Розвиток наукових основ селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами

Знайдені на підставі рис. 3 оптимальні витрати флокулянта БС-30Ф при різній довжині латексних ланцюжків представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 Оптимальні витрати флокулянта БС-30Ф

Отримані теоретичні значення Qфл добре узгоджуються з експериментальними, які для подібних вихідних параметрів перебувають у межах 100-250 г/т.

Результати проведених досліджень дозволили вирішити другу задачу роботи, що до визначення закономірностей селективної флокуляції вугілля синтетичними латексами за місточковим механізмом, а також сформулювати та обгрунтувати третє та четверте наукові положення дисертаційної роботи.

Розділ 5. Дослідження специфічних особливостей механізму

селективної флокуляції маслами

Встановлено, що як масляні реагенти процесу селективної флокуляції вугілля можуть застосовуватися різноманітні вуглеводневі рідини: нафтопродукти, продукти вуглехімії та масложирових виробництв, вторинні масла та ін. На динаміку окремих стадій та результати флокуляції суттєво впливають в'язкість та густина, груповий хімічний склад, наявність та склад активних функціональних груп масляних реагентів.

Турбулентне перемішування водовугільної суспензії з масляним реагентом призводить до емульгування масла. Наявність в суспензії органічної маси вугілля сприяє пришвидченню процесу диспергування. Сумарна питома поверхня диспергованої масляної фази Sпит і, відповідно, розмір емульсійних крапель масла, а також ступінь покриття поверхні вугільних частинок флокулянтом визначаються багатьма факторами: конструктивними особливостями змішувача, режимом перемішування та фізико-хімічними властивостями дисперсної фази (масла) та дисперсійного середовища (водовугільної суспензії). Знайдено аналітичний вираз для визначення діаметру масляних крапель dкр :

, (2)

де Dм - діаметр мішалки Dзм - внутрішній діаметр змішувача в - густина дисперсійного середовища води фл - густина флокулянта масла - поверхневий натяг в системі „масло-вода”; n - частота обертання імпелера мішалки.

На рис. 4 наведено тримірні поверхні, одержані на основі рівняння (2) за допомогою графічних можливостей програми MathCAD. Як видно, діаметр крапель масляного флокулянта dкр зменшується по мірі зростання частоти обертання мішалки (n), співвідношення Dм / Dзм , а також зменшення поверхневого натягу на межі “флокулянт-вода” (фл) та густини флокулянта (фл).

Крім того, знайдено аналітичний вираз для визначення ступеню покриття вугільної поверхні масляним флокулянтом Кп :

, (3)

де qфл - витрати масляного флокулянта; hпл - товщина плівки флокулянта на вугільній поверхні; х1, х2 -відповідно мінімальний та максимальний розмір частинок вихідного вугілля; b, k - параметри рівняння Розіна-Рамлера.

Як видно з виразу (3), ступінь покриття вугільної поверхні масляним флокулянтом Кп зростає по мірі збільшення витрат флокулянта (qфл), крупності його емульсійних крапель (dкр), густини вугілля (уг), співвідношення Dм / Dзм , частоти обертання імпелерної мішалки (n), та відносної густини флокулянта . В той же час, величина Кп зменшується при зростанні товщини плівки флокулянта (hфл) та поверхневого натягу на межі “флокулянт-вода” (фл). Розрахунки за рівнянням (3) при стандартних умовах (dкр = 10 мкм; вуг = 1400 кг/м3; фл = 950 кг/м3; Dм / Dзм = 0,8; n = 1500 хв-1; hпл = 200 нм; фл = 42 мН/м; b =0,02; к = 1,0) показують, що при витратах флокулянта в межах qфл = 1-2% ступінь покриття Кп складає 4,5 - 9 %. Ці цифри добре корелюють з експериментально визначеними показниками Кп.

Для вугілля всього метаморфічного ряду флокулююча здатність масляних реагентів зростає в міру збільшення густини, в'язкості, молекулярної маси індивідуальних сполук реагентів. Для низькометаморфізованого вугілля вона, 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 треба підвищувати ступінь ароматичності масляного флокулянта. Максимальна адгезія масляного реагента до вугільного субстрату досягається при відсутності різниці в полярностях контактуючих фаз. Підбір масляних флокулянтів необхідно здійснювати з урахуванням їх групового хімічного складу, а також поверхневих сполук вугілля. При окисненні вугільної поверхні необхідно модифікувати реагент шляхом введення в нього полярних хімічних сполук, близьких за своєю природою до вугільних.

Формування вторинних вуглемасляних асоціатів (мікрофлокул) доцільно розглядати з позицій аутогезійного механізму, як процес самозлипання плівок адгезиву, що утворилися на поверхні вугільних зерен. Завдяки енергетичній орієнтаційній та стеричній дії вугільної поверхні на масляний реагент в його адгезійній плівці з'являються два прошарки: граничний (адсорбційний), в'язкість, густина і міцність якого зменшується по мірі віддалення від твердої поверхні, і об'ємний, властивості якого не відрізняються від вихідного реагента. Співвідношення між товщиною цих прошарків, а також їх властивості значною мірою визначають ефективність формування вторинних вуглемасляних асоціатів за аутогезійним механізмом.

Механічна міцність вуглемасляних асоціатів визначається, головним чином, рівнем міжмолекулярних взаємодій при аутогезійному злипанні плівок масла. Найбільша міцність мікрофлокул забезпечується при контакті вугільних зерен по граничних шарах масла на їх поверхні, які мають найбільшу когезійну міцність. Наявність на вугільних частинках великої кількості ділянок з об'ємними шарами реагента може послабити міцність флокул, які формуються, оскільки міцність аутогезійних зв'язків зерен по об'ємних шарах масла невелика.

Як і у випадку з латексними реагентами для ефективної флокуляції маслами потрібно чітко визначити оптимальні межі витрат флокулянта. В технічній літературі приводяться численні експериментальні значення цього параметра, що носять локальний характер для того або іншого виду сировини і не мають достатнього теоретичного обґрунтування. У зв'язку з цим нами виконано теоретичний аналіз раціональних меж витрати рідкого органічного флокулянта (масла). При цьому, по-перше, визначено раціональну товщину флокулянта на твердій поверхні на основі аналізу її енергетичного стану на цій поверхні. У загальному випадку сумарна енергія розриву адгезійної плівки флокулянта може бути представлена як сума наступних доданків: Ер = Ерад + Ерк , де Ерад і Ерк - відповідно енергія адгезійного і когезійного розриву плівок флокулянта.

З урахуванням ліофобно-ліофільної гетерогенності (мозаїчності) твердої поверхні і допускаючи наявність адгезійного розриву на ліофобних ділянках і когезійного на ліофільних для Ерад і Ерк можна записати:

Ерад = фг (1 +cos )Sлфо та Ерк = 2фг Sлфі ,

де фг - поверхневий натяг на границі “флокулянт - газ” ; - крайовий кут змочування твердої поверхні флокулянтом; Sлфо і Sлфі - відповідно площі ліофобних і ліофільних ділянок на твердій поверхні. Практичну цінність представляє питома величина Ерп на одиницю маси флокулянта mфл на твердій поверхні. Введемо коефіцієнт ліофобності поверхні , де . Тоді після перетворень для Ерп маємо:

(4)

Отриманий вираз (4) проаналізовано для випадку селективної флокуляції тонкодисперсного вугілля з водовугільних суспензій аполярним реагентом - гасом. Виходячи з фізико-хімічних характеристик гасу, а також з огляду на нормальні умови проведення експериментів, прийнято: фг = 30 мН/м ; = 0 - 90о ; фл = 800 кг/м3 ; hпл = 50 - 1000 нм.

Як видно з рис. 5 ліофобно-ліофільний баланс вугільної поверхні впливає на Еру тільки в області малих значень hпл (до 50 -100 нм). При великих значеннях hпл енергія розриву Ерп практично не змінюється, тому що в “товстих” плівках флокулянта практично не відчувається енергетичний вплив твердої поверхні. Крива Ерп(hпл) має гіперболічну форму з найбільшою кривизною в області hпл = 50 - 200 нм (рис. 6). При цьому вплив крайового кута змочування незначний. Як випливає з характеру кривої Ерп(hпл), область найбільшої кривизни можна вважати критичною, оскільки подальше збільшення товщини плівки флокулянта практично на позначається на величині енергії розриву Ерп.

Отже, раціональні межі витрати флокулянта повинні забезпечувати товщину плівки флокулянта на твердій поверхні не більш 50-200 нм. Виходячи з цього положення, знайдено аналітичний вираз для розрахунку питомих витрат масляного флокулянта Qфл :

(5)

На підставі аналізу знайденого виразу (5) можна зробити висновок, що питомі витрати масляного флокулянта прямо пропорційні густині флокулянта фл , товщині його плівки на твердій поверхні hпл, ступеню покриття флокулянтом цієї поверхні Кп і зворотно пропорційні густині твердої фази вуг . Крім того, вони зростають в міру збільшення вмісту у твердому матеріалі частинок крупністю менше 1 мкм і зменшення крупності матеріалу в цілому.

Розроблені алгоритми розрахунку раціональних витрат масляного флокулянта у відомих математичних програмах MathCAD, Maple та Mathematica , які дозволяють працювати в інтерактивному режимі і враховують основні фізико-хімічні характеристики вихідного вугілля та реагенту. Близькість експерименттальних і розрахункових значень параметра Qфл дозволяє зробити висновок про можливість використання отриманого аналітичного виразу як для теоретичної, так і практичної оцінки раціональних меж витрат масляних фл окулянтів при селективній флокуляції гідрофобних матеріалів і зокрема вугільних шламів. Виконані дослідження дозволили вирішити другу задачу та обґрунтувати друге наукове положення роботи.

Розділ 6. Експериментальні дослідження процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами

Метою експериментальних досліджень було експериментальне підтвердження теоретичних положень, висунутих автором у розділах 3-5. а також визначення характеру та ступеню впливу на процес найбільш важливих чинників: тривалості процесу (кінетичні закономірності); технологічних факторів процесу флокуляції латексами; складу масляних флокулянтів; технологічних факторів процесу флокуляції масляними реагентами; технологічних факторів, що впливають на процес інтенсифікації латексами зневоднення вугілля фільтруванням.

Встановлено, що залежності крупності флокул від тривалості флокуляції при селективній флокуляції вугілля маслами, а також синтетичними латексами при витратах останніх до 100 г/т носять двоступінчастий характер. Для першого ступеня характерний швидкий контакт зерен вугілля з реагентом на гідрофобних ділянках поверхні з виникненням первинних агрегатів. Після цього наступає найбільш тривалий період контактів первинних агрегатів за дифузійним механізмом. Вторинне укрупнення флокул (другий ступінь) обумовлене переходом від дифузійного до переважно інерційного більш ефективного механізму зустрічей первинних агрегатів.

Кінетична залежність вилучення вугільних фракцій у концентрат = f (t) при селективній флокуляції синтетичними латексами змінює характер від екстремальної при низькій до спадної при високій зольності вихідного вугілля. Ця зміна обумовлена негативним впливом мінеральної компоненти на процес селективної флокуляції латексами. Загальна тривалість селективної флокуляції вугілля латексами не повинна тривати менше 30-40 с.

Методами активного факторного планування експериментів (центрально-композиційні плани та некомпозиційні трирівневі плани Бокса-Бенкена) з залученням статистичного програмного модуля Statgraphics Plus розроблені та проаналізовані регресійні моделі процесу селективної флокуляції вугілля синтетичними латексами. Отримані данні підтверджують висунуті вище теоретичні положення щодо впливу на ефективність процесу найважливіших технологічних факторів. Зростання витрат флокулянта більш 100 г/т , густини суспензії та тривалості флокуляції приводить до відповідного зростання вилучення вугільних фракцій у флокульований концентрат . В той же час підвищення зольності вугілля супроводжується зниженням . Найбільш впливовими факторами є витрати латексу та густина суспензії. Зниження величини в діапазоні витрат латексу 40-80 г/т є експериментальним підтвердженням висунутого теоретичного положення, що раціональні витрати латексного флокулянта повинні забезпечувати довжину латексних глобул більше подвійного радіусу дії електростатичних сил відштовхування між вугільними частинками. У випадку флокуляційно-флотаційного збагачення вугільних шламів залежність від витрат латекса, реагента-збирача та спінювача має екстремальний характер. Це свідчить про можливість оптимізації процесу по цим факторам. Розроблені регресійні моделі дозволяють прогнозувати результати процесу і були використані при розробці технологічних режимів селективної флокуляції вугілля латексами для промислових потреб.

Розроблені і проаналізовані регресійні моделі процесу селективної флокуляції вугілля масляними реагентами. Встановлено, що незалежно від ступеня хімічної зрілості вугілля зростання його зольності та витрат реагента-регулятора рН середовища призводить до помітного підвищення вилучення вугільних фракцій в концентрат е. Залежності вилучення е від витрат масла та густини суспензії є екстремальними. Оптимальні значення витрат масляного флокулянту та густини суспензії складають 1,05 - 1,3 % і 140-150 кг/м3 відповідно.

Селективна флокуляція молодого вугілля потребує більш інтенсивного режиму перемішування водовугільної суспензії, ніж це потрібно при переробці більш зрілого вугілля. В першому випадку оптимальне значення окружної швидкості імпелера змішувача складає 4,8 м/с, в другому - 1,6 м/с.

Оптимальний час флокуляції маслами молодого вугілля складає 30 с. Подальше зростання тривалості флокуляції приводить до зменшення ефективності процесу, імовірно за рахунок механічного “захвату” у флокули мінеральних частинок. В разі хімічно зрілого вугілля негативний вплив мінеральної компоненти зменшується і оптимальний час флокуляції складає біля 90 с.

Методом симплекс-центроїдного планування визначено оптимальний склад композиційного масляного флокулянта на основі продуктів нафтопереробки та вуглехімії. Встановлено, що флокулююча здатність реагентів-нафтопродуктів та їх композицій є функцією їх групового хімічного складу і властивостей. Вона зростає в міру збільшення густини, в'язкості, молекулярної маси індивідуальних сполук, а також вмісту ароматичних сполук. Для вугілля низької стадії метаморфізму найбільш ефективними є індивідуальні флокулянти на основі гасу і дизпалива, а також їх композиції. У випадку вугілля середньої і високої стадії метаморфізму найбільш ефективні композиції дизпалива і флотореагента ААР.

Ефективність селективної флокуляції вугілля композиційними реагентами на основі продуктів коксохімії залежить від ступеня хімічної зрілості вугілля та ароматичності масляного флокулянта. По мірі зростання хімічної зрілості вугілля для його ефективної флокуляції потрібно знижувати частку в композиційному реагенті вбирного масла та поступово підвищувати частку другої антраценової фракції і пекового дистиляту, тобто підвищувати ступінь ароматичності композиційного флокулянта. У випадку флокуляції вугілля малого ступеня вуглефікації найбільшою ефективністю володіють двокомпонентні реагенти на основі вбирного масла і другої антраценової фракції. При флокуляції вугілля середньої і високої стадії вуглефікації найбільш ефективними стають трикомпонентні суміші з домішкою пекового дистиляту.

Дослідження на лабораторній установці показали, що при інтенсифікації процесу вакуумного фільтрування вугільних флотоконцентратів за допомогою латексних флокулянтів суттєво зменшується питомий опір осаду Roc, його вологість Wос та зростає питома продуктивність процеса фільтрації по твердому (q). При витратах латексного флокулянта 100-200 г/т спостерігається збільшення питомої продуктивності фільтрації в середньому на 20-50 % та зниження вологості осаду на 1,1-1,3 %. Покращення показників фільтрації обумовлено агрегацією тонкодисперсних вугільних частинок в мікрофлокули. Це суттєво збільшує пористість осаду, знижує його опір, внаслідок чого зростає швидкість фільтрації води. Вплив латексів на ефективність процесу фільтрування зростає по мірі підвищення концентрації в полімерному ланцюгу глобул бутадієнового та зменшення концентрації стирольного фрагменту.

Результати цих досліджень дозволили вирішити третю та четверту задачі дисертаційної роботи.

Розділ 7. Розробка та апробація промислових технологій селективної флокуляції вугілля

На полігонній установці АТЗТ „НВО „Хаймек” (м. Донецьк) проведено випробування сумісної технології „масляна флокуляція - гідротранспорт вугілля” для переробки класів крупності -0,1 мм шламів коксівного вугілля мулонакопичувачів вуглезбагачувальних фабрик. Технологія передбачає обробку попередньо збагачених гвинтовою сепарацією шламів масляним флокулянтом з послідуючим гідравлічним транспортуванням гідросуміші до вуглепідготовчого цеху коксохімічного заводу. В якості флокулянта використовували суміш продуктів коксохімічного виробництва. Селективна флокуляція шламів маслом здійснювалася на установці з імпелерною мішалкою продуктивністю до 3 т/год. Гідравлічне транспортування обробленої маслом гідросуміші відбувалося за допомогою установки напірного гідротранспорту з трубопроводом 104 мм і відцентровим насосом продуктивністю 60 м3/год. Зневоднення шламів після гідротранспорту виконувалося на центрифузі НОГШ-325 з числом Фруда Fr = 2000. Технологія „масляна флокуляція - гідротранспорт вугілля” в порівнянні з технологію переробки шламів без флокуляції дозволяє: суттєво (майже в 2 рази) зменшити вологість осаду центрифуг; знизити практично до кондиційних норм зольність осаду центрифуг ( з 12 до 8,5 %); до мінімуму зменшити втрати тонкодисперсного вугілля з фугатом центрифуг і забезпечити зольність твердої фази фугату на рівні 80 %.

В умовах ЦЗФ „Моспінська” здійснена промислова апробація технології селективної флокуляції вугільних шламів масляними реагентами. Роботи здійснювалися на устаткуванні вузла переробки шламових вод фабрики. Вихідним живленням були зливи гідроциклонів ГЦ-360 густиною 90-100 кг/м3 і зольністю твердої фази 28,5-30 %. Встановлено, що в порівнянні з технологією флотаційного збагачення селективна флокуляція вугільних шламів маслами при витратах останніх 0,5- ,0 % від маси твердого у вихідному забезпечує: збільшення виходу концентрату на 3-5 %; підвищення зольності відходів на 5,5-8,5 %; зниження вологості кека вакуум-фільтрів на 0,4-0,9 %; підвищення зольності концентрату на 0,4-1,4%.

В умовах ЦЗФ “Чумаківська” спільно з інститутом УВХІН (м.Харків) здійснена дослідно-промислова апробація технології селективної флокуляції вугілля латексами. За першим варіантом латексний флокулянт БС-30Ф дозували у збірник насосу, що подавав суспензію шламу на флотацію. Це забезпечувало потрібну інтенсивність перемішування та тривалість флокуляції (30-40 с). При витратах латексу 50-100 г/т шламу вихід флотоконцентрату зростає в середньому на 2%, а зольність відходів - на 1,4-3,7% в залежності від вихідної сировини. При цьому спостерігається деяке підвищення зольності концентрату, а також зростання швидкості флотації в середньому на 25-30%. Другий варіант технології представляв собою флокуляційно-гравітаційний спосіб збагачення дрібного вугілля спільно з крупнозернистим шламом у відсаджувальній машині. Подача флокулянта здійснювалася перед відсаджувальними машинами дрібного класу. Встановлено, що зольність відходів гравітаційного збагачення відчутно зростає, причому тим більше, чим значніші витрати флокулянту. Спостерігається збільшення виходу концентрату на 0,4-1,8 % та в деякій мірі його зольності. Останнє може відбуватися за рахунок переходу до концентрату сфлокульованих більш зольних частинок вугілля. Раціональні витрати латексного флокулянта перед гідравлічною відсадкою дрібного вугілля складають 30-40 г/т.

Дослідно-промислова апробація технології селективної флокуляції латексами здійснена також на ЦЗФ “Дзержинська”. Випробовування реалізовано за двома схемами: з дозуванням латексу у вихідний продукт флотації та дозуванням латексу у злив пірамідального відстійника.

В першому варіанті подача флокулянту (латексу БС-50) здійснювалася у витратомірний бак флотаційного відділення перед апаратом АКП-1600. При витратах латексу 100 г/т одержано: збільшення виходу концентрату на 1,18-3,58%; збільшення зольності флотовідходів на 2,9-6,3%; підвищення зольності концентрату на 0,8-2% в порівнянні зі звичайною схемою флотаційного збагачення. В другому варіанті флокулянт дозувався у зливний вузол пірамідального відстійника, де змішувався з шламовими водами. Потім пульпа подавалася насосом у радіальний згущувач, загущений продукт якого піддавався флотації. При витратах латексу 60-120 г/т шламу одержано: підвищення виходу флотоконцентрату на 1,75-7,9%; зростання зольності відходів флотації на 3,95-19%; збільшення зольності флотоконцентрату на 0,7-2,7%. Великий діапазон значень показників в обох варіантах пояснюється змінами сировини під час випробовувань. Кращі показники другого варіанту технології обумовлені значно більшою тривалістю контакту латексу з суспензією шламу.

В цілому проведені дослідно-промислові випробування процесів селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами підтвердили їх високу ефективність на вугільних шламах різної якості. Розроблені рекомендації, щодо застосування різновидів технологій селективної флокуляції маслами та синтетичними латексами у промисловості.

Результати проведених досліджень дозволили вирішити п'яту та шосту задачі роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена важлива 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. Встановлення закономірностей формування вугільних флокул дозволило 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. Це забезпечило подальший розвиток теорії процесів селективної флокуляції вугілля маслами та синтетичними латексами, а також удосконалення на цій основі промислових технологій збагачення тонкодисперсного вугілля.

Основні наукові і практичні результати, висновки і рекомендації роботи полягають у наступному.

1. Процеси селективної флокуляції гідрофобними органічними реагентами є перспективним напрямком збагачення та зневоднення тонкодисперсних вугільних шламів. Однак, протиріччя та недостатність експериментальних досліджень, відсутність чітких теоретичних положень, низька надійність та обмеженість рекомендацій стримують широке використання цих процесів в промисловості.

2. Розроблені структурні (феноменологічні) моделі процесів селективної флокуляції вугілля маслами та синтетичними латексами. Аналіз моделей показав, що вони мають як загальні, притаманні обом різновидам процесу, так і специфічні, притаманні для кожного з них, закономірності механізму флокулоутворення, обумовлені відмінностями в природі та властивостях масляних та латексних реагентів.

3. 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.

4. Адгезійні контакти флокулянту з вугільною поверхнею 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 адезії та визначають її вибірковість.

5. Міцність адгезійного закріплення масляного реагента на вугільних частинках тим вище, чим більша концентрація в реагенті і на вугільній поверхні кисневих функціональних груп, найпростіших і конденсованих ароматичних сполук з невеликою кількістю (не більше 2 або 3) бензольних ядер.

Флокулююча здатність реагентів-нафтопродуктів та їх композицій є функцією їх групового хімічного складу і властивостей. Вона зростає в міру збільшення густини, в'язкості, молекулярної маси індивідуальних сполук, а також вмісту ароматичних сполук.

Ефективність селективної флокуляції вугілля композиційними реагентами на основі продуктів коксохімії залежить від ступеня хімічної зрілості вугілля та ароматичності масляного флокулянта. По мірі зростання хімічної зрілості вугілля для його ефективної флокуляції потрібно підвищувати ступінь ароматичності композиційного флокулянта.

6. Залежності крупності вугільних флокул від тривалості селективної флокуляції носить двоступінчастий характер. Для першого ступеня характерний швидкий контакт зерен вугілля з реагентом на гідрофобних ділянках поверхні з виникненням первинних агрегатів. Після цього наступає найбільш тривалий період контактів первинних агрегатів за дифузійним механізмом. Вторинне укрупнення флокул (друга ступінь) обумовлене переходом від дифузійного до переважно інерційного більш ефективного механізму зустрічей первинних агрегатів.

Кінетична залежність вилучення вугільних фракцій у концентрат при селективній флокуляції синтетичними латексами змінює характер від екстремальної при низькій до убутної при високій зольності вихідного вугілля. Ця зміна обумовлена негативним впливом мінеральної компоненти на процес селективної флокуляції латексами.

7. 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. Адґезія 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. Максимальна міцність вуглелатексних комплексів досягається на вугіллі середнього ступеню метаморфізму.

8. Вторинна агрегація обмаслених вугільних часток в мікрофлокули відбувається по аутогезійному механізму. Найбільша ефективність аутогезійного контакту досягається при контакті вугільних зерен по граничних шарах масляного реагенту, що мають максимальну когезійну міцність за рахунок структурованості адгезиву. Раціональні межі витрат флокулянта повинні забезпечувати товщину плівки флокулянта на твердій поверхні не більш 50-200 нм, оскільки подальше збільшення товщини плівки флокулянта практично не позначається на міцності закріплення масляного флокулянта на вугільній поверхні.

9. Розроблені аналітичні вирази для визначення раціональних витрат масляного флокулянта, ступеню покриття вугільної поверхні масляним флокулянтом та діаметру масляних крапель в залежності від фізико-хімічних характеристик вугілля і флокулянтів, а також конструктивних особливостей апаратів флокуляції та режиму перемішування.

10. При флокуляції вугілля латексами формування полімерних ланцюжків між вугільними частинками можливе при потенціалі поверхні латексних глобул не менше 50 мВ. При менших значеннях цього потенціалу латекси втрачають флокуляційну здатність внаслідок швидкого зникнення агрегаційної стійкості. Латекси з великим вмістом в полімерному ланцюгу дисоціюючих груп, які створюють високий енергетичний бар'єр відштовхування глобул, мають знижену флокуляційну здатність.

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”.

Довжина латексних містків в межах 100-300 нм забезпечує максимальну міцність вуглелатексних флокулі, і, відповідно, селективність розділення. 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 часток у вторинному потенційному мінімумі за рахунок міжмолекулярних ван-дер-ваальсових дисперсійних сил. Одержаний в роботі аналітичний вираз дозволяє теоретично оцінити оптимальні межі витрат флокулянта залежно від властивостей вихідного вугілля, колоїдно-хімічних характеристик використовуваного синтетичного латексу і довжини місточкових зв'язків

11. 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.

12. На основі планованого експерименту за допомогою ПК одержано і проаналізовано сукупність математичних регресійних моделей процесів селективної флокуляції вугілля маслами і латексами, які розкривають закономірності зміни цих процесів, дозволяють визначити характер і ступінь впливу на них основних технологічних факторів, є експериментальною основою для вивчення їх механізмів і забезпечують орієнтовний технологічний прогноз результатів флокуляції в промислових умовах.

Дослідно-промислова апробація розроблених технологій селективної флокуляції вугілля гідрофобними органічними реагентами на ряді збагачувальних фабрик України свідчить про їх високу ефективність на широкій низці шламів коксівного та енергетичного вугілля і підтверджує достовірність теоретичних і експериментальних результатів роботи. Розрахунковий річний ефект від впровадження технології на ЦЗФ „Дзержинська” складає 2,35 млн. грн в цінах 2005 року.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Сергєєв П.В., Білецький В.С. Селективна флокуляція вугілля.-Донецьк: ДонДТУ, УКЦентр, 1999.- 136 с.

2. Нікітін І.М., Сергєєв П.В., Білецький В.С. Селективна флокуляція вугільних шламів латексами.- Донецьк: ДонДТУ, Східний видавничий дім, 2001.- 152 с.

3. Білецький В.С., Сергєєв П.В., Папушин Ю.Л. Теорія і практика селективної масляної агрегації вугілля. -Донецьк: Грань, 1996.- 264 с.

4. Перспективы освоения соленых углей Украины / В.С. Белецкий, С.Д. Пожидаев, А. Кхелуфи, П.В. Сергеев / - Донецк: ДонГТУ, УКЦентр, 1998.- 96 с.

5. Сергеев П.В. Гидродинамические предпосылки селективной флокуляции углей гидрофобными органическими реагентами // Збагачення корисних копалин: Наук. техн. зб.- 1999.- Вип.5(46).- С. 88 - 93.

6. Сергеев П.В. Рациональный состав флокулянтов при селективной агрегации углей маслами// Збагачення корисних копалин: Наук.техн.зб.- 1999.- вып.4(45).- С.114 - 118.

7. Сергеев П.В. Оценка механической прочности микрофлокул при селективной флокуляции углей маслами // Збагачення корисних копалин: Наук .техн. зб.- 2002.- Вип.14(55).- С. 74-78.

8. Сергеев П.В. Рациональные пределы расхода флокулянта при селективной флокуляции по пленочно-адгезионному механизму // Разработка рудных месторождений: Научн. техн. зб.- Кривой Рог, 2003, Вып. №84. - С. 94-100.

9. Сергєєв П.В. Інтенсифікація процесу зневоднення вугільних шламів фільтруванням за допомогою латексних флокулянтів // Наук. праці Донецького національного технічного університету, серія гірничо-електромеханічна, Вип.83, 2004.- С. 272-278.

10. Сергеев П.В. Рациональные пределы расхода латекса при селективной флокуляции угольных шламов // Збагачення корисних копалин: Наук. техн. зб.- 2004, - Вип. 21 (62).- С. 63-70.

11. Сергеев П.В. Рациональные пределы расхода флокулянта при селективой флокуляции угля маслами // Збагачення корисних копалин: Наук. техн. зб.- 2005, -Вип. 23 (64).- С. 107-112.

12. Сергєєв П.В. Селективна флокуляція вугілля композиційними реагентами на основі продуктів коксохімії // Углехимический журнал.-2005, № 1-2, С. 41-45.

13. Сергєєв П.В. Механізм формування латексних коагуляційних структур при селективній флокуляції вугілля // Збагачення корисних копалин: Наук. техн. зб.- 2007, Вип. 29(70) - 30(71).- С. 130-135.

14. Никитин И.Н., Сергеев П.В. Обогащение угля методом селективной флокуляции // Кокс и химия, 1990.- № 5.- С. 54-55.

15. Промышленная апробация технологии селективной флокуляции углей латексом / А.Т. Елишевич, П.В. Сергеев, В.С. Белецкий, И.Н. Никитин // Кокс и химия. - 1991, № 11. - С. 10-11.

16. Белецкий В.С., Борейко М.К., Сергеев П.В. Исследование изменений электрокинетических свойств окисленного угля в процессе его гидротранспорта // Химия твердого топлива. - 1992, № 4. - С. 108 -111.

17. Влияние электрокинетических свойств на селективную флокуляцию углей синтетическими латексами / П.В.Сергеев, М.К.Борейко, В.С.Белецкий, И.Н.Никитин // Химия твердого топлива. - 1993, № 3. - С. 31-35.

18. Сергеев П.В., Белецкий В.С., Елишевич А.Т. Принципы подбора и модификации связующих для процессов масляной агломерации угля // Химия твердого топлива. - 1993, № 4. - С. 26-29.

19. Исследование методом ИК-спектроскопии межфазной зоны уголь-латекс при селективной флокуляции угля / В.С. Белецкий, П.В. Сергеев, В.И. Рыбаченко, В.И. Залевский // Химия твердого топлива. - 1993, № 5. - С.93-96.

20. Закономерности селективной флокуляции углей / П.В. Сергеев, В.И. Залевский, А.Т. Елишевич, Л.Я. Галушко // Химия твердого топлива. - 1995, № 6. - С. 3-8.

21. Сергеев П.В., Залевский В.И. Исследование кинетических закономерностей селективной флокуляции углей латексами / Збагачення корисних копалин: Наук.-техн.зб.- 2005, -Вип. 24 (65).- С.37-42.

22. Білецький В.С., Сергєєв П.В. Стійкість гранул-носіїв у процесах адгезійного збагачення // Збагачення корисних копалин: Наук. техн. зб.- 2001.- Вип.11(52).- С. 118 - 123.

23. Білецький В.С., Сергєєв П.В. Математичне моделювання процесу адгезійного контакту “вуглемасляна речовина - золото”// Наукові праці Донецького державного технічного університету, серія гірничо-електромеханічна, Вип. 42,- Донецьк, ДонДТУ, 2002, С. 39-42.

24. Гаркушин Ю.К., Сергєєв П.В., Білецький В.С. Стан та перспективи переробки вугільних шламів // Збагачення корисних копалин: Наук. техн. зб.- 2003, Вип. 17(58).- С. 143-149.

25. Сергеев П.В., Залевский В.И. Закономерности селективной флокуляции антрацитов синтетическими латексами // Збагачення корисних копалин: Наук. техн. зб.- 2004.- Вип.19(60).-С. 66-71.

26. Білецький В.С., Сергєєв П.В., Протасов Ю.О. Дослідження збагачення вугільних шламів селективною флокуляцією в умовах гідротранспорту // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн.зб.- 2005, -Вип. 23 (64).- С.119-122.

27. А.с.1720192 СССР, М. Кл5 В 03 В 7/00. Способ обогащения угольных шламов / А.Т. Елишевич, В.С. Белецкий, П.В. Сергеев, И.Н. Никитин, В.В. Кочетов, А.П. Левандович - № 4478258/03; Заявл. 01.09.88; Опубл. 15.11.91.

28. Сергєєв П.В. Дослідження механізму селективної флокуляції вугілля синтетичними латексами // Геологія і геохімія горючих копалин.-1999.- № 4. - С. 76 - 82.

29. Теоретические основы окомкования углей и углесодержащих материалов / А.Т. Елишевич, Ю.Л. Папушин, А.И. Самойлов, В.С. Белецкий, П.В. Сергеев, О.Е. Григорюк, Г.Н. Залевская // Геологія і геохімія горючих копалин.- 1994, №1-2 (86-87).- С.107-114.

30. Дослідження кінетики знесолювання обмасленого вугілля / В.С. Білецький, П.В. Сергєєв, А. Кхелуфі, Т.Г. Шендрік // Геологія і геохімія горючих копалин.-1998, № 2 (103) - С. 85-89.

31. Физико-химические основы механизмов взаимодействия при масляной агломерации угля / А.Т. Елишевич, Ю.Л. Папушин, В.С. Белецкий, П.В. Сергеев - Материалы международной конференции MinChem92. - Київ, 6-9 жовтня, 1992. - С.333-340.

32. Селективная флокуляция углей латексами как способ интенсификации процесса флотации / П.В. Сергеев, В.И. Залевский, В.С. Белецкий, А.Т. Елишевич, Н.И. Мельник // Переработка мелкодисперсных углей и углесодержащих материалов. - Донецк: ЦБНТИ Минугля Украины. - 1993. - С.12-15.

33. Повышение экологической чистоты углепереработки с помощью техники гранулирования угля / А.Т. Елишевич, Ю.Л. Папушин, В.С. Белецкий, П.В. Сергеев, А.И. Самойлов, О.Е. Григорюк. - Тез. межгосударств. научно-технич. конф. “Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона”. - Магнитогорск, 16-21 мая 1994. - С.114-116.

34. Preparation of salty coals with oil-agglomeration technology / V. S. Biletskyi, A. Kheloufi, P. V. Sergeev // 9th International conference on coal sciense (ICCS97), 7-12 September, 1997, Essen, Germany. V. 1. P.535-538.

35. Investigation of laws of selective flocculation of coals with synthetic latexes / P. V. Sergeev, V. S. Biletskyy // ICCS97. 7-12 September, 1997, Essen, Germany. V. 1. P. 503-506.

36. Underestimination of losses into nearby environment of thin coal attached to his hydraulic transport and enriching / V.S.Biletskyy,P.V.Sergeev, A.Kheloufi // Internatoinal Symposium on Mine Environmental and Economical Issues. June 15-18,1999. National Mining University of Ukraine. Dnipropetrovsk, Ukraine, р. 573-575.

37. Рациональные конструкции и схемные решения аппаратов масляной агломерации угля / В.С. Белецкий, Ю.Л. Папушин, П.В. Сергеев, А. Кхелуфи // Сборник трудов Междунар. научно-технич. конф. “Прогрессивные технологии машиностроения и современность”. 9-12 сентября 1997. Севастополь, С. 8.

38. Сергєєв П.В., Білецький В.С. Флокуляційно-флотаційна технологія збагачення вугілля // Матеріали VII конференції “Людина і навколишнє середовище - проблеми безперервної екологічної освіти у вузах”. Одеса 12-13 вересня 2000 С. 12

39. Сергеев П.В. Математическое моделирование процесса селективной флокуляции угля маслами // Материалы межд. научн.техн. конф.” Горная энергомеханика и автоматика”.- Донецк: ДонНТУ, 2003.- С. 253-257.

Особистий внесок здобувача в роботах, які надруковані з співавторами:

[1-4, 23 ] - постановка наукових задач, розробка теоретичних підходів, участь в теоретичних дослідженнях, аналіз результатів];

[15, 16, 18-22, 23-24, 28, 31-33, 35, 36, 38, 39] - постановка задач, розробка методики досліджень, участь в теоретичних і експериментальних дослідженнях, аналіз результатів;

[21, 25-27, 29, 30] - участь в теоретичних і експериментальних дослідженнях; [17, 34, 37]- участь в проведенні та аналізі результатів промислових випробувань, розробці конструктивних рішень апаратів селективної флокуляції.

Размещено на Allbest.ru