CC BY
18
2. Восстанавли- Экосистема частично самовосстанавли-
вающаяся экоси- 35.7-47.6 вающая, требуется частичная рекульти-
стема. вация на отдельных участках.
3. экосистема слабо Экосистема слабо восстанавливающая,
восстанавливаю- 23.7-35.7 требующая проведения биологического
щаяся этапа рекультивации
4. Экосистема не восстанавливающаяся Менее 23.7 Для восстановления экосистемы необходимо проведения всего комплекса работ по горнотехническому и биологическо-
му этапам.
8и - стадии сукцессии; 8еИ - коэффициент сходства Съёренсена-Чекановского; Бу - индекс поврежденности древостоя.
Данный интегральный показатель, является основой для зонирования техногенно нарушенных территорий и планирования ре-культивационных работ (табл. 5).
В Институте угля и углехимии СО РАН разработан комплекс методик и расчетных моделей, обеспечивающих комплексную оценку экологических последствий добычи и переработки углей и предотвращению опасных экологических последствий в угледобывающих районах Кузбасса, ггтт^
— Коротко об авторах -
Счастливцев Е.Л. - д-р техн. наук, Пушкин С.Г. - канд. техн. наук, Быков А.А. - канд. физ.-мат. наук, Институт угля и углехимии СО РАН.
^_
--© Е.Л. Счастливцев, Г.А. Мандров,
2008
УДК. 622. 7
Е.Л. Счастливцев, Г.А. Мандров
ОБОГАЩЕНИЕ ШЛАМОВ КОКСУЮЩИХСЯ УГЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТОЙ СХЕМОЙ ПОДАЧИ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ
249
Гехнологические процессы мокрого обогащения на большинстве углеобогатительных фабрик организованы по оборотной системе водоснабжения с замыканием водно-шламового цикла через наружные очистные сооружения - шламовые отстойники, гидроотвалы. Значительная часть гидроотвалов уже заполнена, поэтому требуются новые площади и новые капиталовложения для строительства дополнительных очистных сооружений. Также известно, что часть промывных вод с илистыми шламами попадают за пределы очистных сооружений, загрязняя близлежащие земли и водоемы [1, 2].
К настоящему времени около 90 % угля обогащают с использованием мокрых способов. В дальнейшем доля мокрых способов обогащения будет еще увеличиваться. Технология флотации непрерывно совершенствуется. Несмотря на внедрение новых техно -логий, водно-шламовые системы обогатительных фабрик еще не обеспечивают эффективного улавливания взвесей. Для обогащения угольной мелочи из гидроотвалов, определенный интерес представляет использование гидросайзеров. Применение гидросайзеров может явиться решением многих проблем, поскольку последние обеспечивают высокоэффективное извлечение угольной фракции крупностью до 5 мм. Метод сочетает относительно низкие капитальные и эксплуатационные затраты с простым, автоматическим режимом работы.
Гидросайзер [3] представляет собой аппарат с принудительным осаждением, состоящий из цилиндрической камеры для стока воды, с параллельными стенками. Восходящий поток воды вводится под постоянным давлением и заданной скорости потока. Через верхнюю часть в гидросайзер непрерывно загружается исходный уголь в виде пульпы, с содержанием 40-60 % твердой фазы по массе. По мере попадания частиц в восходящий поток воды происходит их разделение. Вновь поданные порции исходного материала вытесняют мелкую и легкую фракции через слив гидро-сайзера в сливной желоб. Для формирования восходящего потока рекомендуется использовать осветленную оборотную воду с содержанием в ней твердого не более 5 г/дм3. Применение гид-росайзера позволяет получить обогащенный угольный продукт с низкой зольностью и весьма приемлемым содержанием золы в
250
породном продукте. Принципиальная схема обогащения угольных шламов с использованием гидросайзера показана на рис. 1
[4].
Цель настоящей работы - на примере смеси шламов коксующихся углей марки «К», «КО», «КС», взятых из гидроотвала обогатительной фабрики, показать возможность их обогащения с помощью гидросайзера по коротко-замкнутой схеме подачи оборотной воды.
Переработка шламов коксующихся углей представляет особый интерес, так как после обогащения их можно гранулировать и направлять на коксование, что позволит использовать ранее добытый, но не востребованный уголь, а также улучшить экологическую обстановку.
При загрузке в гидросайзер исходного угольного шлама, предварительно просеянного через сито 800 мкм, на выходе после гид-росайзера получали угольно-глинистую суспензию с крупностью 030 мкм. Баланс продуктов обогащения угольных шламов с помощью лабораторного гидросайзера приведен ниже:
- зольность исходного угольного шлама Аа= 32,6 %; -зольность концентрата Аа= 10,5 %;
-зольность отмытой угольно-глинистой суспензии Аа = 67,8 %; -влажность концентрата 21 %; -влажность сфлокулированного осадка 25 %; -выход сухого концентрата Ха= 75 %; -выход сухой угольно-глинистой дисперсии Ха= 19 %; Полученную после гидросайзера угольно-глинистую суспензию подвергали осаждению в сгустителе с помощью флокулянтов. С этой целью оценивали флокулирующую активность некоторых бинарных композиций на основе отечественного полиакриламида (ПАА).
251
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема обогащения шламов коксующихся углей: 1 - бак-смеситель водоугольной суспензии; 2, 4, 5, 10, 13 - насосы; 3 - сборник оборотной воды; 6 - сборник фугата; 7 - гидросайзер; 8 - центрифуга; 9 - мерник флокулянта; 11 - сборник сфлокулированного осадка; 12 - сгуститель взвешенных дисперсий; 14 - мерник связующего; 15 -вибровалковый гранулятор; 16 - смеситель; 17 - сушилка; 18 - сборник гранулята
Рис. 2. Зависимость относительной кинематической вязкости растворов флокулянтов от их концентрации: 1 - (ПАА+ПЭГ-115); 2 - (ПАА+ТЭГ). 3 -ПАА
Бинарные композиции получали путем взаимодействия частично гидролизованного ПАА (с молекулярной массой 8105 а.е.м.) с тэтраэтиленгликолем (ТЭГ) и полиэтиленгликолем-115 (ПЭГ-115) в водной среде. Для ПЭГ-115 и ТЭГ характерным является идентичность структурных групп, но различная длина цепей. Для разбавленных растворов полимеров важно было оценить насколько изменилась удельная кинематическая вязкость при переходе от моно- к бинарной композиции. По времени истечения растворов полимеров в капиллярном вискозиметре рассчитывали их кинематическую вязкость. Определив кинематическую вязкость, графически определяли характеристическую вязкость и далее средневязкост-ную молекулярную массу по уравнению Марка-Куна-Хаувинка: [П]= КМа.
К и а - постоянные для данной системы полимер-растворитель. Для системы ПАА-вода К = 0,6310-4; а = 0,8. По величине отрезка при экстраполяции к нулевой концентрации полимеров (в координатах Vyд/С - С) находили характеристическую вязкость полимеров (рис. 2).
В качестве параметров, характеризующих размер и форму макромолекул, определяли среднестатистическое расстояние между концами молекулярной цепочки полимера (Ь), из которой рассчитывали гибкость полимера (Г), равную отношению (Ь) к молекулярной массе (М.М.). Величину (Ь) определяли по уравнению Флори: [п]=Ф'Р'Ь3/М.М. Для большинства полимеров Ф'Р = 2,11021.
253
Результаты расчетов приведены в таблице.
Полимер [|]] М.М., а.е.м. к. см Г=к М.М.
ПАА ПАА+ТЭГ ПАА+ПЭГ-115 ^ 810а $3 ~25ю* 107910* 0Д3510"11 Ц88010 5 0 Д1Р410"1е 2Д4410"8 0,08510 1е
Размерность твердого, мкм
Рис. 3. Баланс распределения твердой фазы в сгустителе: 1 - угольно-глинистая суспензия; 2 - осветленная оборотная вода; 3 - флокулированная твердая фаза
Было установлено, что при переходе от тэтраэтиленгликоля к полиэтиленгликолю-115 средневязкостная молекулярная масса бинарной композиции увеличилась в 1,25 раза, тогда как флокули-рующая активность при дозе 1,2 мг/дм3 увеличилась в 0,8 раза.
Баланс распределения твердой фазы в сгустителе показал, что бинарные композиции осаждают в первую очередь крупные зерна, а в осветленной воде остаются мелкие взвеси (рис. 3).
Для получения более глубокой очистки тонкодисперсных угольно-глинистых суспензий представляло интерес проверить действие бинарных композиций, типа блок-сополимеров. Блок-сополимеры, в которых один из блоков растворяется в воде, а
254
3500 ЗООО 2500 2000 1500 ЮОО 500
Волновое число, см '
Рис. 4. ИК-спектры бинарной композиции: ИК-спектры снимали на приборе «ТЕШОЯ-27» фирмы «БЯИКЕЯ»
другой не растворяется, особенно могут быть эффективными при осаждении тонкодисперсных глинистых взвесей. Нерастворяющие-ся блоки способны объединяться в мицеллы, служащие узлами физической сетки между макромолекулами. В таких системах отдельные группы макромолекул способны к сильным специфическим взаимодействиям [5].
Для проведения экспериментов к раствору ПАА добавляли раствор амидо-имидного полимера (АИП) в соотношении 1:1. Амидо-имидный полимер представляет собой дендритоподобный продукт с узорчатой гидрофобно-гидрофильной структурой, содержащий амидные и имидные звенья, способный благодаря наличию в молекуле электроотрицательных атомов кислорода к образованию достаточно прочных водородных связей с гидроксильными группами частично гидролизованного полиакриламида.
Об образовании водородных связей между двумя полимерами можно судить по изменению в ИК-спектрх бинарной композиции (рис. 4). В бинарной композиции в области 800-1300 см-1 появился новый «частокол» полос поглощения, свидетельствующий о межмолекулярных взаимодействиях в структурированной системе.
В результате образования водородных связей между частично гидролизованным полиакриламидом и амидо-имидным полимером, сохраняется дендритоподобная структура, эффективно осаждающая тонкодисперсные угольно-глинистые взвеси. При высушивании бинарной композиции узоры на пластинках сохраняются.
255
Отличительным свойством бинарной композиции является то, что она обладает тиксотропными свойствами, а именно, подвергнутая разрушению при напряжениях сдвига выше предела текучести, она через короткое время после снятия напряжения, полностью восстанавливает свою первоначальную дендритоподобную форму. Это выгодно отличает бинарную композицию от многих других полимерных гидрогелей, не обладающих тиксотропией. Другим достоинством бинарной композиции является то, что она стабильна во времени. Осевшие на дно раствора хлопья бинарной композиции после трех месяцев пребывания в состоянии покоя, были подвергнуты перемешиванию и не потеряли своей седиментационной активности при осаждении угольно-глинистых взвесей.
При обработке угольно-глинистых техногенных вод в сгустителе в статических условиях достигалась высокая степень осветления. Остаточная концентрация твердого в суспензии через 24 часа контакта составляла 0,1 г/дм3, при расходе флокулянта 1,0 г/дм3.
Таким образом, для осветления тонко-дисперсных угольно-глинистых суспензий можно с большей эффективностью применять бинарные композиции полимеров, в которых один из блоков представляет собой гидрофобно-гидрофильную структуру. В целом, такая бинарная композиция активно взаимодействует с твердой составляющей в широком диапозоне заряда поверхности дисперсной фазы.
Проведенные исследования позволили обосновать принципы создания локальных, коротко-замкнутых технологических схем водоснабжения производственных комплексов с учетом охраны окружающей среды:
1. Разработан способ обогащения шламов коксующихся углей с помощью гидросайзера.
2. Разработан способ осветления техногенных вод с подачей оборотной воды в коротко-замкнутом технологическом цикле.
3. Разработан способ повышения эффективности осаждения взвешенных веществ за счет применения бинарной дендритопо-добной высокомолекулярной композиции на основе полиакрила-мида.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Allard B., Karisson S., Lohm U. u.a. II Environmental impacts of an old mine tailings deposit-hidrochemical and hydrological background [Воздействие на окру-
256
жающую среду отвалов заброшенных шахт]. // Nord. Hydrol. - 1987. - Vol. 18. - № 4-5. - P. 279-290.
2. Mine drainage and surface mine reclamation Proc. Conf. Pittsburgh, Apr. 1921, 1988. Vol. 1 [Шахтный дренаж и рекультивация шахтных земель. Тр. конф., Питтсбург, 19-21 апр., 1988 г. Т. 1] // Inf. Circ. Bur. Mines. US Dep. Inter. - 1988. - № 9183. - P. 1-413.
3. United States Patent 5 609 256. Cl. B03B 005/00; B03B 007/00.Process for recovery of values from solid waste materials [Процесс извлечения полезных материалов из твердых отходов]. Filed: January 4, 1995. Publ.: March 11, 1997.
4. Потапов В.П., Счастливцев Е.Л., Мандров Г.А. Способ обогащения угольных шламов. // Патент на изобретение RU 2297284 от 11.05.2005. Опубликовано 20.04.2007. Бюл. № 11.
5. Роговина Л.З., Васильев В.Г., Чурочкина Н.А. и др. Влияние условий синтеза на строение гидрофобно модифицированных полиакриламидов и реологию их растворов и гелей. // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2004. Т.46. №4. С. 644-655. ЕШ
— Коротко об авторах -
Счастливцев Е.Л. - д-р техн. наук,
Мандров Г.А. - канд. хим. наук,
Институт Угля и углехимии СО РАН, г. Кемерово.
© В.А. Андроханов, 2008
УДК 622. 882 В.А. Андроханов
257
