CC BY
147
Химическая технология
101
УДК 532.64
А.С. Усанина, В.А. Архипов, Д.Ю. Палеев, Ю.Ф. Патраков
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА УГЛЕЙ НА СМАЧИВАЕМОСТЬ ИХ ПОВЕРХНОСТИ
Смачиваемость угля играет важную роль и является одним из показателей, определяющих эффективность таких процессов, как отделение минералов от пустых пород в процессе флотации при обогащении угля [1], нейтрализация угольной пыли в шахтах путем орошения жидкостью [2]. Эффективность данных технологических процессов определяется гидрофобностью или гидрофильно-стью частиц угля.
Основной характеристикой смачиваемости плоской поверхности твердого тела жидкостью является краевой угол в [3], который отсчитывает-
ся от касательной к свободной поверхности жидкости, проведенной в точке раздела трех фаз (жидкой, газообразной, твердой), в сторону жидкости.
В настоящей работе представлены результаты экспериментального исследования смачиваемости угольной поверхности дистиллированной водой по измерениям краевого угла.
Для экспериментов были отобраны пробы бурых и каменных углей месторождений Хакасии, Тувы, Монголии и Кузбасса (табл. 1)
В данной работе использован экспериментальный метод оценки смачиваемости угольной поверхности, приготовленной путем прессования угольного порошка в таблетки цилиндрической формы [4]. При этом проблема просачивания жидкости через поверхность решается подбором давления прессования таблетки. Давление прессования в экспериментах варьировалось в диапазоне /=400ь1000 МПа. Эксперименты показали, что выбор давления прессования брикета не менее 400 МПа позволяет существенно снизить пористость
образца, получить плоскую рабочую поверхность, исключить просачивание жидкости в образец и получить стабильную каплю на плоской поверхности.
Все исследуемые образцы угля измельчались в порошок и просеивались через сито до получения частиц порошка с диаметром ё не более 100 мкм.
С помощью капилляра на прессованный брикет угольного порошка помещается капля исследуемой жидкости. Равновесная форма и краевой угол капли регистрируется с помощью скоростной видеокамеры. Скоростная видеосъемка использу-
ется для того, чтобы определить момент установления равновесной формы капли и начало физикохимических процессов на границе трехфазного контакта, которые приводят к смене фаз и, следовательно, к изменению величины краевого угла смачивания [5]. Во всех экспериментах использовали капли дистиллированной воды одинакового диаметра Б=3 мм.
Значение краевого угла определялось по наклону касательной, проведенной в точке контакта трех фаз, при помощи программы ImageJ. Полученные в настоящей работе значения краевого угла в с доверительным интервалом для исследуемых образцов угля приведены в таблице 2. Относительная погрешность определения краевого угла, обусловленная разбросом результатов 8-ь 10 дублирующих опытов, не превышала 6% при значении доверительной вероятности а =0.95. Для образцов А1 и А2 большое значение относительной погрешности 5 в объясняется высоким содержанием кислородных групп в угле (см. табл. 2). Для данных образцов наблюдался процесс разру-
Таблица 1. Характеристика образцов углей
Образец Влажность, Зольность, Углерод Водород Н, % О+№Я,
% % С, % на daf на daf % на daf
Бурый 1Б 4.2 7.1 65.6 4.0 30.4
Бурый 3Б 1.4 4.6 74.2 4.6 21.2
Длиннопламенный Д 4.4 38.8 76.9 4.0 19.1
Газовый Г 4.6 18.4 82.9 4.1 13.0
Жирный Ж 0.8 4.5 84.9 5.9 9.2
Коксовый КС 1.6 10.7 90.1 4.6 5.3
Таблица 2. Значения краевого угла смачивания для исследуемых образцов угля
Образец Бурый 1Б Бурый 3Б Длиннопламенный Д Газовый Г Жирный Ж Коксовый КС
0 градус 53±10 61±7 67±3 60±3 90.14±0.35 87.2±2.2
ъв, % 19 11 4.2 5 0.4 2.5
в, % 0.7 6.2 10.8 16 13 7.8
Ю2
А.С. Усанина, В.А. Архипов, Д.Ю. Палеев, Ю.Ф. Патраков
шения угольной поверхности (вспучивание) при соприкосновении с жидкой фазой, что приводило к увеличению погрешности определения равновесной формы и, следовательно, краевого угла капли в.
В табл. 2 также приведены результаты измерения пористости прессованных образцов (е) углей для давления прессования /=1000 МПа
Проанализирована зависимость краевого угла смачивания от химических свойств угольной по-
а)
поверхность будет гидрофобной при большом содержании углерода и водорода в образце (рис. 1, 2) и значение краевого угла, в этом случае, будет возрастать. Полученные зависимости хорошо коррелируют с литературными данными для углей из других месторождений [6, 7].
Таким образом, в работе представлены результаты определения краевого угла смачивания угольной поверхности для 6-ти типов углей разных месторождений. Показано, что свойства угольной поверхности в сильной степени влияют
б)
в)
Рис. 1. Зависимость краевого угла от процентного содержания: а - углерода; б - водорода; в - суммы элементов 0+Ы+8
верхности. На рис. 1 приведены зависимости краевого угла от процентного содержания в образце углерода С, водорода Н и суммы элементов □+N+8. Из приведенных данных видно, что существует линейная зависимость между углом смачивания и свойствами угольной поверхности. При большом процентном содержании □+N+8 поверхность становится гидрофильной, что приводит к уменьшению краевого угла (рис. 3). Наоборот,
на величину краевого угла смачивания в. В частности, величина краевого угла возрастает примерно на 30 градусов при увеличении содержания углерода в угле на 20 %, а водорода на 2 %. Присутствие в образце угля кислородных групп (□+N+8^0 %) приводит к значительному уменьшению значения в.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамов А.А. Флотационные методы обогащения. - М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2008. - 3-е издание. - 710 с.
2. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. - М.: Стройиздат, 1981. - 296 с.
3. Де Жен П.Ж. Смачивание: статика и динамика // Успехи физических наук, 1987. - Т. 151. - Выпуск 4. - С. 619-678.
4. Заявка на патент РФ № 2011107818 от 28.02.2011 «Способ определения смачиваемости порошковых материалов» / Архипов В.А., Палеев Д.Ю., Трофимов В.Ф., Усанина А.С.
5. Архипов В.А., Усанина А.С. Исследование характеристик растекания капли при малых числах Вебера // Инженерная физика, 2010. - № 5. - С. 38-42.
6. Drelich J., Laskowski J.S., Pawlik. Improved Sample Preparation and Surface Analysis Methodology for Contact Angle Measurements on Coal (Heterogeneous) Surfaces // Coal Preparation, 2000. - Vol. 21. - P. 247275.
7. Toshiaki Murata. Wettability of coal estimated from the contact angle // Fuel, 1981. - Vol. 60. - P. 744746.
□ Авторы статьи:
Усанина Анна Сергеевна
- аспирант ТГУ E-mail: [email protected]
Архипов Владимир Афанасьевич
- докт. физ.-мат. наук, профессор, зав. отделом НИИ прикладной математики и механики при ТГУ. E-mail: [email protected]
Палеев Дмитрий Юрьевич
- докт. техн. наук, вед. научн. сотр. Института угля СО РАН Е-таД: [email protected]
Патраков Юрий Фёдорович
- докт. хим. наук, доцент, вед. научн. сотр. Института угля СО РАН Е-mail: [email protected]
