CC BY
1
Оригинальная статья
УДК 622.807.7 © А.И. ШипиловН1, Ю.Ф. Патраков2, С.Г. Меркушов3, С.А. Семенова2, 2025
1 ООО «Зиракс», 614034, г. Пермь, Россия
2 ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук»,
650065, г. Кемерово, Россия
3 ООО «Зиракс», 404171, г. Волгоград, Россия Н e-mail: [email protected]
Original Paper
UDC 622.807.7 © A.I. ShipilovH1, Yu.F. Patrakov2, S.G. Merkushov3,
S.A. Semenova2, 2025
1 Zirax Ltd, Perm', 614034, Russian Federation 2 Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Kemerovo, 650065, Russian Federation 3 Zirax Ltd, Volgograd, 404171, Russian Federation H e-mail: [email protected]
исследование смачиваемости углей минеральными растворами поверхностно-активных веществ
A study of coal wettability with mineral surfactant solutions
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2025-2-34-41 -
ШИПИЛОВ А.И.
Канд. хим. наук, научный руководитель по разработке солевых систем и кислотных составов отдела по разработке и внедрению новых проектов ООО «Зиракс», 614034, г. Пермь, Россия, e-mail: [email protected]
ПАТРАКОВ Ю.Ф.
Доктор хим. наук, профессор, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией научных основ технологий обогащения угля ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук», 650065, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
МЕРКУШОВ С.Г.
Начальник отдела по разработке и внедрению новых проектов ООО «Зиракс», 404171, г. Волгоград, Россия, e-mail: Sergey. [email protected]
СЕМЕНОВА С.А.
Канд. хим. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории научных основ технологий обогащения угля ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук», 650065, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
В работе рассматриваются проблемы борьбы с пыле-нием и смерзанием углей. Ключевым моментом эффективного решения этих проблем является обеспечение условий эффективного смачивания поверхности угля водно-минеральными рассолами. Изучению влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ), компонентов водно-минеральных рассолов посвящено настоящее исследование. Показано благотворное влияние ПАВ на процесс смачивания поверхности угля. Обозначен ряд эффективности исследованных ПАВ.
Ключевые слова: смачивание, водно-минеральный раствор, поверхностно-активное вещество, анионный, ка-тионный, неионногенный ПАВ, скорость пропитки, угол смачивания.
Для цитирования: Исследование смачиваемости углей минеральными растворами поверхностно-активных веществ / А.И. Шипилов, Ю.Ф. Патраков, С.Г. Меркушов и др. // Уголь. 2025;(2):34-41. DOI: 10.18796/0041 -5790-20252-34-41.
Abstract
The paper discusses the challenges of controlling dusting and freezeup of coals. The key point for efficient solution of these problems is to provide conditions for effective wetting of the coal surface by mineral water-based brines. This study is focused on the influence of surfactants, components of watermineral brines. A positive effect of surfactants on the process of wetting the surface of coal is demonstrated. The investigated surfactants are ranked in terms of their efficiency.
Keywords
Wetting, mineral water-based solution, surfactant, anionic, cationic, non-ionic surfactant, impregnation rate, wetting angle.
For citation
Shipilov A.I., Patrakov Yu.F., Merkushov S.G., Semenova S.A. A study of coal wettability with mineral surfactant solutions. Ugol'. 2025;(2):34-41. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-57902025-2-34-41.
ВВЕДЕНИЕ
Транспортировка, хранение и перевалка углей сопровождаются рядом проблем, среди которых пыление во все сезоны и смерзание в зимний период.
Имеется ряд традиционных подходов к решению этих проблем. Наиболее эффективно обозначенные выше задачи могут быть решены с использованием минеральных рассолов для смачивания поверхности угля, что предотвращает и пыление, и смерзание. При использовании рассолов высокой плотности минимизируются процессы высыхания поверхности угля, предотвращая повторное пыление в отличие от использования только воды, а применение минеральных растворов с низкой температурой замерзания (до -50°С) в зимнее время дополнительно решает и проблему смерзания угля.
Однако эффективность применения минеральных растворов может быть недостаточно высокой из-за часто высокой гидрофобности поверхности угля и, как следствие, ограниченной способности смачивать поверхность некоторых типов углей. Устранение этого недостатка, очевидно, может быть решено добавлением в минеральный раствор специальных поверхностно-активных веществ, способных эффективно повышать смачивающуюся способность. Правильный выбор соответствующего ПАВ и его концентрации остается актуальной задачей.
Изучением особенностей смачивания минеральными растворами высокой плотности, содержащими ПАВ разной природы, и посвящено настоящее исследование.
Смачиваемость поверхности угля зависит от множества факторов. В первую очередь на гидрофобность или, напротив, гидрофильность поверхности влияют особенности химического состава органической массы угля, включающего полярные гетероатомы кислорода, азота и серы. Немаловажное значение имеют минеральные включения, различающиеся по степени гидрофильности и характеру диспергирования, а также физические свойства поверхности и объема углей (пористость, локальные дефекты, трещины, шероховатость и др.) [1 ]. Помимо этого, под влиянием внешних факторов (атмосферного окисления) на угольной поверхности возможно формирование новых функциональных групп, вследствие чего свойства контактировавшего с воздухом внешнего слоя угля становятся отличными от свойств поверхности не контактировавшего с воздухом (нативного) угля [2, 3].
Интерпретация и обобщение известных экспериментальных данных угла смачивания поверхности углей затруднены в связи с особенностями генезиса и вещественного состава углей различных месторождений, а также с
применением разных методик подготовки поверхности исследуемых образцов. Как правило, поверхность угля для определения смачиваемости получают брикетированием порошкообразной пробы [4] из плоского скола монолитного образца [5], а также его шлифованием с использованием различных абразивных материалов и техник полировки [6].
Закрепление капли воды при определении угла смачивания зависит от наличия макродефектов и микрошероховатости поверхности угля. Наличие острых сколов и плоских выступов на монолитных частицах нешлифованных образцов угля, вероятно, способствует более прочному закреплению трехфазного контакта (периметра смачивания) капли на поверхности угля. На поверхности шлифованных монолитных частиц углей имеются микроскопические дефекты в виде протяженных канавок, которые могут задерживать воду и препятствовать распределению контура капли. Внешний слой поверхности прессованного порошка угля имеет неплотности между кромкой частиц и микрошероховатости, которые адсорбируют воду и также препятствуют сдвигу водного слоя [7].
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ
На первом (предварительном) этапе исследований из большого разнообразия поверхностно-активных веществ, представленных на рынке, было целесообразно выбрать наиболее эффективные реагенты. Несмотря на определенные сложности и ограничения в определении угла смачивания, рассмотренные выше, первичный отбор ПАВ для дальнейших более детальных исследований был сделан на основе анализа среднего краевого угла смачивания с использованием углей марки А - антрацит, высокомета-морфизованный уголь антрацитовой стадии зрелости и Т - тощий, высокометаморфизованный уголь каменноугольной стадии зрелости. Из образцов угля были приготовлены аншлиф-штуфы углей, на которых проводили замеры краевых углов смачивания по методу сидячей капли. Результаты приведены в табл. 1.
Таким образом, основываясь на полученных на первом этапе результатах, а также с учетом экономических соображений для дальнейших исследований были выбраны образцы минеральных растворов № 1 (без ПАВ), № 2 (АПАВ), № 3 (НПАВ) и № 6 (КПАВ)
В связи с ограничениями определения краевого угла смачивания для ископаемых углей сравнительную оценку смачиваемости их поверхности минеральными водными растворами на втором этапе дополнительно проводили также косвенным способом по скорости фильтрации через пористый слой угля. Оценку фильтрационных свойств осуществляли на оригинальной лабораторной установке при постоянном изменении давления на границе жидкость - газ в слое угля [8].
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Разделку угольных проб и технический анализ проводили согласно стандартным методикам: ГОСТ 10742-71; ГОСТ Р 52917-2008; ГОСТ 11022-95; ГОСТ 6382-2001.
Оценку смачиваемости поверхности угля осуществляли двумя способами: определением краевого угла смачи-
Таблица 1
Среднее значение углов смачивания для углей марки А и Т
The average value of the wetting angles for coals of grades A and T
Наименование реагента Тип угля Среднее значение угла смачивания (аншлиф-штуфы углей)
Образец № 1 марка А 70
(без ПАВ) марка Т 69
Образец № 2 марка А 37
(Анионный ПАВ) марка Т 36
Образец № 3 марка А 40
(Неионногенный ПАВ) марка Т 44
Образец № 4 марка А 66
(Неионногенный ПАВ) марка Т 68
Образец № 5 марка А 65
Катионный ПАВ марка Т 70
Образец № 6 марка А 48
(Катионный ПАВ) марка Т 46
Образец № 7 марка А 40
(Бетаин) марка Т 40
вания поверхности угля каплей жидкости [2, 3] с использованием микроскопа и проецированием изображения на экране компьютера; с помощью модернизированной методики оценки скорости поглощения жидкости слоем угольного порошка с учетом изменения давления на границе жидкость - газ в слое угля [2].
Количественной характеристикой смачиваемости поверхности угля является краевой угол смачивания в, который отсчитывается от касательной к свободной поверхности жидкости, проведенной в точке раздела трех фаз (жидкой, газообразной, твердой) в сторону жидкости (рис. 1) [9]. Капля жидкости, находящаяся на границе газ - твердое тело, вытесняет с поверхности угля прослойку воздуха и образует сферическую форму (гидрофобная поверхность) (рис. 2) или растекается (гидрофильная поверхность).
Для определения краевого угла смачивания поверхности угля использовали способ приготовления образца последовательным шлифованием и полировкой исследуемой поверхности монолитной частицы угля. Частицу с полированной поверхностью закрепляли на предметном стекле, горизонтально выравнивали и через капилляр подводили к исследуемой поверхности каплю жидкости. Равновесную форму и краевой угол смачивания в регистрировали с помощью микроскопа, снабженного видеокамерой [10]. Относительная ошибка определения для используемого способа подготовки поверхности составила 5-10%.
Скорость поглощения жидкости в условиях фильтрации фиксировали при постоянном изменении давления на границе жидкость - газ в слое угля. Порошок угля (фракция 0,1-0,2 мм; масса 25 г) размещали в вертикальном цилиндре (диаметр - 40 мм), который сообщается тонким гибким шлангом с емкостью, заполненной фильтруемой жидкостью. Поскольку визуально оцен ить высоту смачива ния черного порошка угля водой весьма затруднительно, то в отличие от способа-прототипа [11] оценивали не высоту
Рис. 1. Пример определения
угла смачиваемости
поверхности угля
по капле жидкости
Fig. 1. An example of determining
the angle of wettability
of the coal surface
using a drop of liquid
m, г 25 -,
Рис. 2. Фото капли жидкости
на поверхности угля Fig. 2. A photographic image of a liquid drop on the coal surface
20-
15 -
10-
5
область капиллярного сопротивления слоя
область капиллярного и гидравлического сопротивления слоя
150 200
АР, мм.вод.ст .
Рис. 3. Схема влияния капиллярного и гидравлического сопротивления слоя порошка при фильтрации воды через слой угля
Fig. 3. The impact pattern of the capillary and hydraulic resistance of the powder layer when filtering water through a coal layer
подъема жидкости в слое угля, а увеличение массы пробы угольного порошка [8]. Напорное давление фильтруемой жидкости непрерывно увеличивали со скоростью 10 мм вод. ст./мин. Измерения массы угля при насыщении жидкостью регистрировали до достижения постоянной скорости изменения массы либо до полного его смачивания (просачивание жидкости над поверхностью порошка).
Оценку фильтрационных свойств углей рассчитывали на основании следующих параметров: средней скорости
фильтрации V , г/мин и начального градиента напора жид-
ср
кости АРн, мм вод. ст. Принималось во внимание, что интенсивное продвижение жидкости в слое угля начинается, когда градиент напора преодолеет начальный градиент АРн (рис. 3).
В данном методе косвенной оценки смачиваемости поверхности, основанном на просачивании жидкости сквозь слой непрессованного порошка, поры между частицами рассматриваются как система тонких капилляров. При этом капиллярное давление в слое определяется согласно уравнению Лапласа:
0
где AP - напорное давление жидкости; АР - гидравлическое сопротивление; стжг - межфазное натяжение на границе жидкость - газ; rp - средний радиус пор.
В случае гидрофобности поверхности частиц при отсутствии напорного давления жидкость не проникает в слой порошка до тех пор, пока не будет преодолено капиллярное сопротивление. В случае неньютоновских жидкостей, к которым относятся и высокоминерализованные растворы солей, содержащих ПАВ, возможно также сопротивление молекулярных сил жидкости, обусловленное нелинейным характером движения жидкости при низких скоростях. До начала просачивания жидкости AP = 0. Момент преодоления капиллярного сопротивления, обусловленного степенью гидрофобности материала порошка, определяет начальный градиент напора АРн (пороговое значение давления жидкости) (см. рис. 3). Если принять постоянными условия эксперимента (крупность частиц, равномерность засыпки и уплотнения, высоту слоя и т.д.), то можно считать AP ~ acos8, где а = const. Таким образом, начальный градиент напора АРн будет коррелировать со значением краевого угла смачивания 8.
После начала просачивания начинают одновременно действовать как капиллярное, так и гидравлическое сопротивление слоя (см. рис. 3). Гидравлическое сопротивление слоя порошка можно представить линейным законом Дарси, согласно которому скорость фильтрации уфильт прямо пропорциональна напорному давлению AP и обратно пропорциональна высоте слоя h, т.е. уфильт ~ Ь-(АР/И), где b = const. Поскольку в нашем случае напорное давление и высота смоченного слоя порошка растут симбатно, а движение жидкости можно рассматривать как установившееся, логично предположить линейную зависимость скорости поглощения жидкости слоем порошка от напорного давления. Наклон прямой в этой части, в свою очередь, будет определяться смачивающими свойствами поверхности материала.
Для получения воспроизводимых результатов повторяемость опытов составляла не менее пяти раз. Расхождение параллельных экспериментов при соблюдении постоянства параметров пробы не превышало 5-7% отн.
В качестве смачивающих жидкостей исследовали образцы минеральных растворов без ПАВ и содержащих ПАВ: под номерами 1 - без ПАВ, 2 - анионный ПАВ, 3 - неион-ногенный ПАВ и 4 - катионный ПАВ (образец № 6 от первого этапа). Плотности жидкостей находились в пределах от 1,282 до 1,285. Для сравнительных испытаний с фильтрованием и определением угла смачивания испытыва-
ли деионизированную бидистиллированную воду (образец под номером 0).
При расчете параметров фильтрации (скорость фильтрации, напорное давление жидкости) использовали нормирование в соответствии с удельным весом (плотностью) конкретных жидкостей.
ИК-спектры регистрировали на Фурье-спектрометре «Инфралюм-ФТ-08» (ООО «Люмекс», г. Санкт - Петербург) на приставке МНПВО в области 500-4000 см-1. Коррекцию базовой линии проводили в программе СпектраЛюм.
Для сравнительных исследований на следующем (данном) этапе работы в качестве угольных образцов использованы угли марок Б и А, условно представляющие собой начало и конец ряда метаморфизма углей и принципиально отличающиеся составом, структурой, текстурой, пористостью и др.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
СМАЧИВАЕМОСТИ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕЙ
Первичная химико-технологическая характеристика
исследуемых образцов углей
Образцы углей представлены пробами рядовых и класса ОМСШ (0-50 мм) технологических марок Б и А. Химико-технологическая характеристика усредненных угольных проб приведена в табл. 2.
Представленные в табл. 2 характеристики показывают принципиальное различие угольных образцов, обусловленное особенностями химического состава органического вещества углей. Сравнительный анализ ИК-спектров бурого угля и антрацита (рис. 4) демонстрирует существенно больший вклад гетероатомов кислорода в составе фе-нольных (3400, 1100 см-1), карбоксильных (3600, 2500-2700, 1710-1730, 1260 см-1) и карбонильных (1690 см-1) групп в структуру низкометаморфизованного угля. Для антрацита, как завершающего представителя метаморфического ряда ископаемых гумусового происхождения, характерно существенное увеличение доли ароматических фрагментов (3040, 1600, 700-900 см-1) при незначительном вкладе полярных кислородсодержащих групп (3400-3600, 25002700, 1710-1730, 1100-1300 см-1).
Результаты определения смачиваемости поверхности
исследуемых образцов углей
Бурый уголь (Б)
Результаты фильтрации испытуемых реагентов через слой частиц угля марки Б приведены на рис. 5 и в табл. 3.
Фильтрация воды через слой угля марки Б проходит в области низких давлений по прямолинейной зависимости, что указывает на хорошую смачиваемость поверхности угля водной полярной жидкостью. Однако при использовании в процессе фильтрации минеральных растворов с
Таблица 2
Химико-технологические свойства исследуемых образцов угля
The chemical and process properties of the investigated coal samples
Марка угля Влага W, % Зольность Ad, % Выход летучих веществ, Vdaf, % Удельная поверхность SBET, м2/г
Б 11,2 8,5 46,7 6,0
А 4,5 11,4 1,8 9,0
4000
3500
3000
-Волновое число 2500 2000
1500
1000
500
ш
i 0,1
ш
В
о
с
о
с
б
0,4
4000
3500
3000
Волновое число 2500 2000
1500
1000
500
Рис. 4. ИК-спектры исходных углей марок Б (а) и А (б), используемых для фильтрации ПАВ
Fig. 4. IR spectra of the run-of-mine coals of Grades B (а) and A (б) used for surfactant filtration
Плотность испытуемых жидкостей
Density of the fluids tested
Таблица 3
Показатель Номер реагента
0 1 2 3 4
р, г/см3 1,0 1,282 1,283 1,285 1,285
20
50
1
100
150
200 250 ДР, мм вод.ст.
Рис. 5. Результаты фильтрации испытуемых жидкостей через слой угля марки Б
Fig. 5. Results of filtering the liquids being tested through a layer of Grade B coal
плотностью, существенно превышающей плотность воды (см. табл. 3), и обладающих в некоторой степени неньютоновскими характеристиками при начальных низких скоростях течения, просачивание жидкостей начинает-
ся в области повышенного гидростатического давления в области 120-124 мм вод. ст. Процесс протекает двухстадий-но с делением на область действия капиллярных и неньютоновских сил и непосредственно гидравлического сопротивления слоя (см. рис. 5). Все образцы при этом ведут себя идентично и имеют близкие скорости фильтрации, несмотря на различные значения краевого угла смачивания ими поверхности бурого угля. При этом расположение кривых фильтрации относительно воды соответствует повышению их плотности (см. табл. 3) и антибатно их краевому углу смачивания (табл. 4, столбец 2).
Несоответствие показателей фильтрации воды и испытуемых реагентов можно объяснить влиянием на процесс фильтрации реологических свойств представленных жидкостей. Минеральные растворы имеют повышенную плотность относительно дистиллированной воды (см. табл. 3) и большую вязкость, что требует дополнительного давления для продвижения жидкости сквозь неподвижный угольный слой.
Смачиваемость поверхности бурого угля, характеризуемая краевым углом смачивания 8 для испытуемых образцов, располагается следующим образом: 1 > 2 > 0 (вода) > 4 ~ 3. Интересно, что угол наклона для 2-й области кривых, то есть средняя скорость фильтрации изменяется (уменьшается) несколько иначе 4 > 1 > 0 (вода) > 2 ~ 3, хотя значения остаются близкими. Микрофотографии, визуально демонстрирующие смачиваемость поверхности угля марки Б водой и реагентами, представлены на рис. 6.
Антрацит (А)
Антрацит отличается от менее метаморфизованного бурого угля одностадийным и стремительным течением процесса фильтрации. Высокая пористость угля (см. табл. 2) обеспечивает высокую скорость дренирования уже на начальной стадии фильтрации. Набор массы углем при дренировании в него жидкости имеет близкую к прямолинейной зависимость от градиента давления (рис. 7).
В условиях фильтрации через неподвижный слой антрацита лучшую фильтрационную активность по сравнению с дистиллированной водой проявляют жидкости № 3 и 4, причем образец № 4, имеющий в составе катионный ПАВ, показывает максимальную скорость фильтрации, практически в два раза более высокую по сравнению с водой или минеральным раствором без ПАВ, что в целом согласуется с показателями смачиваемости по краевому углу для этого угля (табл. 5). Образцы жидкостей № 1 (без ПАВ) и № 2 (АПАВ) имеют близкие фильтрационные показатели с дистиллированной водой, что также коррелирует с повышенными значениями краевого угла смачивания.
а
0
Таблица 4
Результаты определения смачиваемости поверхности угля марки Б различными жидкостями
Results of determining coal grade Б surface wettability with different liquids
Номер Краевой угол Начальный градиент Средняя скорость фильтрации vcp, г/мм вод.ст.
реагента смачивания 0, град. напора ДРн, мм вод.ст. vi ср & р
0 74 0 - 0,151
1 87 120 0,006 0,162
2 77 122 0,006 0,131
3 54 123 0,006 0,132
4 58 124 0,006 0,168
Рис. 6. Микрофотографии капель дистиллированной воды (а) и реагентов №1 (б), №2 (в), №3 (г) и № 4 (д) на поверхности шлифа бурого угля Fig. 6. Microphotographic images of the drops of distilled water (а) andreactants No. 1 (б), No. 2 (в), No. 3 (г) and No. 4 (д) on the surface of a brown coal thin section
20
s 10
50
100
150
200 250 300 AP, мм вод.ст.
Рис. 7. Результаты фильтрации испытуемых жидкостей через слой угля марки А
Fig. 7. Results of filtering the liquids being tested through a layer of Grade A coal
Лучшая смачивающая способность у реагентов №№ 3 (НПАВ), 4 (КПАВ) по сравнению с водой отражается на форме капель (рис. 8) и значениях краевого угла смачивания (см. табл. 5). Реагент № 1 (без ПАВ) имеет каплю шарообразной формы с углом смачивания в, близким к 90 градусам, что указывает на плохую смачиваемость поверхности
угля. Напротив, образцы № 3 (НПАВ) и № 4 (КПАВ) значительно легче растекаются по поверхности угля.
Как известно, ПАВ, кроме эффективного снижения межфазного натяжения и улучшения смачиваемости поверхностей, характеризуется еще и способностью частично сорбироваться на поверхности и, как следствие, «теряться» при движении по пористым средам. Это проблема наиболее значима для углей с развитой поверхностью, таких, в частности, как Антрацит. Изучению этого вопроса была посвящена еще одна часть работы.
С этой целью были проведены дополнительные опыты по фильтрационной способности реагента № 3, разбавленного водой в 2 и 10 раз. Таким образом, выбранная изначально концентрация ПАВ была уменьшена соответственно в 2 и 10 раз наряду с соответствующим снижением плотности и вязкости минеральных растворов. Полученные результаты приведены на рис. 9 и в табл. 6.
Представленные результаты показывают, что при разбавлении реагента № 4 фильтрационная активность жидкостей по сравнению с дистиллированной водой и концентрированным раствором возрастает, что отражается в повышении средней скорости фильтрации.
Однако кривые 1 и 2 (разбавленные рассолы) стали нелинейными с явным изгибом к концу процесса фильтрования (см. рис. 9), что свидетельствует о существенном снижении скорости фильтрации. Например, на кривой 1 на начальном этапе по точкам 1 и 2 видно, что за прирост
д
г
0
Таблица 5
Результаты определения смачиваемости поверхности угля марки А различными жидкостями
Results of determining coal grade A surface wettability with different liquids
Номер реагента Краевой угол смачивания 6, градус Начальный градиент напора ДРн, мм вод.ст. Средняя скорость фильтрации vcp, г/мм вод. ст.
0 70 0 0,043
1 86 0 0,045
2 72 0 0,033
3 59 0 0,081
4 46 0 0,087
Рис. 8. Микрофотографии капель дистиллированной воды (а) и реагентов №1 (б), №2 (в), №3 (г) и № 4 (д) на поверхности шлифа антрацита
Fig. 8. Microphotographic images of the drops of distilled water (а) and reactants No. 1 (б), No. 2 (в), No. 3 (г) and No. 4 (д) on the surface of an anthracite thin section
14 12 10 8 6 4 2 0
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I ] I I I Г
100 150 200
50
250
ДР, мм вод.ст.
Рис. 9. Результаты фильтрации через слой угля марки А
воды (0) и реагента №4 различной концентрации:
разбавление в 10 раз (1), в 2 раза (2), исходный (3)
Fig. 9. Results of filtering water (0) and Reactant No. 4 in different
concentrations through a layer of Grade A coal:
diluted by 10 times (1), by 2 times (2), initial concentration (3)
давления в 10 мм вод.ст. в толщу угля было закачано около 2 г рассола с ПАВ. Если возьмем две последние точки на этом же графике, то видно, что за тот же прирост давления в 10 мм вод. ст. было закачано только около 1 г рас-
сола. То есть скорость фильтрации, а значит, и эффективность смачивания упали практически в два раза.
По мнению авторов, такое изменение скорости фильтрации может быть связано с частичной сорбцией ПАВ на поверхности уже смоченного угля. Такие «потери» ПАВ могут привести к снижению эффективности смачивания по мере продвижения контактирующего с углем минерального раствора с постоянно убывающей концентрацией ПАВ.
При анализе рис. 7, где ПАВ присутствовало в минеральном растворе в первоначально выбранной, достаточно высокой концентрации, все графики практически линейны. Разумеется, и в этом случае идет сорбция ПАВ на угле, но эта доля по отношению к начальной концентрации ПАВ существенно меньше (незначительна), и поэтому графики остаются линейными - изгиба нет.
Таким образом, на основании экспериментов по фильтрации возможно выбрать минимально достаточную (или оптимальную) концентрацию ПАВ в солевом растворе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование смачивающих свойств минеральных растворов с добавками ПАВ на поверхности углей марок Б (бурый) и А (антрацит) с использованием взаимодополняющих методов определения смачиваемости угольной поверхности методом определения краевого угла смачивания и фильтрации через слой угольных частиц показало:
б
а
в
д
г
0
Таблица 6
Результаты определения смачиваемости поверхности угля марки А реагентом № 4 различной концентрации
Results of determining coal grade A surface wettability with Reactant No.4 in different concentrations
Концентрация реагента Краевой угол смачивания 0, градус Начальный градиент напора ДРн, мм вод. ст. Средняя скорость фильтрации vp, г/мм вод. ст.
0 (вода) 70 0 0,043
Разбавление в 10 раз 43 0 0,210
Разбавление в 2 раза 47 0 0,092
Исходный 59 0 0,081
- методом определения краевого угла смачивания 8 установлено, что для исследуемых образцов углей наилучшие смачивающие свойства проявляют минеральные растворы с добавкой неионногенного и катионного ПАВ;
- фильтрация представленных образцов минеральных растворов с ПАВ протекает хуже по отношению к дистиллированной воде для бурого угля, что обусловлено особенностями их строения и, как следствие, высокой естественной гидрофильностью бурого угля;
- для гидрофобной поверхности антрацита минеральные растворы с добавкой неионногенного и катионного ПАВ проявляют повышенную смачивающую и фильтрационную способность по отношению к воде вследствие отсутствия межмолекулярных взаимодействий между структурными фрагментами угля и компонентами ПАВ (как в случае бурого угля) и высокой пористости;
- при существенном снижении концентрации ПАВ (в 2 и 10 раз) в минеральном растворе на эффективность смачивания начинает сказываться сорбция ПАВа на поверхности угля, что приводит к ухудшению смачиваемости угля и, как следствие, к замедлению фильтрации по мере, закачки минерального раствора.
Список литературы • References
1. Laskowski J.S. Coal flotation and fine coal utilization. Amsterdam, Elsevier, 2001, 368 p.
2. Саранчук В.И. Окисление и самовозгорание угля. Киев: Наукова думка, 1982. 166 с.
3. Van Krevelen Dirk W. Coal: typology, physics, chemistry, constitution. Amsterdam, Elsevier, 1993, 979 p.
4. Murata T. Wettability of coal estimated from the contact angle. Fuel. 1981;60(8):744-746.
5. Пат. № 2457464 РФ: МПК G 01 N 24/08. Способ определения смачиваемости порошковых материалов / В.А. Архипов, Д.Ю. Палеев, В.Ф. Трофимов, А.С. Усанина; заявл. 28.02.2011 ; опубл. 27.07.2012. Бюл. № 21.
6. Drelich Ja., Laskowski Ja.S., Pawlik M., Veeramasuneni S. Preparation of a coal surface for contact angle measurements. Journal of Adhesion Science and Technology. 1997;11(11):1399-1431.
7. Методические особенности определения смачиваемости угольной поверхности / Ю.Ф. Патраков, С.А. Семенова, Ю.А. Харлам-пенкова и др. // Кокс и химия. 2019. № 12. С. 2-6. DOI: 10.3103/ S1068364X19120081.
Patrakov Yu.F., Semenova S.A., Kharlampenkova Yu.A., Sozinov S.A. Determining the wettability of coal surfaces. Koks i khimiya. 2019;(12):2-6. (In Russ.). DOI: 10.3103/S1068364X19120081.
8. Патраков Ю.Ф., Семенова С.А., Яркова А.В. Исследование смачиваемости угольной поверхности фильтрацией жидкости через
пористый слой // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 5. С. 28-35. DOI: 10.26896/1028-6861-202389-5-28-35.
Patrakov Yu.F., Semenova S.A., Yarkova A.V. Research of the coal surface wettability by filtering the liquid through a porous layer. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2023;89(5):28-35. (In Russ.). DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-5-28-35.
9. Исследование влияния степени метаморфизма и физико-химических свойств добываемых углей на смачиваемость образующейся пыли / Г.И. Коршунов, А.В. Корнев, А.Х. Ерзин и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № S6. С. 3-10.
Korshunov G.I., Kornev A.V., Erzin A.Kh., Safina A.M. The research of influence the metamorphism intensity and physical-chemical properties of coal on dust wettability. Gornyj informatsionno-analiticheskij byulleten'. 2015; (S6):3-10. (In Russ.).
10. Xu Ch., Wang D., Wang H. et al. Effects of chemical properties of coal dust on its wettability. Powder Technology. 2017;(318):33-39. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.05.02.
11. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия, 1974. 416 с.
Authors Information
Shipilov A.I. - PhD (Chemical), Scientific Supervisor
for the development of salt systems and acid compositions,
Department for Development and Implementation
of New Projects, Zirax Ltd, Perm', 614034, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
Patrakov Yu.F. - Doctor of Chemical Sciences, Professor,
Chief Research Associate, Head of the Laboratory for Scientific
Basis of Coal Preparation Technologies, Federal Research Center
of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian
Academy of Sciences, Kemerovo, 650065, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
Merkushov S.G. - Head of the Department for Development and Implementation of New Projects, Zirax Ltd, Volgograd, 404171, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Semenova S.A. - PhD (Chemical), Leading Researcher of the Laboratory for Scientific Basis of Coal Preparation Technologies, Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected]
Информация о статье
Поступила в редакцию: 5.09.2024 Поступила после рецензирования: 17.01.2025 Принята к публикации: 27.01.2025
Paper info
Received September 5,2024 Reviewed January 17,2025 Accepted January27,2025
