В Г Самоилик, , Е И Назимко - Исследование воздействия аполярных реагентов на текучесть водоугольных суспензий - страница 1

Страницы:
1 

Спеціальні та комбіновані методи

УДК 622.7:622.333

В.Г. САМОИЛИК, канд. техн. наук, Е.И. НАЗИМКО, д-р техн. наук (Украина, Донецк, Донецкий Национальный Технический Университет)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ АПОЛЯРНЫХ РЕАГЕНТОВ НА ТЕКУЧЕСТЬ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. В последнее время возник интерес к поведению водоугольных суспензий в связи с поиском альтернативных видов энергоресурсов [1-4]. Повышенный интерес к водо-угольному топливу вызван ростом цен на нефть и нефтепродукты и ограничен­ностью запасов этого сырья. Водоугольные смеси широко изучаются в различ­ных странах мира, так как они могут заменить и традиционное пылевидное то­пливо, перед которым имеют ряд существенных преимуществ. Особенности го­рения водоугольного топлива позволяют относить его к разряду экологически чистых видов топлива. При сжигании угля в виде водоугольной суспензии уве­личивается скорость выгорания углерода, снижаются выбросы вредных ве­ществ в атмосферу и образование оксидов азота.

Для обеспечения конкурентоспособности водоугольного топлива с жидким топливом и сухим углем его характеристики должны удовлетворять следую­щим основным требованиям. Топливо должно иметь высокую концентрацию угля в дисперсионной среде (не менее 63-65%). Суспензия должна иметь агре-гативную устойчивость при низкой эффективной вязкости и напряжении сдвига

1 2

(менее 1 Па-с при градиенте скорости сдвига 9 с- и менее 5-10 Н/м , соответст­венно). Система должна быть седиментационноустойчивой при наличии частиц твердой фазы с максимальным размером до 0,25-0,3 мм.

Высокая дисперсность и концентрация твердой фазы дают основание от­носить водоугольное топливо к классу высоко концентрированных дисперсных систем (ВКДС). Свойства таких систем в значительной степени определяются прочностью их коагуляционных структур.

В связи с этим актуальной является проблема создания такого топлива и изучения его свойств как заменителя нефти и мазута.

Анализ исследований и публикаций. В ходе исследований установлено, что прочность структуры в высоко концентрированной дисперсной системе опре­деляется прочностью единичных контактов, зависящих от баланса сил, которые возникают при взаимодействии частиц [5, 6]. Современная теория ДЛФО рас­сматривает расклинивающее давление, возникающее в тонкой прослойке жид­кости между сближающимися частицами, как препятствующее или способст­вующее коагуляционному контакту между ними. При отсутствии химических реагентов в дисперсной системе величина расклинивающего давления опреде­ляется известной зависимостью:

Р(К) = Ре(И) + Рт(И) + РАК), (1)где Ре(К) - электростатическая сила отталкивания, обусловленная взаимным пе­рекрытием жвойных электрических слоев; Рт(К) - молекулярная составляющая, определяющаяся силами притяжения Ван-дер-Ваальса; Р3(Н) - структурная со­ставляющая, связанная с образованием граничных слоев растворителя с особой структурой.

При введении химических реагентов в высоко концентрированную дис­персную систему баланс сил между взаимодействующими частицами изменяет­ся в связи с появлением в уравнении (1) новой составляющей - адсорбционной Ра(К). Эта составляющая характеризует силы, возникающие при перекрытии ад­сорбционных слоев, и может значительно влиять на агрегативную устойчивость частиц твердой фазы.

Закрепление на угле аполярного реагента экранирует поверхность частиц, препятствуя их коагуляции в положении ближнего и дальнего энергетического минимумов. Однако, высокая поверхностная энергия аполярных реагентов на границе с водой > 35-50 мДж/м ) не исключает возможности слипания час­тиц за счет взаимодействия самих адсорбционных слоев реагента.

В связи с тем, что поверхность капель аполярных реагентов практически электронейтральна, то величина расклинивающего давления, возникающего между сближающимися омасленными частицами, будет определяться в основ­ном молекулярной и структурной составляющими.

Экспериментально установлено, что в прослойках, ограниченных гидро­фобными поверхностями, возникает ориентация молекул воды параллельно по­верхности [7]. Такое расположение молекул воды приводит к снижению плот­ности вблизи поверхности фаз и повышает подвижность молекул в тангенци­альном направлении. Последнее можно интерпретировать как снижение вязко­сти граничных слоев.

В связи с тем, что вблизи гидрофобной поверхности плотность воды по­нижена, давление на эту поверхность Р будет меньше давления Ро в объеме во­ды. В результате структурная составляющая расклинивающего давления будет иметь отрицательный знак, т.к. Р5(К) = Р - Ро. Таким образом, при взаимодейст­вии омасленых частиц расклинивающее давление отрицательно, что определяет возможность их сцепления через прослойку аполярного реагента по коалес-центному механизму.

Из приведенных данных следует, что омасливание поверхности угольных частиц флотационными реагентами-собирателями способствует агрегативной неустойчивости дисперсий угля в воде. Это будет сказываться на реологиче­ских свойствах суспензий, особенно в области концентраций твердой фазы, близких к значениям второй критической концентрации структурообразования, характерных для водоугольного топлива. При этом уменьшение свободной по­верхности частиц в результате образования углемасляных агрегатов будет от­рицательно сказываться на эффективность действия реагентов-пластификаторов.

Постановка задачи. Цель работы - экспериментальные исследования рео­логических характеристик высоко концентрированных водоугольных суспен­зий в присутствии аполярных реагентов.

Изложение материала и результаты. Водоугольные суспензии представ­ляют собой неньютоновские псевдопластические жидкости, вязкость которых не постоянна и является функцией напряжения сдвига. Для определения влия­ния аполярных реагентов на текучесть ВУС определялась связь между реологи­ческими характеристиками дисперсных систем и интенсивностью механическо­го воздействия на них путем построения полной реологической кривой течения. Реологические исследования проводились на ротационном вискозиметре "Рео-тест-2" в диапазоне скоростей сдвига 0,5-437,4 с-1 при 25 оС [8, 9]. Твердая фаза (чистый уголь марки ДГ) имеет крупность менее 0,25 мм и зольность 2%, гра­нулометрический состав бимодальный.

На рис. 1 представлены реологические кривые течения 60%-ных водо-угольных суспензий с добавками различных количеств керосина.

Из данных следует, что реологические кривые для суспензий, обработан­ных 0,15 и 0,25 мас.% керосина несущественно отличаются от кривой, полу­ченной на чистой суспензии без добавок аполярного реагента. При увеличении массового содержания керосина до 0,5% характер кривой изменяется. При ма­лых давлениях течение медленное с практически линейной зависимостью ско­рости деформации в от напряжения сдвига т и малым наклоном, соответствую­щим высоким значениям вязкости (п = т / в). На этом участке, обозначенном как АВ, течение суспензии происходит при практически неразрешенной структуре, что свидетельствует о прочности коагуляционных контактов.

6

со

140

120

100 4

о о ср о и

80

60

40

20

0  Td1 5

 

/

/

7

 

г

 

 

 

/

/1

 

 

 

 

 

 

1,

1 J

 

/

 

 

 

 

III

І

/

 

 

 

 

 

III

 

/

 

Х/ г

 

5%

У

 

 

 

/ /

 

—ts- 0,35% -a- 0,25%

\1/    П 1 со/

 

 

 

В

/

-

^0

15%

10        15        20 Td5   25        30        35 40 Напряжение сдвига, Па

Рис. 1. Реологические кривые течения водоугольных суспензий с добавками керосина в различных количествах

0

Затем с ростом т начинается постепенное разрушение временных контак­тов между элементами структуры и образование других. Возникает динамиче­ское равновесие, характеризуемое линейным участком CD. В области разруше­ния структуры закон течения описывается уравнением Шведова-Бингама:

где Td - предельное динамическое напряжение сдвига; цш - пластическая вяз­кость.

Величина Td характеризует сдвиговую прочность структуры дисперсной системы и определяется экстраполяцией прямой CD на ось т. Максимальная прочность структуры ВУС с добавкой керосина в количестве 0,5 мас.% (Td = 21 Па) свидетельствует о том, что аполярный реагент отрицательно влияет на текучесть и подвижность суспензии. Флокуляция угольных частиц через прослойку аполярного реагента увеличивает силу сопротивления сдвигу, воз­никающую при относительном смещении смежных слоев. Для разрушения флокул требуются большие напряжения, что выражается в высоком значении пластической вязкости цш = 0,115 Па-с. Без добавки керосина эта величина для водоугольной суспензии не превышает значения 0,057 Па-с.

Можно предположить, что энергия, необходимая для разрушения коагуля-ционных контактов между сфлокулированными частицами, определяется не только расходом аполярного реагента, но и прочностью его закрепления на угольной поверхности, а также энергией межмолекулярного взаимодействия внутри самого реагента. В связи с этим выполнено исследование влияния со­става наиболее широко применяемых аполярных реагентов на реологические параметры водоугольной суспензии, результаты которых представлены на рис. 2.

2,1

0     0,05    0,1    0,15    0,2   0,25    0,3    0,35    0,4   0,45 0,5 Расход аполярных реагентов, % мас.

Рис. 2. Зависимость эффективной вязкости от расхода реагентов

Для исследования были приняты аполярные реагенты: керосин, аполярный ароматизированный реагент ААР-2, топливо печное бытовое ТПБ и термога­зойль. В ходе исследований градиент скорости сдвига был постоянным и со­ставлял 9 с-1.

Данные позволяют заключить, что наибольшее влияние на снижение теку­чести водоуголной суспензии оказывают добавки термогазойля. При введении его в количестве 0,5% от массы твердого, суспензия практически теряет свои вязко-текучие свойства. Более слабое отрицательное воздействие имеют реа­генты ТПБ и ААР. Однако и эти собиратели при расходах более 0,25-0,3% спо­собствуют росту эффективной вязкости выше 1 Па-с. При этом использование керосина высокие значения вязкости достигаются только при его массовой концентрации более 0,4%.

С целью выявления факторов, определяющих различный характер воздей­ствия аполярных реагентов на текучесть водоугольных суспензий, был иссле­дован их состав методом ИК-спектроскопии и вязкостные характеристики.

Результаты этих исследований позволили прийти к выводу, что наимень­шей реакционной способностью из всех исследованных реагентов обладает ке­росин. Незначительное содержание полярных групп, большой удельный вес алифатических соединений обусловливают возможность взаимодействия керо­сина с гидрофобной поверхностью угля только за счет межмолекулярных дис­персионных сил, что не способствует образованию прочных связей сфлокули-рованных угольных частиц.

Особенности строения ароматьических соединений, входящих в состав ААР-2 и термогазойля определяют высокую активность этих реагентов при взаимодействии с угольной поверхностью. Ароматические соединения могут закрепляться на поверхности угольных частиц в наиболее выгодном с энерге­тической точки зрения параллельном положении за счет дисперсионной и ин­дукционной составляющих сил Ван-дер-Ваальса. Наличие различных полярных групп в составе ААР-2, термогазойля и ТПБ повышает вероятность возникно­вения водородных и диполь-дипольных связей с пролярными функциональны­ми группами на угольной поверхности. Это также должно способствовать уп­рочнению контакта "аполярный реагент - твердая фаза" в различной степени.

Известно, что важной характеристикой аполярного реагента как собирате­ля при флотационном обогащении является его вязкость. Это связано с тем, что чем выше энергия взаимодействия молекул углеводородов между собой, тем выше должна быть и энергия их взаимодействия с поверхностью твердой фазы. В исследованиях процесса флотации показано увеличение работы адгезии и по­вышение прочности закрепления флотирующих частиц на поверхности воз­душных пузырьков при росте вязкости реагента-собирателя. Однако, рост вяз­кости отрицательно влияет на эффективность адгезионного диспергирования аполярных реагентов поверхностью угольных частиц.

Для оценки вязкостных характеристик аполярных реагентов использована величина кинематической вязкости, которая определялась как отношение эф­фективной вязкости к плотности реагента. Этот параметр для исследуемых реа­гентов при 20 оС имеет следующие значения, м/с: керосин 1,8-10- , ААР-2 2,2-10-6, ТПБ 2,6-10-6, термогазойль 5,1-10-6.

Полученные данные по измерению вязкости реагентов хорошо коррели­руют с их влиянием на текучесть водоугольных суспензий (рис. 2). При равном расходе реагентов эффективная вязкость высоко концентрированных водо-угольных суспензий увеличивается в этом же ряду.

Выводы и направления дальнейших исследований. Таким образом, прове­денные исследования позволяют заключить, что для снижения отрицательного воздействия аполярных реагентов на текучесть водоугольных суспензий при флотационном обогащении шламовых продуктов целесообразно использовать собиратели с минимальной вязкостью.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на определение влия­ния омасливания угольной поверхности на эффективность действия реагентов-пластификаторов.

Список литературы

1. Дроздник И.Д., Орлов А.В., Черкасов В.В. Рынок угля и перспективные направления его использования: информационно-аналитический обзор. - Харьков, 2004. - 188 с.

2. Макаров А.С., Янко С.В. Проблемы использования высококонцентрированного водо-угольного топлива на основе углей Украины // Уголь Украины. - 1992. - С. 3-5.

3. Получение высококонцентрированного угольного топлива на основе отходов углео­богащения для использования в энергетическом комплексе Украины / А.С. Макаров, О.М. Кобитович, А.И. Егурнов и др. //Збагачення корисниз копалин: Наук.-техн. зб. - 2008. -Вип. 33(74). - С. 138-148.

4. Макаров А.С., Олофинский Е.П., Дегтяренко Т.Д. Физико-химические основы полу­чения высококонцентрированных водоугольних суспензий // Вестник АН УССР - 1989. -№2. - С.65-75.

5. Дерягин Б.В., Чураев Н.К. Поверхностные силы и их роль в дисперсных систе­мах // ЖВХО им. Д.И.Менделеева. - 1989. - Т.34, №2. - С.151-158.

6. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. - М: Химия, 1980. -

360 с.

7. Б.В. Дерягин Вода в дисперсных системах. - М.: Химия, 1989. - 288 с.

8. Исследование влияния содержания минеральных примесей на реологические свойст­ва водоугольных суспензий / А.Т. Елишевич, Н.Г. Корженевская, В.Г. Самойлик и др. // Хи­мия твердого топлива. - 1988. - №5. - С. 130-133.

9. Макаров А.С., Андреева И.А., Жигоцкий А.Г. Структурообразующая способность высокодисперсного углерода в водной среде. // УХЖ. - 2001. - Т.67, №2. - С.101-106.

© Самойлик В.Г., Назимко Е.И., 2012

Надійшла до редколегії 15.04.2012 р. Рекомендовано до публікації д.т.н. В.С. Білецьким

Збагачення корисних копалин, 2012. - Вип. 50(91)

Страницы:
1 


Похожие статьи

В Г Самоилик, , Е И Назимко - Исследование воздействия аполярных реагентов на текучесть водоугольных суспензий