CC BY
205
Б. С. Жирнов (д.т.н., проф., зав. каф.), А. А. Хайбуллин (к.т.н., доц.),
П. А. Сычков (магистрант), Д. Ф. Кулембетов (студ.), М. А. Тагиров (студ.)
Кинетика извлечения гуминовых кислот из бурого угля Тюльганского месторождения
Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г Салавате, кафедра химико-технологических процессов 453250, г. Салават, ул. Губкина, 67, тел. (34763) 3-54-80, e-mail: [email protected], [email protected],
B. S. Zhyrnov, A. A. Khajbullin, P. A. Sychkov, D. F. Kulembetov, M. A. Tagirov
Kinetics of extraction of humin acids from brown coal from Tulganskoe deposit
Salavat branch of Ufa State Petroleum Technological University 67, Gubkina Str., Salavat, Russia, ph. (34763) 3-54-80, e-mail: [email protected], [email protected],
В работе представлены результаты исследования кинетики извлечения гуминовых кислот из бурого угля Тюльганского месторождения Южно-Уральского бассейна. Определена зависимость степени извлечения гуминовых кислот от различных факторов проведения процесса экстракции: размера частиц угля, концентрации раствора экстрагента, соотношения раствора щелочи к углю.
Ключевые слова: бурый уголь; влияние температуры; дисперсность угля; получение гуминовых кислот; экстракция.
Большие запасы бурых углей в нашей стране открывают возможность широкого их использования не только в топливных, но и других направлениях. Среди перспективных направлений переработки бурых углей в этом аспекте важное место занимает получение гуминовых веществ, имеющих широкий спектр применения 13.
Содержание гуминовых кислот (ГК) в бурых углях меняется в широких пределах в зависимости от условий их залегания и других факторов. В связи с этим бурые угли различных бассейнов и месторождений естественно различаются по содержанию и составу ГК в них. Наиболее важным в аспекте использования в качестве сырья для производства гуми-новых кислот являются бурые угли Подмосковного, Южно-Уральского, Канско-Ачинско-го бассейна, месторождения Среднего Урала и Дальнего Востока 4,5.
Бурые угли Тюльганского месторождения Южно-Уральского бассейна являются одним из перспективных источников для получения ГК.
Дата поступления 20.04.09
In work results of research of kinetics of extraction of humic acids from brown coal from Tulganskoe deposit of the South-Ural pool are presented. Dependence of a degree of extraction of humic acids from various factors of extraction process is certain. It is the size of particles of coal, concentration of extractant solution, ratio of solution of alkali to coal.
Key words: brown coal; influence of
temperature; dispersity of coal; reception of humic acids; extraction.
В настоящее время существует множество способов выделения ГК из бурых углей: обработка твердого угля твердой щелочью с последующим растворением в воде; обработка твердого угля водным раствором гидроксида натрия, калия или аммония; окисление угля смесью водных растворов минеральной и органической кислот; электрохимические способы выделения ГК. Ни один из них не позволяет получить достаточно высокий выход ГК однократной экстракцией6.
Постановка на промышленную основу процессов извлечения и применения ГК из бурых углей требует достаточно четких представлений о кинетике процессов извлечения различными экстрагентами 7.
Цель данной работы — изучение кинетики извлечения ГК из бурого угля и зависимость ее от условий протекания процесса.
В качестве объекта исследования применялся бурый уголь Тюльганского месторождения Южно — Уральского бассейна, характеристика которого представлена в табл. 1.
Таблица 1
Характеристика бурого угля Тюльганского месторождения Южно-Уральского бассейна
Показатель Значение
Влага общая, % Wtг 55.2
Максимальная влагоемкость, % Wmax 37.2
Влага аналитическая, % Wa 6.8
Зольность, % Ad 27.9
Выход летучих веществ, % Vdaf 65.2
Характер нелетучего остатка Брикет
Определение содержания свободных ГК
Для определения содержания свободных ГК в исследуемом образце угля проводили экстракцию 1% раствором №ОН согласно ГОСТ 9517-94. По результатам эксперимента выход свободных ГК из данного образца бурого угля составил 60,3% в пересчете на сухую массу угля.
Методика изучения кинетики извлечения ГК
При исследовании кинетики извлечения ГК экстракцию проводили путем перемешивания измельченного угля в растворе экстрагента в стеклянной колбе объемом 500 мл, оборудованной лопастной мешалкой, приводимой в движение электродвигателем. Перемешивание производили непрерывно с отбором проб раствора через определенные промежутки времени. Отобранные пробы затем центрифугировали при 210 об/с, декантировали. Полученный после разделения раствор осаждали соляной кислотой, полученный осадок фильтровали через предварительно высушенный и взвешенный беззольный фильтр. Осадок на фильтре промывали дистиллированной водой. Фильтр с осажденными ГК высушивали в сушильном шкафу при температуре 90±5 оС до постоянной массы. Определяли массу осажденных на фильтре ГК, по которой вычисляли их выход из угля к моменту отбора пробы.
Экстракцию ГК проводили 2% раствором гидроксида натрия, при соотношении раствора щелочи к углю 11,4:1. При извлечении ГК при 20 оС в течение 2 ч, максимальный выход из угля с размером частиц менее 1 мм достигается уже в первые 20 мин экстракции. Поэтому было произведено извлечение с отбором и анализом проб через каждые 3 мин. Выход ГК практически достигал равновесия уже после первых 3 минут экстракции, при этом выход составлял 23% на сухой уголь.
При извлечении ГК из угля с размером частиц 1—2, 2—5 и 5—10 мм при температурах 20, 40, 60 оС при прочих равных условиях (концентрация, раствора, соотношение раствора щелочи к углю) были получены результаты,
показывающие, что с увеличением температуры скорость выделения ГК увеличивается, следовательно, процесс извлечения подчиняется закону формальной кинетики (рис. 1). Как видно из табл. 2, скорость извлечения также зависит и от размера частиц угля, значит, процесс извлечения лимитируется диффузионным процессом.
Таблица 2
Зависимость выхода гуминовых кислот от температуры и размера частиц угля при времени экстрагирования 12 минут
Температура извлечения, оС Выход ГК на сухой уголь, доли масс.
частицы 1-2 мм частицы 2-5 мм частицы 5-10 мм
20 0.2414 0.1986 0.1683
40 0.2494 0.2424 0.1976
60 0.3576 0.3581 0.2550
В результате математической обработки экспериментальных данных изучения кинетики извлечения было установлено, что процесс извлечения гуминовых кислот описывается следующим уравнением:
А ■
у = ■
1+
0,5
где А — коэффициент, равный выходу гуминовых кислот в момент достижении равновесия;
1 — время экстракции, мин;
х0 — коэффициент зависящий от температуры:
Хп = а ■ Т + Ь
где
Т — температура проведения экстракции, К;
а, Ь — коэффициенты определяемые по уравнениям:
а = -0,1659 • Ьи(йср ) - 0,0634; Ь = 57,9082 • Ln(dcр ) + 20,6063;
где Л ср — средний диаметр частиц угля (опреде-
ляется как средняя геометрическая величина размера частиц), мм.
Замена отношения
V *о У
на Z и подстановка
значений коэффициентов, приводит к следующему выражению:
0,3918 • Z05
У = 1 + Z °’5 '
Зависимость выхода ГК от приведенного параметра представлена на рис. 2. Из рисунка видно, что результаты расчета по уравнению 5
§
0,35
0,3
о
и
о
х
о
л
И
«
1-ч
ч
Й
3
т
Й 0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
А ь ь к к
1 ^ -
/ i к я — 1
► ♦ темпе 0 2 а р ту а р ?С
■ температура 40 ?С ▲ ЙП 9Г
3
6
9
12 15 18 21
Время экстрагирования, мин Рис. 1. — Зависимость выхода гуминовыж кислот от времени экстрагирования для фракции 2—5 мм (точки -экспериментальные данные, сплошная линия — рассчитанные по уравнению 1).
Приведенный параметр Ъ
Рис. 2. — График зависимости вьжода ГК от приведенного параметра X (точки — экспериментальные данные, сплошная линия — рассчитанные по уравнению 3).
Концентрация NaOH, %
Рис. 3. — График зависимости въхода гуминовъх кислот от концентрации щелочи при времени экстрагирования 30 мин, при 40оС, для фракции 2—5 мм.
хорошо совпадают с экспериментальными данными, следовательно, данное уравнение адекватно описывает процесс экстракции.
Нами также была исследована зависимость выхода ГК от концентрации раствора гидроксида натрия. Исходя из результатов исследований, представленных на рис. 3, выход ГК в значительной мере зависит от концентрации экстрагента, и достигает максимума при концентрации раствора 6%.
При исследовании влияния соотношения раствора щелочи к углю нами были получены данные при экстракции фракции угля 2—5 мм, при 40 оС, в течение 30 мин. Данные представлены в табл. 3.
Таблица 3
Зависимость выхода ГК от соотношения 3%-ного раствора щелочи к углю для размера частиц угля 2-5 мм при 40оС
Соотношение щелочи к углю 2.8 3.8 5.7 11.2
Выход ГК на сухой уголь, доли мас. 0.26 0.31 0.32 0.31
Полученные результаты показывают, что оптимальным соотношением раствора щелочи к углю при извлечении ГК из угля Тюльганс-кого месторождения является соотношение 4:1. Уменьшение данного соотношения приводит к снижению выхода ГК, а также к трудностям аппаратурного оформления, так как уве-
личивается вязкость раствора при проведении процесса экстракции, а также затрудняется центрифугирование.
Проведенные исследования кинетики извлечения ГК раствором гидроксида натрия позволили получить зависимость выхода ГК от размера частиц угля и температуры. Экспериментально определены оптимальные значения концентрации раствора гидроксида натрия, и соотношения раствора щелочи к углю.
Литература
1. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации.— М.: Изд-во МГУ, 1991.- 324 с.
2. Жеребцов С.И., Лозбин В.И., Полубенцева М.Ф. // Химия твердого топлива.- 2003.-№2.- С. 8.
3. Михеев В. А., Петрова Г. И., Бычев М. И., Трансформация бурых углей в гуминовые вещества при тепловом воздействии.- Якутск, 2002.- 352 с.
4. Humic acid. http://foliarfert.com/pages/ humic_acid.htm.
5. Александров И.В. // Химия твердого топлива.- 1992.- № 6.- С. 70.
6. Александров И.В., Мочалов В.Ю. // Химия твердого топлива. - 1993. - № 5. - С. 25.
7. Саранчук В.И., Бутузова Л.Ф., Буравцова О.А. // Химия твердого топлива. - 1991. — №1.- С. 91.
