВ в порошки под действием силы тяжести. Измерения основаны на регистрации времени впитывания углем раствора.
Динамические лабораторные испытания имитируют реальные условия распространения пыли в контролируемой среде. Например, одним из таких методов является испытание в аэродинамической трубе, в которую нагнетается угольная пыль и регистрируется ее концентрация с применением различных растворов и без [10—12].
Также для оценки эффективности борьбы с угольной пылью проводят натурные испытания [13, 14]. Так, например, в работе [15] проанализировано изменение
содержания взвешенных веществ в атмосферном воздухе рабочей зоны при перевалке необработанного и обработанного полимерной эмульсией углей.
Материалы и методы
Характеристика объектов
Для исследования были выбраны угли разных месторождений: № 1 — бурый уголь Канско-Ачинского бассейна, № 2 — уголь марки Д Минусинского каменноугольного бассейна, № 3 — уголь марки Т, № 4 — уголь марки СС, № 5 — уголь марки КС (№ 3—5, угли месторождений Кузбасса). Для проведения исследования использовали образцы крупностью менее 3 мм, менее 0,2 мм, а также ан-щлиф-куски углей.
Использовались две промышленные полимерные эмульсии: эмульсия на основе акрилового сополимера торговой марки «AMS-1000» и полимерная эмульсия на основе латекса (далее ПЭЛ). Обе эмульсии представляют собой жидкости молочно-белого цвета с плотностью 1,05 и 1,043 г/см3 соответственно. Обработку угля проводили водным раствором полимерных эмульсий. Эмульсия «AMS-1000» была опробована в одной концентрации, рекомендуемой производителем, т.е. разбавлена водой в соотношении 1:5. ПЭЛ использовали в трех концентрациях: 3, 5 и 10%, полученных путем разбавления водой, исходя из массовой доли сухого вещества — 50%.
Методы определения смачиваемости
углей полимерными эмульсиями
Изотермическая калориметрия
Как известно, смачивание является экзотермическим процессом [15]. Для изучения смачиваемости углей было проведено исследование тепловых эффектов, возникающих при взаимодействии растворов эмульсии с углем. Данное исследование было реализовано с использованием метода изотермической
калориметрии на микрокалориметре TAM Air (TA Instruments). Прибор регистрирует тепловой поток, вызванный температурным градиентом через датчики, расположенные под исследуемым и контрольным образцом, что создает сигнал напряжения, пропорциональный тепловому потоку. Используемый метод представляет собой модифицированный метод изотермической калориметрии, описанный в [16].
При выполнении измерений исследуемый образец угля и контрольный образец помещают в стеклянные ампулы емкостью 20 мл. Ампулы с исследуемым образцом оснащают дополнительным
Рис. 2. Принципиальная схема расположения исследуемого и контрольного образца, детали ампулы с дозирующим устройством: 1 — поршень шприца; 2 — внешняя заглушка; 3 — шприц; 4 — внутренняя заглушка; 5 — ампула с исследуемым образцом; 6 — верхняя крышка калориметрической ячейки; 7 — цилиндрическая металлическая пробка; 8 — эталон; 9 — калориметрическая ячейка
Fig. 2. Layout of test and check samples, with marked components of cell with dosimeter: 1—pis-ton of injector; 2—outer plug; 3—injector; 4—inner plug; 5—cell with test sample; 6—top cap of calo-rimetry cell; 7—metal cylindrical plug; 8—reference; 9—calorimetry cell
аксессуаром — так называемым смешивающим устройством. В настоящем исследовании смешивающее устройство использовали для дозирования полимерных эмульсий и изучения их взаимодействия с углем. Перед использованием смешивающего устройства необходимо установить требующееся количество шприцов, а в неиспользуемые отверстия установить заглушки. Это позволяет полностью герметизировать ампулу для дальнейшего термостатирования. Жидкость вводится в ампулу путем нажатия на поршень шприца, к которому имеется доступ снаружи калориметра (рис. 2). На рис. 2 также представлено расположение исследуемого образца (слева) и эталона (справа). В качестве эталонов были использованы пустые герметично запечатанные стеклянные ампулы (воздух) емкостью 20 мл, которые загружают в калориметр до начала эксперимента и термостатируют.
Образец угля (масса «2 г) загружают в стеклянную ампулу. Для исследования смачивания образцов различными жидкостями использовалось описанное выше смешивающее устройство с 2-мя установленными шприцами, заполненными исследуемой эмульсией (общий объем 2 мл). Соотношение твердой фазы (уголь) к жидкой (эмульсия) (Т:Ж) в настоящей работе составляет 1:1.
С момента начала эксперимента в течение получаса проводили запись базовой линии. По прошествии этого времени в калориметр помещали ампулы с пробой угля, снабженные смешивающими устройством, и оставляли на 45—120 мин для стабилизации уровня теплового потока. Когда сигнал теплового потока становился стабильным, вручную дозировали жидкость из шприцов в стеклянную ампулу. Регистрацию измерений тепловых эффектов проводили непрерывно, в режиме реального времени, с помощью ПО TAM Assistant (TA
Instruments). Измерения проводили при температуре 40 °С, установленной и поддерживающейся в калориметре. Эксперимент завершали, когда изменение теплового потока не превышало 1%. Определение краевых углов смачивания на аншлиф-кусках углей Определение краевых углов смачивания проводили на аншлиф-кусках углей. Данный метод был реализован на специальной установке, состоящей из подъемного предметного столика и камеры, подключенной к ПК. Исследуемый образец помещали и закрепляли на предметном столике. Сверху на аншлиф-кусок угля с помощью пипетки наносили каплю полимерной эмульсии. Растекание капли по образцу угля фиксировали фотосъемкой на камеру. Определение краевых углов смачивания проводили с помощью специализированного ПО.
Определение проникающей способности полимерных эмульсий Пробу угля крупностью менее 0,2 мм угля помещали тонким слоем на предметное стекло. Затем выравнивали поверхность с помощью плоского металлического цилиндра. Предметное стекло с пробой помещали на специальную подставку и фокусировали изображение поверхности с помощью цифровой камеры, совмещенной с компьютером. На поверхность угля наносили каплю раствора и фиксировали изменение поверхности угля.
Методы определения агрегирующей способности полимерных эмульсий
Определение агрегирующей способности полимерных эмульсий с использованием ситового анализа
Агрегирующую способность полимерных эмульсий изучали путем сравнения гранулометрического состава углей, необработанных и обработанных раствором эмульсии. Обработку проб углей
эмульсиями проводили в лабораторных условиях. Для этого отбирали представительную пробу каждого угля (крупностью менее 3 мм) в количестве 50 г. Образцы выкладывали тонким слоем на противень размерами 310*280 мм и из распылителя равномерно по всей поверхности угля наносили необходимое количество разбавленной эмульсии. Далее обработанные пробы оставляли на 1—2 ч на воздухе для высыхания эмульсии. После ее высыхания проводили ситовый анализ проб.
Определение гранулометрического состава проводили на ситовом ударном анализаторе «АС-200У» («Ротап»). Для ситового анализа были использованы 2 сита с размером сетки: 1 и 0,2 мм. Сита устанавливали на анализатор в определенной последовательности — по уменьшению размера их сетки. Навеску (около 50 г) пробы угля помещали на верхнее сито. Далее проводили рассев в течение 1 мин. Затем на технических весах взвешивали массу каждого полученного класса пробы. После рассева из обработанной пробы с верхнего сита отбирали около 1 г надрешеточного продукта для дальнейшего изучения структуры поверхности углей и устойчивости агломератов к воздействию влаги. Определение водостойкости угольных агломератов Для исследования водостойкости углей после обработки растворами использовали надрешеточный продукт, полученный при испытаниях на ситовом анализаторе. Отобранную пробу помещали в чашку Петри, затем переносили на столик оптического микроскопа и фиксировали полученные изображения. Затем в чашку Петри добавляли небольшое количество воды, таким образом, чтобы все находящиеся в ней частицы были покрыты водой. После добавления воды фиксировали изображения частиц каждые 5 мин в течение получаса.
Электронная сканирующая
микроскопия
Исследование микроструктуры поверхности углей после взаимодействия с полимерными эмульсиями проводили, используя метод электронной растровой микроскопии, реализованный на полевом эмиссионном растровом электронном микроскопе JSM-6700F фирмы <0ео1». Для исследования использовали надре-шеточный продукт, полученный после рассева обработанного угля на ситовом анализаторе. С помощью двухстороннего электропроводящего скотча несколько частиц угля каждого образца помещали на предметный столик, который далее закрепляется на держателе образцов, и помещается в рабочую камеру, где непосредственно проходит фиксация изображений исследуемой поверхности углей при различном увеличении [17].
Результаты и обсуждения
Исследование смачиваемости углей полимерными эмульсиями методом изотермической калориметрии проводили в несколько этапов.
На первом этапе было изучено влияние крупности углей на их смачивание. На рис. 3 приведены характерные графики тепловых потоков, полученные при исследовании взаимодействия углей различной крупности на примере эмульсии «AMS-1000».
В качестве образца для сравнения использовали воду. Показано, что тепловые потоки (рис. 3, а), как на крупном, так и на мелком классе бурого угля при взаимодействии с водой, практически не отличаются. Это говорит о том, что смачивание бурого угля водой не зависит от его крупности. Полученные данные при смачивании «AMS-1000» (рис. 3, б), показывают, что угли крупностью менее 0,2 мм лучше смачиваются по сравнению с более крупными частицами углей (менее 3 мм). Результаты, полученные
а)
и о н о в
Ж
о «
о п в
5
6
о X
б)
«
о н о в ж
о «
о п в
14
12
10
Время
&
о К
о
Время
Рис. 3. Влияние крупности углей на смачивание бурого угля № 1 разной крупности: вода (а); «AMS-1000» (б); 1 — уголь крупностью 1—3 мм; 2 — уголь крупностью менее 0,2 мм Fig. 3. Effect of particle size on wetting of lignite No. 1: (a) water; (b) AMS-1000; 1—particle size of 1-3 mm; 2—particle size less than 0.2 mm
при смачивании углей ПЭЛ, аналогичны результатам при смачивании «AMS-1000».
Второе направление исследования заключалось в изучении смачиваемости углей крупностью менее 3 мм в зависимости от концентрации ПЭЛ. Полученный результат (рис. 4) показывает, что смачивающее действие ПЭЛ улучшается с увеличением концентрации основного вещества. Аналогичный результат получен при смачивании углей крупностью менее 0,2 мм.
Далее была сопоставлена смачиваемость полимерными эмульсиями угля № 2 крупностью менее 0,2. Результаты показали, что на угле мелкого класса большую эффективность смачивания проявляет эмульсия «AMS-1000» (рис. 5). Однако на угле № 3 крупностью менее 3 мм более эффективно действует ПЭЛ 10% концентрации.
Также для оценки эффективности смачивания полимерными эмульсиями было проведено исследование их проника-
о
с «
о
CQ О
ц =
и н
SH
3 х
щ
1,5 -
Рн
о
а
0,5 -
-3% ПЭЛ
--5% ПЭЛ
-----10% ПЭЛ
Время
Рис. 4. Влияние концентрации ПЭЛ на смачивание угля № 2 (менее 3 мм)
Fig. 4. Influence of polymeric emulsion concentration on wetting of coal No. 2 (less than 3 mm)
Время
Рис. 5. Сопоставительные графики теплового потока при смачивании угля № 2 крупность менее 0,2 мм водой, «AMS-1000» и ПЭЛ
Fig. 5. Comparative plots of heat flow in wetting of coal No. 2 with particles less than 0.2 mm in size with water, AMS-1000 and polymeric emulsion
a) 6)
Рис. 6. Взаимодействие капли ПЭЛ с углем № 3: 0 с (а); спустя 1 с (б); спустя 2 с (в); спустя 5 с (г); спустя 15 с (д); спустя 20 с (е)
Fig. 6. Interaction of polymeric emulsion drop with coal No. 3: (a) 0 s; (b) after 1 s; (v) after 2 s; (g) after 5 s; (d) after 15 s; (e) after 20 s;
Рис. 7. Профили капель растворов на поверхности угля № 3: вода (а); ПЭЛ (б)
Fig. 7. Profiles of drops on surface of coal No. 3: (a) water; (b) polymeric emulsion
ющей способности на поверхности тонкого слоя угля. Это позволило установить, что при попадании капли на угольную поверхность в первые же секунды происходит ее активное растекание, сопровождающееся коагуляцией мелких угольных частиц. Время полного проникновения капель полимерных эмульсий в уголь мелкого класса составляет 20—30 с. При этом отмечено, что размер покрытой эмульсией поверхности в несколько раз превышает размер исходной капли.
На рис. 6 приведены фотографии, на которых показано изменение поверхности угольной пыли при нанесении на нее капли эмульсии (на примере ПЭЛ), зафиксированное в течение 20 с. Аналогичные свойства проявляет эмульсия «AMS-1000».
Смачивающая способность полимерных эмульсий была оценена при определении краевого угла смачивания. Для сравнения также были измерены краевые углы смачивания угольной поверхности водой. На рис. 7 показаны типичные изображения капель на поверхности угля, на примере угля № 4. В таблице приведены полученные данные, которые показывают, что численные значения краевых углов смачивания угольной поверхности полимерными эмульсиями почти в 2 раза ниже, чем соответствующие значения при смачивании водой. Значения краевых углов смачивания эмульсией «AMS-1000» и ПЭЛ на разных углях сопоставимы. Это свидетельствует о высокой смачиваемости поверхности угля полимерными эмульсиями.
Краевые углы смачивания поверхности углей полимерными эмульсиями Edge angles of wetting the surface of coals with polymer emulsions
№ угля Наносимая жидкость Значение краевого угла смачивания, град.
левый угол, град. правый угол, град. среднее значение, град.
3 Вода 56 55 55,5
«AMS-1000» 26 28 27
ПЭЛ 24 27 25,5
4 Вода 58 58 58
«AMS-1000» 24 34 29
ПЭЛ 27 27 27
5 «AMS-1000» 24 22 23
ПЭЛ 24 22 23
Рис. 8. Сопоставительная диаграмма результатов гранулометрического состава исходного угля № 2 и обработанного полимерными эмульсиями
Fig. 8. Comparative diagram of grain size analysis results for initial coal No. 2 and after treatment with polymeric emulsions
Результаты ситового анализа обработанных углей (рис. 8) показывают, что выход класса крупности менее 0,2 мм снижается при обработке обеими полимерными эмульсиями по сравнению с необработанным углем. С увеличением концентрации ПЭЛ (рис. 8) эффективность агрегирования частиц увеличивается, о чем свидетельствует увеличение класса более 1 мм.
На углях № 3—5 было изучено влияние количества (6, 10 и 14% от массы угля) наносимой ПЭЛ 10% концентрации на эффективность агломерации угольных частиц. Результаты ситового анализа приведены на рис. 9—11. Увеличение количества полимерной эмульсии для обработки угля приводит к увеличению содержания надрешеточного продукта и снижению класса менее 0,2 мм. Наибольшее сни-
60,0
>1 1-0,2 <0,2
Класс крупности, мм
1 □ Необработанный уголь 2 ЕЭ Уголь, обработанный ПЭЛ (6% от массы угля)
3 Н Уголь, обработанный ПЭЛ (10% от массы угля) 4 Э Уголь, обработанный ПЭЛ (14% от массы угля)
Рис. 9. Влияние количества ПЭЛ на изменение гранулометрического состава угля № 3 (крупность менее 3 мм)
Fig. 9. Effect of polymeric emulsion amount on change in grain size composition of coal No. 3 (size less than 3 mm)
> 1 1-0,2
1 □ Необработанный уголь
2 ЕЭ Уголь, обработанный ПЭЛ (10% от массы угля)
3 а Уголь, обработанный ПЭЛ (14% от массы угля)
Рис. 10. Влияние количества ПЭЛ на изменение гранулометрического состава угля № 4 (крупность менее 3 мм)
Fig. 10. Effect of polymeric emulsion amount on change in grain size composition of coal No. 4 (size less than 3 mm)
жение мелочи (менее 0,2 мм) происходит при применении максимального количества эмульсии, т.е. в количестве 14% от массы угля.
Из полученных результатов видно, что изменение гранулометрического состава углей после обработки разными по составу эмульсиями достаточно однотипно. Отмечено, что после высыхания нанесенных на угольную поверхность полимерных эмульсий образуются доста-
точно плотные агломераты угольных частиц. Также следует отметить, что образовавшие при обработке эмульсиями агломераты угольных частицы устойчивы к непродолжительным механическим воздействиям, таким как колебательные движения (270 колебаний/мин) при рассеве на ситовом ударном анализаторе «АС-200У».
Ранее было проведено исследование микроструктуры поверхности угля № 1 и
> 1 1-0,2
1 □ Необработанный уголь
2 ЕЭ Уголь, обработанный ПЭЛ (10% от массы угля)
3 а Уголь, обработанный ПЭЛ (14% от массы угля)
Рис. 11. Влияние количества ПЭЛ на изменение гранулометрического состава угля № 5 (крупность менее 3 мм)
Fig. 11. Effect of polymeric emulsion amount on change in grain size composition of coal No. 5 (size less than 3 mm)
Рис. 12. Примеры микроструктуры поверхности угля № 2, обработанного ПЭЛ, при разном увеличении: увеличение х750 (а);увеличение х1500 (б);увеличение х2000 (в);увеличение х4000 (г) Fig. 12. Examples of surface microstructure of coal No. 2 treated with polymeric emulsion at different magnification: (a) х750; (b) х1500; (v) х2000; (g) х4000
Рис. 13. Примеры микроструктуры поверхности угля № 4, обработанного ПЭЛ, при разном увеличении: увеличение х300 (а); увеличение х1000 (б); увеличение х3000 (в); увеличение х5000 (г) Fig. 13. Examples of surface microstructure of coal No. 4 treated with polymeric emulsion at different magnification: (a) х300; (b) х1000; (v) х3000; (g) х5000
Рис. 14. Устойчивость образовавшихся при обработке ПЭЛ агломератов частиц угля № 4 при взаимодействии с водой: исходные агломераты (а); спустя 5 мин (б); спустя 15 мин (в); спустя 30 мин (г)
Fig. 14. Stability of agglomerates of coal No. 4 after treatment with polymeric emulsions in interaction with water: (a) initial agglomerates; (b) after 5 min of interaction; (v) after 15 min of interaction; (g) after 30 min of interaction
еще одного бурого угля, обработанных эмульсией «AMS-1000», методом сканирующей микроскопии [17]. Экспериментальные исследования показали, что используемая эмульсия создает пленку на поверхности угольных частиц.
Результаты анализа микроструктуры поверхности образцов двух различных углей (№ 2 и № 4), обработанных ПЭЛ 10% концентрации, представлены на рис. 12, 13. Исследование образцов методом электронной растровой микроскопии (рис. 12, 13) показало, что применение полимерной эмульсии приводит к агломерации мелких угольных частиц и образованию плотных пленок на поверхности частиц и их агломератов. Для всех исследованных образцов над-решеточных проб обработанных углей отмечено наличие достаточно крупных агломератов. При этом отчетливо видно, что мелкие частицы угля (менее 10 мкм)
находятся на поверхности более крупных частиц.
Результаты определения водойстой-кости образовавшихся после обработки полимерной эмульсией агломератов угольных частиц показаны на примере обработки 10% раствором ПЭЛ. После добавления воды угольные агломераты, остались на ее поверхности. Наблюдения в течении получаса не выявили их разрушения. Полученные результаты наблюдения приведены на рис. 14. Таким образом, можно полагать, что применение для обработки углей полимерной эмульсии приводит к связыванию мелких частиц угля, образующиеся агломераты гидрофобны и устойчивы к воде.
Выводы
Проведенные исследования показали, что смачиваемость углей растворами полимерных эмульсий зависит от круп-
ности угля. Мелкие классы углей (менее 0,2 мм) смачиваются лучше по сравнению с более крупным классом, что подтверждается увеличением тепловых потоков при смешивании углей с растворами эмульсий.
Смачиваемость углей полимерными эмульсиями повышается при увеличении их концентрации в водном растворе. При нанесении капли полимерной эмульсии на уголь крупностью менее 0,2 мм за 20—30 с происходит ее полное впитывание. При этом в первые секунды происходит активное растекание, сопровождающееся коагуляцией мелких угольных частиц. О высокой смачиваемости поверхности угля полимерными эмульсиями свидетельствуют низкие значения краевых углов смачивания.
По результатам ситового анализа выявлено, что увеличение как концентрации эмульсии, так и ее количества для обработки угля, приводит к увеличению класса более 1 мм и снижению класса
менее 0,2 мм. Это свидетельствует об эффективности агрегирования частиц полимерными эмульсиями за счет образования плотных агломератов угольных частиц.
С использованием метода электронной сканирующей микроскопии показано, что применение полимерной эмульсии приводит к связыванию мелких частиц угля и образованию плотных пленок на поверхности угольных частиц и их агломератов. Показано, что образующиеся агломераты гидрофобны и устойчивы при взаимодействии с водой.
Полученные результаты согласуются с проведенным ранее опытно-промышленным испытанием полимерной эмульсии для пылеподавления угольной пыли в рабочей зоне предприятия [14]. Это подтверждает, что содержание взвешенных веществ в атмосферном воздухе происходит за счет эффективного смачивания и агломерирования угольных частиц раствором полимерной эмульсии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. GuangXu, YinpingChen, Jacques Eksteen, JialinXu. Surfactant-aided coal dust suppression. A review of evaluation methods and influencing factors // Science of the Total Environment. 2018;639:1060-1076. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.05.182.
2. Parekh B., Aplan F. The critical surface tension of wetting of coal / Recent Developments in Separation Science. Vol. 4. CRC Press West Palm Beach, FL, 1978, pp. 107-113.
3. Корнев А. В., Коршунов Г. И., Корнева М. В. Современные методы оценки смачивающей способности шахтных составов для пылеподавления // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2017. - № S5-1. - С. 93-102.
4. Kost J. A., Shirey G. A., Ford C. T. In mine tests for wetting agent effectiveness. Bureau of Mines, United States Department of the Interior, Minerals Health and Safety Technology, 1980.
5. Standard test method for evaluation of wetting agents by the skein test ASTM D2281-10.
6. Walker P., Petersen E., Wright C. Surface active agent phenomena in dust abatement // Ind. Eng. Chem. 1952;44(10):2389-2393.
7. Wang Naiguo, Nie Wen, Cheng Weimin, Liu Yanghao, Zhu Liang, Zhang Lei. Experiment and research of chemical de-dusting agent with spraying dust-settling // Procedia Engineering. 2014; 84:764-769. DOI: 10.1016/j.proeng.2014.10.494.
8. Tao Fan, Gang Zhou, Jiayuan Wang. Preparation and characterization of a wetting-agglomeration-based hybrid coal dust suppressant // Process Safety and Environmental Protection. 2018;113:282-291. DOI: 10.1016/j.psep.2017.10.023.
9. Crowl V., Wooldridge W. A method for the measurement of adhesion tension of liquids in contact with powders // Wetting. 1967;25:200-212.
10. Wang Y., Tien J. C., Wilson J. W., Erten M. Use of surfactants for dust control in mines. A laboratory study. 1991.
11. Zhou Q., Qin B., Ma D., Jiang N. Novel technology for synergetic dust suppression using surfactant-magnetized water in underground coal mines // Process Safety and Environmental Protection. 2017;109:631-638. DOI: 10.1016/j.psep.2017.05.013.
12. Zhang J., Shao Y., Huang N. Measurements of dust deposition velocity in a wind-tunnel experiment // Atmospheric Chemistry and Physics. 2014;14(17):8869-8882. DOI: 10.5194/ acp-14-8869-2014.
13. Qun Zhou, Botao Qin, Jun Wang, Hetang Wang, Fei Wang. Effects of preparation parameters on the wetting features of surfactant-magnetized water for dust control in Luwa mine, China // Powder Technology. 2018;326:7-15. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.12.002.
14. Эпштейн С. А., Гаврилова Д. И., Завелев И. Г., Шамшин С. А., Юрин Е. Ю. Опыт применения полимерной эмульсии для снижения пыления углей при их перемещении // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 10. - С. 5-15. DOI: 10.25018/02361493-2019-10-0-5-15.
15. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость / Пер. с англ. В. А. Эльте-ков, Ю. А. Эльтеков. Под ред. К. В. Чмутова. - М.: Мир, 1970. - 407 с.
16. Эпштейн С.А., Гаврилова Д. И., Коссович Е.Л., Адамцевич А. О. Использование тепловых методов для оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию // Горный журнал. - 2016. - № 7. - С. 100-104. DOI: 10.17580/gzh.2016.07.22.
17. Epshtein S., Gavrilova D., Kossovich E., Nesterova V., Nikitina I., FedorovS. Technologies of coatings employment for coals oxidation resistance improvement // AIMS Energy. 2019;7(1):20-30. DOI: 10.3934/energy.2019.1.20. EES
REFERENCES
1. Guang Xu, Yinping Chen, Jacques Eksteen, Jialin Xu. Surfactant-aided coal dust suppression. A review of evaluation methods and influencing factors. Science of the Total Environment. 2018;639:1060-1076. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.05.182.
2. Parekh B., Aplan F. The critical surface tension of wetting of coal. Recent Developments in Separation Science. Vol. 4. CRC Press West Palm Beach, FL, 1978, pp. 107-113.
3. Kornev A. V., Korshunov G. I., Korneva M. V. Modern methods of estimation wetting ability mine compositions for dust control. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' 2017, no S5-1, pp. 93-102. [In Russ].
4. Kost J. A., Shirey G. A., Ford C. T. In mine tests for wetting agent effectiveness. Bureau of Mines, United States Department of the Interior, Minerals Health and Safety Technology, 1980.
5. Standard test method for evaluation of wetting agents by the skein test ASTM D2281-10.
6. Walker P., Petersen E., Wright C. Surface active agent phenomena in dust abatement. Ind. Eng. Chem. 1952;44(10):2389-2393.
7. Wang Naiguo, Nie Wen, Cheng Weimin, Liu Yanghao, Zhu Liang, Zhang Lei. Experiment and research of chemical de-dusting agent with spraying dust-settling. Procedia Engineering. 2014; 84:764-769. DOI: 10.1016/j.proeng.2014.10.494.
8. Tao Fan, Gang Zhou, Jiayuan Wang. Preparation and characterization of a wetting-agglomeration-based hybrid coal dust suppressant. Process Safety and Environmental Protection. 2018;113:282-291. DOI: 10.1016/j.psep.2017.10.023.
9. Crowl V., Wooldridge W. A method for the measurement of adhesion tension of liquids in contact with powders. Wetting. 1967;25:200-212.
10. Wang Y., Tien J. C., Wilson J. W., Erten M. Use of surfactants for dust control in mines. A laboratory study. 1991.
11. Zhou Q., Qin B., Ma D., Jiang N. Novel technology for synergetic dust suppression using surfactant-magnetized water in underground coal mines. Process Safety and Environmental Protection. 2017;109:631-638. DOI: 10.1016/j.psep.2017.05.013.
12. Zhang J., Shao Y., Huang N. Measurements of dust deposition velocity in a wind-tunnel experiment. Atmospheric Chemistry and Physics. 2014;14(17):8869-8882. DOI: 10.5194/acp-14-8869-2014.
13. Qun Zhou, Botao Qin, Jun Wang, Hetang Wang, Fei Wang. Effects of preparation parameters on the wetting features of surfactant-magnetized water for dust control in Luwa mine, China. Powder Technology. 2018;326:7-15. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.12.002.
14. Epshtein S. A., Gavrilova D. I., Zavelev I. G., Shamshin S. A., Yurin E.Yu. Application of polymer emulsion in dust emission control during coal haulage. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(10):5-15. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-10-0-5-15
15. Greg S., Sing K. Adsorbtsiya, udel'naya poverkhnost, poristost'. Pod red. K. V. Chmutova [Adsorption, specific surface area, porosity. Chmutov K. V. (Ed.)], Moscow, Mir, 1970, 407 p.
16. Epshtein S. A., Adamtsevich A. O., Gavrilova D. I., Kossovich E. L. Use of thermal methods to study coal oxidation susceptibility and liability to spontaneous ignition. Gornyy zhurnal. 2016, no 7, pp. 100-104. [In Russ]. DOI: 10.17580/gzh.2016.07.22.
17. Epshtein S., Gavrilova D., Kossovich E., Nesterova V., Nikitina I., Fedorov S. Technologies of coatings employment for coals oxidation resistance improvement. AIMS Energy. 2019;7(1):20— 30. DOI: 10.3934/energy.2019.1.20.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Гаврилова Дарья Ивановна — инженер, e-mail: [email protected], НИТУ «МИСиС».
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
D.I. Gavrilova, Engineer, e-mail: [email protected], National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
A
ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)
ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ГОРНОМ ДЕЛЕ
(2019, СВ 37, 680 c.)
Доклады Всероссийской научно-технической конференции «Цифровые технологии в горном деле», проведенной в Горном институте КНЦ РАН, посвящены обсуждению современного состояния и актуальных проблем применения цифровых технологий, компьютерного моделирования объектов и процессов горного производства для решения задач рациональной и безопасной отработки месторождений полезных ископаемых, геомеханического обеспечения горных работ, комплексной переработки минерального сырья и экологических проблем горного производства. В представленных материалах отражены результаты исследований и практического применения разработок научных и проектных организаций, а также производственных предприятий в области цифровой трансформации горнодобывающей отрасли. Материалы сборника могут представлять интерес для широкого круга исследователей и инженеров, аспирантов и студентов высших учебных заведений, занимающихся научными и практическими проблемами разработки месторождений полезных ископаемых.
DIGITAL TECHNOLOGIES IN MINING
Reports of all-Russian scientific-technical conference «Digital technologies in mining», held in the Mining Institute KSC RAS, devoted to a discussion of the current state and actual problems of application of digital technologies, computer modeling of objects and processes of mining production for solving problems of rational and safe mining of mineral deposits, geomechanical provision of mining operations, complex processing of mineral raw materials and environmental problems of the mining industry. The presented materials reflect the results of research and practical application of the developments of scientific and design organizations, as well as industrial enterprises in the field of digital transformation of the mining industry. The materials of the collection may be of interest to a wide range of researchers and engineers, graduate students and students of higher educational institutions engaged in scientific and practical problems of mineral deposits.
