CC BY
43
U
о
CL
0 5С
U
2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000
♦ Экспериментальные данные
■ Расчетные данные
90
110 130
150
170
Обороты в минуту
Рис, 6. Сравнение экспериментальных и расчетных данных для свинцового блеска размером 2.56 мм
Корректность построенной численной модели была проверена на ряде экспериментов со свинцовым блеском размером 2,56 мм (рис 6),
На графике (рис, 6) приведены значения средней скорости частицы, полученные в результате эксперимента и рассчитанные на основе модели, Экспериментальные значения средней скорости получены из анализа данных по видеосъемке, Численные значения скоростей рассчитаны как среднее арифметическое значение скоростей на каждом дискретном отрезке времени (ем. уравнение 3).
Степень совпадения окепермментальныу м расчетных данных подтверждает правильность выбран-
ной математической модели, а полученные результаты расчетов могут служить основой для расчета конструктивных параметров центробежных гравитационных аппаратов,
Библиографический список
1. Кизевальтер Б.В. Теоретические основы гравитационного обогащения. М.: Недра, 1979,295 с,
2, Гравитационные методы обогащения / под ред. ВАРундквиста. М.: Государственное научно-техническое изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии. 1953. С. 30-31.
УДК 644.77.023
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА СЕДИМЕНТАЦИОННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ ТАЛЬКА
А.А.Яковлева1, М.А.Бочарова2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул, Лермонтова, 83.
Рассмотрены результаты седиментационного анализа водных суспензий талька марки «Талькон-30» с различными добавками электролитов, Дана количественная оценка влияния электролитов на седиментационную устойчивость водно-тальковых композиций, приведены результаты экспериментов и их обсуждение с точки зрения протекания процессов адсорбции на поверхности твердой фазы. Установлено, что ион Мд (!!) наиболее активно влияет на седиментационную устойчивость грубодисперсной части системы «вода-тальк»3 Ил. 6, Табл, 3, Библиогр. 11 назв,
Ключевые слова: тальк, седиментационный анализ, дисперсные системы, электролит, седиментационная устойчивость, коагулирующий ион,
1 Яковлева А,А., доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected]
Yakovleva A,A,, a doctor of technical sciences, a professor, e-mail; avakov@istu,edu
^Бочарова M,A„ инженер, e-mail; [email protected]
Bocharova M.A., an engineer, e-mail: [email protected]
5 В экспериментальной работе принимали участие студенты группы ХЮ-04-1: Ха Куок Хань, Нгуен Чонг Дак, Ле Хонг Гам, Во Дай Ту, Чыонг Суан Нам.
ELECTROLYTE INFLUENCE ON SEDIMENT STABILITY OF TALC WATER SUSPENSIONS A.A. Yakovleva, M.A. Bocharova
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The authors examine the results of sediment analysis of talc water suspension of the mark "Talkon-30" with various additions of electrolytes. They present the quantitative estimation of the electrolyte influence on the sediment stability of wa-ter-talc compositions. They also present the results of the experiments and their discussion from the point of view of adsorption processes taking place on the surface of the solid phase. It is specified that Mg (II) ion has the greatest influence on the sediment stability of coarse-disperse part of the system ''water-talc". 6 figures. 3 tables. 11 sources.
Keywords: talc, sediment analysis, disperse systems, electrolyte, sediment stability, coagulative ion.
Как известно, смола и жиры, содержащиеся в волокнистых материалах, полученных из древесины, создают затруднения в работе бумагоделательных машин. Обычно смола освобождается из древесных волокон в виде коллоидных сферических частиц, диспергирующихся в технологической воде. Они могут агломерировать и образовывать отложения в различных частях оборудования, вызывая неполадки в технологическом процессе. На готовой бумаге отложения видны в форме дырок и грязных пятен, значительно ухудшающих качество готового продукта. Для борьбы со смоляными затруднениями существует ряд технологий, позволяющих уменьшать количество липких включений и получать эффект снижения липкости смолы. Некоторые из этих технологий вполне эффективны, но ни одна не решает проблему полностью. Определенное количество смолы остается в целлюлозе и попадает на участок подготовки бумажной массы и в бумагоделательную машину. Если не принять мер по снижению адгезионной способности смолы, то она может образовывать отложения на любых частях оборудования. Особенно нежелательно отложение смоляных частиц на формующей сетке [1]. С задачей снижения липкости смолы достаточно эффективно справляются адсорбирующие минералы. Наиболее широко используемым в мире минералом для решения проблемы смоляных затруднений является тальк
[2]. В Иркутской области расположено уникальное Онотское месторождение тальков, на базе которого работает предприятие «Байкальские минералы». Тальки Онотского месторождения характеризующихся высокой минералогической однородностью и химической чистотой.
Производимые из Онотских тальков продукты называются тальконами, Тальконы - это порошки или прессованные гранулы талька. Тальконы используются в производстве бумаги для удаления смолистых веществ и наполнения бумажной массы и могут конкурировать с тальковыми тальковыми адсорбентами фирм Австрии, Финляндии и др,
Тальконы относятся к полидисперсным системам с высокоразвитой поверхностью. Важным параметром с точки зрения протекания процессов адсорбции на поверхности твердой фазы является слоистость таль-конов. Элементарную кристаллическую решетку талька образует слой гидроксида магния; сверху и снизу располагаются слои неполярных кремнекислородных тетраэдров (рис.1) [3, 4]. В результате такой кристаллической упаковки тальк обладает идеальной спайностью, а внешняя поверхность чешуек не содержит гидроксильных групп и активных ионов. Следствием этого является гидрофобность талька и высокое сродство к смоле,
Месторождение и технология переработки имеют
Таблица 1
Характеристики некоторых марок талька, предлагаемых для уменьшения смоляных отложений_
Показатели Производители
Байкальские минералы Австрия Финляндия Геоком
Талькон ММ 30-К Талькон Т-30-К Mistron А 75-6GRK Flnntalc Р05 Митал 07-96В
Минералогический состав, %
Тальк + хлорит 95% Тальк 97% Тальк + хлорит 98% Тальк 96% Тальк + хлорит
Химический состав, %;
SiO:> 56 60 48 60 35-40
MgO 31 31 30 31 30-35
AhOs 1 0,5 10,5 0,5 15-20
Влажность, % <15 <15 14 11 >14
Гранулометрия
D5Q, мкм 8 8 7,2 5,2 5-7
Частиц <10 мкм, % 65 65 90 96 60
Белизна, % 73 84,1 64,1 80,7 77,1
важное значение для бумажной промышленности, Эффективность и свойства тальковых продуктов могут существенно разделяться, так как природный тальк содержит включения других минералов.
В табл.1 приведены характеристики марок талька, выпускаемого «Байкальсками минералами», в сравнении с показателями продукции ряда фирм, в том числе зарубежных.
Установлено, что паспортных данных продуктов из талька часто недостаточно для оценки физико-химических свойств того или иного образца и доказано, что примеси Онотских тальков, скорее, повышают его гидрофобносгь, а высокодисперсные зарубежные образцы уступают ему по адсорбционным характеристикам [2],
Утверждение о превосходных качествах тальконов «Байкальских минералов» должно быть убедительным и поэтому нужны тщательные и всесторонние исследования таких систем,
Важным параметром С точки зрения протекания процессов адсорбции на поверхности твердой фазы является дисперсность тальконов. Цель работы состояла в изучении дисперсного состава порошкообразного талька марки «Талькон ММ-30» и определении влияния на него добавок электролитов,
Методика исследования. Удельную поверхность талька определяли по йодному числу [5]. Суть метода состояла в том, что навеску талька помещали в раствор йода в йодистом калии и при интенсивном перемешивании доводили порошок до насыщения по йоду. Затем раствору давали отстояться и титровали аликвоту раствором тиосульфата натрия. По разности начального и конечного содержания йода в растворе находили количество йода, адсорбированного тальком. Расчетное значение удельной поверхности, уо редненное из 3-х параллельных опытов, оказалось равным 557,12 м2/г.
Изучение дисперсного состава системы «вода -тальк» для порошкообразного талька и определение влияния на него добавок электролитов проведено с использованием седименгационного анализа, который до настоящего времени является одним из наиболее распространенных методов определения гранулометрического состава стоксовских суспензий. Методика
выполнения седиментационного анализа работы соответствовала классическому приему [6, 7].
При приготовлении 10 %-ной суспензии навеску талька в количестве 10 г, взятую на технических весах с точностью до ± 0,02 г, помещали в стакан на 100 мл и доводили до метки дистиллированной водой. Закрывали стакан крышкой и перемешивали на магнитной мешалке в течение 10 минут, После отстаивания верхнюю часть суспензии осторожно сливали. Данную процедуру повторяли дважды, Освобожденную от большей части мелких включений суспензию доводили до метки дистиллированной водой или раствором электролита, В качестве электролитов использовали 0,1М-ные растворы сульфатов натрия, магния и алюминия,
После пятиминутного перемешивания готовой суспензии проводили седиментационный анализ. Для этого использовали торсионные весы марки ВТ-500 с ценой деления 1 мг. Наблюдали во времени за накоплением осадка талька на чашечке весов, свободно подвешенной в суспензии. Проводили несколько параллельных опытов по осаждению частиц талька из суспензий при одинаковых условиях, все они отличались высокой сходимостью результатов. На рис. 2 и 3 для примера показаны некоторые кривые осаждения талька,
Считается, что обработка седиментационных кривых графаналитическим методом касательных может привести к весьма заметным источникам погрешности, особенно в области малых и больших значений радиусов, т,е, при обработке начальных и конечных участков зависимости, показывающей изменение массы
ВА врфмфми ГТ1— / ( Т ). Для Зтму
трудностей мы стремились к увеличению числа точек на седиментационных кривых, к которым проводили касательные,
Реальные суспензии часто содержат частицы, сильно отличающиеся по форме от шарообразных [8]. Для тальков это связано с тем, что они относятся к слоистым материалам, Изучение процесса осаждения частиц, по форме отличающихся от сферических, связано со значительными экспериментальными трудностями, особенно в полидисперсных системах. Поэтому при обработке результатов седиментационного ана-
250 1
200
1(50
100
Рис.1. Кристаллическая структура т. мин
талька Рчс. 2. Кривая осаждения частиц талька в системе
«тальк- раствор сульфата натрия»
20
Рис. 3. Кривая осаждения частиц талька в системе и тальк-раствор сульфата магния»
В табл. 2 представлены результирующие значения минимальных (гт|П), максимальных (гтах) и средних размеров частиц талька (г«^«). Последние определены по максимумам на кривых распределения типа кривых, представленных на рис. 4 и 5.
Наиболее интересным при этом оказывается факт устойчивого снижения максимального размера частиц талька во всех случаях. Объяснить это можно коагулирующим действием катионов на частицы талька наноразмеров. Укрупняясь в хлопья, они настолько быстро оседают, что учесть время их движения оказывается затруднительным. Это приводит к быстрому накоплению осадка на чашечке торсионных весов.
Установлено, что в тальконе изучаемой марки размеры частиц очень разнообразны - от частиц, оседающих в несколько секунд, до ультрамикрогетеро-
1ймныа вы 1гичемий. Веььмс! ииисисивльньш С1чазмва£1~
ся и сам процесс накопления осадка во времени в зависимости от добавления электролитов с различными коагулирующими ионами (рис, 6).
Известно, что на поверхности мелких частиц оксидов, находящихся в водном растворе, в качестве по-тенциалопределяющих ионов выступают ионы Н+ или ОН" . В результате преобладающей адсорбции того или иного иона поверхность оксида приобретает заряд, знак которого определяется кислотно-основными свойствами оксидов [7].
Таблица 2
Результаты седиментационнозо анализа__
Процент электролита ГтщЮ'.М ГппЮ'.м ГвхУвте Ю°,М ГО осадка, МГ
Мд2+ А13+ Мд2+ А!3+ Мд2+ А!3+ Мд2+ А13+
0 0,58 5,79 0,90 126
10 0,42 0,41 0,57 3,35 3,47 4,42 0,8 0,5 0,80 140 180 155
20 0,418 0,41 0,60 3,75 3,75 3,12 0,7 0.67 0,68 156 192 166
30 0,50 0,41 0,47 3,56 3,56 1,70 0,65 0,5 0,71 168 218 185
40 0,45 0,49 0,44 2,8 2,8 1,56 0,6 0,55 0,60 170 245 228
50 0,48 0,39 0,44 2,73 2,73 1,44 0,51 0,63 0,9 170 223 233
лиза рассчитывали эквивалентный радиус частиц талька при условии их сферической формы по закону Стокса:
где Н - высота, начиная с которой происходит оседание частиц; г - время оседания; К. константа седиментации.
При этом под эквивалентным радиусом частиц понимается радиус воображаемых шарообразных частиц из того же материала, оседающих с той же скоростью, что и частицы изучаемой суспензии.
Константа седиментации включает физико-химические свойства системы:
р£(р~Ро/
где /7 и р0 - вязкость и плотность среды, в которой оседают частицы суспензии; р - плотность частиц суспензии [9,10].
Результаты экспериментов и их обсуждение. В
результате проведенных исследований получены количественные характеристики влияния добавок электролитов на распределение частиц талька по размерам (табл. 2).
35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0
0,0
5,0
10,0 106 г, м
15,0
20,0
Рис. 4. Кривая распределения частиц талька по размерам в системе « тальк-вода»
16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 50,0
106 Г, м
Рис. 5. Кривая распределения частиц талька по размерам в системе итальк-раствор сульфата алюминия»
300
10 20 30 40 % электролита
50
60
Рис. 6. Изменение массы осадка талька в растворах разных электролитов: а - N32504; Ь - МдБ04 ; с -
Таблица 3
Электролит т = f(C) Вид уравнения J * / Достоверность,
Na2SO,| т = 132 + 0,92 ■ С 0,8785
MgSO^ т = 146,7 + 2,02 ■ С 0,8106
AI2(S04)3 т = 127 + 1,07 -С 0,9649
По данным Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья (ВИМС) преобладающая часть химического состава тальконов - оксиды кремния (до 56%) и магния ( до 31%).
Если гидроксид кремния обладает ярко выраженными кислыми свойствами и его поверхность заряжена отрицательно, то образование двойного электрического слоя на поверхности можно представить схемой {mSiCbnOH (п-х)Н'}хНФ.
Гидроксид магния, наоборот, обладает основными свойствами и поэтому на его поверхности формируются слои по схеме
{mMgOn hf(n-x) ОН}хОН.
Очевидно, суммарный отклик системы, несущей поверхностный заряд на мелкодисперсных частицах, будет определяться характером поверхности, дисперсностью системы и свойствами среды.
Из рис. 6 видно, что увеличение концентрации любого из электролитов приводит к росту массы осадка талька, Влияние природы электролита оказывается неоднозначным. Так, однозарядный ион натрия лишь незначительно увеличивает массу осадка.
Самое существенное влияние на массу осадка оказывает двухзарядныи ион магния, это может оыть объяснено тем, что в самой кристаллической решетке талька содержание оксида магния составляет 37,7% и, по-видимому, ионы магния кристаллической решетки участвуют в формировании осадка. Наибольшая активность ионов магния находится в полном соответствии с правилом Панета-Фаянса, согласно которому кристаллическая решетка ядра микрочастицы достраивается ионами, имеющими высокое химическое сродство [7],
В виде примеси в кристаллической решетке талька присутствует и оксид алюминия АЬОз, но его содержание незначительно. Добавление сульфата алюминия в дисперсионную среду не изменяет массу осадка на чашечке весов столь существенно, как добавление сульфата магния. Очевидно, это связано с тем, что присутствие сульфата алюминия мало влияет на формирование двойного электрического слоя на поверхности твердых частиц талька,
Представленные на рис. 6 зависимости обработали с помощью программы Excel [11] и получили уравнения для математического описания зависимости массы осадка талька от концентрации электролита
^ ) и оценку достоверности R2 результатов (табл. 3).
Видно, что коэффициент перед концентрацией как раз и отвечает представленному анализу результатов.
Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:
1, Исследована зависимость седиментационной устойчивости водно-тальковых суспензий от добавок электролитов с различными зарядами коагулирующего иона,
2, Получены уравнения для количественной оценки влияния электролитов на седиментационную устойчивость грубодисперсной части системы «вода-тальк», показано, что седиментационная устойчивость водно-тапьковых суспензий линейно зависит от заряда электролита.
3, Установлено, что ион Mg (II) наиболее активно влияет на седиментационную устойчивость грубодисперсной части системы «вода-тальк», На наш взгляд, это связано со сродством ионов магния к тальку и его способностью достраивать кристаллическую решётку частиц.
Библиографический список
1. Примаков С, Ф, Производство бумаги. М.: Лесная пром-сть, 1987. 224 с.
2. Лапин 5.5. Проблема выбора талика для борибы
со смоляными затруднениями, М.: Целлюлоза, бумага, картон, 2006. №4. 56 с,
3. Вахрамеева С,А, Месторождения полезных ископаемых, их классификация и условия образования; изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1979. 288 с.
4. Романович И.Ф.Месторождения неметаллических полезных ископаемых: учеб, пособие для геол. спец. вузов. М,; Недра, 1986. 365 с,
5. Леончик Б,И,, Маякин В,П. Измерения в дисперсных потоках. М : Энергия, 1971. 248 с.
6. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии: учеб. пособие для хим.- Т6ХН0Л, СП6Ц, вузов / под ред. Ю,Г, Фролова, А,С, Гродского. М,: Химия, 1986, 214 с,
7. Щукин ЕД, Перцов А,В,, Амелина ЕА. Коллоидная химия. М.: Высш. шк,, 2006 443 с.
8. Коузов ПА Основы анализа дисперсионного состава промышленных пылей и измельченных материалов. М.: Химия, 1974. 279 с.
9. Столяров Е.А., Орлова Н. Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей. Л,: Химия, 1976.114 с,
10. Краткий справочник физико-химических величин; изд. 8-е, перераб, / под ред. A.A. Pai^ej ш и A.M. Пономаревой. Л.: Химия, 1983.232 с.
11. Тюрин Ю,Н,, Макаров A.A. Анализ данных на компьютере, М.: Финансы и статистика, 1995,- 384 с.
