Полимерсиликатные дисперсные системы, стабилизированные неионными олигомерными ПАВ для нефтедобычи, металлургии и очистки воды

Установлено, что оптимальная мольная доля ионогенных звеньев в макромолекуле полимерного связующего, при которой коэффициент однородности окатышей максимален, составляет 30%.

Было установлено, что коэффициент однородности гранул-окатышей зависит от концентраций бентонита и полимера в шихте, а также от влажности железорудного концентрата. При увеличении концентрации бентонита в шихте от 0,3 до 0,5 % (мас.) КОД гранул-окатышей значительно возрастает. Затем, в интервале концентраций бентонита 0,5 - 0,7 %(мас.), КОД стабилизируется, и при увеличении концентрации бентонита свыше 0,7% начинает снижаться. Кроме того, при низких концентрациях бентонита (менее 0,5%(мас.)) КОД гранул-окатышей увеличивается с ростом концентрации полимерного связующего, а также с уменьшением влажности железорудного концентрата. В интервале концентраций бентонита 0,5 - 0,65 % КОД окатышей практически перестает зависеть от концентрации полимера и влажности концентрата. При концентрациях бентонита свыше 0,65% КОД окатышей не зависит от концентрации полимера, но снижается с уменьшением влажности железорудного концентрата.

Потенциально эффективным связующим для получения железорудных гранул- окатышей является интерполимерный комплекс (ИПК), представляющий собой комбинацию поликатиона и полианиона - интерполимерное связующее (ИПС). В качестве связующих изучены ИПК полиакриламида с N-акриламидопропил-N,N,N-триметиламмонийхлоридом. Важнейшей задачей является выбор оптимальной концентрации ИПС в железорудной смеси при любом мольном соотношении между катионными (К) и анионными (А) функциональными группами. Были проведены экспериментальные исследования технологических свойств гранул-окатышей для следующих мольных соотношений структурных звеньев различной природы в ИПК: А:K=50:50; A:K=15:85; A:K=10:90; A:K=5:95. Установлено, что с увеличением мольной доли катионных групп в ИПК фракционный состав гранул-окатышей переходит в область более крупных размеров, а их механическая прочность снижается. Оптимальное мольное соотношение A:K=90:10. При данном соотношении структурных звеньев ИПК коэффициент однородности гранул-окатышей максимален (КОД=53,6 %). Кроме того, соотношение A:K=90:10 обеспечивает максимальную механическую прочность гранул-окатышей диаметром 14 мм, а также максимальный выход гранул-окатышей данной фракции.

На базе проведенных лабораторных исследований было разработано несколько промышленных марок интерполимерных связующих: высоковязкое «ИПС-В», средневязкое «ИПС-С» и низковязкое «ИПС-Н», которые прошли успешные промышленные испытания при производстве железорудных гранул-окатышей на фабриках окомкования ОАО «Лебединский Горно-Обогатительный Комбинат» (г. Губкин) и ОАО «Оскольский Электро-Металлургический Комбинат» (г. Старый Оскол).

Выводы

1. Установлены закономерности стабилизации полимерсиликатных дисперсных систем олигомерными неионными ПАВ различного строения и влияния гидрофильно-олеофильных свойств полимерсиликатных композиций на их структурно-механические характеристики. Это позволило создать новые технологические жидкости (буровые растворы) для бурения нефтяных и газовых скважин, разработать пути улучшения качественных характеристик металлургических процессов, а также создания экологически чистых ресурсо- и энергосберегающих технологий водоподготовки.

2. Изучена адсорбция ПАГ на поверхности активированного бентонита. Установлено, что с увеличением мольной доли оксиэтиленовых звеньев в молекуле ПАГ максимальная адсорбция ПАГ на поверхности бентонита увеличивается, что сопровождается снижением площади, занимаемой одной молекулой ПАГ в предельно насыщенном моноадсорбционном слое. Константа адсорбции ПАГ с ростом содержания ОЭ-звеньев возрастает. С увеличением функциональности происходит повышение максимальной адсорбции и константы адсорбционного равновесия ПАГ. С ростом молекулярной массы ПАГ происходит повышение константы адсорбции и площади, занимаемой одной молекулой ПАГ в насыщенном моноадсорбционном слое, в то время, как максимальная адсорбция снижается.

3. Изучены закономерности адсорбции на поверхности бентонита смесей ПАГ из их водных растворов, в соответствии с которыми соотношение между удельными поверхностными активностями индивидуальных ПАГ в водной фазе остается неизменным.

4. Изучены поверхностно-активные свойства статистических сополимеров окиси этилена и окиси пропилена с различной функциональностью с молекулярными массами от 300 до 30000 на границе их водных растворов с неполярной фазой.

Показано, что реологические свойства суспензии бентонита, стабилизированной ПАГ с молекулярными массами от 15000 до 30000 и содержанием оксиэтиленовых звеньев не менее 80 %(мол.), связаны с гидрофильно-гидрофобными свойствами адсорбционных слоев, сформированных на поверхности частиц дисперсной фазы.

5. Изучены закономерности интерполимерного комплексообразования в водных растворах смесей ПАГ и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ). В интерполимерных комплексах ПАГ, образуя краунподобные ассоциаты с катионами натрия, выступает в качестве поликатиона, электростатически взаимодействуя с карбоксилатными группами КМЦ.

6. Установлено, что водные растворы смеси карбоксиметилированных производных целлюлозы с высшими жирными кислотами представляют собой кинетически устойчивые эмульсии, если они образуются разбавлением предварительно полученного концентрированного раствора производного целлюлозы смесью высших жирных кислот с ПАГ, содержание оксипропиленовых звеньев в макромолекуле которого не менее 80 %(мол.).

7. Определены кинетические характеристики сорбции катионов в условиях фильтрации воды через слой гранулированного алюмосиликатного (цеолитового) сорбента. Создана обобщенная физико-химическая модель, позволяющая вычислять гидравлические режимы работы сорбционных колонн, применяемых в технологии водоподготовки и очистки сточных вод. Модель использована при разработке эффективных сорбентов для водоподготовки - смеси алюмосиликатов и ионитов, характеризующихся взаимной химической индифферентностью и технологически совместимыми методами регенерации.

8. Определены критерии выбора полимерных связующих для обеспечения эффективности процесса грануляции (окомкования) железорудного концентрата. Составлен алгоритм расчета оптимальных свойств полимерного связующего для обеспечения заданных технологических характеристик железорудных гранул-окатышей.

Разработаны и успешно прошли промышленные испытания новые интерполимерные связующие, представляющие собой композиции поликатиона и полианиона, и обеспечивающие стабильно высокое качество железорудных гранул-окатышей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК России

1. Беленко Е.В., Вахрушев Л.П. Физико-химические свойства сополимеров окисей этилена и пропилена.// Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.-2007 г.-№8.-С.28-32.

2. Беленко Е.В. Изучение биодеструкционных процессов полисахаридных реагентов.//Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.-2007 г.-№8.-С.32-36.

3. Беленко Е.В., Воеводин Л.И. Применение бентонитовых коагулянтов для очистки нефте- и маслосодержащих сточных вод.//Экология и промышленность России. -2005 г. - №6 - С.4-5.

4. Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Острягин А.И. Совершенствование методики оценки смазочных свойств буровых растворов.//Нефтяное хозяйство.-№9, 1999.-С.26-29.

5. Беленко Е.В., Вахрушев Л.П. Оптимизация состава промывочных жидкостей для бурения в природоохранных зонах.//Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.-2007 г.-№7.-С.32-35.

6. Беленко Е.В. Математическое моделирование квазистационарной фильтрации через насыпной слой гранулированного сорбента.// Экология и промышленность России.-2007 г.-№6.-С.42-46.

7. Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В. Лушпеева О.А. Полимер-дисперсные синергетические явления и новые системы буровых растворов.//Нефтяное хозяйство.-№4, 2001 г.- С.22-24.

8. Пеньков А.И, Вахрушев Л.П., Беленко Е.В. Повышение эффективности действия смазочных добавок для буровых растворов.//Нефтяное хозяйство.-№5.-2000.-С.33-35.

9. Пеньков А.И., Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Лушпеева О.А. Применение термодинамики фазовых переходов для расчетов технологических параметров буровых растворов.//Нефтяное хозяйство.-№9, 2001 г.-С.44-48.

10. Беленко Е.В. Создание и исследование экологически безопасных псевдопластических эмульсий ПАВ.//Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе.-2007 г.-№7.-С.28-32.

11. Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Лушпеева О.А. Разработка и применение концепции пульсирующих эмульсий для бурения горизонтальных стволов малого диаметра.//Нефтяное хозяйство.-№5.-2002 г.

12. Беленко Е.В., Вахрушев Л.И., Пеньков А.И. Особенности поведения и применения полиалкиленгликолей для химической обработки буровых растворов//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.-№1-2.-1999.-С.21-24.

13. Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Пеньков А.И., Беленко Е.В., Острягин А.И. Основные тенденции развития полигликолевой технологии совершенствования буровых растворов.//Нефтяное хозяйство.-№6.-2001 г.

14. Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Острягин А.И., Джиоев Т.Е. Влияние полианионных электролитов на состояние адсорбционных слоев полиалкиленгликолей в бентонитовых суспензиях.//Известия ВУЗов.-Сверо.-Кавказский регион.- Естественные науки.-№1, 2000 г.-С.90-94.

15. Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Острягин А.И., Кошелев.В.Н. Интерполимерные комплексы на основе сополимеров окисей этилена и пропилена.-Известия ВУЗов.//Северо-Кавказский регион.- Естественные науки.-№2, 2001 г.-С.45-49.

16. Вахрушев Л.П., Кошелев В.Н., Пеньков А.И., Беленко Е.В., Лушпеева О.А. Пространственно структурированные водные безглинистые буровые растворы.//Нефтяное хозяйство.-№5.-2001 г.

17. Лушпеева О.А., Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В. О природе синергетического эффекта в полимер-глинистых буровых растворах.//Нефтяное хозяйство.-№9.-2001 г.

18. Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Проскурин Д.В., Коновалов А.С. Влияние ПАГ на эффективность недиспергирующих буровых растворов.//Газовая промышленность.-№12.-2000 г.

19. Беленко Е.В., Туторский И.А., Воеводин Л.И. Нелинейное моделирование недиспергирующих промывочных систем.//Нефтяное хозяйство. - №6 - 2005. - С. 12-15.

20. Виничук Б.Г., Беленко Е.В., Шевченко В.М. Перспективы развития производства связующих добавок для железорудной промышленности России//Сталь.-№2.-2005 г., С.17-18.

21. Беленко Е.В., Вахрушев Л.П., Воеводин Л.И., Горбачев В.А. Теоретические основы механизма формирования качества сырых окатышей с полимерными добавками в составе комплексного связующего//Сталь.-№2.-2005.-С.15-17.

22. Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Кошелев В.Н., Беленко Е.В., Проскурин Д.В. Гидрофобная модификация недиспергирующих буровых растворов полиалкиленгликолями.// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.-№1.-2000.-С.19-21.

23. Усольцев Д.Ю., Беленко Е.В., Виничук Б.Г., Леушин В.Н., Минеев В.М., Путалов Н.Н. Эффективность использования бентонито- и интерполимерных композиций при производстве железорудных окатышей.// Сталь.-№6.-2006.-С.10-13.

24. Беленко Е.В., Воеводин Л.И. Сравнительный анализ технологий подготовки питьевой воды с использованием различных типов коагулянтов// Энергосбережение и водоподготовка.-2005 г. - №3. - С.27-29.

25. Беленко Е.В., Воеводин Л.И. Построение математических моделей квазистационарных процессов фильтрации методом инстоляции коэффициентов.//Энергосбережение и водоподготовка. - №3 - 2005. - С.30-32.

26. Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Острягин А.И., Любимов В.С. Влияние структурно-коллоидных свойств смазочных добавок на показатели буровых растворов.//Известия ВУЗов.-Северо-Кавказский регион.- Естественные науки.-№2,2000 г.-С.58-62.

27. Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Полищученко В.П., Острягин А.И. Исследование физико-химических свойств разветвленных статистических сополимеров окисей этилена и пропилена.//Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион.- Естественные науки.-№1, 2001 г.-С.56-60. Монографии

1. Вахрушев Л.П., Лушпеева О.А., Беленко Е.В. Элементы термодинамики промывочных систем. - Екатеринбург.: Путиведъ.-2003. - 151 c.

2. Беленко Е.В. Физико-химическая механика полимер-бентонитовых буровых растворов, модифицированных полиэфирными реагентами. М.: Спутник+.-2005.-88 с.

Патенты

1. Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Сафин Д.Х., Пеньков А.И., Растегаев Б.А., Шариффуллин Р.Р., Ченикова Н.А. Состав для бурения и заканчивания скважин. - Патент РФ 2169753.-2000 г.

2. Пеньков А.И., Кошелев В.Н., Беленко Е.В. Куксов В.А., Вахрушев Л.П., Растегаев Б.А. Безглинистый буровой раствор для вскрытия продуктивных пластов.- Патент РФ 2168531. - 1999 г.

3. Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Кошелев В.Н., Растегаев Б.А., Беленко Е.В., Острягин А.И., Рекин А.С., Любимов В.С. Реагент для химической обработки буровых растворов.-Патент РФ 2163615.-1999 г.

4. Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Кошелев В.Н., Растегаев Б.А., Сафин Д.Х. Смазочная добавка к буровым растворам.- Патент РФ 2163616.-1999 г.

5. Пеньков А.И., Беленко Е.В., Вахрушев Л.П., Кошелев В.Н., Растегаев Б.А., Острягин А.И., Любимов В.С. Смазочная добавка для буровых растворов.- Патент РФ 2163617.-1999 г.

6. Беленко Е.В., Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Кошелев В.Н., Проскурин Д.В. Псевдопластичный буровой раствор. - Патент РФ 2212429.- 2003 г.