Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ УГОЛЬНЫХ ДИСПЕРСИЙ

Муллина Э.Р. 1 Мишурина О.А. 1 Чупрова Л.В. 1 Ершова О.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
В данной работе проведен анализ современных исследований в области флотации углей, свидетельствующий о перспективности использования неорганических соединений в качестве реагентов-модификаторов. Указано, что введение во флотационную пульпу модифицирующих добавок неорганического происхождения позволяет повысить качественно-количественные показатели флотации углей. Рассмотрены существующие положения о механизме действия неорганических реагентов-модификаторов, показывающие, что введение данных соединений во флотационную пульпу приводит к сжатию двойного электрического слоя на поверхности угольных частиц и, как следствие, снижению их гидратированности. Установлено, что использование неорганических серосодержащих солей в качестве модифицирующих добавок при флотации кузнецких и донецких газовых углей позволяет повысить выход концентрата и снизить его зольность. Представленный анализ влияния данных соединений на электрокинетический потенциал свидетельствует о существенном влиянии природы катионов на снижение ? – потенциала угольных дисперсий.
флотация
реагенты-модификаторы
гидратированность
неорганические электролиты
угольные дисперсии
двойной электрический слой
электрокинетический потенциал
1. Аглямова Э.Р. Повышение селективности флотации газовых углей с применением органических и неорганических соединений // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Магнитогорск, 2002.
2. Аглямова Э.Р., Савинчук Л.Г. Способ флотации угля // патент на изобретение RUS 2165799. 23.11.1999.
3. Байченко А.А., Байченко А.А., Мельтинисов М.А. Исследование электроповерхностных свойств угольных частиц // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1985. – № 2. – С. 90–94.
4. Байченко А.А., Иванов Г.В., Бочарова Е.М. Влияние электролитов на флотацию углей // Вестник Кузбасского гос.тех.университета. – 1999. – № 4. – С. 66–70.
5. Байченко А.А., Клейн М.О. О механизме образования гетерогенных пленок между частицей и пузырьком при флотации // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2000. – № 4. – С. 114–123.
6. Галинкер И.С., Медведев П.И. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высш.шк. – 1972. – 304 с.
7. Дегтяренко Т.Д., Макаров А.С., Гамера А.В., Борук С.Д. Влияние природы химических реагентов на электрокинетический потенциал поверхности частиц дисперсной фазы и свойства водоугольных суспензий // Химия твердого топлива . – 1999. – № 3. – С. 50–56.
8. Муллина Э.Р., Мишурина О.А., Чупрова Л.В. Изучение влияния неорганических солей на извлечение серосодержащих примесей при флотации углей низкой стадии метаморфизма // Технические науки – от теории к практике. – 2013. – № 22. – С. 64–69.
9. Муллина Э.Р., Мишурина О.А., Чупрова Л.В. К вопросу повышения селективности флотационного обогащения углей с применением неорганических реагентов-модификаторов // Современные наукоемкие технологии. – 2015. ? № 8. – С. 41–44.
10. Муллина Э.Р., Чупрова Л.В., Мишурина О.А. Исследование влияния химических соединений различного состава на процесс флотации газовых углей // Сборник научных трудов Sworld. – 2013. – Т. 12, № 3. – С. 4–8.
11. Тюрникова В.И., Наумов М.Е. Повышение эффективности флотации. – М.: Недра, 1980. – 224 с.
12. Тюрникова В.И., Никитина В.С., Коворова В.В. Влияние ионного состава пульпы на процесс флотации // Проблемы обогащения твердых горючих ископаемых. – М.: Недра, 1977. – Т. 6. Вып. 1. – С. 47–52.
13. Хан Г.А., Габриелова Л.И., Власова Н.С. Флотационные реагенты и их применение. – М.: Недра, 1986. – 271с.
14. Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Мишурина О.А. Влияние органических и неорганических соединений на флотацию углей низкой стадии метаморфизма // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4. – С. 24. URL: http://www.science-education.ru/110-9663 (дата обращения: 15.12.2015).
15. Щеголева Е.Н., Власова Н.С., Чепасова Т.П. Влияние неорганических реагентов-регуляторов на флотацию шлама ЦОФ «Карагандинская» // Проблемы обогащения твердых горючих ископаемых. – М.: Недра, 1977. – Т. 6. Вып. 1. – С. 42–47.
16. Эйгелес М.А. Реагенты-регуляторы во флотационном процессе. – М.: Недра, 1977. – 216 с.

В настоящее время исследования флотационного процесса направлены на создание технологий обогащения углей, обеспечивающих максимальное извлечение горючей массы в концентрат при одновременном уменьшении его зольности. Одним из наиболее рациональных и экономичных способов решения этой задачи является разработка реагентных режимов флотации углей с использованием реагентов-модификаторов, позволяющих увеличить различие в гидратированности поверхности угля и минерализованных компонентов угольного вещества.

Анализ современных исследований в области флотации углей показал, что перспективным направлением повышения селективности флотационного процесса является применение реагентов-модификаторов, как органического, так и неорганического происхождения [1, 2, 10].

Так, введение в качестве модифицирующих добавок неорганических соединений в сравнительно малых концентрациях во флотационную пульпу до подачи в нее основных флотационных реагентов (собирателя и пенообразователя), обеспечивающее изменение гидратированности поверхности и агрегативного состояния суспензии, изменяет флотационные свойства угольных и минеральных частиц в желаемом направлении, что позволяет значительно повысить селективность процесса [11].

В частности, отмечено, что наличие в жидкой фазе водо-угольных суспензий хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов калия, натрия, хлоридов и сульфатов кальция и магния положительно влияет на флотируемость углей, позволяет повысить выход концентрата и его качество концентрата, что особенно проявляется в случае труднообогатимых углей [13].

Так, флотация угля ГОФ «Саранская» в присутствии солей Na2SO4, NaCl, CaSO4 и CaCl2 показала, что наличие в воде ионов SO увеличивает по сравнению с нулевым опытом выход концентрата на 2,5 % и уменьшает его зольность на 1,5 %, ионы хлора также улучшают технологические показатели флотационного процесса: выход концентрата увеличивается в среднем на 1 %, зольность его снижается на 1 %. Катионы Na+ и Ка+ также улучшают технологические показатели. Отрицательное влияние на процесс флотации оказывает присутствие в воде катионов Са2+, если их концентрация превышает 100 мг/л, что обусловлено увеличением жесткости воды, вызывающей снижение деспергированности реагентов, и депрессированием поверхности угля [12].

Исследования флотации угольного шлама ЦОФ «Карагандинская» показали, что добавление CaCl2, AlCl3 и Al2(SO4)3 (10–25 г/т) в обычном реагентном режиме (сульфированный керосин, КОБС) приводит к снижению зольности концентрата на 0,3–0,8 % и повышению зольности отходов на 1 %. Следовательно, данные соединения оказывают, прежде всего влияние на частицы пустой породы. При подаче указанных солей в пульпу происходит обменная адсорбция находящихся в растворе катионов с катионами, присутствующими на поверхности глинистых частиц, что изменяет ее электрические свойства, способствует коагуляции глинистых частиц и обусловливает частичную их депрессию [15].

В ряде работ были выдвинуты положения о механизме собирательного действия солей на гидрофобные минералы. Положения эти сводятся к совокупному действию ряда факторов: к пенообразованию в растворах солей, изменению полного электрохимического потенциала поверхности твердой фазы и к изменению строения водных пленок вокруг частиц в результате конкурентного действия ионов солей [11, 13, 14, 16].

Комплексные исследования электроповерхностных свойств угольных и породных частиц в водных растворах электролитов, по данным электрофоретических измерений, показывают, что действие неорганических электролитов обусловлено уменьшением устойчивости дисперсных систем вследствие сжатия двойного слоя и снижения заряда частиц. Причем из исследованных солей – KCl, CaCl2, AlCl3 – самое значительное уменьшение ξ-потенциала достигается при использовании хлорида алюминия [3], что объясняется накоплением в слое Штерна сверхэквивалентного количества высокозарядных противоионов Al3+ вследствие их высокой адсорбируемости [4, 7].

Изучение влияния электролитов на величину силы отрыва угольной частицы от пузырька воздуха свидетельствует о наличии симбатной зависимости между изменением величины электрокинетического потенциала и гидратированностью минеральной поверхности, проявляющейся в увеличении прочности комплекса «частица – пузырек» с изменением величины ζ-потенциала. Причем чем в большей мере уменьшается отрицательный заряд поверхности, тем в большей степени происходит увеличение прочности [4].

При флотации углей сочетанием аполярных реагентов и неорганических солей скорость и эффективность флотации значительно увеличиваются по сравнению с флотацией одним аполярным реагентом. Эти расходы солей (концентрация 0,1–0,2 %) соответствуют концентрациям, обеспечивающим ощутимое изменение характеристик двойного электрического слоя. Эти изменения в структуре и энергетическом состоянии гидратных слоев на поверхности природно-гидрофобных минералов обеспечивают в присутствии аполярных реагентов эффективную флотацию [4].

Таким образом, анализ данных флотационных исследований с применением неорганических солей показывает перспективность использования растворов электролитов в качестве реагентов-регуляторов во флотационном процессе. В связи с этим, представляется целесообразным изучение влияния неорганических серосодержащих солей на физико-химические и флотационные свойства газовых углей.

Исследование флотации кузнецких и донецких газовых углей с применением в качестве реагентов-модификаторов сульфатов алюминия, магния и железа в сочетании с реагентом ВКП свидетельствует об увеличении выхода концентрата (на 1,5–2,5 %) и снижении его зольности (на 0,3–0,7 %) по сравнению с индивидуальным применением реагента ВКП [8, 9].

Анализ исследований по установлению механизма действия неорганических электролитов на процесс флотации углей показал, что применение данных соединений приводит к сжатию двойного электрического слоя. В связи с этим представляется целесообразным изучение влияния сульфатов алюминия, магния и железа на электрокинетический потенциал угольных дисперсий, поскольку он характеризует электрическое состояние поверхности и является одной из экспериментально определяемых характеристик двойного электрического слоя, в пределах которого осуществляется взаимодействие реагентов с поверхностью угля.

Установлено, что адсорбция исследуемых сульфатов на поверхности газовых углей приводит к снижению электрокинетического потенциала (рис. 1, 2).

mul1.wmf

Рис. 1. Влияние неорганических серосодержащих солей на изменение электрокинетического потенциала угольных дисперсий кузнецких газовых углей: 1 – сульфат магния; 2 – сульфат алюминия; 3 – сульфат железа

mul2.wmf

Рис. 2. Влияние концентрации неорганических серосодержащих солей на изменение электрокинетического потенциала угольных дисперсий донецких газовых углей: 1 – сульфат магния; 2 – сульфат алюминия; 3 – сульфат железа

Измерения показывают, что в нейтральной среде кузнецкие угли имеют значения ζ-потенциала – 19,35 мВ, донецкие – 16,47 мВ, обусловленные гидратацией в водной среде поверхности газовых углей. Направление движения дисперсной фазы при этом от катода к аноду свидетельствует о том, что поверхность угольных частиц заряжена отрицательно. С ростом концентрации сульфатов происходит уменьшение величины ζ-потенциала углей и снижение отрицательного заряда угольной поверхности. Этот факт свидетельствует о преимущественной адсорбции катионов металлов солей на поверхности газовых углей.

Анализ зависимости ζ-потенциала кузнецких и донецких газовых углей от концентрации введенных в дисперсию электролитов показал, что двухвалентный катион Mg2+ приводит к снижению электрокинетического потенциала (Dζmax) на 16,6 и 13,2 мВ, а трехвалентный катион AL3+ – на 17,2 и 13,9 мВ. Адсорбция Fe2(SO4)3 приводит к наиболее резкому уменьшению ζ-потенциала – на 18,3 и 14,8 мВ для кузнецких и донецких углей соответственно. При этом область концентраций, в которой наблюдается максимальное уменьшение ζ-потенциала, для всех исследуемых сульфатов находится в интервале от 0 до 0,1 %.

Сравнительный анализ влияния сульфатов алюминия, железа и магния на электрокинетический потенциал кузнецких и донецких газовых углей позволяет расположить исследуемые соли по увеличению D ζmax в следующий ряд: MgSO4 < Al2(SO4)3 < Fe2(SO4)3.

Наблюдаемое снижение электрокинетического потенциала при использовании сульфатов алюминия, железа и магния вызвано сжатием двойного электрического слоя на поверхности угольных частиц. Причем на изменение электрокинетических характеристик угольной поверхности существенное влияние оказывает природа катионов солей, в первую очередь, их полярность и гидратация.

Большая поляризуемость иона способствует возникновению дополнительных адсорбционных сил между катионами солей и угольной поверхностью, а уменьшение гидратации, в свою очередь, приводит к возрастанию сил электростатического взаимодействия катионов с поверхностью [6]. Совокупность этих двух факторов, увеличивающихся в ряду Mg < Al < Fe (см. разд. 4.2.), обусловливает переход части катионов из диффузного слоя (слой Гуи) в слой Гельмгольца [3, 4, 5].

Следует отметить также, что на изменение электрокинетического потенциала значительное влияние оказывают и свойства поверхности газовых углей. Так, наибольшее снижение ζ-потенциала при использовании указанных сульфатов наблюдается на кузнецких углях, что обусловлено, по-видимому, тем, что поверхность этих углей характеризуется большей энергетической ненасыщенностью вследствие более высокого содержания «активного» кислорода.

Таким образом, результаты исследования влияния сульфатов алюминия, железа и магния на электрокинетические характеристики угольных дисперсий позволяет сделать вывод о том, что снижение ζ-потенциала, свидетельствующее о сжатии двойного электрического слоя, обусловлено адсорбцией катионов исследуемых солей на угольной поверхности. Поскольку в нейтральной среде кузнецкие и донецкие угли имеют отрицательные значения ζ-потенциала. Введение в систему исследуемых сульфатов приводит к снижению отрицательных значений ζ-потенциала, что свидетельствует о сжатии двойного электрического слоя за счет перехода части катионов из диффузного слоя в адсорбционный, что приводит, в свою очередь, к уменьшению гидратированности угольной поверхности.

Таким образом, катионы исследуемых солей, адсорбируясь на угольных частицах, снижают их гидратированность электрохимическим путем, вследствие чего наблюдается повышение качественно-количественных показателей флотации, что свидетельствует о целесообразности их использования в качестве реагентов-модификаторов при флотации газовых углей.


Библиографическая ссылка

Муллина Э.Р., Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Ершова О.В. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ УГОЛЬНЫХ ДИСПЕРСИЙ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 12. – С. 51-55;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35721 (дата обращения: 22.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074