Розвиток наукових основ селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.765.063.24

Розвиток наукових основ селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами

Спеціальність 05.15.08 - „Збагачення корисних копалин”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Сергєєв Павло Всеволодович

Дніпропетровськ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі збагачення корисних копалин Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант - доктор технічних наук Білецький Володимир Стефанович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри збагачення корисних копалин.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук Мостика Юрій Сергійович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри збагачення корисних копалин;

- доктор технічних наук, професор Бережний Микола Миколайович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри обробки металів тиском та металургійного обладнання;

- доктор технічних наук, професор Саранчук Віктор Іванович, Інститут фізико-органічної хімії та вуглехімії НАН України (м. Донецьк), головний науковий співробітник відділу хімії вугілля.

Захист відбудеться „ 15 ” травня 2008 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, 27, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, 27, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий „ 8 ” квітня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.02, к. т. н., доц. В.В. Панченко

АНОТАЦІЯ

Сергєєв П.В. Розвиток наукових основ селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.08 „Збагачення корисних копалин” - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.

На основі феноменологічного та імовірнісного підходу розроблені структурні моделі процесів селективної флокуляції тонкодисперсного вугілля маслами та синтетичними латексами. На базі цих моделей та основних теоретичних положень колоїдної хімії, фізико-хімічної гідродинаміки та вуглехімії розвинуто наукові основи процесів селективної флокуляції вугілля, зокрема, розкриті закономірності плівково-адгезійного та місточкового механізмів вибіркової агрегації органічної маси вугільних шламів маслами та синтетичними латексами відповідно. При цьому розглянуті як загальні, притаманні обом різновидам процесу, так і специфічні особливості механізму флокулоутворення, обумовлені відмінностями в природі та властивостях масляних та латексних реагентів. На основі планованого експерименту одержано і проаналізовано сімейство математичних регресійних моделей процесів селективної флокуляції вугілля маслами і латексами, які розкривають закономірності цих процесів, дозволяють оцінити характер та ступінь впливу на них основних технологічних факторів та забезпечують орієнтовний технологічний прогноз результатів флокуляції. Здійснено апробацію технологій селективної флокуляції на стендових установках та в умовах вуглезбагачувальних фабрик.

Ключові слова: тонкодисперсне вугілля, селективна флокуляція, масляні реагенти, синтетичні латекси.

АННОТАЦИЯ

Сергеев П.В. Развитие научных основ селективной флокуляции угля гидрофобными органическими реагентами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.08 „Обогащение полезных ископаемых” - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2007.

На основе феноменологического похода разработаны структурные модели процессов селективной флокуляции тонкодисперсного угля маслами и синтетическими латексами. На базе этих моделей и основных положений коллоидной химии, физико-химической гидродинамики и углехимии развиты научные основы процессов селективной флокуляции углей маслами и синтетическими латексами.

Установлено, что эффективность столкновений (встреч) частиц угля и флокулянта в объеме суспензии во многом определяется механизмом этих столкновений. Для частиц угля и флокулянта крупностью менее 10-100 мкм характерен диффузионный турбулентный механизм встреч, а для частиц крупностью более 100 мкм - турбулентный инерционный В пристенных слоях суспензии толщиной 30-200 мкм возможен градиентный механизм встреч. Наиболее эффективным является инерционный механизм столкновений.

Адгезионные контакты флокулянта с угольной поверхностью обусловлены не только простой физической адсорбцией за счет межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил, но и проявлением специфических и химических взаимодействий, в частности, водородных связей. Эти связи резко увеличивают прочность адгезии и определяют ее избирательность.

Избирательная агрегация угольных частиц маслами идет по пленочно-адгезионному механизму. Флокулирующая способность масляных реагентов возрастает по мере увеличения плотности, вязкости, молекулярной массы индивидуальных соединений реагентов. В случае низкометаморфизованных каменных углей она, кроме того, возрастает по мере увеличения в реагенте концентрации кислородных функциональных групп, а также концентрации более простых и конденсированных ароматических соединений с небольшим количеством (не больше 2 или 3) бензольных ядер. По мере роста химической зрелости угля надо повышать степень ароматичности масляного флокулянта.

Вторичная агрегация омасленых угольных частиц в микрофлокулы происходит по аутогезионному механизму. Наибольшая прочность аутогезионного комплекса достигается при контакте угольных зерен по граничным пленкам масляного реагента, которые имеют максимальную когезионную прочность за счет структурированности адгезива. Рациональные пределы расхода масла должны обеспечивать толщину пленки реагента на твердой поверхности не более 50-200 нм, поскольку ее дальнейшее увеличение практически не сказывается на прочности закрепления масляного флокулянта на угольной поверхности. Методом симплекс-центроидного планирования определены оптимальные составы композиционных флокулянтов на базе продуктов нефтепереработки и коксохимического производства.

Прочность углелатексных комплексов тем выше, чем больше содержание в латексных глобулах бутадиенового мономера. Латексы с равномерным распределением электронной плотности между углеродными атомами полимерной цепи имеют низкую флокуляционную способность к углю. Адгезия латексов к углю возрастает с повышением содержания в полимере ионогенных групп. Особым условием агрегационной эффективности латекса есть наличие в его макромолекуле двойных С=С-связей. Длина латексных мостиков в пределах 100-300 нм обеспечивает максимальную прочность углелатексных флокул. При длине мостиков меньше 100 нм возможно ослабление связей между угольными частицами во флокуле за счет усиления в зоне контакта ионно-электростатических сил отталкивания. При длине связей больше 100-300 нм в зоне контакта исчезают дальние взаимодействия (притяжения) угольных частиц во вторичном потенциальном минимуме за счет межмолекулярных ван-дер-ваальсовых дисперсионных сил. Формирование полимерных мостиков между угольными частицами возможно при поверхностном потенциале глобул не менее 50 мВ. При меньших значениях этого потенциала синтетические латексы теряют флокуляционную способность вследствие быстрой потери агрегативной устойчивости.

Получены аналитические выражения для определения оптимальных расходов масляных и латексных флокулянтов с учетом физико-химических характеристик угля, флокулянта и параметров гидродинамического режима перемешивания. На их основе разработаны алгоритмы расчета оптимального расхода флокулянта в программах MathCAD, Maple, Mathematica. Получено и проанализировано семейство математических регрессионных моделей процессов селективной флокуляции угля маслами и латексами, которые раскрывают закономерности этих процессов, позволяют оценить характер и степень влияния на них основных технологических факторов и обеспечивают ориентировочный технологический прогноз результатов флокуляции. Осуществлена апробация технологий селективной флокуляции на стендовых установках и в условиях углеобогатительных фабрик.

Ключевые слова: тонкодисперсный уголь, селективная флокуляция, масляные реагенты, синтетические латексы.

селективний флокуляція вугільний флокула

ABSTRACT

P.V. Sergeev. Development of Scientific Principles of Selective Flocculation of Coal with Hydrophobic Organic Reagents. - Manuscript.

Thesis for taking a Doctor's degree in Engineering for Speciality 05.15.08 `Beneficiation of' Minerals' - National Mining University, Dnipropetrovsk, 2007.

Based on the phenomenological and probabilistic approach, there are structural models of the selective flocculation processes of finely dispersed coal with the help of oils and synthetic latexes developed. Proceeding from the above models and principal theoretic propositions of colloidal chemistry, physical and chemical hydrodynamics as well as coal chemistry, there are scientific principles of selective coal flocculation processes determined. The research, in particular, establishes laws of the film and adhesion as well as bridge mechanisms of selective aggregation of the coal slurry organic matter by means of oils and synthetic latexes, respectively. In addition, there are some aspects of the flocculation mechanism considered, which are specific as well as general and peculiar to both process alternatives and result from a different nature and properties of oil and latex reagents. In the course of a planned experiment, a family of mathematic regression models of the selective flocculation processes of coal with oil and latex was obtained and analysed, which reveal laws of these processes, allow assessing the nature and impact of major technological factors on the latter and making a targeted technological prediction of flocculation results. The selective flocculation techniques were piloted at test rigs and coal preparation plants.

Key words: finely dispersed coal, selective flocculation, oil reagents, synthetic latexes.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший розвиток гірничого виробництва пов'язаний з використанням нових передових технологій, що забезпечують раціональне комплексне використання паливно-енергетичних ресурсів. Однією з найбільш актуальних задач сучасного вуглезбагачення є ефективна переробка дрібних класів, і, зокрема, вугільних шламів. На вуглезбагачувальних фабриках України сьогодні переробляються і зосереджені в мулонакопичувачах значні обсяги шламів, відходів збагачення коксівного та енергетичного вугілля. При цьому останні мають частково змінені під час зберігання фізико-хімічні характеристики, що негативно позначається на ефективності їх вторинної переробки.

Традиційні методи збагачення цих класів вугілля - пінна флотація, концентрація на столах, гвинтова сепарація, важкосередовищні гідроциклони - не забезпечують ефективного розділення найбільш дрібних класів вугілля, що мають крупність менше 50-60 мкм. Це призводить до втрат дефіцитної органічної маси вугілля з відходами збагачення. В той же час, вимоги що до якості вугільного концентрату і відходів переробки постійно зростають. Всі ці фактори обумовлюють необхідність пошуку нових та нетрадиційних технологій, які б забезпечували: ефективну переробку тонких класів вугілля з одержанням кондиційних концентратів; скорочення фізичного виходу відходів, підвищення їх зольності; вторинну переробку низькоякісних відходів і шламів з відвалів та відстійників. Комплексне вирішення вказаних задач може значно зменшити техногенну дію збагачувальних фабрик на навколишнє середовище.

Ряд науково-дослідних центрів Канади, США, Японії, Німеччини, Росії, України (інститут УВХІН, м. Харків) та інші ведуть роботи в галузі перспективної технології збагачення найбільш дрібних фракцій вугілля, що має назву селективної флокуляції. Селективне розділення компонентів вугілля тут здійснюється за рахунок вибіркової агрегації вугільних часток в мікрофлокули за допомогою гідрофобних реагентів органічного походження - нафтопродуктів, масел, латексів та т.п. Однак, протиріччя та недостатність експериментальних досліджень, відсутність чітких теоретичних положень, низька надійність та обмеженість рекомендацій стримують широке використання технологій селективної флокуляції в промисловості.

Тому розвиток теорії процесів селективної флокуляції вугільних шламів органічними реагентами, а також розробка раціональних основ технологій селективної флокуляції вугілля та продуктів, що містять вугілля, з використанням гідрофобних органічних реагентів є актуальним напрямком робіт, які дозволять удосконалити існуючі технології переробки тонких вугільних шламів та визначити шляхи їх подальшого розвитку.

В дисертації вирішувалась наукова проблема встановлення закономірностей формування вугільних флокул за різними механізмами їх утворення, а також якісних та кількісних залежностей процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами від технологічних параметрів. Це забезпечить подальший розвиток теорії процесів селективної флокуляції вугілля маслами та синтетичними латексами, а також удосконалення на цій основі промислових технологій збагачення тонкодисперсного вугілля.

Актуальність наукової проблеми полягає в тому, що встановлення закономірностей формування вугільних флокул дозволить обґрунтувати застосування гідрофобних реагентів (масел та синтетичних латексів) в якості селективних флокулянтів, вибирати режимні параметри процесів селективної флокуляції вугілля в залежності від властивостей сировини і вимог до якості продуктів збагачення, в цілому значно підвищити ефективність збагачення та зневоднення тонких класів вугільних шламів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Роботи за темою дисертації зв'язані з держбюджетними і госпдоговірними роботами Донецького національного технічного університету: .

1. „Розробка теорії процесів селективної флокуляції вуглевміщуючих продуктів органічними реагентами”, № ДР 019U006735. Керівник - доц. Сергєєв П.В.

2. „Розробка наукових основ і способів селективної агрегації вугілля та вуглевміщуючих продуктів”, № ДР 0191004336. Відповідальний виконавець - доц. Сергєєв П.В.

3. „Исследование и освоение в условиях ПО „Донецкуглеобогащение” технологии обогащения углей с применением латексного флокулянта”, № ДР 01900004526. Відповідальний виконавець - доц. Сергєєв П.В.

4. „Внедрить технологию обогащения углей с применением латексного флокулянта”, № ДР 01890004526. Відповідальний виконавець - доц. Сергєєв П.В.

5. „Разработать и внедрить технологию селективной флокуляции углей в условиях ЦОФ „Дзержинская” ПО „Донецкуглеобогащение”, № ДР 01910014708. Відповідальний виконавець - доц. Сергєєв П.В.

Об'єкт дослідження - процеси збагачення тонкодисперсних вугільних шламів.

Предмет дослідження -селективна флокуляція тонких вугільних шламів гідрофобними органічними реагентами.

Мета роботи - розвиток наукових основ процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами для створення ефективних технологій збагачення та зневоднення тонких вугільних шламів.

Для досягнення мети сформульовані і вирішені наступні задачі:

1. Аналіз загальних закономірностей формування вугільних флокул з урахуванням найважливіших фізико-хімічних властивостей вугільних шламів і гідрофобних органічних реагентів.

2. Аналіз специфічних особливостей селективної флокуляції вугілля по плівково-адгезійному (масла) та місточковому (латекси) механізмам.

3. Експериментальні дослідження процесів з метою перевірки і уточнення теоретичних положень.

4. Розробка та аналіз математичних (регресійних) моделей процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами з метою визначення взаємозв'язків технологічних факторів.

5. Дослідно-промислова апробація розроблених процесів селективної флокуляції в умовах вуглезбагачувальних фабрик.

6. Розробка рекомендацій щодо ефективного застосування технологій селективної флокуляції у промисловості.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження механізмів та закономірностей селективної флокуляції виконані з використанням сучасних положень фізичної, колоїдної хімії та вуглехімії, фізико-хімічної гідродинаміки, теорії стійкості ліофобних колоїдів (теорії ДЛФО), теорій адгезії, когезії та аутогезії. В експериментальних роботах використані такі методи досліджень: ІЧ-спектроскопія вугільної поверхні, визначення електрокінетичного потенціалу вугільних частинок в водо вугільній суспензії з використанням електроосмосу та суспензійного ефекту, мікрокалориметрічне визначення теплоти змочування вугілля гідрофобними органічними флокулянтами, хімічні методи визначення концентрації поверхневих кисеньвмісних груп. При визначенні оптимальних складів композиційних флокулянтів, а також розробці регресійних моделей процесів селективної флокуляції використані методи симплекс-центроїдного та активного факторного планування експериментів із залученням спеціалізованого програмного модуля Statgraphics. Регресійний аналіз експериментальних даних здійснювався за допомогою статистичних програм DataFit та SigmaPlot, математична обробка та графічний аналіз одержаних рівнянь - за допомогою програм MathCAD, Mathematica i Maple.

Наукові положення, що виносяться автором на захист.

1.Селективна флокуляція вугілля гідрофобними органічними реагентами можлива при наявності в зоні контакту „вугілля - флокулянт” водневих та хімічних зв'язків.

2. Максимальна міцність вуглемасляних флокул досягається при контакті вугільних зерен по граничних шарах масла на їх поверхні, які відрізняються найбільшою адгезійною здатністю та когезійною міцністю. Товщина граничних шарів масляних флокулянтів на вугільній поверхні складає 50 - 200 нм.

3. Латексні дисперсні флокулянти, які мають поверхневий потенціал глобул менше 50 мВ, не забезпечують селективну флокуляцію вугільних частинок. Вони коагулюють між собою, втрачаючи флокуляційну здатність по відношенню до вугільних частинок.

4. При селективній флокуляції тонких класів вугілля синтетичними латексами за місточковим механізмом максимальна міцність полімерних ланцюжків між вугільними частинками досягається при довжині цих ланцюжків 100 - 300 нм.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше встановлено, що сумарне число зіткнень частинок вугілля і флокулянта буде визначатися проявом і відносним внеском різних механізмів їх зустрічей. Для зерен вугілля і частинок реагенту крупністю менш 10-100 мкм характерний турбулентний дифузійний механізм зустрічей, а для зерен і частинок крупністю більше 100 мкм - турбулентний інерційний. В «пристінних» шарах гідросуміші товщиною 30-200 мкм можливий градієнтний механізм зустрічей. Зростання інтенсивності турбулентного перемішування водовугольної гідросуміші з флокулянтом збільшує число зустрічей за найбільш ефективним інерційним механізмом.

2. Вперше встановлено, що флокулююча здатність індивідуальних та композиційних масляних реагентів на основі нафтопродуктів і продуктів коксохімії є функцією їх групового хімічного складу і властивостей. Для вугілля всього метаморфічного ряду вона зростає в міру збільшення густини, в'язкості, молекулярної маси індивідуальних сполук реагентів. Для низькометаморфізованого вугілля флокулююча здатність, крім того, зростає по мірі збільшення у реагенті концентрації кисневих функціональних груп, а також концентрації простіших і конденсованих ароматичних сполук з невеликою кількістю (не більше 2 або 3) бензольних ядер. По мірі зростання хімічної зрілості вугілля на його флокулюючу здатність все більше впливає ступінь ароматичності масляного флокулянта.

3. Вперше показано, що раціональні межі витрат флокулянта визначаються з умови формування на вугільній поверхні граничних плівок флокулянта. Подальше збільшення товщини плівки практично не позначається на міцності закріплення масляного флокулянта на вугільній поверхні.

4. Вперше встановлено, що адгезійна міцність вуглелатексних комплексів тим вища, чим більший вміст у глобулах бутадієнового мономеру. Латекси з рівномірним розподілом електронної щільності між вуглецевими атомами полімерного ланцюга мають низьку флокуляційну здатність до вугілля. Адгезія латексів до вугілля зростає з підвищенням вмісту в полімері йонногенних груп. Особливою умовою для агрегаційної ефективності латексу є наявність у його макромолекулі подвійних С=С-зв'язків. Міцність латексних місточків, що зв'язують вугільні частинки, визначається кількістю і крупністю глобул в зкоагульованій структурі, а також міцністю адгезійних і когезійних зв'язків „вугілля-латекс” та „глобула-глобула”.

5. Вперше встановлено, що при довжині латексних містків менше 100 нм можливе ослаблення зв'язків між вугільними частинками у флокулі за рахунок посилення в зоні контакту іонно-електростатичних сил відштовхування. При довжині зв'язків більше 100-300 нм в зоні контакту зникають дальні взаємодії (притягування) вугільних частинок у вторинному потенційному мінімумі за рахунок міжмолекулярних ван-дер-ваальсових дисперсійних сил.

6. Вперше встановлено, що інтенсифікація процесу вакуумного фільтрування флотоконцентратів за допомогою латексів обумовлена значним (в десятки разів) зменшенням питомого опору осаду за рахунок агрегації тонкодисперсних вугільних частинок в мікрофлокули. Це суттєво збільшує пористість осаду, знижує його опір, внаслідок чого зростає швидкість фільтрації води. Зневоднююча дія латексів зростає по мірі збільшення у полімерному ланцюжку їх макромолекул концентрації бутадієнового фрагменту.

Практичне значення отриманих результатів:

- на основі встановлених теоретичних положень та знайдених аналітичних виразів розроблені алгоритми розрахунку раціональних витрат масляних та латексних флокулянтів у комп'ютерних математичних пакетах MathCAD, Mathematica, Maple; вони дозволяють визначати ці витрати в інтерактивному режимі в залежності від фізико-хімічних характеристик вихідного вугілля і флокулянта;

- розроблено методику підбору складу масляних флокулянтів в залежності від ступеня хімічної зрілості вихідного вугілля; знайдені оптимальні склади композиційних масляних флокулянтів на основі продуктів нафтопереробки та коксохімії;

- сформульовані вимоги до синтетичних латексів як селективних флокулянтів; на основі лабораторних досліджень та промислових випробувань визначені найбільш ефективні латексні флокулянти серед тих, що виробляються в країнах СНД;

- розроблені технологічні режимні карти процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами; визначені оптимальні межі варіювання основних технологічних факторів цих процесів;

- розроблені рекомендації, щодо практичного застосування різновидів технологій селективної флокуляції маслами та синтетичними латексами у промисловості;

- методичні розробки на основі дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі при виконанні курсових та дипломних проектів, а також в науково-дослідній роботі студентів.

Реалізація результатів роботи. Технології селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами пройшли стендову та промислову апробацію.

На полігонній установці НВО „Хаймек” (м. Донецьк) здійснено успішну апробацію сумісної технології „масляна флокуляція - гідротранспорт вугілля”, яка передбачає обробку попередньо збагачених гравітаційними методами шламів коксівного вугілля масляним флокулянтом з наступним гідравлічним транспортуванням гідросуміші до вуглепідготовчого цеху коксохімічного заводу. На енергетичних шламах ЦЗФ „Росія” та „Моспінська” здійснено апробацію технології селективної флокуляції вугілля масляними реагентами та їх композиціями. На вуглезбагачувальних фабриках „Чумаківська” та „Дзержинська” проведено промислові випробування технології селективної флокуляції вугільних шламів флотаційної крупності з використанням латексних флокулянтів БС-30Ф та БС-50 виробництва Воронезького заводу СК. Розрахунковий річний ефект від впровадження даної технології на ЦЗФ „Дзержинська” складає 2,35 млн. грн в цінах 2005 року.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій забезпечуються використанням: положень фізичної, колоїдної хімії та вуглехімії, фізико-хімічної гідродинаміки, теорії стійкості ліофобних колоїдів (теорії ДЛФО), теорій адгезії, когезії та аутогезії; сучасного експериментального обладнання; відпрацьованих та надійних методик досліджень; стандартних комп'ютерних програм загального користування для встановлення та аналізу знайдених виразів, а також розробки і аналізу регресійних моделей процесів. Достовірність одержаних результатів підтверджується достатнім об'ємом і задовільною збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень, адекватністю регресійних моделей процесу при 5%-му рівні значущості, апробацією в промислових умовах.

Особистий внесок автора полягає у визначенні наукової проблеми, мети і вирішенні задач досліджень, розробці нових підходів до дослідження механізмів селективної агрегації вугілля гідрофобними органічними реагентами, нових наукових положень, опрацюванні та інтерпретації отриманих результатів, формулюванні основних висновків і рекомендацій дисертації. Усі теоретичні і експериментальні роботи виконані при безпосередній участі здобувача як відповідального виконавця або наукового керівника.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: 4th International Symposium on Mining Chemistry “MinChem'92” (Kiev, Ukraine, 1992); міждержавній науково-практичній конференції „Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона” (Магнитогорск, Россия, 1994); 9th International Conferences on Coal Science (Essen, Germany, 1997); міжнародній науково-технічній конференції „Прогрессивные технологии машиностроения и современность” (Донецк-Севастополь, Украина, 1997); ); міжнародній науково-технічній конференції „Горная энергомеханика и автоматика” (Донецк, Украина, 2003); 8-й Міжнародній науково-практичній конференції „Теория и практика разделительных процессов при обогащении и переработке минерального сырья” (Мариуполь, Украина, 2005) ; наукових семінарах при кафедрі „Збагачення корисних копалин” Донецького національного технічного університету (Донецьк, 2000-2005 рр.) та Національного гірничого університету України (Дніпропетровськ, 2006-2007 р.).

Публікації. Основні наукові і практичні результати, приведені в дисертації, опубліковані в 39 друкованих роботах, в тому числі: 4 монографіях зі співавторами, 24 статтях в наукових журналах і збірниках наукових праць, 1 брошурі; 1 авторському свідоцтві, 9 тезах конференцій; 23 роботи надруковані у наукових журналах і збірниках наукових праць, що входять до переліку затверджених ВАК України фахових видань.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел з 188 найменувань, 6 додатків. Робота містить 318 сторінок, 71 рисунок, 41 таблицю.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан питання. Мета та задачі досліджень

Виконано аналіз сучасного стану технологій переробки вугільних шламів. Встановлено, що процеси селективної агрегації тонкодисперсного вугілля реагентами можуть бути серйозною альтернативою пінній флотації, особливо при підвищеному вмісті у вихідному шламі тонких класів менше 50 мкм. Але серед великої кількості способів селективної агрегації вугільних шламів найбільш високою ефективністю переробки саме цих тонких класів вугілля є процеси, що мають назву селективної флокуляції. Селективна флокуляція - сукупність процесів вибіркової агрегації тонкодисперсних частинок корисних копалин у водному середовищі за допомогою реагентів-флокулянтів різної природи. У випадку вугілля використовуються флокулянти органічного походження. В залежності від виду застосованого реагенту-флокулянту можна виділити три основні різновиди процесів селективної флокуляції вугілля органічними реагентами - маслами, водорозчинними та гідрофобними (нерозчинними) полімерними сполуками. Вид реагенту справляє вирішальний вплив на результати процесу, оскільки визначає селективність та механізм агрегатоутворення.

Селективна флокуляція маслами вдало поєднує переваги як масляної грануляції (висока селективність розділення, можливість переробки тонкодисперсних фракцій крупністю менше 40-50 мкм), так і пінної флотації (виділення концентрату за рахунок аероефекту). Завдяки цьому вона в ряді випадків може ефективно конкурувати з флотацією та з “класичною” масляною грануляцією. Більше того, у випадку переробки високозольного вугілля з суспензій малої густини вона стає єдиним достатньо ефективним способом збагачення.

Селективна флокуляція маслами - відносно новий спосіб переробки вугільних шламів. Найбільш ґрунтовні теоретичні і експериментальні дослідження в цій області виконано в роботах Х. Румпфа, Г. Бемера, Т. Мацуо, В. Шилаєва, А. Елішевича, В. Білецького, Ю. Папушина та ін. Але наявні дані про цей процес часто дають лише якісну картину взаємозв'язку між параметрами, так як їх кількісна оцінка має специфічний, індивідуальний характер. Теоретичні уявлення про процес розроблені також недостатньо. Вони не враховують специфіки селективної флокуляції маслами і, або повторюють теоретичні викладки масляної грануляції, або копіюють традиційний підхід до флотаційних явищ.

Теоретичні та практичні аспекти процесів селективної флокуляції вугілля полімерами викладено в роботах Ю. Аттіа, В. Небери, І. Нікітіна, І. Мнушкіна, О. Денісенко, А. Байченко, В. Залевського та ін. В якості водорозчинних полімерів-флокулянтів можуть використовуватися аніонні, катіонні та неіоногенні сполуки. Аналіз показав, що в цлому технологя селективної флокуляції тонкого вугiлля водорозчинними полмерами отримала розвиток але широке промислове впровадження стримуться дифцитнстю реагентв недостатньою в ряд випадкв селективнстю роздлення Принциповий недолк процесу селективної флокуляції водорозчинними полмерами його сильна залежнсть вд товщини граничних водних плвок на поверхн вугiльних зерен. Крім того, нестабльнсть параметру рН суспенз виклика нестабльнсть флокул зрозумло результатв флокуляц

Для селективної флокуляції тонкого вугілля також використовуються низькомолекулярні (молекулярна маса 103- 105 а.о.) та високомолекулярні гідрофобні полімери. Серед гідрофобних полімерних сполук найбільш перспективними є синтетичні латекси. Латекси є типовими представниками ліофобних колоїдних систем, дисперсна фаза яких має яскраво виражені гідрофобні властивості, обумовлені, в свою чергу, аполярним характером структурних мономерних ланок. Висока поверхнева активність, обумовлена колоїдним характером полімера, а також його гідрофобність є передумовою ефективної вибіркової взаємодії латексних систем з природно гідрофобною вугільною фазою. Агрегація вугільної речовини латексами здійснюється за місточковим механізмом.

Технологія селективної флокуляції тонкого вугілля латексами пройшла лабораторну та промислову апробацію на вуглепереробних підприємствах України та за кордоном. Але і як у випадку з маслами, наявна технічна інформація про селективну флокуляцію вугілля синтетичними латексами має неповні, несистемні дані. Технологія досі знаходиться на стадії накопичення даних про факторний взаємозв'язок. Чіткі теоретичні уявлення про стадії процесу та особливості місточкового механізму флокулоутворення відсутні. В свою чергу, відсутність строгих теоретичних уявлень про процес не дозволяє вирішити проблему його оптимізації за основними технологічними параметрами.

Виконаний аналіз стану теоретичних досліджень селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами дозволив сформулювати мету роботи, обґрунтувати наукову проблему та визначити задачі роботи.

Розділ 2. Експериментальне обладнання та методика досліджень

В цьому розділі виконано аналіз обладнання, що використовувалося для дослідження фізико-хімічних властивостей вугілля, а також методики проведення у лабораторних та стендових умовах експериментальних досліджень процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами. Окремі спеціальні методики досліджень, а також схеми стендових і промислових установок приведені у відповідних підрозділах разом з результатами випробувань.

Математична обробка та графічний аналіз одержаних аналітичних виразів здійснювалися за допомогою програм MathCAD, Mathematica i Maple. При розробці регресійних моделей процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами використовувалися загально визнанні сучасні статистичні програмні модулі Statgraphics Plus, SigmaPlot, DataFit, Table Curve 2D. Розробка коефіцієнтів, перевірка їх значущості та адекватності розроблених моделей здійснювалися за допомогою математичного апарату цих програм.

В роботі використано дві методики визначення електроповерхневих властивостей вугільних частинок у водних суспензіях: оцінка електроповерхневих властивостей вугільних частинок методом суспензійного ефекту та вимірювання ж-потенціалу часток та їх флокул методом електроосмосу. Наведено детальний опис застосованої електроосмотичної установки та удосконалена методика роботи на ній.

Значно удосконалено методику визначення теплоти змочування гідрофобними органічними флокулянтами вугільної поверхні з використанням мікрокалориметра ДАК-1-1.

Сучасне експериментальне обладнання та надійні, відпрацьовані методики досліджень забезпечили обґрунтованість і достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій.

Розділ 3. Розвиток загальнотеоретичних основ селективної

флокуляції вугілля гідрофобними реагентами

В цьому розділі вирішувалася задача визначення закономірностей та залежностей, що притаманні всім різновидам процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами.

Послуговуючись феноменологічним методом теоретичних досліджень з використанням імовірнісної оцінки явищ запропоновано розглядати процеси селективної флокуляції тонкого вугілля гідрофобними органічними реагентами як сукупність послідовно протікаючих елементарних процесів (субпроцесів). При цьому розглянуті дві структурні (феноменологічні) моделі - відповідно для латексної та масляної флокуляції (рис.1). Дослідження показали, що кожний з субпроцесів-аналогів селективної флокуляції вугілля маслами і полімерами має як загальні, притаманні обом різновидам процесу, так і специфічні закономірності механізму флокулоутворення, обумовлені відмінностями в природі та властивостях масляних та латексних реагентів. Характер процесів флокулоутворення в значній мірі визначається механізмом вибіркової агрегації - адгезійно-плівковим у випадку флокуляції маслами , або місточковим - при флокуляції синтетичними латексами. Тому подальший розгляд теоретичних основ процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними реагентами передбачає послідовний аналіз спочатку загальних закономірностей, а потім специфічних особливостей кожного з виділених різновидів процесу.

Встановлено, що при селективній флокуляції вугільних шламів особливе значення мають такі фізико-хімічні характеристики вугільних шламів: гранулометричний склад та зовнішня питома поверхня; зольність та властивості мінеральних компонентів; форма та рельєф поверхні вугільних частинок; характер і властивості поверхневих сполук; ступінь окисненості та гідратованості та ін. Більшість вугільних шламів мають високу зовнішню питому поверхню, яка визначає їх велику поверхневу активність і реакційну здатність. В свою чергу, реакційна здатність шламів обумовлюється особливостями молекулярної та надмолекулярної структури вугільної речовини, характером та інтенсивністю процесів механохімічної, окиснювальної та гідролітичної деструкції вугілля при їх видобутку, транспортуванні, зберіганні та переробці, а також характеристиками золоутворюючих компонентів. Однією з найбільш характерних і важливих властивостей вугільної поверхні є її гетерогенність.

Згідно структурних схем селективної флокуляції (рис.1) будь-якому процесу закріплення флокулянта на вугільній поверхні передує стадія інтенсивного турбулентного перемішування суспензії з введеним в неї реагентом. В турбулентних потоках суспензій виникають необхідні умови для зіткнення вугільних частинок з краплями або глобулами флокулянту. Імовірність зіткнення вугільного зерна з краплею або глобулою флокулянта є функцією фізико-хімічних властивостей контактуючих фаз, а також факторів гідродинамічного режиму перемішування, створеного в робочій камері змішувача-турбулізатора. Закономірності цих зіткнень можна описати з позиції фізико-хімічної гідродинаміки, яка розглядає вплив руху рідин на хімічні та фізико-хімічні перетворення в суспензіях. У відповідності з її положеннями сумарне число зіткнень частинок вугілля та флокулянта буде визначатися наявністю і відносним внеском різних механізмів їх зустрічі: броунівської дифузії, градієнтної коагуляції, а також турбулентних дифузійного та інерційного механізмів.

Теоретичний аналіз показав, що наявність та відносний внесок кожного з перерахованих механізмів зіткнення вугільних зерен та частинок флокулянту визначається, з одного боку, середнім розміром зерен та частинок, а з другого - інтенсивністю турбулентного перемішування. Основними є дифузійний та інерційний механізми зустрічі контактуючих фаз в турбулентних потоках суспензії. Встановлено, що дифузійний механізм зустрічі характерний для зерен вугілля та частинок реагенту крупністю менше 10-100 мкм, а інерційний - для зерен та частинок крупністю більше 100 мкм, тобто для 90-99 % вугільної маси. Що стосується градієнтного механізму зустрічей, то він можливий в «пристінних» шарах суспензії. За нашими розрахунками товщина цих шарів не перевищує 30-200 мкм.

Вибіркове закріплення флокулянта на поверхні вугільних зерен теоретично доцільно розглядати як закономірний процес адгезійного закріплення частинок флокулянта на гідрофобних ділянках вугільної поверхні. Адгезія, як процес міжфазної взаємодії контактуючих конденсованих тіл різної природи найбільш повно відображає суть явищ, які протікають в міжфазній зоні „вугілля-флокулянт”.

Ефективність адгезійного закріплення флокулянта на вугільній поверхні є функцією фізико-хімічного складу як адгезиву (флокулянту), так і субстрату (вугілля). Міцність комплексу «вугілля-флокулянт» тим вища, чим більша сумарна поверхня контакту фаз. При цьому адгезійні контакти обумовлені не тільки простою фізичною адсорбцією флокулянта за рахунок міжмолекулярних ван-дер-ваальсових сил, але й проявом специфічних і хімічних взаємодій, зокрема, водневих. Ці зв'язки різко збільшують міцність адгезії та визначають її вибірковість. Наявність у вугіллі і флокулянтах полярних функціональних груп, ненасичених С-С зв'язків в аліфатичних та ароматичних сполуках є передумовою виникнення вказаних високоенергетичних зв'язків.

Важливе значення має йонно-електростатична складова адгезійної взаємодії „вугілля-флокулянт”, що виникає в результаті перекриття подвійних електричних шарів (ПЕШ) на поверхні вугільних зерен та крапель (глобул) флокулянта. Введення в суспензію індиферентних по відношенню до вугільних частинок електролітів забезпечує стискання дифузійної частини ПЕШ і, як наслідок цього - зниження величини -потенціалу частинок. Стискання ПЕШ, в свою чергу, забезпечує контакт частинок субстрату і адгезиву на відстанях менше критичної. При цьому в зоні контакту діють йонно-електростатичні сили притягання навіть при однакових зарядах взаємодіючих фаз. Максимальне значення сили притягання досягається у випадку ізоелектричного стану вугільної поверхні, тобто при зникненні дифузної частини ПЕШ та при рівності нулю -потенціалу.

Поряд з молекулярними і, можливо, за певних умов надмолекулярними силами, міцність адгезії флокулянта до вугільної поверхні в меншому ступені визначається, на нашу думку, силами дифузійного проникнення, механічного заклинювання адгезиву в нерівностях вугільної поверхні, і, незначною мірою, електричними силами.

Результати виконаних теоретичних та експериментальних досліджень дозволили вирішити першу задачу роботи та обґрунтувати перше наукове положення, що захищається в роботі.

Розділ 4. Дослідження особливостей механізму селективної

флокуляції вугілля синтетичними латексами

Теоретичний аналіз та експериментальні дослідження (мікрокалориметрія, ІЧ-спектроскопія, електрофоретичне визначення ж-потенціалу латексних глобул та вуглелатексних структур та ін.) показують, що колоїдно-хімічні властивості синтетичних латексів суттєво впливають на їх флокулюючу здатність. Найважливіші з цих властивостей такі: питома міжфазна поверхня і крупність глобул, що визначаються умовами емульсійної полімеризації; розподіл емульгатора між полімерною і водною фазами; структурованість і насиченість адсорбційних шарів, що залежить від природи полімеру та ПАР, їх концентрації у водній фазі; значення критичної концентрації міцело утворення (ККМ) та гідрофільно-ліпофільний баланс (ГЛБ) емульгатора; абсолютна величина і знак заряду поверхні глобул, які залежать від природи вихідних мономерів і емульгаторів; умов полімеризації, адсорбційної насиченості пристінних глобулярних шарів; ступінь гідратації поверхні глобул, яка визначається товщиною граничних гідратних шарів.

Виходячи із проведеного аналізу сформулювані основні вимоги до латексних флокулянтів: висока адгезійна активність глобул до вугільної поверхні; пептизуюча дія емульгатора на мінеральний компонент вугілля; полідисперсність полімерної фази з переважанням крупних глобул; оптимальна концентрація в полімерних ланцюжках власних йоногенних та інших полярних груп; ненасиченість адсорбційних шарів емульгатора на поверхні глобул; застосування іоногенних емульгаторів з високими значеннями ККМ та ГЛБ, а також зниженою піногенеруючою здатністю; низька в'язкість; нетоксичність компонентів латексних систем; висока стабільність властивостей та стійкість при транспортуванні та зберіганні.

Введення у водовугільну суспензію латексного флокулянта призводить до часткової десорбції емульгатора з поверхні глобул. Десорбція емульгатора викликає зменшення сумарного поверхневого заряду глобул і пов'язане з цим зниження висоти йонно-електростатичного бар'єру відштовхування. Тим самим в об'ємі суспензії створюються умови для коагуляції глобул між собою, а також їх взаємодії з вугільними частинками. Швидкість цих процесів буде визначатися числом та ефективністю зіткнень типу “глобула-глобула” і “глобула-вугільна частинка”. Для пари “вугільна частинка-глобула” найчастіше має місце інерційний механізм зіткнень, а для латексних глобул, які мають розмір, менший або близький до внутрішнього масштабу турбулентності 0 - турбулентний дифузійний. Встановлено, що формування полімерних ланцюжків між вугільними частинками можливе при потенціалі поверхні латексних глобул не менше 50 мВ (рис. 2). При менших значеннях цього потенціалу синтетичні латекси втрачають флокуляційну здатність внаслідок швидкого зникнення агрегаційної стійкості. В той же час, латекси з великим вмістом в полімерному ланцюгу дисоціюючих груп, які створюють високий енергетичний бар'єр відштовхування глобул, мають знижену флокуляційну здатність до природно гідрофобних матеріалів, зокрема вугілля.

Формування і зміцнення коагуляційного латексного зв'язку в агрегатах і ланцюжкових структурах можна розглядати з позицій явища аутогезії як процес самодифузії (взаємопроникнення) структурних фрагментів сегментів макромолекул глобул в зоні їх контакту Очевидно дифузія протікає за рахунок мікроброунівського руху сегментів який, в свою чергу, призводить до витіснення рідкої фази з зазору між глобулами та поступового “розмивання” границі між скоагульованими глобулами В зоні контакту може протікати часткове об'ємне відновлення балансу міжмолекулярних сил характерних для макромолекул глобул, з утворенням перехідних шарів які підвищують міцність.

Встановлено, що латекси з рівномірним розподілом електронної щільності між вуглецевими атомами полімерного ланцюга мають низьку адгезійну здатність до вугілля. Адгезія латексів до вугілля зростає з підвищенням вмісту в полімері іонногенних груп. Міцність адгезії на границі контакту “вугілля - латекс” тим вища, чим більший вміст у глобулах бутадієнового мономеру. Наявність в полімерному ланцюгу латекса бутадієнового фрагменту -СН=СН- з подвійним зв'язком обумовлює принципову можливість взаємодії глобул з вугільною поверхнею за місцем цього зв'язку. При цьому імовірним є прояв сил переносу заряду. Крім того, не виключена можливість розриву подвійного С=С-зв'язку і реалізація хімічного зв'язку “вугілля-латекс” за механізмом реакцій приєднання. Ненасиченість С-С-зв'язків в аліфатичних і ароматичних сполуках сприяє виникненню в зоні контакту «вугілля-латекс» хімічних -зв'язків, а наявність полярних груп - виникненню полярних ковалентних хімічних зв'язків за донорно-акцепторним механізмом. Наявність на поверхні вугільних частинок і латексних глобул полярних функціональних груп з електронегативними атомами є передумовою виникнення в зоні контакту водневих зв'язків.

Міцність і розміри вуглелатексних флокул визначаються багатьма факторами: витратами флокулянта, міцністю адгезійного комплексу «вугілля-латекс», когезійною міцністю латексних структур, гідродинамічним режимом перемішування суспензії. При невеликих витратах (до 50 г/т) латекси виступають в ролі класичних реагентів-збирачів, підвищуючи імовірність виникнення флотаційного комплексу. Збільшення концентрації флокулянта спричиняє утворення зкоагульованих полімерних структур, які після закріплення на вугільній поверхні утворюють “місточкові” зв'язки між вугільними частинками. При цьому «місточкові» зв'язки мають надглобулярну організацію. Ефективність латексних місточків визначається кількістю і крупністю глобул в зкоагульованій структурі, а також міцністю адгезійних і когезійних зв'язків “вугілля-латекс” та “глобула-глобула”.

Згідно теорії стійкості гідрофобних колоїдів (теорії ДЛФО), агрегативна стійкість водовугільної суспензії визначається результатом сумісної дії міжмолекулярних ван-дер-ваальсових сил тяжіння і іонно-електростатичних сил відштовхування між однойменно зарядженими вугільними частинками. На дуже малих відстанях (десяті частки нанометра) між частинками діють сили притягування, що обумовлює необоротну їх коагуляцію в первинному енергетичному мінімумі. На середніх відстанях (h 1-100 нм) між вугільними частинками виникає електростатичний бар'єр відштовхування. На великих відстанях виникає вторинний енергетичний мінімум. В результаті між частинками виникає дальня взаємодія - притягування. Частинки при цьому фіксуються на відстані hвм, що відповідає вторинному енергетичному мінімуму. В більшості випадків

hвм 100 нм.

Необоротна коагуляція вугільних частинок в первинному мінімумі можлива лише при зникненні (або істотному зниженні) енергетичного бар'єру відштовхування за рахунок стиснення ПЕШ при збільшенні концентрації електроліту-коагулянту. Подібний метод агрегації не ефективний, оскільки, по-перше, не забезпечує вибіркової коагуляції тільки вугільних частинок, і, по-друге, відрізняється високими витратами реагентів-електролітів.

Дальня коагуляція частинок у вторинному мінімумі також не ефективна, оскільки не відрізняється високою вибірковістю по відношенню до вугільних частинок. Крім того, просторові коагуляційні структури, що утворюються, нестійкі і легко руйнуються в турбулентних потоках суспензії.

Виходячи з уявлень про вторинний енергетичний мінімум на кривих Uр(h), можна стверджувати, що довжина латексних ланцюжків-містків Lц повинна бути не менше hвм. Дійсно, якщо Lц hвм, то енергія зв'язку двох вугільних частинок латексним ланцюжком доповнюється енергією дальнього притягування частинок, що знаходяться у вторинному мінімумі. Якщо Lц hвм, то енергія зв'язку вугільних частинок ослабляється за рахунок виникнення між ними електростатичних сил відштовхування. Отже, для отримання стійких флокуляційних структур необхідно виконувати умову: Lц hвм, тобто Lц 100 нм . Оскільки тонкі вугільні частинки мають певну шорсткість і висота виступів та западин на їх поверхні може досягати декількох десятків нанометрів, то оптимальна довжина латексних ланцюжків, мабуть, повинна знаходитися в межах Lц = (1-3)hвм = 100-300 нм. Подальше збільшення Lц недоцільне, оскільки при довжині зв'язків понад 100-300 нм в зоні контакту зникають дальні взаємодії (притягання) вугільних частинок у вторинному потенційному мінімумі за рахунок міжмолекулярних ван-дер-ваальсових дисперсійних сил. У будь якому випадку Lц повинна перевищувати подвійний радіус дії іонно-електростатичних сил відштовхування між вугільними частинками.

Виходячи зі сказаного можна теоретично обґрунтувати раціональні межі витрат латексного флокулянту. Отже, мінімальні втрати латексного флокулянту повинні забезпечувати довжину полімерних ланцюжків між вугільними частинками на рівні 100-300 нм. Це твердження було прийняте за базове при розробці аналітичного вираження для визначення раціональних витрат латексного флокулянта.

(1)

де фл - густина флокулянта; dгл - середній діаметр латексних глобул; Dеф- “ефективний діаметр латексної глобули” (діаметр ділянки вугільної поверхні, за яку “відповідальна” латексна глобула, що закріпилася на цій поверхні); свуг - густина вугілля; b , n - параметри рівняння Розіна-Рамлера; х1 , х2 - мінімальний та максимальний розмір вугільних частинок (х1 0).

Отриманий аналітичний вираз (1) дозволяє теоретично оцінити оптимальні межі витрат латексного флокулянта залежно від властивостей вихідного вугілля, колоїдно-хімічних характеристик застосовуваного синтетичного латексу та довжини місточкових зв'язків.

Розроблено алгоритм розрахунку Qфл у відомих математичних пакетах MathCAD, Mathematica і Maple. При цьому рішення інтегралу у виразі (1), який не має стандартного рішення, здійснюється чисельним методом, який дає у всіх зазначених програмах повністю ідентичний результат.

На рис. 3 представлена отримана за допомогою програми MathCAD на підставі виразу (1) графічна залежність Qфл(dгл) при різних значеннях довжини латексних місточків Lц. Розрахунки виконувалися для вугілля з наступними характеристиками: крупність 0,1 -100 мкм; густина вуг = 1400 кг/м3 ; b =0,02; n = 1. Характеристики флокулянта - бутадієн-стирольного латексу БС-30Ф виробництва Воронезького заводу СК - були прийняті наступними: густина фл = 950 кг/м3; діаметр глобул dгл = 50 нм ; Dеф = 1 мкм.