Вплив лігносульфонатів на колоїдно-хімічні та реологічні властивості шламовугільних суспензій

Встановлено, що структура шламовугільних суспензій здатна самовільно відновлюватися з часом після її руйнування в результаті механічної дії. При механічній дії розриваються контакти між частинками дисперсної фази, а при знятті навантаження, завдяки рухливості дисперсійного середовища і броунівському руху частинок дисперсної фази, ці контакти відновлюються. Відновлення структур після їх руйнування під дією механічного впливу властиве тиксотропним системам.

Тиксотропію досліджуваних систем виявляли по зменшенню в'язкості з часом при накладанні механічної дії і поступовому рості в'язкості після зняття навантаження. Встановлено, що для шламовугільних гідросуспензій, які володіють вираженою тиксотропією, крива текучості, що отримана при поступовому збільшенні напруги зсуву, тобто поступовому руйнуванні структури, не співпадає з кривою текучості, що отримана при поступовому знятті навантаження.

При механоактивації вугільних шламів у водному середовищі на поверхні частинок твердої фази утворюється адсорбційний шар хімічної добавки, який запобігає агрегації вугільних дисперсій.

Ефективність розріджуючої та стабілізуючої дії лігносульфонатів значною мірою визначається широким діапазоном їх молекулярної маси та вмістом функціональних груп. Досліджено вплив молекулярної маси лігносульфонату натрію на реологічні параметри висококонцентрованих гідросуспензій на основі відходів вугілля марки «Г» (Аd = 42,0 %)

Вивчення кінетики в'язкості у присутності відокремлених фракцій лігносульфонату натрію показало, що низькомолекулярна фракція лігносульфонатів (до 5 000 а.о.м.) здійснює найкращий розріджувальний вплив на гідросуспензії. Шламовугільним системам з високомолекулярною фракцією лігносульфонату натрію (> 50 000 а.о.м.) притаманна висока початкова напруга зсуву, що зменшує їх текучість

В той же час наявність цієї фракції у складі ЛСТ приводить до стабілізації системи і підвищує її седиментаційну стійкість в статичних та динамічних умовах. Широкий спектр розподілу за молекулярною масою робить лігносульфонати універсальною добавкою - вона має хорошу розріджуючу та стабілізуючу здатність по відношенню до суспензій на основі вугільних відходів.

При безпосередньому спалюванні висококонцентрованого шламовугільного палива в енергоустановках спостерігається зміна температурного режиму, тому було досліджено вплив температури на реологічні властивості шламовугільних гідросуспензій. Проведено дослідження в'язкості суспензій з концентрацією дисперсної фази 61, 63 і 65 % у температурному діапазоні 25 - 70 0С. Встановлено, що при підвищенні температури відбувається зниження в'язкості систем, одержаних на основі різних вугільних шламів. При цьому значення реологічних параметрів змінюються не суттєво і характер текучості залишається в'язкопластичним.

Досліджено процеси структуроутворення у гідродисперсіях вугільних відходів з добавкою магнійбісульфітного щолоку

Проаналізовано особ-ливості формування сорбційних шарів із складових магній-бісульфітного щолоку - сульфосахаридів та сульфолігніну - на поверхні органічної та мінеральної складової вугільного шламу марки «Г» (Аd = 51,2 %), а також взаємодія цих сорбційних шарів між собою, яка забезпечує системі низьку в'язкість і седиментаційну стійкість.

Встановлено, що завдяки здатності магнію утворювати зв'язок між окремими сегментами молекул сульфолігніну та гідроксилами мінеральної поверхні у дисперсійному середовищі формується тиксотропна структура, яка забезпечує текучість та стабільність суспензій у часі - до 30 діб. Структуроутворення в системі «високодисперсний вугільний шлам - MgБСЩ - вода» підтверджується особливістю структури - здатністю її до самовідновлення після припинення дії напруги зсуву.

Для дослідження ефективності MgБСЩ готували суспензії окремо з органічної та мінеральної складової вугільних шламів. Для порівняння як хімічну добавку використовували також суміш полісахаридів, виділених з МgБСЩ. Встановлено, що розріджувальні властивості в складі MgБСЩ в першу чергу проявляють полісахариди.

Але по відношенню до шламовугільної гідросуспензії це унікальна комплексна добавка, яка здатна утворювати рухому просторову структуру. Ефективність MgБСЩ як розріджуючої і стабілізуючої добавки до шламовугільної гідросуспензії, зумовлена особливістю взаємодії мінеральних та органічних частинок з сульфолігніном та сахаридами. На відміну від лігносульфонату натрію MgБСЩ проявляє найефективнішу розріджуючу здатність при концентрації 3 %

На основі проведених досліджень реологічних властивостей гідросуспензій з вугільних шламів і магнійбісульфітного щолоку та уявлень про особливості структуроутворення було запропоновано склад гідросуспензії, що містить вуглевмісну тверду фазу - 75 %, магнійбісульфітний щолок - 3 % від твердої фази і воду (одержано патент України).

Визначено теплові ефекти спалювання зразків вихідного шламу, сухого шламу і шламовугільних суспензій. Результати дослідно-промислових випробувань підтвердили ефективність досліджуваних гідросуспензій: високу текучість, стійкість та повноту вигорання.

Висновки

1. У дисертації встановлено закономірності колоїдно-хімічних процесів, що відбуваються у висококонцентрованих шламовугільних дисперсних системах під впливом лігносульфонатів. Вперше досліджено реологічну поведінку гідросуспензій на основі складних полікомпонентних вугільних шламів з високим вмістом мінеральної складової - 20 - 50 % (мас.) та лігносульфонатів різного типу. Показано, що ці системи є тиксотропними та мають в'язкопластичний тип текучості.

2. Показано особливості процесу структуроутворення у гідродисперсіях вугільних шламів з добавкою магнійбісульфітного щолоку і встановлено, що завдяки здатності магнію утворювати зв'язок між окремими сегментами молекул сульфолігніну та гідроксилами мінеральної поверхні у дисперсійному середовищі формується тиксотропна структура, яка забезпечує високу текучість та стабільність суспензій у часі - до 30 діб.

3. За результатами досліджень електрокінетичних та адсорбційних процесів встановлено, що найефективнішими розріджувачами та стабілізаторами шламовугільних суспензій є лігносульфонат натрію при концентрації 1 % (мас.) у лужному середовищі та магнійбісульфітний щолок при концентрації 3 % (мас.).

4. Встановлено, що для виготовлення висококонцентрованих гідросуспензій при використанні високозольних вугільних шламів із підвищеним вмістом кварцу у мінеральній складовій необхідно застосовувати двостадійний режим механоактивації, а для високозольних шламів з глинистою мінеральною складовою - одностадійний режим.

5. Вперше досягнуто вміст твердої фази шламовугільних гідросуспензій з магнійбісульфітним щолоком - 75 % (мас.), з лігносульфонатом натрію - 68 % (мас.) при збереженні ними текучості та седиментаційної стійкості. Ці системи успішно пройшли випробування як паливо на ЗАТ «АНА-ТЕМС», м. Дніпропетровськ. Склад гідросуспензії захищено патентом України.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Борук С.Д. Визначення оптимальних умов помелу шламів вугле-збагачувальних фабрик з метою отримання на їх основі висококонцентрованих водовугільних суспензій / С.Д. Борук, О.М. Сочикан, Д.П. Савіцький // Науковий вісник Чернівецького Національного університету. - 2005. - Вип. 270: Хімія. - С. 90 - 98.

Вибір режимів механоактивації та проведення експериментальних досліджень процесів механоактивації вугільних шламів, участь в інтерпретації результатів досліджень та написанні статті.

2. Борук С.Д. Умови отримання та характеристики висококонцентрованих суспензій на основі шламів вуглезбагачувальних фабрик / С.Д. Борук, І.А. Вінклер, О.М. Сочикан // Науковий вісник Чернівецького Національного університету. - 2006. - Вип. 271: Хімія. - С. 59 - 65.

Постановка експериментальних досліджень, експериментальне вивчення реологічної поведінки шламовугільних суспензій в різних температурних режимах, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

3. Макаров А.С. Высококонцентрированные суспензии на основе отходов углеобогащения. Получение, реологические характеристики и энергетическая ценность / А.С. Макаров, А.И. Егурнов, С.Д. Борук, И.А. Винклер, О.М. Сочикан // Хімічна промисловість України. - 2007. - № 2 (79). - С. 56 - 60.

Проведення пошуку літератури, постановка експериментальних досліджень, експериментальне вивчення реологічних властивостей суспензій, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

4. Кобітович О.М. Вплив вмісту та складу мінеральної складової шламів вуглезбагачувальних і коксохімічних фабрик на реологічні властивості висококон-центрованих суспензій на їх основі / О.М. Кобітович, С.Д. Борук // Науковий вісник Чернівецького Національного університету. - 2007. - Вип. 272: Хімія. - С. 116 - 121.

Постановка експериментальних досліджень, експериментальне вивчення залежності реологічних властивостей гідросуспензій від мінеральної складової вихідного шламу, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.