CC BY
115
УДК 504.064.4: 622.7
А. А. Байченко, А. В. Кардашов
ЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПОСЛЕ ФЛОТАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ
В последние годы возросшие масштабы хозяйственной деятельности в Кузбассе по добыче и переработке угля и большие экономические платежи за использование хозяйственных площадей создают необходимость разработок специальных мероприятий по охране окружающей среды. В этой связи очистка сточных вод отходов флотации углеобогатительных фабрик является одной из самых актуальных и требующей срочного решения задач.
Например, на ОАО ЦОФ «Березовская» сточные воды после угольной флотации сбрасывались без очистки в гидроотвал, который в настоящее время оказался заполненным. Поэтому возникла необходимость очистки отходов флотации от дисперсных частиц и внедрения замкнутого воднооборотного цикла с использованием фильтрпрессов. Это позволяет исключить выброс загрязненных вод за пределы территории фабрики.
Поэтому целью данной работы является интенсификация процесса очистки сточных вод отходов флотации этой фабрики от глинистых частиц зольностью 65 % и крупностью менее 0,2 мм. Для этого используются коагулянты, высокомолекулярные флокулянты фирмы «Сиба», а также катионные полиэлектролиты, в том числе отечественный ВПК-402.
Осветление техногенных вод отходов флотации зависит как от типа, так и от концентрации коагулянтов и флокулянтов. При коагуляции происходит дестабилизация коллоидной суспензии с использованием веществ с высокой плотностью ионного заряда. При этом могут происходить два вида коагуляции.
В первом случае катионы электролитов добавляются в коллоидную суспензию в количестве, необходимом только для нейтрализации отрица-
тельных зарядов глинистых частиц. Этот тип коагуляции используется в частности при очистке воды катионами железа или алюминия [1, 2]. На рисунке 1, а - б приведены кривые, выражающие влияние этих коагулянтов на скорость осаждения и осветление исследуемой угольно-глинистой суспензии.
Второй тип коагуляции достигается с использованием катионных полиэлектролитов (молекулярная масса до 1 миллиона). Такая коагуляция обеспечивает более высокую степень агрегации, чем в случае простой электростатической нейтрализации. Известно [3], что агрегация суспензий катионными полиэлектролитами наступает за счет одновременного действия двух механизмов -снижение заряда и дзета-потенциала частиц и образованием между ними мостичных связей через адсорбированные макромолекулы.
Для эффективного использования катионного полиэлектролита целесообразна его дробная подача, в том числе добавка первоначально 50 %, а затем остальных 50 % от общего расхода, что и использовалось в данной работе. Исходя из этого -было рассмотрено влияние катионных полиэлектролитов на осветление глинистой суспензии с содержанием твердого 20 г/л (рис. 1, в).
Из анализа полученных результатов (рис. 1, а) следует, что скорость осаждения твердых частиц возрастает с применением БеС13 или А1С13. При сгущении суспензии этими электролитами концентрация частиц в осветленном слое уменьшается до 2 г/л (рис. 1, б). Однако из-за высоких расходов электролитов рациональнее применять катионные полиэлектролиты ВПК-402 и М 1597.
Из полученных данных (рис. 1, в) видно, что применение катионного полиэлектролита М 1597 технологически более оправдано (скорость седи-
расход коагулянта, кг/т
а б в
Рис. 1. Седиментация глинистых частиц коагулянтами
а, б - Коагуляция с применением солей: 1 - FeCl3, 2 - Al Cl3, 3 - ZnCl3, 4 - CuCl3 в - Коагуляция с использованием катионных полиэлектролитов 1 - М1597,
2 - ВПК-402; 1, 2 - скорость седиментации, 1', 2' - содержание твердого в сливе
Рис. 2. Зависимость скорости седиментации частиц (1, 1а) и содержания твердого в сливе (1', 1а') от концентрации М345 при постоянном расходе ВПК-402 - 80 г/т (1, 1' - при введении в суспензию М345, а затем ВПК-402; 1а, 1а' - при добавке сначала ВПК-402)
ментации выше), однако использование ВПК-402 экономически целесообразнее. Таким образом, подача полиэлектролитов при расходах ВПК-402
- 80 г/т, а М 1597 - 120 г/т обеспечивает чистый слив, но при недостаточной скорости осаждения.
Примером более результативного осветления суспензии отходов флотации является применение комбинации из катионного полиэлектролита и анионного высокомолекулярного флокулянта. При добавлении полиэлектролита получаются мелкие и плотные агрегаты, а при дальнейшей подаче высокомолекулярного анионного полимера (рис. 2) их макромолекулы адсорбируются на полученных мелких агрегатах - в результате чего образуются крупные рыхлые флокулы за счет полимерных мостиков [4]. Дальнейшее изучение влияния такого способа применения флокулянтов, а также последовательности их введения на осветление глинистой суспензии проводилось при содержании твердого в пульпе 40 г/л.
Из рис. 2 можно сделать заключение, что для лучшего осветления тонкодисперсных отходов флотации, целесообразно предварительно подавать сначала в пульпу катионный полиэлектролит ВПК-402, а затем анионный высокомолекулярный флокулянт М 345 - при этом происходит уменьшение содержания твердого в сливе (кривая 1а). В условиях фабрики иногда чистотой слива пренебрегают для получения более быстрого осаждения частиц, так как идет переработка больших объемов пульпы, а производственные мощности, например, наличие крупных сгустителей, зачастую ограничены. Поэтому первоначально подают анионный флокулянт, а затем катионный полиэлектролит (кривые 1, 1), что приводит к увеличению скорости осаждения частиц и содержания твердого в сливе.
При очистке сточных вод флокулянтами, а также комбинациями катионного полиэлектролита
и высокомолекулярного анионного полимера важно учитывать такие факторы, как например, температура, рН среды, гранулометрический состав отходов.
Показатель рН раствора оказывает влияние на поведении цепей полимера. Анионные полимеры эффективны в нейтральной среде, но меньше пригодны в кислой среде, потому что карбоксильные функциональные группы хуже диссоциируются в такой среде. Неионогенные или умеренно катионные полимеры лучше всех подходят для кислой среды [6-8].
Изменение температуры среды влияет на кинетику происходящих реакций, активность коллоидов, и на подвижность макромолекул в растворе, а также на адсорбцию и растворимость полимеров [5]. Крупность частиц, как правило, действует на быстроту их агрегирования, а значит и скорость осаждения. На основании этого целесо-
а б
Рис. 3. Очистка сточной воды отходов флотации а - зависимость скорости осветления (1) и содержания твердого в сливе (1') от температуры суспензии при введении в пульпу ВПК-402 (80 г/т), а затем М 345 (40 г/т); б - зависимость скорости седиментации (1, 2, 3) частиц различных классов крупности от концентрации анионного флокулянта М155 (при введении в пульпу сначала постоянного количества ВПК-402 - 80 г/т); 1 - класс 0,16-0,315 мм; 2 - класс 0-0,2 мм; 3 - класс 0-0,1 мм
б
Рис. 4. Седиментация глинистых частиц высокомолекулярными флокулянтами катионными полимерами: 1 - 2 7633, 2 - 2 7651, 3 - 2 7692, 4 - 2 7623, 5 - 2 7632, 6 - 2 7629, 7 - 2
7653;
б - анионными полимерами: 1 - М 919, 2 - М 338, 3 - М155, 4 - М 345
образно было рассмотреть влияние температуры и гранулометрического состава на осветление сточных вод угольной флотации (рис. 3 а и б соответственно).
Скорость флокуляции для рассмотренной комбинации флокулянтов возрастает с температурой (рис. 3, а). В то время как понижение температуры ухудшает процесс флокуляции, при этом уменьшается скорость осаждения флокул и увеличивается содержание твердого в сливе (кривые 1 и 1' соответственно). Из-за снижения температуры воды ее высокой загрязненности увеличивается интервал во времени между вводом полиэлектролита и анионного флокулянта. Промежуток времени между моментами добавления к суспензии полиэлектролита и флокулянта составляет в пределах 1 - 4 минут.
На рис. 3, б приведены кривые, выражающие зависимость влияния гранулометрического состава на скорость осаждения и осветление суспензии. Как видно из графика, скорость осаждения возрастает с увеличением крупности частиц. Рассматри-
вая зависимость осветления суспензии от расхода анионного высокомолекулярного флокулянта Магнафлока М 155 в комбинации с катионным полиэлектролитом ВПК-402 видно, что при сгущении суспензии класса 0,0 - 0,1 мм концентрация частиц в осветленном слое суспензии уменьшается от 2 до 0,2 г/л (кривая 3'), а при сгущении крупных классов осветление суспензии составляет
0,4-0,8 г/л (кривые 1', 2). Из проведенных исследований следует, что данная комбинация флоку-лянтов флокулирует как крупные, так и мелкие частицы, но более стабильные показатели будут при флокуляции смеси частиц.
Однако на фабриках возможно применение для осветления вод отходов флотации только одних высокомолекулярных флокулянтами (молекулярная масса более 1-106) (рис. 4, а и б). В этом случае увеличение скорости происходит в основном за счет образования мостичных связей через адсорбировавшиеся на твердых частицах макромолекулы [4]. Для исследованных высокомолекулярных катионных полимеров быстрое осаждение
а
а
частиц начинается при расходе их более 80 г/т.
Как видно (рис. 4, а) применение катионных высокомолекулярных флокулянтов Зетагов Ъ 7633, Ъ 7651 (кривые 1, 2) приводит к осветлению исследуемой глинисто-угольной дисперсии. Полимерные флокулянты Зетаги за счет положительного заряда макромолекул взаимодействуют с отрицательно заряженными частицами отходов флотации, а их высокая молекулярная масса способствует образованию мостичных связей через адсорбированные макромолекулы. Однако на предприятиях высокомолекулярные катионные флоку-лянты не получили достаточного распространения из-за их высокой цены.
Из рис. 4, б видно, что флокулянты М 919 и М 338 проявляют большую флокулирующую активность: увеличение скорости осаждения соответственно 1,2 см/с и 1 см/с, но они действуют в более узком интервале флокуляции. С увеличением расхода М 155 и М 345 происходит увеличение скорости осаждения до 1 см/с при содержании твердых частиц в сливе < 2 г/л.
Таким образом, на основе проведенных исследований, очевидно, что целесообразно применение комбинации из катионного полиэлектролита ВПК-402 и анионного высокомолекулярного полимера М 345, так как они позволяют эффективно очищать сточные воды после угольной флотации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Запольский А. К., Баран А. А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: свойства, получение, применение // Л.: Химия. 1987. - 208 С.
2. Кульский Л. А., Гороновский И. Т., Когановский А. М., Шевченко М. А. Справочник по свойствам и методам анализа и очистки воды. - Киев: Наукова думка.1980. - 1280 С.
3. Баран А. А., Митина Н. С., Байченко А. А. Адсорбция водорастворимых полимеров и ее влияние на флокуляцию шламов углеобогащения // Химия и технология воды. - 1983. т. 5. № 3. - С. 67-70.
4. La Mer V. K. Filtration of Colloidal Dispersions Flocculated by Anionic and Cationic Polyelectrolytes // Disc. Faraday Soc. - 1966. № 42. - P.248-254.
5. Липатов Ю. С., Сергеева Ю. С. Адсорбция полимеров.- Киев: Наукова думка. - 1972. - 195 С.
6. Монгайт И. Л., Текиниди К. Д., Николадзе Г. И. Очистка шахтных вод - М.: Недра, 1978, - 173 c.
7. Коткин А. М., Шуляк В. Е., Ямпольский М. П. Изменение общей минерализации оборотных вод углеобогатительных фабрик // Обогащение и брикетирование угля. - 1967. № 2. - С. 44-46.
8. Бабенков Е. Д. О вероятности коагуляции частиц в области вторичного потенциального минимума // Коллоид. ж. - 1979. 41. № 3. С. 525-527.
□ Авторы статьи:
Байченко Арнольд Алексеевич
- докт. техн. наук, профессор каф. «Обогащение полезных ископаемых»
Кардашов Андрей Вячеславович
- аспирант каф. «Обогащение полезных ископаемых»
УДК 504.064.4: 622.7 А. А. Байченко, А. В. Кардашов, А. Н. Пирогов, А. В. Шилов
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ РАСТВОРОВ ФЛОКУЛЯНТОВ
В настоящее время на углеобогатительных фабриках Кузбасса очистка сточных вод отходов флотации является весьма важной и актуальной задачей, решение которой позволит повторно использовать воду в технологическом процессе и резко сократить потребление речной воды. Для очистки природных и производственных сточных вод, интенсификации технологических стадий осаждения, уплотнения и обезвоживания осадков в качестве флокулянтов рационально использовать комбинации из синтетических катионных полиэлектролитов (далее - КП) и анионных высокомолекулярных полимеров [1-2].
Основными технологически важными свойствами водных растворов флокулянтов (далее -ВРФ) являются строение и молекулярная масса (далее - ММ) макромолекул, косвенной реологической характеристикой которых является вязкость. Цель настоящей работы - исследовать структурномеханические характеристики водорастворимых флокулянтов в зависимости от концентрации вещества и скорости сдвига.
В качестве объектов исследования в данной работе использовались анионный высокомолекулярный полимер М 345, на основе полиакриламида и КП Магнафлок 1597 фирмы «Сиба», а также
