Применение полимерных соединений различной структуры в качестве реагентов-модификаторов при флотации каменноугольной мелочи Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 622.765.063:622.333

В. Н. Петухов 1, А. С. Сирченко 1, А. А. Юнаш 2, А. В. Саблин 3

Применение полимерных соединений различной структуры в качестве реагентов-модификаторов при флотации каменноугольной мелочи

1 ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» 455000, Россия, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38; тел.: (3519) 29-84-33, факс: (3519) 29-84-26 2 ЗАО «РМК», ОАО «ММК» г. Магнитогорск 3 ОАО «Русская сталь», г. Новотроицк

В работе в качестве реагентов модификаторов для флотации каменных углей исследованы высокомолекулярные соединения, отличающиеся молекулярным строением и наличием в молекуле различных функциональных групп и гетеро-атома. Установлено, что успех флотации при их использовании зависит от молекулярного строения и расхода модификатора, а также определяется активностью реагента собирателя и стадией метаморфизма угольного вещества. Подача перед собирателем реагентов модификаторов в количестве 0.01—0.5 г/т позволяет увеличить выход концентрата на 0.5—4.2 % без снижения его качества.

Ключевые слова: флотационные реагенты, высокомолекулярные соединения, молекулярное строение, метаморфизм углей, эффективность флотации.

Различным видам переработки каменных углей, исходя из экономических соображений, обязательно предшествует стадия обогащения. Наиболее мелкие (—0.5 мм) и самые зольные классы углей обогащаются методом флотации, позволяющим не только существенно повысить их качество, но и снизить потери добытой органической массы с отходами обогащения. Себестоимость флотации, являющейся одним из дорогостоящих методов обогащения, во многом определяется расходом применяемых реагентов. В настоящее время углеобогатительные фабрики России в качестве реагентов используют в основном недорогие продукты или отходы нефтехимических производств, обладающие, как правило, низкой флотационной активностью, что обуславливает их повышенный расход при флотации.

В процессе многочисленных исследований флотации углей было обнаружено, что подача в кондиционирование пульпы малых количеств дополнительных реагентов-модификаторов перед собирателем позволяет снизить расход

Дата поступления 18.12.06

последнего, а также, в ряде случаев, повысить выход концентрата и снизить его зольность. Так, в работе 1 показано, что применение реагентов-модификаторов «амина» и «катамина», в групповом химическом составе которых присутствуют азотсодержащие соединения, позволяет снизить расход реагентов в 1.5—2.0 раза при равном извлечении горючей массы в концентрат. Авторами 2 установлено, что использование в качестве реагентов-модификаторов сополимеров винилпиридина с алкилсульф-оксидами позволяет снизить расход собирателя на 25%, увеличить выход концентрата на 3% при одновременном снижении его зольности с 13.6 до 11.5 %. Результаты исследований 3 4 позволили установить, что введение перед собирателем водорастворимых катион-ных полиэлектролитов на основе диметилди-аллиламмонийхлорида или этиленимина и эпихлоргидрина, в количествах по отношению к собирателю от (0.004—0.006): 1 и от (0.007—0.020):1 соответственно, позволяет повысить качественно-количественные показатели флотации угля. Следует отметить, что большинство предложенных дополнительных реагентов не нашло широкого применения на углеобогатительных фабриках страны из-за дефицитности и высокой стоимости.

Нами были исследованы в качестве реагентов-модификаторов следующие высокомолекулярные соединения: полиметилмета-крилатамидаммоний (дэман) (1), полиметил-метакрилатэтаноламид (флучан) (2), полипен-тадиен-1,3-метакрилат натрия (3), поли-^^ диметил-3,4-метиленпирролидинсульфон (4), полистиролмалеат аммония (5), полипентади-ен-1,3-сульфон (6).

Результаты экспериментов показали, что флотация угольной мелочи при использовании этих соединений зависит от их строения.

Так, при флотации шлама ЦОФ «Сибирь» с зольностью 14.0% при одинаковых расходах реагентов, увеличение выхода концентрата на 0.7—0.8 % наблюдается при введении в процесс модификаторов 1 и 2, а использование соединений 3, 4, 5, наоборот, снижает выход концентрата на 0.8—1.4 % (табл. 1). Обработка пульпы различным количеством реагента 6 перед подачей собирателя при флотации угольной мелочи марки «КС» зольностью 15.4% не оказывает существенного влияния на технологические показатели процесса (табл. 2).

В связи с этим, дальнейшие наши исследования были направлены на более детальное изучение влияния модификаторов 1 и 2 на эффективность флотации угольных частиц.

Было установлено, что технологические показатели процесса определяются также расходом реагентов модификаторов 1 и 2 5. Так, лучшие результаты флотации были получены при их расходе в количестве 0.1—1.0 г/т угля, причем увеличение расхода модификатора 1 от 0.1 до 100.0 г/т приводит к глубокой

СНз

СН2-С-

о=с-осн-

70-30%

СНз

СН2-С-

0=С^Н2

15-35%

СНз

СН2-С-

о=С-о^н4-

15-35%

СНз

-СН2-С-

0=С-0СНз

70-30%

СНз

СН2-С-

0=С^Н(СН2)20Н

30-70%

СНз

СН2 СН СН СН СН2 С

Снз 0=С-0№

--СН2-СН—СН-СН2-502—

/ \ 2 Н2С + СН2

N

НзС СНз

4

0=С-0^4

СН СН2 СН СН

0=C-0NH4 - +

СН СН СН СН2

СНз

0

п

-Б-

п

0

5

6

Таблица 1

Влияние предварительной подачи полимерных соединений различного строения на показатели флотации угольного шлама ЦОФ «Сибирь»

1

2

п

3

п

п

Реагентный режим, расход реагента Концентрат

собиратель вспениватель модификатор выход, % зольность, %

газойль легкий каталитического крекинга и коксования, 2.00 кг/т высококипящий побочный продукт (ВПП), 40 г/т 1 0.2 г/т 82.2 6.3

2 82.1 6.2

3 80.4 6.1

4 80.5 6.1

5 80.0 6.2

без модис шкаторара 81.4 6.1

Таблица 2

Влияние различного расхода полимера 6 на выход концентрата при флотации угольной мелочи разреза «Барзасский»

Реагентный режим, расход реагента Выход концентрата, %

собиратель вспениватель модификатор 6

«мотоалкилат», 1.12 кг/т кубовые остатки производства бутиловых спиртов, 80 г/т 0.00 85.2

0.01 85.1

0.10 85.3

1.00 85.2

10.00 85.1

депрессии флотации угольных частиц, что выражается в снижении выхода концентрата, а также его зольности 5. При введении перед собирателем модификатора 2 в количествах, больших 1.0 г/т, также наблюдается ухудшение показателей флотации, обусловленное резким снижением селективности процесса 5.

Адсорбируясь на угольной поверхности, молекулы модификаторов, благодаря своему строению, упрочняют комплекс «частица — пузырек», на что указывают измеренные нами силы отрыва угольной частицы от пузырька воздуха в статических условиях в зависимости от расхода модификаторов 6. Наибольшая прочность флотационного комплекса достигается при расходах модификаторов 1 и 2 в количестве 0.1 — 1.0 г/т и резко снижается при увеличении расхода реагентов.

Кроме того, при адсорбции молекулы модификатора ориентируются полярными гидрофильными группами в сторону угольной поверхности, а гидрофобными — в сторону жидкой фазы. Такой вывод позволяет сделать установленная нами зависимость электрокинетического потенциала частиц угольной мелочи марки «КСН» от обработки их различным количеством модификатора 1 (рис. 1). Наименьшее значение ^-потенциала частиц достигается

-10,0

=к к и

8 и

щ ^

К н

Щ

К

К И О Л н и

Щ

Ч

£15,0

ч~ й К

120,0 н о в

-25,0

-30,0

0.00 0.01 0.10 1.00 10.00

Расход модификатора 1, г/т

Рис. 1. Влияние расхода модификатора 1 на ^-потенциал угольных частиц

при его добавке в количестве 0.1 г/т, а увеличение расхода реагента приводит к значительному росту электрокинетического потенциала частиц и, как следствие, их гидрофильности. Следует отметить, что в условиях наших экспериментов добавка оптимального количества модификатора 2 не изменяет значения ^-потенциала частиц, что может быть объяснено неспособностью последнего к диссоциации на ионы.

Проведенные измерения значений сил отрыва угольной частицы от пузырька воздуха и ^-потенциала частиц хорошо согласуются с результатами лабораторной флотации, представленными в 5' 6, и позволяют предположить причины улучшения флотации угля при использовании реагентов-модификаторов 1 и 2. Во-первых, это упрочнение флотационного комплекса — при введении в процесс флотации угольных частиц реагентов-модификаторов снижается вероятность отрыва пузырька воздуха от частицы при возникновении отрывающих усилий в пульпе, что повышает извлечение последних в концентрат. Во-вторых, определенным образом ориентированные при адсорбции на угольной поверхности молекулы модификатора, способствуют улучшению растекания аполярного собирателя по поверхности при столкновении капель его эмульсии с частицами угля, что позволяет повысить эффективность флотации, снизить расход собирателя и, вместе с тем, загрязнение открытых водоемов аполярными соединениями 6.

Проведенные нами эксперименты показали, что результат флотации угольной мелочи различной стадии метаморфизма при предварительной подаче модификаторов 1 и 2 не одинаков. Так, при флотации угольной мелочи технологической марки «Г» зольностью 10.5% предварительная подача модификатора 2 в количестве от 0.1 до 2 г/т приводит к снижению выхода концентрата (табл. 3). Кроме того, установленный нами для угольной мелочи средней степени метаморфизма в 5 оптимальный расход модификатора 1 в количестве 0.1 г/т,

оказывается недостаточным для полного извлечения угольных частиц в концентрат. Так, лучшие результаты флотации получены при расходе реагента в количестве 0.5 г/т (табл. 3), а повышение расхода до 2 г/т приводит, как и в других случаях, к депрессии флотации угольных частиц.

Результаты лабораторной флотации угольной мелочи высокой стадии метаморфизма технологической марки «Т» зольностью 19.4% показали, что подача модификатора 1 в количестве 0.1 г/т является избыточной и приводит к снижению выхода концентрата (табл. 3), а уменьшение расхода реагента до 0.01 г/т, наоборот, позволяет интенсифицировать процесс флотации. Использование модификатора 2 перед собирателем в количестве 0.1 г/т практически не влияет на показатели флотации угольной мелочи, но при увеличении его расхода до 0.3 г/т также наблюдается интенсификация процесса (табл. 3). Следует отметить, что увеличение выхода концентрата при использовании модификатора 1 не приводит к увеличению его зольности, а в случае подачи модификатора 2 наблюдается увеличение зольности концентрата на 0.2—0.3 %. Это можно объяснить тем, что при избыточном количестве молекулы модификатора 2 адсорбируются также и на поверхности породных

частиц, что приводит к повышенному извлечению их в пенный продукт. Кроме того, нами в работе 5 показано, что при повышенных расходах модификатор 2, являясь поверхностно-активным веществом, проявляет свойства реа-гента-вспенивателя.

Таким образом, результаты флотации углей различной стадии метаморфизма при использовании модификаторов 1 и 2 подтверждают вывод об особой ориентации молекул при их адсорбции на угольной поверхности и демонстрируют возможность использовать этот эффект для улучшения технологических показателей процесса.

Анализ результатов проведенных экспериментов показал: чем более эффективен используемый реагент-собиратель, тем менее заметно влияние подачи оптимальных количеств модификаторов 1 и 2 на технологические показатели флотации. Так, при использовании в качестве собирателя авиационного керосина ТС-1, обладающего низкой собирательной способностью по отношению к угольным частицам, предварительное введение в процесс модификаторов 1 и 2 позволило заметно повысить выход концентрата без изменения его зольности (табл. 4). Менее заметное повышение выхода флотационного концентрата наблюдается также при использовании в качестве

Таблица 3

Влияние расхода модификаторов 1 и 2 на флотацию углей различной стадии метаморфизма

Реагентный режим, расход реагента Технологическая марка угля, место добычи Расход модификатора, г/т Разность, % между выходом концентрата при флотации без предварительной и с предварительной подачей в процесс:

собиратель вспениватель модификатора 1 модификатора 2

газойль, 2.00 кг/т высококипящий побочный продукт (ВПП), 40 г/т «Г» (шахта Комсомолец) 0.10 0.5 -2.5

0.50 4.2 -3.5

1.00 -5.4 -

2.00 -6.7 -15.8

газойль, 1.33 кг/т «Т» (разрез Березовский) 0.01 1.1 -

0.10 -2.6 -0.1

0.30 - 1.8

Таблица 4

Влияние предварительной подачи модификаторов 1 и 2 на флотацию угольного шлама ЦОФ «Сибирь»

Реагентный режим, расход реагента Концентрат

собиратель вспениватель модификатор выход, % зольность, %

ТС-1, 1.58 кг/т ВПП, 40 г/т 1, 0.1 г/т 80.9 6.2

2, 0.1 г/т 82.0 6.3

без мод.-ра 79.2 6.2

УГФ, 0.23 кг/т ВПП, 40 г/т 1, 0.1 г/т 85.2 7.3

2, 0.1 г/т 85.1 7.3

без мод.-ра 85.5 7.3

собирателя легкого газойля каталитического крекинга и коксования (табл. 1), который по сравнению с ТС-1 более эффективен. В случае же использования реагента-собирателя «УГФ», обладающего значительными собирательными свойствами, предварительная подача модификаторов 1 и 2 не оказывает какого-либо заметного влияния на показатели флотации угольного шлама (табл. 4).

Результаты проведенных исследований демонстрируют возможность повышения технологических показателей флотации каменноугольной мелочи при предварительной подаче в процесс высокомолекулярных поверхностно-активных соединений. Положительный эффект при их использовании определяется строением молекул реагента модификатора, его расходом, а также степенью метаморфизма угольного вещества и флотационной активностью применяемого реагента собирателя. Из исследованных соединений интенсифицировать процесс флотации угольной мелочи позволяют модификаторы 1 и 2. При этом модификатор 1 целесообразно использовать в количестве 0.1-0.5 г/т при флотации углей низкой стадии метаморфизма и в количестве 0.1 и 0.01 г/т при флотации углей средней и высокой стадий метаморфизма соответственно. Лучшие показатели флотации при использовании модификатора 2 получены при его расходе

0.1-1 г/т для обогащения угольной мелочи средней стадии метаморфизма и при расходе

0.3.г/т для высоко метаморфизованных углей. Таким образом, предварительная подача реагентов модификаторов 1 и 2 в оптимальных количествах позволяет увеличить выход концентрата на 0.5-4.2 % без существенного увеличения его зольности.

Литература

1. Гмызин В. А., Сысоева Т. И. // Горный информационно-аналитический бюллетень Московского государственного горного университета.-1999. - №7. - С. 139.

2. Петухов В. Н., Кукушкин В. В. / Тез. докл. Обогащение, переработка и комплексное использование минерального сырья. 19-20 ноября, 1999 г., г. Кемерово.- Кемерово: Кузбасс-вузиздат, 1999.- С. 83.

3. А.с. СССР №1318304. Байченко А. А., Баран А. А., Крючков В. В. // Б. И.- 1987.-№23.- С. 28.

4. А.с. СССР №1447414. Байченко А. А., Бодоев Н. В. // Б. И.- 1988.- №48.- С. 25.

5. Сирченко А. С. Интенсификация флотации труднообогатимых углей путем разработки новых реагентных режимов: Материалы 63-й науч.-техн. конф. по итогам науч.-исслед. работ за 2003-2004 гг.- Магнитогорск: МГТУ, 2004.- С. 123.

6. Сирченко А. С., Петухов С. В., Лахтин С. Н. // Горный информационно-аналитический бюллетень Московского государственного горного университета.- 2005.- №12.- С. 259.