Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ РЕАГЕНТОВ-МОДИФИКАТОРОВ НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГОЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Муллина Э.Р. 1 Мишурина О.А. 1 Ершова О.В. 1
1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
В данной работе представлен анализ запасов углей различной стадии метаморфизма в России. Показано, что наиболее перспективным направлением развития угольной промышленности является совершенствование методов обогащения. Указано, что наиболее эффективным способом обогащения тонких угольных шламов является флотация. Отмечено, что интенсификация процесса флотации возможна с использованием реагентов-модификаторов. Изучено влияние органических реагентов-модификаторов на электрохимические свойства угольной поверхности. Полученные данные свидетельствуют, что увеличение длины углеводородного радикала приводит к уменьшению концентрации, позволяющей достичь максимального изменения электрокинетического потенциала угольной поверхности. А применение сложных эфиров изомерного строения дает более высокие значения этого показателя при меньших концентрациях по сравнению со сложными эфирами нормального строения с тем же числом углеродных атомов.
обогащение
флотация
реагенты-модификаторы
электрокинетический потенциал
сложные эфиры линейного строения
угольные дисперсии
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., Медяник Н.Л., Орехова Н.Н. Влияние неорганических серосодержащих солей на флотацию газовых углей// Вестник МГТУ. – 2003. – № 3. – С. 69–72.
3. Аглямова Э.Р., Савинчук Л.Г. Способ флотации угля // патент на изобретение RUS 2165799. 23.11.1999.
4. Батушкин А.Н., Байченко А.А. Разработка новых технологических режимов флотации углей Кузнецкого бассейна // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2006. – № 2. – С. 30–31.
5. Классен В.И. Флотация углей. Гос. науч.-тех. изд-во лит-ры по горному делу. – М., 1963. – 379с.
6. 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.
7. 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.
8. Муллина Э.Р., Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Ершова О.В. Исследование влияния сложных эфиров линейного строения на флотацию газовых углей // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2. – С. 183. URL: www.science-education.ru/122-20619 (дата обращения: 05.11.2015).
9. 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.
10. Таразанов И. Итоги работы угольной промышленности России за январь – март 2013 года // Уголь. – 2013. – № 6. – С. 40–52.
11. 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: 05.11.2015).
12. Хан Г.А., Габриелова Л.И., Власова Н.С. Флотационные реагенты и их применение. – М.: Недра, 1986. – 271с.

Россия является одним из мировых лидеров по производству угля. В ее недрах сосредоточена треть мировых ресурсов угля и пятая часть разведанных запасов – 193,3 млрд т. Из них 101,2 млрд т бурого угля, 85,3 млрд т каменного угля (в том числе 39,8 млрд т коксующегося) и 6,8 млрд т антрацитов. Промышленные запасы действующих предприятий составяляют почти 19 млрд т, в том числе коксующихся углей – около 4 млрд т. При существующем уровне добычи угля его запасов хватит более чем на 550 лет [10].

Однако наблюдающееся в последнее время ухудшение качества добываемых углей, обусловленное развитием механизации и увеличением объемов добычи, приводит к тому, что совершенствование процесса обогащения представляется основным направлением развития производственного потенциала угольных бассейнов. Увеличение содержания угольной мелочи в добываемых углях делает флотацию одним из самых перспективных методов обогащения.

В настоящее время особую актуальность приобретают такие пути интенсификации флотационного процесса, реализация которых технически проста и доступна, не требует больших капиталовложений и достаточно надёжна в обеспечении высокой технологической эффективности. Совершенствование технико-экономических показателей флотации углей во многом определяются применяемым реагентным режимом. Многочисленные исследования флотации труднообогатимых углей в основном связаны с улучшением эффективности и селективности этого процесса благодаря использованию новых реагентных режимов [4].

Интенсификация процесса флотации возможна, в частности, на основе использования дополнительных реагентов – модификаторов угольной поверхности, которые позволяют повысить извлечение ценного компонента в концентрат и сократить время флотации [8, 9, 11]. В качестве реагентов-модификаторов в настоящее время в процесс флотации вовлекаются новые селективнодействующие химические соединения как органического, так и неорганического происхождения [2, 6].

Анализ исследований по флотации углей низкой стадии метаморфизма показал, что наиболее флотоактивными по отношению к энергоненасыщенной поверхности газовых углей являются гетерополярные реагенты, содержащие в своей структуре атомы кислорода. Это обусловлено тем, что наличие в составе флотационных реагентов органических соединений, в которых атом кислорода структурно связан с углеродным скелетом двойной связью, приводит к увеличению прочности закрепления и избирательности действия реагентов при флотации углей. К соединениям данного типа относятся и изучаемые в настоящей работе сложные эфиры линейного строения.

На протяжении ряда лет труды ведущих исследователей флотационного процесса были направлены на разработку основных положений процесса взаимодействия минералов с реагентами как надежной базы совершенствования флотационной технологии.

Одной из главных причин отсутствия общей теории флотации углей (качественной и количественной) является сложность процесса взаимодействия поверхности угольных частиц с флотореагентами, обусловленная поликомпонентностью углей и реагентов и исключительным многообразием физических, химических и электрохимических, гомогенных и гетерогенных процессов, имеющих место при флотации, взаимосвязанных между собой и оказывающих частное и суммарное влияние на эффект отделения горючей массы от сопутствующих минералов.

Для создания единой теории флотации необходима достаточно достоверная информация о состоянии поверхности разделяемых минералов при различных условиях, формах нахождения всех применяемых при флотации реагентов в воде и водных растворах, характере процессов, протекающих в объемах фаз и на поверхности раздела, механизме взаимодействия различных видов реагентов с минералами.

В связи с этим представляется целесообразным изучение влияния реагентов-модификаторов на электрохимические свойства угольной поверхности, поскольку взаимодействие молекул флотационных реагентов с поверхностью углей осуществляется в пределах двойного электрического слоя, величина которого определяется их электрическим состоянием.

Измерение величины электрокинетического потенциала как основной количественной характеристики двойного электрического слоя в процессе закрепления молекул органических соединений на угольной поверхности свидетельствует о высокой сорбционной активности газовых углей по отношению к сложным эфирам линейного строения. Для установления механизма действия исследуемых органических соединений на поверхности кузнецких и донецких углей в данной работе было изучено влияние концентрации сложных эфиров на x-потенциал угольных дисперсий кузнецких и донецких газовых углей (рис. 1, 2).

mulina1.wmf

Рис. 1. Влияние концентрации сложных эфиров на изменение дзета-потенциала угольных дисперсий кузнецких газовых углей: 1 – бутилформиат; 2 – изобутилформиат; 3 – бутилбутират; 4 – изобутилизобутират; 5 – изоамилизобутират

mulina2.wmf

Рис. 2. Влияние концентрации сложных эфиров на изменение дзета-потенциала угольных дисперсий донецких газовых углей: 1 – бутилформиат; 2 – изобутилформиат; 3 – бутилбутират; 4 – изобутилизобутират; 5 – изоамилизобутират

Установлено, что для всех исследуемых соединений с увеличением концентрации до определенного значения вначале происходит уменьшение ξ-потенциала вследствие их адсорбции на угле. Это может указывать на образование молекулярного слоя гетерополярных соединений на поверхности угольных зерен при указанной концентрации [12].

Полученные данные свидетельствуют о том, что для всех исследуемых веществ с увеличением длины углеводородной цепи молекул веществ концентрация вещества, соответствующая максимальному уменьшению ξ-потенциала (Δξmax) угольных дисперсий, уменьшается. Так, концентрация бутилформиата, соответствующая ξmax, составляет для кузнецких – 100 мг/л, концентрация бутилбутирата составляет – 30 мг/л и 50 мг/л для кузнецких и донецких газовых углей соответственно. При этом максимальное изменение электрокинетического потенциала (Δξmax) возрастает в следующем ряду: бутилформиат – изобутилформиат – бутилбутират – изобутилизобутират – изоамилизобутират.

Следует отметить, что более значительное уменьшение x-потенциала на поверхности кузнецких газовых углей обусловлено, по-видимому, их значительной энергетической ненасыщенностью, вследствие содержания большего количества таких сорбционных центров, как «активный» кислород, по сравнению донецкими газовыми углями [7].

Полученные результаты количественно подтверждают повышенную активность поверхности газовых углей и то обстоятельство, что эта активность в наибольшей мере снижается сложными эфирами линейного строения, углеводородная часть которых содержит восемь и более атомов углерода.

Важно отметить тот факт, что использование сложных эфиров изомерного строения дает более высокие значения Δξmax и при меньших концентрациях по сравнению со сложными эфирами нормального строения с тем же числом углеродных атомов. Так, например, использование бутилформиата для кузнецких газовых углей дает Δξmax 2,33 мВ при концентрации 50 мг/л, а при использовании изобутилформиата эта величина составляет 3,98 мВ при концентрации 30 мг/л, использование бутилбутирата позволяет достичь значения Δξmax 5,63 мВ при концентрации 30 мг/л, в то время как при использовании изобутилизобутирата величина Δξmax составляет 7,27 мВ при концентрации 10 мг/л. Это обстоятельство обусловлено тем, что для сжатия двойного электрического слоя молекулам реагента необходимо максимально приблизиться к поверхности углей, и в этом случае одним из решающих становится структурный фактор, так как наличие разветвленности углеводородной цепи позволяет молекулам реагента глубже внедриться в гидратную оболочку угольной частицы.

По мере дальнейшего возрастания концентрации всех исследуемых сложных эфиров наблюдается возрастание электрокинетического потенциала, свидетельствующее о частичной гидрофилизации угольной поверхности вследствие образования на отдельных ее участках полислойных покрытий, что, по мнению В.И. Классена [5] и Г.А. Хана [12], приводит к индуцированию в объеме разных по знаку диффузных слоев. Наиболее резкое возрастание значений ξ-потенциала наблюдается для бутилформиата от 50 до 100 мг/л для кузнецких газовых углей и от 100 до 150 мг/л для донецких углей, для изобутилформиата и бутилбутирата эта область лежит в пределах от 30 до 100 мг/л, для изобутилизобутирата – от 10 до 100 мг/л и для изоамилизобутирата от 1 до 50 мг/л. Затем происходит незначительное увеличение значений ξ-потенциала [1].

Анализ результатов изучения влияния сложных эфиров линейного строения на электрокинетические характеристики газовых углей позволяет сделать заключение о том, что наиболее резкое уменьшение ξ-потенциала достигается введением в водную часть угольных дисперсий изоамилизобутирата. Согласно экспериментальным данным присутствие в растворе изоамилизобутирата даже в небольшой концентрации (1 мг/л) способствует снижению ξ-потенциала угольных дисперсий кузнецких углей на 14,96 мВ, а донецких – на 13,72 мВ по сравнению со значениями ξ-потенциала угольных дисперсий без реагентов [3].

Таким образом, интенсификация процесса флотации возможна благодаря использованию реагентов-модификаторов, позволяющих снизить гидратированность угольной поверхности, что, в свою очередь, создает благоприятные условия для эффективного закрепления реагента-собирателя.


Библиографическая ссылка

Муллина Э.Р., Мишурина О.А., Ершова О.В. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ РЕАГЕНТОВ-МОДИФИКАТОРОВ НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГОЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 11-1. – С. 130-133;
URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35687 (дата обращения: 23.04.2021).

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