Лекції No 16-17

Селективна аґреґація гідрофобних корисних копалин

Селективна аґреґацiя гідрофобних корисних копалин, в першу чергу вугiлля, поєднує сукупнiсть процесiв структурування тонкої (до мікрон) або полiдисперсної (0-1 мм) гідрофобної мінеральної речовини у водному середовищi за допомогою реаґентів. Застосовується як самостійний і як допоміжний процес.

На рис. 16-17.1 показана класифікація процесів селективної аґреґації. Основні їх різновиди:

аґреґація електролітами-коагулянтами;

аґреґація полімерними сполуками;

аґреґація маслами.

Рис. 16-17.1. Класифікація процесів селективної агрегації вугiлля

1. Аґреґація електролітами-коагулянтами

Процес селективної аґреґацiї електролiтами пов'язаний зi змiною стану подвiйного електричного шару (ПЕШ) вугiльних та (або) мiнеральних частинок суспензiї. Введення в суспензiю коагулянту приводить до стиску ПЕШ, зменшення ζ - потенцiалу вугiльних частинок, що забезпечує можливiсть їх зближення на вiдстань дiї ван-дер-ваальсових сил притягування. Це пояснюється руйнуванням молекулами електролiту граничного шару води на повернi вугiлля, що й спричиняє можливiсть зближення вугiльних зерен та їх коагуляцiю. Для селективної електролітичної коагуляції (СЕК) вугiльних зерен в залежностi вiд природи поверхневих кисеньвмiсних сполук i характеру їх дисоцiацiї у водному середовищi можуть бути застосованi нейтральнi, лужнi або кислотнi електролiти.

Застосовують електролiти: карбонати, тетраборат оксалату, пiрофосфат, триполiфосфат, гексаметафосфат натрiю, полiсiлiкат натрiю (рiдке скло), вапно, кальциновану соди та iн.

На вуглезбагачувальних фабриках (ВЗФ) Донбасу i Приднiпров'я при витратах реаґенту 3-11 кг/т iз шламiв зольнiстю 16-28% одержано коагульований концентрат i вiдходи зольнiстю вiдповiдно 10-19%, 53-70%. Промислова апробація процесу здійснена на рядi об'єктiв - Макiївський КХЗ, Днiпропетровському КХЗ, Селидiвській ЦЗФ, шахті „Анна" (Польща), Череповецькому МК (Росія) та iн.

Визнано доцільність використання процесу для підготовки перед флотацiєю вугiлля.

2 Аґреґація полімерними сполуками

Процеси селективної флокуляцiї полiмерами – СФП можуть здiйснюватися як водорозчинними, так i нерозчинними полiмерними флокулянтами. В обох випадках має мiсце мiсточковий механiзм структуроутворення.

2.1. Водорозчинні полімери

Серед водорозчинних розрiзняють анiоннi, катiоннi та нейоногеннi полiмернi флокулянти. Основу анiонних полiмерiв сладають полiакрилова кислота, її солi або акриламiди. Катіоннi полiмернi флокулянти мiстять позитивно заряджені групи амiну, iмiну або четвертинного амiну. Нейоногеннi полiмери складаються головним чином з полiспиртів, негiдролiзованих полiефiрiв i полiамiдiв. З них у процесах СФП найширше використовується негiдролiзований полiакрил-амiд (ПАА) та полiоксиетилен (ПОЕ). Довжина макромолекули нейоногенного флокулянту повинна бути вдвiчi бiльшою від радiусу дiї йонноелектростатичних сил, що забезпечує механiзм мiсточкового зв'язку мiж вугiльними частинками.

На рядi вуглезбагачувальних фабрик Росiї як селективнi флокулянти використовуються ПАА, ПОЕ, полiелектролiти катiонного типу ВПК-101 (полiвiнiлбензилтриметиламонiйхлорид) i ВПК-402 (диметилдіалiламонiй-хлорид), а також бiнарнi сумiшi катiонного та нейоногенного флокулянтiв. На ЦЗФ „Березовська" застосування флокулянту ПОЕ для вловлювання вугiльних частинок менше 5 мкм iз фiльтрату вакуум-фiльтра „Україна-80" дозволило при вихiднiй зольностi твердої фази A^d_в=11% одержати кондицiйний концентрат зольнiстю A^d = 8,4% та високозольнi вiдходи A^d_хв=79.0%. Аналогiчнi результати одержанi на ЦЗФ "Абашевська".

За кордоном використовують гiдролiзовані ПАА угорського виробництва (NIKE ПАА), катiонний полiмерний флокулянт „Суперфлок-310", в Україні також натрiєву сiль сульфiнованого полiстиролу (НССПС) разом з гiдроксилом Na i кальцинованою содою, а також гiпан, метас, триполiфосфат Na (розробки Днiпропетровського національного гірничого університету).

Шлами оборотних вод Днiпродзержинського та Днiпропетровського КХЗ оброблялися гiпаном (0,092 кг/т) i метасом (0,092 кг/т) при рН> 8-9. При зольностi вихiдного 21-26% одержано концентрат зольнiстю 14-20% та вiдходи зольністю 72-77% /36/. При цьому кальцинована сода (8-10 кг/т) виконувала роль пептизатора. Найвищi коефiцiєнти селективностi (77-79%) при роздiленнi вугiльного шламу одержанi при одночасному використаннi електролiтiв - коагулянтiв та полiмерiв, тобто при сполученнi двох методiв агрегацiї – СЕК та СФП.

Процес аґреґацiї iнтенсифiкується пiд дiєю ультразвуку.

В цiлому технологiя СМА тонкого вугiлля водорозчинними полімерами отримала розвиток, але її широке промислове впровадження стримується дифiцитнiстю реаґентiв i недостатньою в рядi випадкiв селективнiстю роздiлення. Принциповий недолiк процесу СФП водорозчинними полiмерами – його сильна залежнiсть вiд товщини граничних водних плiвок на поверхнi вугiльних зерен. Нестабiльнiсть параметра рН суспензiї викликає нестабiльнiсть флокул i, зрозумiло, результатiв флокуляцiї. При цьому метод СФП позитивно вiдрiзняється вiд СЕК iснуванням двох механiзмiв агрегатування – за рахунок молекулярних сил притягування i мiсточкового зв'язку.

2.2. Неводорозчинні полімери

Для селективної аґреґацiї тонкого вугiлля використовуються також низькомолекулярнi (молекулярна маса 10³–10⁵) та високомолекулярнi гiдрофобнi полiмери. Аґреґацiя вугiльних зерен гiдрофобними полiмерами здiйснюється виключно за місточковим механiзмом.

Застосування низькомолекулярних полiмерiв дозволяє при вихідному матеріалі (зливi гiдроциклонiв) зольнiстю 61%, одержувати концентрат А^d_k = 14%, хвости A^d_хв = 84%, промпродукт А^d_nn = 69%. Флокули бiльш щiльнi, нiж на ПАА. При випробуваннi флокуляцiйно-флотацiйного способу збагачення вугiлля зольнiстю 46,4 % i подачi полiмеру того ж класу, Lintol 27 в кiлькостi 0,25 кг/т одержано концентрат A^d_k = 17% та вiдходи A^d_хв = 80,9%. Флотацiя того ж вугiлля дає результат А^d_k = 20,6%, A^d_k = 68,9%.

Як високомолекулярні гiдрофобні флокулянти у вітчизняній практиці (рис. 16-17.2 та 16-17.3) використовуються синтетичнi латекси – воднi колоїднi дисперсiї високополiмерiв. Вони являють собою каучуковi частинки (ґлобули), переважно сферичної форми дiаметром 0,08-3 мкм, стабiлiзованi йоногенними ПАР, частiше анiонного типу. Молекулярна маса 10⁶-10⁸.

Дослiдження і застосування селективної аґреґації вугiлля латексами проведенi Українським вуглехiмiчним iнститутом (УВХIН, м. Харкiв) та ДонНТУ, промислова апробацiя та експлуатацiя флокуляцiйно-флотацiйної технологiї iз застосуванням латексiв БС-ЗОФ, СКС-ЗОд, БС-50 на Макiївському та Авдiївському КХЗ, ЦЗФ „Чумаківська" та „Дзержинська" ВО „Донецьквуглезбагачення" показала можливiсть збiльшення виходу концентрату флотації на 0,4-6%, збiльшення зольностi вiдходiв до 78-80%, збiльшення на ∼ 25-30% швидкостi флотацiї. При цьому витрати флокулянту можуть бути встановленi на рiвнi 50-100 г/т. Пiдвищення витрат латекса вище 250-300 г/т практично не впливає на результати збагачення.

Зарубiжним аналогом латексного флокулянту є гiдрофобiзуючi реагенти торгових марок FR-7 та FR-7А, які виготовляються у виглядi водної емульсiї. Молекулярна маса полiмеру ∼ 10⁶.

Загальним недолiком латексних флокулянтiв, на вiдмiну вiд масляних, є обмежена область застосування по зольностi вихiдного вуглевмiщаючого продукту (не вище 30%), деяке озолення концентрату i забивка сит грохотiв та вакуум-фiльтрiв при порушеннi технологiчного режиму дозування.

3. Аґреґація маслами

В основi процесiв селективної масляної аґреґацiї вугiлля лежить механiзм адгезiйної взаємодiї олеофiльної вугiльної поверхнi з маслами, внаслідок якого досягається її селективне змочування i аґреґатування в турбулентному потоцi води. Гiдрофiльнi часточки, не змочуванi маслом, до складу аґреґатiв не входять, що дозволяє видiляти їх у виглядi породної суспензiї.

В залежностi вiд режимних параметрiв, технологiчної схеми, одержуваного результату, зокрема виду продукту аґреґацiї, доцiльно видiлити:

1. масляну грануляцiю (МГ),

2. аґломерацiю (МА),

3. флокуляцiю (МФ).

При ґрануляцiї та аґломерацiї в процес втягуються зерна вугiлля до 3-5 мм, а при флокуляцiї - не бiльше 0,1-0,2 мм. Ґранулят являє собою моно- або полiдисперсний сипучий продукт, складений з кулястих i овальних ґранул крупнiстю вiд 0,5-0,7 мм до 7-10 мм. Аґломерат - це частково згранульоване полiдисперсне вугiлля, представлене вуглемасляними комплексами крупнiстю вiд 0,2-0,3 мм до (1,1-1,3) d max (d_max - максимальний дiаметр вугiльного зерна). Флокули - пухкi або ущiльненi вуглезв'язуючi комплекси крупнiстю не бiльше 0,2-0,3 мм.

Питомi витрати масла-зв'язуючого, взятi на 1000 см²/г зовнiшної поверхнi вугiлля (S_пит.), при ґрануляцiї складають 8…12 мас.% вiд сухої маси вугiлля, при агломерацiї - 2…3 мас.%,

Рис.16-17.2. Схема флокуляційно-ґравітаційного збагачення вугільних шламів на ЦЗФ "Чумаківська":
1 - конвеєр вихідного вугілля; 2 - гідрогрохот; 3 - конусний грохот; 4 - лійка для згущення; 5 - насос; 6 - гідроциклон;
7 - відсаджувальна машина; 8 - сховище флокулянту; 9 - буферний бак флокулянту; 10 - фільтр; 11- дозатор.

Рис. 16-17.3. Схема селективної флокуляції шламів ЦЗФ "Дзержинська":
1,2 – баки для транспортування та зберігання латекса; 3 - буферний бак; 4 - дозатор латекса; 5 - пірамідальний відстійник;
6 - радіальний згущувач; 7 - витратомірний бак; 8 - апарат АКП; 9 - флотомашина.

флокуляцiї - 0,2…0,5 мас.%. Абсолютнi значення витрат масла сильно залежать вiд параметра S_пит. та в'язкостi зв'язуючого i коливаються в таких межах: для ґрануляту - 8…10 - 40ч50 мас.%; агломерату - 2…7 мас.%; флокуляту - 0,5…2 мас.%.

Як масла застосовують: нафту і нафтопродукти, кам'яновугільні смоли, вторинні масла.

Процес реалізують у ґрануляторах-мішалках різних конструкцій, основною вимогою до яких є турбулізація гідросуміші "вугілля-вода-масло".

Ґрунтовні лабораторнi дослiдження, стендовi та промисловi випробування, експлуатацiя на вуглезбагачувальних фабриках пiдтверджують такi основнi технiчнi можливостi процесiв аґреґації вугiлля маслом:

1. Збагачення тонкодисперсного вугiлля (≤ 0,1 … 0,2 мм) зольнiстю до 60-70% при концентрацiї суспензiї вiд 400-500 до 50-70 г/л з одержанням концентрату стабiльної зольностi в межах 5-20% i вiдходiв зольнiстю 75-85% та бiльше.

2. Знесiрчування вугiлля за рахунок видалення пiритної сiрки на 70-80%.

3. Зневоднення вугiлля до вологостi 7-15%.

4. Облагороджування вугiльної маси, яке полягає в „консервацiї" вугiлля в аґреґатах, що рiзко зменшує окиснення, розмокання, набухання вугiлля пiдвишує його стiйкiсть до механiчних впливiв, практично лiквiдує пилоутворення.

Крім того, перспективним є застосування процесу масляної аґреґації при:

1. гідравлічному транспортуванні вугілля (вирішення проблем зневоднення, збереження коксівності вугілля, радикального зменшення втрат тонких фракцій);

2. приготуванні водовугільномасляних та вугільномасляних паливних суспензій;

3. підготовці вугілля до зрідження (гідрогенізація);

4. адгезійному збагаченні корисних копалин (зокрема золота).

Сьогоднi СМА знайшла промислове застосування при переробцi вiдходiв дрiбних класiв бiтумiнозного вугiлля на двох пiдприємствах пiвнiчного сходу США. Тривалий час працювали установки у ФРН (процес "Оліфлок") та Росії (Губахінський КХЗ). Поглиблене дослідження процесу продовжується в Канаді, Австралії, Японії, Індії та ін. країнах.

вгору