CC BY
5
УДК 622.79
Резчикова П.С., Комарова С.Г., Лавриненко А.А., Кунилова И.В., Гольберг Г.Ю.
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЛОКУЛЯНТОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВОДЕ ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИК
Резчикова Полина Сергеевна, студент кафедры ИМиЗК, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, polinarezchikova@,yandex.ru, Москва, Россия. 125047, г. Москва, Миусская площадь, д. 9. Комарова Светлана Григорьевна, доцент кафедры ИМиЗК, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, komsvetka@yandex.ru, Москва, Россия. 125047, г. Москва, Миусская площадь, д. 9. Лавриненко Анатолий Афанасьевич, заведующий лабораторией, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН, lavrin a@mail.ru, Москва, Россия. 111020, г. Москва, Крюковский тупик, 4. Кунилова Ирина Валерьевна, старший научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН, kunilova i@ipkonran.ru Москва, Россия. 111020, г. Москва, Крюковский тупик, 4. Гольберг Григорий Юрьевич, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН, gr yu g@mail.ru, Москва, Россия. 111020, г. Москва, Крюковский тупик, 4.
В настоящей работе приведено обоснование нового метода непрерывного контроля концентрации флокулянтов в технологических водах обогатительных фабрик, заключающегося в измерении оптической плотности водной суспензии пигмента с крупностью частиц 1-10 мкм (в среднем 5 мкм) по схеме автоматического уравновешенного моста. На основании расчётных данных показано, что предлагаемый метод позволяет определять концентрацию флокулянтов в воде порядка 10-250 мг/м3.
Ключевые слова: флокулянты; технологическая вода обогатительных фабрик; пигменты; нефелометрия; автоматический уравновешенный мост.
SUBSTANTIATION OF THE METHOD FOR CONTINUOUS MONITORING OF THE CONCENTRATION OF FLOCCULANTS IN THE PROCESS WATER OF BENEFICIATION PLANTS
Rezchikova P.S., Komarova S.G., Lavrinenko A.A., Kunilova I.V., Golberg G.Yu.
Russian University of Chemical Technology. D.I. Mendeleev
Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences
In this work, we substantiate a new method for continuous monitoring of the flocculants concentration in the process waters of beneficiation plants, which consists in measuring the optical density of an aqueous suspension of a pigment with a particle size of 1-10 microns (on average 5 microns) using the Wheatstone bridge system. Based on the calculated data, it is shown that the proposed method allows determining the concentration offlocculants in water of the order of10-250 mg/m3.
Key words: flocculants; process water of beneficiation plants; pigments; nephelometry; Wheatstone bridge.
Синтетические полимерные флокулянты находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе в обогащении полезных ископаемых [1]. В то же время задача оптимизации расхода флокулянтов до конца не решена. Поэтому чрезмерный расход флокулянтов в технологических процессах ведет к нежелательным последствиям. Кроме увеличения себестоимости продукции, это приводит к таким нежелательным процессам, как агрегирование минеральных частиц в процессах гравитационного и флотационного обогащения полезных ископаемых, что, в свою очередь снижает качество концентрата. Важнейшей задачей оптимизации расхода флокулянтов является разработка надежных непрерывных методов инструментального контроля малых концентраций флокулянтов в технологических водах обогатительных предприятий. Создание таких методов позволит свести к минимуму неоправданные потери флокулянтов при сохранении
высокой эффективности процесса разделения суспензий с применением флокулянтов.
В настоящее время в зарубежной практике получает распространение флюоресцентный метод определения концентрации флокулянтов в воде, основанный на образовании флюоресцентных комплексов при добавлении к флокулянтам определенных реагентов [2]. Чувствительность данного метода ориентировочно на уровне нескольких мг/л (г/м3). В то же время, остаточная концентрация флокулянтов в технологических водах обогатительных фабрик находится на уровне нескольких мг/м3 (мкг/л), и это обуславливает необходимость разработки более чувствительных методов. С учётом того, что оптические свойства дисперсных систем могут существенно изменяться при добавлении весьма малого количества флокулянта (менее 1 мг/л) [3], есть основания полагать, что перспективным может быть способ выявления малых концентраций флокулянта, основанный на определении оптических свойств окрашенных водных
суспензий, например, нефелометрия. Для приготовления таких суспензий целесообразно использовать цветные или белые пигменты с крупностью частиц от 1 до 10 мкм. Крупность свыше 10 мкм нежелательна, так как суспензии таких частиц являются седиментационно неустойчивыми. Крупность частиц менее 1 мкм также нежелательна, поскольку такие частицы флокулируются по перикинетическому варианту. В результате характерное время флокуляции может составлять несколько десятков минут, что значительно превышает характерное время измерения.
Измерение оптических свойств суспензии пигментов целесообразно осуществлять в проточных ячейках: для суспензий цветных пигментов представляется целесообразным
спектрофотометрический метод, а для белого пигмента (например, СаСОз) - нефелометрический метод.
Предлагаемый способ контроля основан на непрерывном измерении концентрации флокулянтов в водных суспензиях. Схема с автоматическим уравновешенным мостом сравнивает сигналы от измерительных ячеек. Осуществляется сравнение электрического сигнала от двух измерительных ячеек, в которых определяется оптическая плотность двух суспензий:
- суспензия сравнения, приготовленная из окрашенного или белого тонкодисперсного материала с крупностью частиц 1-10 мкм;
- исследуемая суспензия, содержащая тот же материал и ту же концентрацию, но с добавлением технологической воды, в которой могут содержаться флокулянты.
При наличии в исследуемой суспензии флокулянтов происходит агрегация частиц пигмента. Следовательно, оптические свойства суспензии изменяются и возникает дисбаланс сигнала от этих измерительных ячеек. Этот сигнал фиксируется измерительным мостом и может использоваться для регулирования расхода флокулянтов в технологических процессах.
Для определения чувствительности предложенного метода необходимо определить, при каких условиях макромолекулы флокулянта в водной среде агрегируют частицы пигмента. Рассмотрим водную суспензию пигмента с крупностью частиц 1-10 мкм (в среднем 5 мкм). Согласно формуле, приведенной в работе [4], расстояние между соседними частицами в суспензии (а) прямо пропорционально диаметру частиц (й) и пропорционально корню кубическому из отношения плотности твёрдой фазы (р) к концентрации твёрдой фазы (Ст):
a = d 3
пр
\6C
Т
(1)
Рассмотрим ячейку водной суспензии пигмента, представляющего собой куб с длиной ребра а. В этой ячейке содержится 15 частиц твёрдой фазы. Учитывая, что одна макромолекула флокулянта связывает между собой две частицы флокулянта, две макромолекулы - три частицы, ..., (N-1) макромолекулы - N частиц, определяем, что для флокуляции всех частиц в ячейке необходимо 14 макромолекул флокулянта с молярной массой М (кг/кмоль). Исходя из этого условия
и выражая массу макромолекулы как М-1,66-10-27 кг, определяем концентрацию флокулянта (Сф), обеспечивающую агрегирование всех частиц в ячейке:
сф ='
2,33-10"26 М
(2)
На рисунке представлены результаты расчётов значения Сф в зависимости от Ст по формуле (2) для водной суспензии СаСОз (р=2800 кг/м3, й=5 мкм) в присутствии флокулянтов со значениями М, равными 5, 10, 15 и 20 млн кг/кмоль.
л
S о
=3 » ,
250
200
150
100
50
4
0 25 50 75 100 Концентрация пигмента, кг/м3
15 и
1-4 - значение М составляет соответственно 5, 10
20 млн кг/кмоль Рисунок - Зависимость минимальной концентрации флокулянта от концентрации пигмента
Из представленных расчетных данных видно, что в диапазоне значений концентрации пигмента от 10 до 200 кг/м3 значения минимальной концентрации флокулянта в данной суспензии возрастает монотонно от приблизительно 10 до 250 мг/м3. Для уточнения полученных расчетных данных планируется выполнить экспериментальные исследования по определению оптической плотности водной суспензии цветного или белого пигмента с крупностью частиц 1-10 мкм в зависимости от концентрации пигмента и концентрации флокулянтов.
Список литературы
1. Добыча и обогащение угля. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 37-2017. - М.: Бюро НДТ, 2017. - 294 С.
2. N.S.C. Becker, D.M. Bennett, B.A. Bolto, D.R. Dixon, R.J. Eldridge, N.P. Le, C.S. Rye. Detection of polyelectrolytes at trace levels in water by fluorescent tagging // Reactive & Functional Polymers. - 2004, V. 60. -Р. 183-193.
3. V. Onen, M. Gocer. The effect of single and combined coagulation/flocculation methods on the sedimentation behavior and conductivity of bentonite suspensions with different swelling potentials // Particulate Science And Technology. - 2018. - V. 37, № 7. - P. 823-830.
4. Кармазин В.В., Кармазин В.И. Магнитные, электрические и специальные методы обогащения полезных ископаемых - М.: Горная книга, 2012. - 287 с.
3
a
3
2
1
0
