CC BY
132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байченко А. А., Байченко Ал. А., Дудкина Л. М., Митина Н. С. Использование измерений дзета-потенциала для изучения гидратированности частиц дисперсных систем // Интенсификация процессов ОПИ: Сб. науч. тр. / Институт горного дела. - Новосибирск, 1982. - С. 29-34.
2. Евменова Г. Л., Яковенко О. В., Байченко А. А. Применение катионных флокулянтов при очистке вод гидродобычи // Энергетического безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Тр. междунар. науч.- практ. конф. 12-15 сентября 2000. - Кемерово, 2000. - с. 94-95.
3. Евменова Г. Л., Байченко А. А., Яковенко О. В. Очистка технологических вод углеобогатительных предприятий Кузбасса с помощью катионных флокулянтов. Перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. науч. тр. VIII науч.-практ. конф. 13 июня 2001, Новокузнецк.
- 2001. - С. 249-250.
4. Евменова Г. Л., . Байченко А. А. Переработка угольных шламов мокрых пылеуловителей // Тр. междунар. науч.-практ. конф. 18-21 сентября 2001. - Кемерово, 2001. - С. 142-143.
□ Автор статьи:
Евменова Галина Львовна -канд. техн. наук, доц. каф. обогащения полезных ископаемых
УДК 504.06:541.18:622.3
Г.Л. Евменова
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЛОКУЛЯНТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ШЛАМОВЫХ ВОД УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ
Несмотря на широкое применение в настоящее время флокулянтов в производстве для интенсификации многих процессов и, в частности очистки сточных вод шахт и обогатительных фабрик, этот вопрос не решается в полной мере из-за низкой эффективности агрегации тонкодисперсных частиц и малой скорости их седиментации. Как правило, в промышленных условиях не учитываются физико-химические характеристики дисперсных систем и влияния на их устойчивость концентрации флокулянтов в пульпе. Между тем гранулометрический состав минеральных частиц и плотность пульпы оказывает существенное влияние на адсорбцию полимеров на твердой поверхности, а значит и на величину агрегатов, скорость их седиментации и степень очистки техногенных вод.
Поэтому при создании научных основ эффективной технологии очистки сточных вод необходимо было установить основные факторы, влияющие не только на агрегацию минеральных частиц, но и на высокую степень осветления загрязненных вод, например за счет комплексного применения полимерных флокулянтов.
В данной работе представлены результаты исследований по изучению влияния плотности суспензий и крупности частиц на флокуляцию угольных шламов с помощью анионных и катионных флокулянтов различной молекулярной массы (ММ).
В наших исследованиях в качестве модельных
систем использовались образцы малозольных концентратов (Аа=6,8%) отсадочных машин, что исключало влияние глинистых составляющих угля на процесс флокуляции угольных частиц. Угольный концентрат крупностью 0,5-13 мм измельчался до частиц размером менее 0,5 мм и рассеивался на классы: 0,25-0,5 мм; 0,1-0,25 мм; 0,05- 0,1 мм и менее 0,05 мм. Угольные суспензии готовились с различным содержанием твердого 100 г/л; 30 г/л; 15 г/л. В опытах использовались как анионные М 365, М 525, так и катионный М 1440 флокулянты типа Магнафлок на основе полиакриламида швейцарской фирмы «СІВА».
На рис. 1а,б, в представлены зависимости влияния концентрации флокулянтов на скорость седиментации частиц различной крупности при содержании твердого в суспензии 100 г/л. По полученным кривым видно, что при добавлении анионных флокулянтов М 365 и 525 скорость седиментации частиц размером 0,25-0,5 мм изменялась незначительно и практически не отличалась от значений без внесения флокулянта (0,52 см/с). Что касается чистоты слива, то осветленный слой при этом оставался мутным и мало изменялся при различных концентрациях флокулянтов. При добавлении катионного М 1440 (рис. 1в) скорость седиментации частиц возрастала от 0,52 до 0,98 см/с и при концентрации флокулянта 6 мг/л достигала постоянной величины с получением прозрачного слива.
Наиболее резкие изменения скорости седи-
ментации частиц происходили при добавлении флокулянтов в угольные суспензии с размером частиц 0,1- 0,25 мм. Уже при концентрации М 365
- 1,75 мг/л ее значение достигало 0,4 см/с, т.е. увеличивалось в 3,5 раза.
Влияние различной концентрации М 525 на скорость седиментации не столь эффективно как у М 365 для частиц этого же класса, рис.1 б, кривая
2. Очевидно это объясняется более низкой молекулярной массой этого флокулянта. Слив при действии М 525 и М 365 оставался мутным для всех исследуемых концентраций. Что касается влияния М 1440 на седиментацию частиц размером 0,1-0,25 мм (рис.1в, кривая 2), то можно было наблюдать плавное увеличение скорости седиментации от 0,125 см/с до 0,55 см/с при изменении концентрации флокулянта от 0 до 10 мг/л. Слив становился прозрачным уже при добавлении полимера в количестве 1 мг/л. В то время, как для суспензии с размером частиц 0,1-0,05 мм добавление всех типов исследуемых флокулянтов в заданном диапазоне их концентраций (рис.1 а, б, в, кривая 3) не влияло на скорость седиментации
V. сшс
0.6 0.4 0.2 0
п
2
-о а
т^.4 і 0 с,мг/п
-0—1
2
10 с,мг/п
V, см?с
Рис. 1. Зависимость скорости седиментации угольных частиц от конценрации флокулянтов: а - Зб5; б -Магнафлок 525; в -Магнафлок 1440. Содержание твердого 100 г/л. Крупность частиц, мм: 1 - (0,25-0,5); 2 - (0,1 -0,25); 3 -
(0,05-0,1); 4 -(0-0,05)
частиц, а слив оставался мутным. Снижение крупности частиц в суспензии (менее 0,05 мм) приводило к подавлению процесса флокуляции (рис.1 а,
б, в, кривые 4). Таким образом, при относительно плотных пульпах (100 г/л) процесс флокуляции крупных частиц происходил успешно, в то время как частицы менее 100 мкм практически не фло-кулировались и не давали чистых сливов. Это можно, по-видимому, объяснить действием нескольких факторов, в частности, количеством частиц и их поверхностью в данном объеме жидкости. Снижение размера частиц при неизменной массовой концентрации их в жидкой фазе приводит к резкому увеличению поверхности твердой фазы и уменьшению влияния флокулянта при данных их концентрациях, т. к. в этом случае число
Рис. 2. Зависимость скорости седиментации угольных частиц от концентрации флокулян-тов: а - Зб5; б - Магнафлок 525; в - Магнаф-лок 1440. Содержание твердого 15 г/л.Крупность частиц, мм: 1 - (0,25-0,5); 2 -(0,1-0,25); 3 -(0,05-0,1); 4 -(0-0,05)
макромолекул на единицу поверхности резко снижается, уменьшается толщина адсорбционных слоев и вероятность успешной флокуляции данной суспензии. Исходя из этого, целесообразно было провести дополнительные опыты по выяснению влияния плотности пульпы на процесс флокуляции. С этой целью были исследованы угольные суспензии с содержанием частиц в пульпе 30 г!л и 15 г!л, при использовании заданных ранее расходах флокулянтов и размерах частиц.
Следует отметить, что при плотности пульпы 30 г!л процесс флокуляции принципиально не отличался от предыдущего, представленного на рис.
1 для крупных классов. Сохранялись те же закономерности. При действии флокулянтов на угольную суспензию, содержащую класс 0,1-0,25 мм картина резко менялась. Прозрачный слив и высокую скорость седиментации получали даже при малых концентрациях М 1440 (2 мг!л). При
добавлении в пульпу М 525 и М 365 скорость частиц увеличивалась в 3-4 раза, но прозрачного слива при этом не получали. В случае добавления флокулянтов в суспензию с частицами менее 50
г.10"г , мг/г
Рис. 3. Кинетика адсорбции флокулянтов на поверхности угольных частиц менее 50 мкм Содержание твердого в пульпе 15 г/л.Концентрация флокулянтов 1 мг/л: 1 -365;
2 -Магнафлок 525; 3 -Магнафлок 1440 мкм скорость седиментации их не менялась.
Крупные частицы размером 0,1-0,5 мм, при малой плотности суспензии (15 г/л), успешно осаждались без использования флокулянтов. Для частиц размером 0,05-0,1 мм скорость седиментации увеличивалась, особенно при добавлении М 1440 (рис.2 а, кривая 3), и при этом слив был прозрачным. Совершенно иначе вели себя тонкие шламы менее 50 мкм. Скорость седиментации этих частиц при добавлении флокулянта резко возрастала (рис.
2 б), причем характер кривых для каждого вида полимера был различен. При действии М 525 скорость седиментации частиц (кривая 1) повышалась с увеличением расхода флокулянта в растворе и достигала своего максимального значения 0,4 см/с при концентрации 1,75 мг/л, затем кривая выходила на плато, т. е. увеличение концентрации флокулянта не изменяло скорости седиментации.
При добавлении незначительного количества М 365 (1 мг/л), в угольную суспензию скорость седиментации частиц резко возрастала и достигала своего максимума 0,61 см/с (рис. 2 б, кривая 2) при концентрации 1 мг/л. По видимому, это можно объяснить тем, что М 365 имеет более высокую молекулярную массу и значит большую длину макромолекул по сравнению с М 525, что имеет принципиально важное значение при мостичном механизме флокуляции, т. к. более длинная макромолекула может связать большее число твердых частиц в агрегат. При увеличении концентрации флокулянта с более высокой молекулярной массой, как, например М 365, увеличивается количество макромолекул больших размеров и значит, усиливаются стерические явления, что достаточно наглядно видно по характеру кривой 2, рис. 2 б,. Уже при концентрации 2 мг/л скорость седиментации резко падала до 0,42 см/с, а при 4 мг/л кривая 2 снижалась до постоянной величины. Что касается чистоты слива при применении М 365 и М 525, то он оставался мутным.
При действии на угольную суспензию катион-
ного флокулянта М 1440 скорость седиментации частиц была довольно высокой и составляла 0,5 см/с уже при концентрации флокулянта в растворе равной 1 мг/л, рис. 2 б, кривая 3. Слив получался прозрачным. С ростом расхода флокулянта увеличивалась скорость седиментации, а слив оставался стабильно прозрачным. Это можно объяснить следующим механизмом действия М 1440.
Согласно существующим представлениям [1, 2] флокуляция тонких частиц и макроионов высокомолекулярных соединений наступает в результате нейтрализации поверхностного заряда при адсорбции противоположно заряженных звеньев на поверхности твердых частиц. При этом предполагается, что флокулянт связывается с поверхностью большим числом контактов, «разворачиваясь» на ней с формированием «мозаичной» структуры из примерно равного числа зарядов разного знака. Кроме того, в работах Байченко А. А., Барана А. А. и др. [3-5] показано, что флокуляция дисперсий катионным флокулянтом протекает по различным механизмам как за счет снижения заряда и потенциала частиц, так и вследствие образования «мостичных» связей между частицами через адсорбированные макроионы.
Таким образом, сочетание прозрачного слива и высокой скорости седиментации частиц можно объяснить наличием одновременно двух механизмов взаимодействия при флокуляции угольной дисперсии катионным флокулянтом М 1440, в результате чего происходит агрегация тонких шламов в более крупные флокулы. Применение катионных флокулянтов дает наибольший эффект как в увеличении скорости седиментации, так и в уменьшении концентрации частиц в осветленном слое на разжиженных пульпах, содержащих большое количество тонкодисперсных шламов. Это необходимо учитывать при разработке рекомендаций по интенсификации процессов сгущения угольных шламов в радиальных сгустителях и очистки осветленных вод этих сгустителей от минеральных частиц.
В связи с этим представлял большой интерес провести дополнительные опыты по изучению кинетики адсорбции высокомолекулярных полимеров на поверхности микронных частиц.
При изучении кинетики адсорбции М 365, М 525 и М 1440 на поверхности тонких шламов использовали суспензию угольных частиц классом менее 0,05 мм, с содержанием твердого 15 г/л. В этих опытах относительная адсорбция определялась в миллиграммах на грамм вещества, согласно методике, изложенной в работах [6-8]. В этих работах по изучению кинетики адсорбции флоку-лянтов на поверхности угольных шламов было установлено, что время контактирования угольных частиц с макромолекулами в растворе составило 20 минут. Этого времени вполне достаточно для полной адсорбции флокулянтов на поверхности частиц и образования адсорбционных слоев в
поверхностном слое. Дальнейшее увеличение времени контакта не приводило к изменению количества полимера в адсорбционном слое.
На графике, представленном на рис.3, видно, что интенсивный рост адсорбции во времени происходил в начальный момент контакта суспензии с флокулянтами, т. е. в течение первых 5 минут, затем кривые выходили на плато, т. к. достигалось адсорбционное равновесие. Из графика видно, что все полученные кривые сливаются в одну, при адсорбции 1 мг/л любого из исследуемых полимеров на поверхности угольных частиц. Это еще раз подтверждает, что на тонких шламах (менее 50 мкм) следует избегать больших расходов полимеров, что и экономически нецелесообразно.
Проведенные исследования влияния адсорбции флокулянтов на процесс седиментации частиц различной крупности показали избирательность действия флокулянтов, т. е. изменение гранулометрической характеристики угольных шламов меняет соответственно эффективность их действия. Поэтому необходимо было установить возможность использования полученных результатов для промышленных суспензий.
В условиях производства гранулометрические характеристики угольных шламов в значительной степени зависят от многих физико-химических и технологических факторов: способа добычи угля и его транспортировки, петрографического состава, зольности, размокаемости глинистых составляющих породы в воде и т.д. В работе рассматриваются приоритетные направления в создании экологически чистых технологий обогащения и переработки шламов. Естественно, что изменение соотношения отдельных классов в этих шламах приводит к резкому изменению результатов седиментации частиц различной крупности. Особо важное влияние в этом случае оказывают частицы менее 50 мкм. При большом количестве тонких шламов ухудшаются результаты коагуляции и флокуляции угольных суспензий, что оказывает существенное влияние на процессы сгущения шламов и осветления технологических вод.
Предполагалось, что анионные флокулянты за счет мостичного механизма действия будут адсорбироваться в основном на крупных частицах тонких шламов и создавать из них агрегаты и обеспечивать тем самым интенсификацию процесса сгущения и фильтрации суспензий. В то время как катионные флокулянты адсорбируясь на отрицательно заряженной поверхности тонких шламов, в основном действуют по электростатическому принципу, изменяя электрокинетический потенциал поверхности частиц до величины, близкой к изоэлектрической точке, т. е. создаются предпочтительные условия образования микроагрегатов (из-за отсутствия сил электростатического отталкивания), которые могут увеличиваться до макроагрегатов с применением флокулянтов, имеющих как низкомолекулярные, так и высоко-
молекулярные макромолекулы. Последние, закрепляясь на микроагрегатах, будут способствовать
Таблица
Гранулометрический состав угольных ________ образцов__________________
Классы, мм Выход, % Поверхность частиц, Р103 мм2, в 1 г угля
0,25-0,5 10,0 1,14
0,1-0,25 10,0 2,45
0,05-0,1 20,0 11,43
0-0,05 60,0 102,86
Итого 100,0 117,88
образованию по мостичному механизму макроагрегатов [3, 5]. Таким образом, катионные полимерные флокулянты, имеющие большую молекулярную массу, могут совместить два механизма их действия и обеспечить в промышленных условиях не только увеличение скорости седиментации час-
V , см/с
Рис. 4. Зависимость скорости седиментации угольных частиц размером0-0,05 мм от кон-ценрации флокулянтов: 1 -365; 2 -Магнафлок 525; 3 - Магнафлок 1440.
Содержание твердого 100 г/л.
тиц, но и уменьшить значительно концентрацию тонкодисперсных шламов в осветленной воде.
Для проверки действенности этой гипотезы были проведены исследования на искусственно приготовленных смесях, которые соответствовали гранулометрическому составу угольных шламов на ЦОФ «Сибирь» и ЦОФ «Кузнецкая». В таблице приведена характеристика приготовленных угольных образцов.
Из таблицы видно, что с уменьшением размера частиц увеличивается их общая поверхность. В этом случае (при увеличении поверхности в несколько раз) необходимо соответственно увеличить содержание макромолекул в растворе.
Однако нашими исследованиями установлено, что не требуется покрытия всей минеральной поверхности слоем макромолекул, а вполне достаточно «мозаичного» закрепления флокулянта, позволяющего при малых расходах получать хорошие показатели (рис. 2 а). Из сопоставления полученных результатов видно, что катионный Маг-нафлок 1440 не только увеличивает скорость седиментации частиц средних размеров (0,05-0,1 мм), но и резко сокращает содержание твердых частиц в осветленной воде. Еще лучшие результаты были получены при флокуляции частиц менее
0,05 мм, когда применение катионного флокулянта особенно эффективно из-за снижения электростатических сил отталкивания (рис. 3 б).
По кривым, представленным на рис.4 видно, что практически все флокулянты и анионные и катионные позволяли получить хорошую скорость седиментации. Но при этом чистый слив дости-
гался только при применении катионного М 1440.
Таким образом, использование высокомолекулярных катионных флокулянтов позволит не только интенсифицировать процесс сгущения угольных шламов, но и очистить шламовые воды от тонкодисперсных частиц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gregory J. Flocculation of Polystyrene Particles with Cationic Polyelectrolytes // Trans.Farasay Soc.-1969.- 65.- №8.- p.2260-2268.
2. Gregory J. Rates of Flocculation of Latex Particles by Cationic Polymers // J.Colloids a.Jnerface Sci.-1973.- 42.- № 3.- p.448-456.
3. Байченко А. А., Мельтинисов М. А., Галина Г.Д., Иванова Т. Т. Исследование флокуляции угольноглинистых дисперсий гидродобычи // Физико-техн.проблемы разработки полезных ископаемых. - 1989.-№ 3.- С. 115-120.
4. Соломенцева И. М., Турсупбаев Н. К., Баран А. А. и др. Исследование флокуляции полистироль-ных латексов катионными полиэлектролитами с помощью поточного ультрамикроскопа // Украинский химический журнал.- 1980.- 46.- № 9.- С. 929-933.
5. Баран А. А. Полимерсодержащие дисперсные системы.- Киев: Наукова думка, 1986.- 204 с.
6. Евменова Г. Л., Байченко А. А. Изучение адсорбции полимерных флокулянтов на поверхности частиц дисперсных систем // Вестн. КузГТУ. - Кемерово.- 1999.- № 1. - С.84-86
7. Евменова Г. Л., Байченко А. А. Регенерация техногенных вод гидродобычи // Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию: Сб тр. Международн. практ. конференц. Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. - т. 2. С. 234-238 .
8. Евменова Г. Л., Яковенко О. В., Байченко А. А. Исследование эффективности действия новых образцов высокомолекулярного полимера // Обогащение, переработка и комплексное использование минерального сырья: Сб. материалов научн.-техн. конференц. 10-20 ноября 1999, Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. - С. 46-51.
□ Автор статьи:
Евменова Галина Львовна -канд. техн. наук, доц. каф. обогащения полезных ископаемых
