Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Повсеместное снижение минеральных ресурсов в земной коре [1] и их рациональное использование ведет к необходимости разработки и вовлечения в переработку новых месторождений, введение новых операций и совершенствование методов обогащения минерального сырья, что также отражается в разработке новых подходов в области управления минеральными ресурсами со стороны государства [2]. Уголь, как твердое горючее полезное ископаемое, имеет важное значение в мировой промышленности. Его доля в производстве первичных энергоресурсов в мире и внутреннего потребления энергоресурсов в мире в 2022 году составили 31,51% и 26,73% [3]. Ряд стран стремится сократить его производство и потребление, ввиду возможного изменения глобальной температуры от выбросов углерода при потреблении энергоресурсов [4, 5] и загрязнении почв в районах добычи угольной продукции [6], однако мировой спрос на данную продукцию растет за счет развивающихся стран. Также, добыча и переработка угольной продукции трудоемким и опасным процессом. В настоящее время ведутся исследования по совершенствованию технологических решений выработки угольных пластов [7, 8], что влияет на дальнейшую переработку данного вида сырья, что предопределяет необходимость развития новых технологических решений.

К современным способам повышения технологических параметров процессов обогащения относятся:

• применение физико-энергетического воздействия, в том числе:

a) применение температурных воздействий [9, 10, 11];

b) применение наносекундных импульсов [12, 13].

• химическое направленное воздействие, посредством регулирования процесса за счет добавления селективно действующих реагентов:

a) собирателей как реагентов, увеличивающих гидрофобные свойства минералов и уменьшающих смачиваемость минералов водой [14-16];

b) депрессоров, увеличивающих гидрофильные свойства и смачиваемость материала [17-19]. Существует широкий спектр применяемых реагентов для депрессии минералов пустой породы: органические депрессоры, жидкое стекло, пирофосфат натрия.

• применение комбинированных процессов:

a) объединение флотационного процесса обогащения и гравитационного [20-22];

b) применение флотационного процесса с выделением дополнительного магнитного продукта или очистка, при необходимости, концентратов от примесей, содержащих магнитный материал;

c) объединение методов обогащения с химическими методами переработки [23].

Ввиду того, что большинство процессов переработки угольной продукции являются мокрыми, оценка смачиваемости и изменение свободной поверхностной энергии (СПЭ) при применении реагентов имеет большое значение для прогнозирования процесса и оценки результата их воздействия на поверхность. Свободная поверхностная энергия вычисляется исходя из измерений краевого угла смачивания и позволяет количественно оценить воздействие реагента на минеральную поверхность. На получаемые значения краевого угла могут оказывать влияние разные характеристики материала: размер и форма частиц, а также их морфология [24-26]. В работах [27, 28] выявлено влияние направления кристалла и порядка плотности разорванных связей на краевой угол и гидрофильные свойства кальцита.

Если при разрушении кристалла рвутся сильные полярные связи (ионная, ковалентная, металлическая и другие формы атомных связей), то энергия взаимодействия поверхности с полярными молекулами воды будет велика (и значение – мало) и они будут притягиваться к поверхности твердого тела, хорошо смачивать ее и поверхность станет гидрофильной. Если же при разрушении кристалла разрываются слабые связи (молекулярные, водородные), то образующаяся неполярная поверхность будет слабее притягивать дипольные молекулы воды и сильнее взаимодействовать с воздухом, т.е. поверхность станет гидрофобной. Сила взаимодействия поверхностей минералов с молекулами или ионами окружающей среды будет зависеть не только от характера, но и от числа разрушаемых при измельчении минералов связей, а также от положения атомов или ионов на поверхности минерала.

Модификация поверхностных свойств минералов с помощью применения различных реагентов позволяет улучшать селективность разделения полезного компонента от минералов пустой породы. На селективность разделения имеет сильное влияние разрушение минералов [29], так как лучшее раскрытие сростков приводит к получению более чистых продуктов обогащения с увеличением показателей обогащения. Добиться селективного разделения минералов при флотации поможет помочь применение контроля электрохимических процессов [30], которые помогают оптимизировать подачу реагентов во флотационный процесс. Анализ поведения реагентов дает возможность улучшать технологические параметры обогащения [31], уменьшая извлечение минералов пустой породы и зольность в концентрате.

Таким образом, целью исследования является обоснование возможности направленного регулирования поверхностных свойств угля и минералов пустой породы для эффективной флотации углей.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования был выбран уголь марки Д, Кузнецкого угольного бассейна. Для проведения дифрактометрического анализа проба была предварительно истерта до класса крупности -20 мкм, после чего проводился анализ пробы массой 700 мг, спрессованной в виде таблетки, на дифрактометре фирмы «Shimadzu». Оценка зольности и влажности производилась с помощью муфельной печи фирмы «Тула-Терм» по ГОСТ Р 55661-2013. По результатам дифрактометрического анализа основными породообразующими минералами, составляющими зольную часть, являются кварц и кальцит. Зольность и влажность данного угля составляет 25,2 % и 12,5 %, соответственно.

Для оценки смачиваемости материала и анализа воздействия реагентов на поверхность было использовано измерение свободной поверхностной энергии с помощью метода ОВРК (Оунса, Вендта, Рабеля и Кьельбле) с применением замера краевого угла смачивания двух жидкостей, дийодометана и дистиллированной воды, с определением полярной и дисперсионной составляющих энергии поверхности [32, 33]. Численные значения дисперсионной и полярной составляющих получают в результате построения графика или при решении системы двух уравнений [34, 35]. Исследования проводились с применением реагентов-депрессоров: пирофосфата натрия, карбоксиметил целлюлозы (КМЦ), жидкого стекла, органического депрессора группы полисахаридов и карбоксиметил крахмала (КМК). Образец материала помещали в приготовленный из 1%-го раствора реагента с расходом 100 г/т. Образец вымачивали в течение 5 минут, после чего убирали излишек влаги с помощью фильтровальной бумаги и проводили измерения. Опыты флотационного обогащения угля проводили на флотомашине Laarmann Flotation Bench Test Machine.

Результаты исследования и их обсуждение

Уголь является естественно гидрофобным материалом, ввиду этого, необходимо изучить депрессоры для эффективного подавления минералов пустой породы в процессе флотации. Необходимо понимать влияние данных реагентов на свободную поверхностную энергию породообразующих минералов для подбора наиболее селективно действующего депрессора, предварительно оценив изменение свободной поверхностной энергии на угле при применении реагентов. Для обоснования возможности направленного регулирования поверхностными свойствами были проведены замеры краевого угла смачивания угля и минералов пустой породы с последующим вычислением свободной поверхностной энергии (рис.1, 2).

Анализ полученных данных, представленных на рисунке 1, свидетельствует о наименьшем влиянии на поверхность угля таких депрессоров, как пирофосфат натрия, КМЦ и жидкое стекло. Органический депрессор группы полисахаридов и КМК значительно увеличили свободную поверхностную энергию на 6,1 мН/м и 13,07 мН/м, как следствие, и смачиваемость. Механизм влияния реагентов-депрессоров на поверхностные свойства минералов изучен недостаточно полно.

Рис. 1. Результаты исследования применения реагентов-депрессоров на поверхностные свойства угля

Рис. 2. Результаты исследования применения реагентов-депрессоров на поверхностные свойства минералов пустой породы

Результаты исследования применения реагентов-депрессоров при флотации (Ad – зольность угля, %)

В настоящее время ведутся исследования по обоснованию поведения данных реагентов на поверхности минералов. Известно, что жидкое стекло может иметь одновременно три механизма действия: вытеснение ионов собирателя, закрепление силикатных ионов и налипание гидрофильных коллоидных частиц на поверхности. В качестве депрессоров при селективной флотации используется широкий спектр органических макромолекул (полимерных соединений), имеющих самую разную структуру и функциональность. Механизмы действия различаются для разных классов минералов и в зависимости от молекулярной структуры полимера. В результате воздействия, если данный реагент может влиять на поверхность, повышается смачиваемость минералов с повышением свободной поверхностной энергии за счет повышения обеих составляющих. Стоит отметить, что для угля получено увеличение свободной поверхностной энергии при одновременном увеличении полярной составляющей, т.е. увеличение количества нескомпенсированных связей, что позволяет установить повышение гидрофильных свойств минерала. Однако некоторые депрессоры влияют незначительно, что позволило выбрать депрессоры для исследований поверхностных свойств минералов пустой породы: пирофосфат натрия, КМЦ и жидкое стекло.

Анализ полученных результатов, представленных на рисунке 2, показал, что наиболее селективным депрессором по отношению к кварцу и кальциту является пирофосфат натрия, который увеличит свободную поверхностную энергию на 26,53 мН/м и 13,19 мН/м, соответственно. Жидкое стекло и КМЦ оказали сильное воздействие на поверхностные свойства кварца, имеющим самое высокое содержание из присутствующих минералов в данном сырье по результатам дифрактометрического анализа. Стоит отметить, что жидкое стекло является эффективным депрессором минералов пустой работы, что согласуется с результатами, представленными в работе [36, 11]. Силикат натрия (жидкое стекло) является наиболее распространенным депрессором во флотационных схемах, однако к нему добавляются другие депрессоры для улучшения эффекта и селективности действия. Ввиду этого, исследования флотационного обогащения проводились с применением комбинации депрессоров из жидкого стекла и пирофосфата натрия (таблица).

Интерпретация результатов, представленных в таблице, свидетельствует об улучшение качества получаемого угольного концентрата за счет снижения зольности и уменьшения извлечения минералов пустой породы в концентрат. Стоит отметить, что применение пирофосфата натрия помогает также снизить содержание и извлечение серы в получаемом концентрате.

Заключение

Для улучшения технологических показателей обогащения и качества получаемой продукции прибегают к различным подходам: применение физико-энергетических воздействий, применение комбинированных процессов и использование химических реагентов для направленного регулирования поверхностными свойствами. Существует широкий спектр депрессоров для подавления различных минералов. Однако существует незначительное количество способов оценки влияния поверхностных свойств, позволяющих понять действие различных реагентов к конкретному минералу. Для исследования поверхностных свойств были выбраны депрессоры пустой породы: пирофосфат натрия, КМК, КМЦ, органический депрессор группы полисахаридов и жидкое стекло.

Результаты проведенных исследований позволили обосновать выбор депрессоров для эффективного подавления минералов пустой породы при флотации угля. Отмечается возможность селективного воздействия депрессоров пирофосфата натрия и жидкого стекла с увеличением свободной поверхностной энергии на 26,53 мН/м и 17,35 мН/м для кварца и на 13,19 мН/м и 0,92 мН/м для кальцита. Анализ результатов флотационного исследования комбинации данных депрессоров показал возможность эффективного их применения при переработке угля для получения концентратов высокого качества.