Основной задачей угольной промышленности является получение технологического сырья в необходимых объемах и требуемого качества. Наиболее сложной и важной является задача, связанная с качеством добываемых углей, которое на протяжении многих лет изменялось в нежелательном направлении: увеличивалась зольность и влажность, уменьшалась теплота сгорания, на высоком уровне сохранялось содержание серы в углях. Данное обстоятельство обусловлено разработкой маломощных и глубоко залегающих пластов, что, наряду с широким применением способов механизированной добычи, привело к значительному повышению содержания в рядовом угле высокозольных мелких классов флотационной крупности.
В связи с этим, исследование флотационного процесса направлено на создание технологий обогащения углей, обеспечивающих максимальной извлечение горючей массы в концентрат при одновременном удалении минеральных включений с отходами флотации. Одним из наиболее рациональных и экономичных способов решения этой задачи является разработка реагентных режимов флотации углей, основанных на изучении влияния различных соединений на физико-химические и флотационные свойства углей.
В настоящее время на углеобогатительных фабриках страны в качестве реагентов — собирателей применяются, в основном, дешевые технические продукты или отходы нефтехимической промышленности, которые обладают низкой флотационной активностью и требуют значительного расхода для достижения удовлетворительных показателей обогащения. Совершенствование реагентных режимов флотации возможно, в частности, на основе использования высокоактивных собирателей, а также дополнительных реагентов — модификаторов угольной поверхности. Для этого необходимо, в первую очередь, установить механизм действия реагентов на процесс флотации углей.
Механизм действия аполярных реагентов выяснен еще недостаточно, а подбор их на практике ведется сугубо эмпирически. Флотационная активность этих реагентов может быть выявлена постановкой флотационных опытов с различными классами угля и расходами данного реагента.
Изучение влияния фракций газойля и нефти на гидрофобизацию поверхности угольных и породных частиц с последующим их извлечением методом флотации показал, что при одинаковой концентрации фракций с увеличением их температуры кипения до определенного момента увеличиваются и их собирательные свойства. Использование узких фракций аполярного реагента газойля, выкипающих в интервале 180–2600С, позволяет повысить селективность процесса флотации Кузнецких углей. При этом выход концентрата угля повышается в среднем на 0,9–2,5 % при снижении его зольности и увеличении зольности отходов [1].
Аполярные реагенты повышают эффективность флотации крупных и зернистых угольных шламов крупностью -0,5 мм за счет увеличения скорости прилипания и прочности закрепления частиц к пузырьку воздуха. При флотации тонких шламов действие аполярных реагентов заключается, в основном, в образовании в пульпе агрегатов за счет гидрофобной флокуляции. С уменьшением крупности флотируемых частиц нет необходимости увеличения прочности контакта, наоборот, должны применяться реагенты, которые способны к селективной адсорбции, обладают гетерополярным строением и обеспечивают за счет своего гидрофобного радикала уменьшение гидратированности поверхности.
В связи с этим перспективным направлением повышения эффективности флотации является совместное использование аполярных реагентов и полимерных флокулянтов при флотации тонких угольных шламов. При предварительной обработке флокулянтом происходит увеличение размера флокул, взаимодействующих с собирателем. В результате выход угольных частиц в концентрат увеличивается и увеличивается извлечение горючей массы в концентрат. Таким образом, полимерные флокулянты способствуют более полному извлечению угольных частиц. Однако, увеличение концентрации флокулянта приводит к ухудшению показателей флотации за счет образования флокул избыточного размера и гидрофилизации поверхности [2].
Также для флотации угля в качестве реагентов часто используют смеси спиртов С6 — С10 и углеводородов, в которых спирты обладают свойствами вспенивателя и собирателя. Для активации таких смесей применяют окиси олефинов.
Так, например, использование для флотации тонких угольных шламов в качестве вспенивателя продуктов модификации реагента ОПСБ, являющегося смесью бутиловых эфиров пропиленгликолей, а в качестве собирателя — газойля, позволяет добиться увеличения выхода концентрата и зольности отходов при уменьшении зольности концентрата. Содержащиеся в данном вспенивателе эфиры способны в воде и углеводородах образовывать циклические структуры с подвижным гидроксилом, которые могут участвовать как в донорном, так и акцепторном взаимодействии с активными центрами твердых частиц и воздушного пузырька [3].
Изучение действия реагента на основе ЛГКК (легкого газойля каталитического крекинга) и КОРС (кубового остатка ректификации стирола) на флотацию высокозольных углей свидетельствует о его эффективности по сравнению с традиционным дизельным топливом — выход концентрата в среднем выше на 10–13 %. Ввиду высокого содержания аллилзамещенных ароматических структур, а также наличия в составе КОРСа конденсированных ароматических соединений, обладающих повышенной энергией адсорбции на угольной поверхности за счет р — электронов кратных углерод — углеродных связей, происходит улучшение гидрофобизации угольных зерен [4].
При исследовании флотационной активности чистых химических соединений в сочетании со вспенивателем КОБС (кубовые остатки от производства бутиловых спиртов) установлено, что лучшие результаты у ароматических соединений с количеством атомов углерода С8 — С9 (этилбензол и изопропилбензол). Однако, селективность процесса при этом понижается. Так, зольность концентрата для этилбензола составила 8,12 %, в то время как при равном выходе в случае использования непредельных углеводородов (α-олефины С12) зольность концентрата составила 7 %, а в случае использования предельных (С11) 7,2 %. Из алифатических соединений лучшие флотационные свойства проявляют непредельные углеводороды. Применение олефинов длиной углеводородного радикала С11 — С12 позволило повысить выход концентрата на 2–2,5 % по сравнению с алканами. Таким образом, флотационная активность различных классов углеводородов увеличивается в ряду алканы < арены < алкены [5].
Высокая флотационная активность непредельных углеводородов объясняется их строением и характером внутримолекулярных связей. У олефинов и ароматических соединений кроме σ-связей, присущих предельным углеводородам присутствуют π-связи, которые локализуют электронную плотность на отдельных звеньях молекулы. Повышенная электронная плотность способствует более высокой энергии взаимодействия непредельных углеводородов с различными функциональными группами на поверхности угля.
Подтверждением этого является то, что при использовании нового технического продукта «углефлот», содержащего в своем составе 98 % непредельных углеводородов, происходит увеличение извлечения горючей массы в концентрат на 3,8–4,7 % по сравнению с традиционно используемым термогазойлем [5].
В настоящее время в процесс флотации все чаще вовлекаются реагенты модифицирующего действия. Наличием химических модификаторов в смеси реагентов можно интенсифицировать процесс флотации, причем не только за счет повышения извлечения горючей массы в концентрат, но и благодаря сокращению времени флотации.
Так, применение в качестве реагентов — модификаторов сложных эфиров линейного строения позволяет существенно повысить селективность флотации, особенно при наличии изомерии в структуре вещества. Изомерия в структуре сложных эфиров способствует увеличению специфической компоненты межмолекулярного взаимодействия их молекул с угольными частицами вследствие смещения электронной плотности +I-типа от метильных групп к углеродным атомам главной цепи. Данное обстоятельство создаёт возможность специфического закрепления энергетически активного водорода на отрицательных сорбционных центрах угольной поверхности. В то же время наличие радикалов в углеводородной цепи молекул приводит к уменьшению неспецифической компоненты взаимодействия при их адсорбции на поверхности углей [6, 7, 8].
Наряду с использованием в качестве реагентов — модификаторов органических соединений, целесообразно применение неорганических солей. В частности, изучение влияния сульфатов на физико-химические и флотационные свойства газовых углей показывает, что их применение позволяет не только улучшить качественно-количественные показатели флотации, но и повысить извлечение серы в отходы флотации. Данное обстоятельство вызвано повышением гидратированности поверхности пиритсодержащих примесей за счет образования водородных связей между координированными молекулами воды гидроксоаквакомплексов катионов исследуемых солей и молекулами воды жидкой фазы пульпы, что обеспечивает депрессию пиритсодержащих примесей углей при флотации [9, 10].
Проведенный анализ применяемых в настоящее время флотационных реагентов свидетельствует о том, что установление механизма действия реагентов на флотацию углей позволяет разработать новые селективные реагентные режимы.
Литература:
1. Байченко А. А., Батушкин А. Н. Изучение собирательных свойств аполярных реагентов при флотации угольных шламов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2006. — № 2. — С. 29–30.
2. Иванов Г. В., Байченко А. А., Басарыгин В. И. Эффективность действия аполярных реагентов при флотации угля в присутствии флокулянтов // Горно-информационный аналитический бюллетень. — 2004. — № 12. — С. 290–293.
3. Иванов Г. В., Мирошников А. М., Азарова Т. И., Ушакова Н. Н. Повышение эффективности процесса флотации тонких угольных шламов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2010. — № 2. — С. 85–86.
4. Гиззатов А. А., Ибрагимов А. А., Давлетгареев К. Ф., Рахимов М. Н. Разработка флотационных реагентов для процесса обогащения высокозольных углей // Башкирский химический журнал. — 2013. — т. 20. — № 4. — С. 86–89.
5. Осина Н. Ю., Горохов А. В., Лахтин С. Н. Исследование влияния группового химического состава реагентов собирателей на эффективность флотации каменных углей // Горно-информационный аналитический бюллетень. — 2006. — № 2. — С. 393–396.
6. Аглямова Э. Р., Савинчук Л. Г. Способ флотации угля // Патент России № 2165799. 2001. Бюл. № 12.
7. 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.
8. 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; URL: www.science-education.ru/110–9663 (дата обращения: 08.10.2014).
9. Аглямова Э. Р. Повышение селективности флотации газовых углей с применением органических и неорганических соединений: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Магнитогорск.: 2002. — 155 с.
10. Муллина Э. Р., Мишурина О. А., Чупрова Л. В. Изучение влияния неорганических солей на извлечение серосодержащих примесей при флотации углей низкой стадии метморфизма // Технические науки — от теории к практике. — 2013. — № 22. — С.64–69.
