Для достижения стратегических целей, предусмотренных в «Долгосрочной программе развития угольной отрасли на период до 2030 г.», необходимо увеличение объемов добычи угля [4]. Однако данное обстоятельство приводит к тому, что в добычу вовлекаются высокозольные, высокосернистые и низкометаморфизованные угли, что существенно снижает качество получаемых угольных концентратов. Помимо этого наряду с традиционно нормируемыми показателями качества все большее значение приобретает показатель сернистости углей. Это обусловлено тем, что использование высокосернистых углей в промышленности приводит к коррозии и преждевременному изнашиванию технологического оборудования, к снижению качества продукции металлургического производства, а также к ухудшению экологической обстановки в районах углепользования. В связи с этим одной из актуальных задач, стоящих перед угольной промышленностью, является повышение эффективности и селективности процессов обогащения. В настоящее время наиболее эффективным способом обогащения угольных шламов является пенная флотация [8].
Одним из наиболее рациональных и экономичных способов решения этой задачи является разработка реагентных режимов флотации углей с использованием реагентов – модификаторов, позволяющих увеличить различие в гидратированности поверхности угля и минеральных частиц [1, 3, 6].
Объектами исследования являлись газовые угли Кузнецкого и Донецкого бассейнов. Данные угли характеризуются низкой естественной флотируемостью (выход концентрата составляет 3,11 % и 3,32 % соответственно), обусловленной высокой скоростью и интенсивностью взаимодействия угольной поверхности с молекулами воды. Изучение физико-химических свойств этих углей позволило предположить, что подобное взаимодействие углей с водой может являться следствием высокой энергетической ненасыщенности поверхности исследуемых углей, которая обусловлена наличием микротрещин, крупных пор, кислородсодержащих групп и минеральных примесей [1].
Исследования последних лет свидетельствуют о целесообразности модифицирования энергетически ненасыщенной поверхности углей неорганическими солями для повышения селективности флотации. В связи с этим было изучено влияние сульфатов алюминия, железа и магния на физико-химические и флотационные свойства газовых углей.
Данные соли являются доступными химическими соединениями, обладающими хорошей растворимостью в воде, достаточной для варьирования их концентрации во флотационной пульпе. Помимо этого, в водной среде они способны к диссоциации и к гидролизу, следовательно, в период агитации процесса флотации могут образовываться катионы и анионы солей [5].
Исследование влияния неорганических солей на качественно-количественные показатели флотации донецких газовых углей проводились методом пенной флотации при расходе солей от 0,050 до 0,250 кг/т и расходе ВКП (кубового остатка ректификации продуктов синтеза 2-этилгексанола по методу оксосинтеза) 0,990 кг/т.
Рис. 1. Зависимость выхода концентрата (1–3) и зольности концентрата (4–6) при флотации кузнецких газовых углей от концентрации сульфата магния (1, 4), сульфата алюминия (2, 5), сульфата железа (3, 6)
Рис. 2. Зависимость выхода концентрата (1–3) и зольности концентрата (4–6) при флотации донецких газовых углей от концентрации сульфата магния (1, 4), сульфата алюминия (2, 5), сульфата железа (3, 6)
Результаты флотации газовых углей с применением в качестве реагентов-модификаторов неорганических серосодержащих солей
|
Реагенты |
Концентрат |
Извлечение в отходы, % |
|||||
|
Выход, % |
Зольность, % |
Извлечение горючей массы, % |
минерального вещества |
общей серы |
пиритной серы |
||
|
Кузнецкий бассейн |
|||||||
|
ВКП |
81,36 |
9,11 |
89,68 |
57,75 |
19,57 |
29,72 |
|
|
Al2(SO4)3, ВКП |
83,39 |
8,83 |
92,23 |
58,09 |
20,96 |
30,74 |
|
|
Fe2(SO4)3, ВКП |
83,87 |
8,59 |
93,02 |
59,01 |
23,93 |
36,04 |
|
|
MgSO4, ВКП |
83,21 |
8,67 |
92,17 |
58,89 |
27,09 |
39,98 |
|
|
Донецкий бассейн |
|||||||
|
ВКП |
77,38 |
8,02 |
90,46 |
70,89 |
24,72 |
35,49 |
|
|
Al2(SO4)3, ВКП |
79,16 |
7,83 |
92,74 |
70,94 |
25,28 |
36,41 |
|
|
Fe2(SO4)3, ВКП |
79,57 |
7,62 |
93,46 |
71,61 |
29,62 |
43,27 |
|
|
MgSO4, ВКП |
78,97 |
7,73 |
92,63 |
71,40 |
32,61 |
46,98 |
|
Примечание. Расход реагента ВКП составляет 0,990 кг/т, а реагентов-модификаторов – 0,200 кг/т.
Применение данных сульфатов при флотации кузнецких и донецких газовых углей приводит к увеличению выхода концентрата по сравнению с индивидуальным применением реагента ВКП. Так, при увеличении расхода сульфатов магния, алюминия и железа до 0,200 кг/т наблюдается максимальное увеличение выхода концентрата (рис. 1, 2).
Помимо этого, использование сульфатов позволяет улучшить селективность флотационного процесса. Применение указанных солей в качестве реагентов-модификаторов при флотации газовых углей позволяет в зависимости от расхода солей снизить зольность концентрата на 0,3–0,7 %.
Повышение селективности процесса флотации при использовании неорганических солей происходит, по-видимому, за счет обменной адсорбции находящихся в растворе катионов с катионами, присутствующими на поверхности глинистых частиц, что изменяет ее электрические свойства, способствует коагуляции глинистых частиц и обусловливает частичную их депрессию [10].
В связи с этим возникла необходимость более детального изучения качественных показателей флотации, позволяющих оценить депрессирующее действие исследуемых неорганических солей по отношению к серосодержащим примесям углей, которое показало, что изучаемые в настоящей работе соли способствуют снижению содержания общей и пиритной серы в концентрате (таблица).
Для исследования механизма взаимодействия сульфатов алюминия, железа и магния с поверхностью пиритизированных частиц углей исследовано влияние указанных солей на энергетическое состояние поверхности пирита. Изучение влияния сульфатов алюминия, железа и магния на электродный потенциал поверхности пирита свидетельствует о его возрастании в присутствии данных солей, при этом максимальное изменение φ-потенциала составляет 11 мВ → 65 мВ → 169 мВ соответственно [7, 9].
Увеличение φ-потенциала вызывает гидрофилизацию поверхности пирита, что подтверждается данными измерения краевых углов смачивания пирита в присутствии данных солей. Так, применение сульфатов алюминия, железа и магния приводит к уменьшению краевых углов смачивания пирита на 1,16 ° → 4,39 ° → 6,90 ° [1, 2].
Повышение гидратированности поверхности пирита обусловлено адсорбцией на отрицательных сорбционных центрах его поверхности, представленных анионами серы, аквакомплексов катионов исследуемых солей, которая приводит к образованию водородных связей между молекулами воды гидратного слоя поверхности пирита и координированными молекулами воды аквакомплексов, что обеспечивает депрессию пиритсодержащих примесей углей при флотации.
Таким образом, анализ результатов исследования влияния неорганических серосодержащих солей на флотацию газовых углей свидетельствует о целесообразности их использования в качестве реагентов – модификаторов, позволяющих повысить селективность процесса флотации углей.