Структурно-механические свойства водоугольных суспензий тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ БІОКОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

РГб ОД На правах рукопису

УДК 622.694.4:023,6

1 9 ЙЬК 19.97

ІЩЕНКО АЛІНА ВОЛОДИМИРІВНА

СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДОВУПЛЬНИХ СУСПЕНЗІЙ

02.00.11 Колоїдна хімія

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата хімічних наук

Київ - 1997

Дисертація е рукописом

Робота виконана у Донецькому державному університеті у відділі «Непа-ливне використання вугілля та утилізація відходів енергетичної промисловості»

Науковий керівник:

кандидат хімічних наук, доцент, зав. відділом «Непаливне використання вугілля та утилізація відходів енергетичної промисловості»

Зубкова Ю. М.

Науковий консультант академік НАН У країн и ІОвчаренко Ф. Д.

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор, академік ІА України, зав. відділом ІБКХ НАН України Манк В. В.

кандидат хімічних наук, старшин науковии співробітник Інституту хімії поверхні НАН України

Паховчишин С. В.

Інститут колоїдної хімії та хімії води

ім. А. В. Думанського НАН України, м. Київ.

1997 р. о год. на засіданні

Провідна установа:

Захист відбудеться

спеціалізованої Вченої Радй ¿Г01.41.02 при Інституті біоколоїдної хімії НАН України за адресою 252142, м. Київ, бульвар Академіка Вернадського, 42.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інсштуїу біоколоїдної хімії НАН України.

Автореферат розісланий М» 1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої Ради

__•¿^£^^<^2-*ащидат технічних наук

^ ^ ■ Прокопенко В. А.

/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Проблема гідротранспортування твердого палива мас особливу актуальність у наш час у зв’язку з важким екологічним становищем як у нашій країні, так і за кордоном.

Створення та використання водовугільннх суспензій — екологічно чистого абсолютно нового виду палива для України — дозволить значно зменшити вплив технотронного фактору на пагуби і викиди в атмосферу (таке вугілля не розпилюється, не спроможне до самозапалювання), дозволить заощадити значні кошти держави (коштовність транспортування вугілля гід-ротрубопроводом більш ніж на ЗО % нижча за перевозку' залізничним транспортом); при цьому більш повно використовується тверде паливо — вугілля згорас майже повністю (до 99 %) — результат абсолютно недосяжний при якомусь іншому способі його використання. Таким чином, водовугільне паливо має велике майбутнє.

Новизна задачі, що вирішується, і відсутність досвіду в експлуатації трубопроводів для транспортування вугільних суспензій ставить цілий ряд складних проблем, вирішення яких необхідно для регулювання фізико-хімічних властивостей вугільних суспензій та для визначення оптимальних режимів експлуатації гідротрубопроводів.

До проблем гідротракспортуваиня належить: створення вугільних суспензій з оптимальною текучістю, стабільність суспензій під впливом час}' при транспортуванні і зберіганні, достатньо висока концентрація твердої фази, зниження корозійної агресивності дисперсійного середовища та інш.

Мета дослідження

Представлена дисертаційна робота, присвячена вивченню колоїдно-хімічних властивостей водовзтільних суспензій на базі вугілля Донецького та Кузбаського басейнів. Метою дослідження є створення стійких та стабільних водовугільних суспензій з достатньо високою концентрацією твердої фази, придатних до транспортування по трубопроводу на значні відстані.

Наукова новизни

Вперше виявлено зв’язок колоїдно-хімічних та фізнко-хімічних характеристик водовугільних суспензій з метаморфізмом вугілля та показано, що властивості водовугільних суспензій змінюються по класичній залежності з мінімумом для середньометаморфізованого вугілля.

Проведено систематичне дослідження зміни властивостей водовзтільних суспензій під впливом різноманітних додатків реагентів-розріджувачів

та стабілізаторів і встановлені оптимальні концентрації дня їх практичного використання.

Виявлено, що найефективнішими з досліджених додатків до водовугі-льних суспензій є гумати, які виявляють водночас властивості розріджувачів, стабілізаторів суспензій та інгібіторів корозії трубної сталі. їх застосування разом з СаО сприяє підтриманню високих значень pH протягом тривалого часу (до 20 діб).

Встановлено, підвищення зольності вугілля до 10 - 15 % та окислення його поверхні підвищує у кілька разів стабільність водовугільних суспензій.

Розроблені рекомендації до створення стійкої високотекучої, з низькою корозійною активністю водовугільної суспензії — нового виду екологічно-чистого палива.

Наукова та практична цінність роботи

Результати проведених досліджень дозволяють більш повно пояснювати явища, які виникають при створенні та існуванні водовугільних суспензій. Отримані дані можуть бути використані при розробці та впровадженні у виробництво проектів гідротранспортування водовугільних суспензій, створених на базі вугілля України.

Результати досліджень використані при будівництві вугільного гідро-трубопроводу "Новосибірськ - Бідово", про що є акти впроваджень, та впроваджені в учбовий процес, у спецкурси Донецького держуніверситету.

Робота виконувалася у рамках науково-дослідної роботи по д/б темам № 52/8 "Розвиток та використання колоїдно-хімічних методів при рішенні технологічних проблем народного господарства з використанням продуктів вугаехімічного синтезу"; № 94-Івв/8 "Створення нетрадиційної технології комплексної переробки бурого вугілля з використанням механо-хімічної активації".

Декларація особистого внеску

Постановка задачі проводилась за безпосередньою учаспо автора. Проведення експериментів, аналіз та інтерпретація результатів виконані автором особисто.

Апробація роботи

Матеріали дисертації доповідалися на конференції країн СНД по колоїдній хімії та фізико-хімічній механіці дисперсних систем в Одесі, 1993 р.; на конференціях професорів та викладачів Донецького державного університету 1992- 1996 p.p.

з ,.

Публікації

Основні матеріали дисертації викладено у таких роботах:

1. Басенкова В. Л., Зубкова Ю. Н., Ищенко А. В. Вязко-текучие свойства водоугольных суспензий / ХТТ, 1987, № 3, 22 - 25.

2. Басенкова В. Л., Зубкова Ю. Н., Ищенко А. В., Филиппенко Т. А. Зависимость структурно-реологических свойства водоугольных суспензий от природы углей и их дисперсности / ХТТ, 1988, Мо 5, 139 - 143.

3. Басенкова В. Л., Филиппенко Т. А., Ищенко А. В. Струкіурно-реологнческие свойства водоугольных суспензий в присутствии реагентов-разжижителей / ХТТ, 1988, № 5, 125 - 129.

4. Ищенко А. В., Басенкова В. Л., Зубкова Ю. Н. Стабильность ВУС в присутствии различных добавок / ХТТ, 1990, №1,88-91.

5. Ищенко А. В., Басенкова В. Л., Зубкова Ю. Н. Регулирование дисперсного состава угольной пульпы путем подбора дисперсионной среды / Деп. рукопись, БУ 1987, № 1 (183), № 1237.

6. Ищенко А. В., Басенкова В. Л. Характеристика и свойства гумино-вых кислот, выделенных из бурых углей Ирша-Бородинского и Березовского месторождений / Деп. рукопись, БУ 1990, № 1770.

7. Ищенко А. В. К вопросу о гидротранспортировании угольных сус-пензый / Деп. рукопись, 1993, № 1379.

8. Зубкова Ю. Н., Ищенко А. В. Коллоидно-химические аспекты изучения водоугольных суспензий в связи с их гидротранспортированием / Деп. рукопись, 1993, № 1444.

9. Ищенко А. В., Басенкова В. Л., Зубкова Ю. Н. Влияние концентрации и температуры на молекулярный вес гуминовых кислот и их солей / Деп. рукопись, 1994, № 2357.

10. Басенкова В. Л., Ищенко А. В., Зубкова Ю. Н. Коллоидно-химические взаимодействия в угольных суспензиях / Деп. рукопись, 1994, № 2355.

11. Басенкова В. Л., Ищенко А. В., Зубкова Ю. Н. Коллоидно-химиче-

ские свойства нитрогуматов, полученных из бурых углей / Деп. рукопись, 1994,№2353. ’ ’

12. Ищенко А. В. Влияние времени центрифугирования на свойства гу-матов / Материалы 6-й науч. школы стран СНГ "Вибротехнология-96", г. Одесса, ч. 2, 1996.

Об’єм та структура дисертації

Робота складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку літератури, що містить 162 джерела. Дисертацію виконано на_______сторінках друкова-

ного тексту, вона містить 17 рисунків та 36 таблиць.

На захист вшіосяться основні положення роботи

Властивості водовугільних суспензій визначаються ступенем метаморфізму вугілля і змінюються по класичній залежності з мінімумом для серед-ньометаморфізованого вугілля.

Кислотно-основні властивості водовугільних суспензій визначаються природою вугілля, ступенем окисленості вугільної поверхні, зольністю та дисперсністю вугілля.

Змінюючи кислотно-основні властивості водовугільних суспензій, можна керувати їх реологічними характеристиками, текучістю та стабільністю.

Додатки гуматів до водовугільних суспензій виявляють універсальні властивості розріджувачів, стабілізаторів суспензій та інгібіторів корозії сталі.

Різниця у дії додатків гуматів, отриманих з бурого вугілля різних копалин, визначається ступенем зрілості первинного матеріалу.

Додатки розчинів реагентів-розріджувачів НФК, їх модифікації С-3 та іуматів сприяють утворенню водовугільних суспензій з запрограмованими властивостями, здатних до транспортування. Встановлені оптимальні концентрації таких додатків.

Підвищення зольності до певного рівня, окисленість вугільної поверхні та додатки реагентів-стабілізаторів, таких як карбоксіметилцелюлоза, сприяють утворенню агрегативно та седиментаційно стійких під впливом часу водовугільних суспензій.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дасться обгрунтування актуальності роботи, формулюється мета дослідження, ного наукове і практичне значення та основні положення, що захищає автор.

У першому розділі надано огляд літератури, присвяченої колоїдно-хімічним властивостям вугільних суспензій і гуміновим речовинам, що відтворюють гетерогенну структуру вугілля. Проведено аналіз літературних даних стосовно впливу різних факторів на структурно-реологічні властивості вугільних суспензій. Підкреслена особлива роль поверхньо-активних речовин у процесі утворення та руйнування структур. На підставі критичного аналізу літературних джерел сформульовані основні завдання представленої роботи.

У другому розділі надана характеристика об’єктів та методів дослідження. Об'єктом дослідження було вугілля марок Д, Ж, К, Т, А Донецького та Д, Ж, Г Кузбаського басейнів. Для визначення реологічних характеристик суспензій, отриманих на базі цього вугілля використовувався ротацій-

ний віскозиметр "Кеоіе5І-2", а також застосовувались класичні методики "стандартної лійки", висоти освітленого шару, седиментаційний метод аналізу на терезах Фііуровського, фотометричний та спектрофотометричний методи. Достовірність отриманих даних підтверджувалась багатьма повторами, використанням різних методик та математичним обгрунтуванням.

Третій роздал роботи присвячено вивченню впливу природи вугілля на колоїцно-хімічні властивості водовугільних суспензій, що зв’язано з необхідністю гідротранспортування вугілля різних марок.

Вивчення фізико-хімічних характеристик вугілля різної стадії метаморфізму, а саме, визначення густини, вологості, кількості функціональних кисеньвмістовннх груп, сорбційного обсяіу та питомої поверхні (табл. І) показало, що ці характеристики дуже різняться для вугілля різних марок.

Таблиця І. Характеристика вугілля

Вугілля, шахта і ¡Та Гру™«,. мг-екв/ІООг є Сорбційннй обсяг (УХ м%

г/см3 % СООН +-ОН =0=0 см2/г по метанолу по бензолу

Д, Білово, Інська 1,23 5,50 Кузбас 7,76 зо 275,15 0,329 0,065

Г, Антоново-Єсауль-ська 1,23 2,40 5,37 95 129,00 0,216 0,074

Г, Полосухінська 1,23 2,40 4,03 12 152,40 0,142 0,028

Ж, Антоново-Єсауль-ська 1,26 3,80 4,89 49 148,20 0,178 0,046

Ж, Полосухінська 1,26 1,40 4,89 10 118,50 0,157 0,025

Д,Трудовська 1,25 15,90 Донбас 11,90 110 128,80 0,185 0,095

Ж, Калініна 1,42 5,60 5,30 105 125,40 0,019 0,064

К, Калініна 1,49 5,40 6,10 80 98,50 0,091 0,081

Т, Наклонна 1,51 4,50 - — 112,80 0,335 0,037

А, Ремовська 1,76 4,50 - - 198,20 0,419 0,177

Максимальну питому поверхню та великий сорбційнии обсяг має вугілля ранньої стадії метаморфізму марки Д, на поверхні якого виявлена велика кількість кисеньвмістовннх груп. Це дає можливість прогнозувати, що вугілля марки Д має схильність до набухання, до утворення водневих зв’язків з полярними молекулами середовища. Певно, ці властивості значно слабше виявляться для вугілля марки Г і, особливо, Ж.

Серед Донецького вугілля максимальну питому поверхню та сорбцій-ний обсяг мас антрацит. Можна припустити, що це вугілля буде схильне до значного набухання, а текучість його суспензій має бути низькою. Вугілля марок Д і Ж буде, певно, мати властивості подібні до властивостей вугілля цих марок Кузнецького басейну.

Пошуки універсальних реагентів та їх композицій, які водночас виконували б функції стабілізатора, розріджувача суспензії та інгібітору корозії сталі виявили, що близькі до універсальних властивості мають гуматні речовини, виділені з бурого вугілля. У зв’язку з проявленими властивостями гу-матів була вивчена адсорбція їх вугіллям різних марок (рис . І).

Г, ІО-з

Як з’ясувалось, найнижчу адсорбційну ємкість по відношенню до гу-матів мас вугілля марки Ж (ізотерма виходить на плато при величині адсорбції < 3-10~3 кг/кг). Максимальну адсорбційну здібність серед досліджених зразків виявило вугілля марки Д, але при розмірі адсорбції близько 3-Ю-3 кг/кг адсорбційна здібність вугілля цієї марки починає падати, тобто починається насичення адсорбційного шару, що не спостерігається для вугілля марок А і Т.

Вивчення текучості суспензій, приготованих на основі вугілля різної стадії метаморфізму показало (табл. 2), що гірше за всіх тече суспензія з донецького вугілля ранньої стадії метаморфізму (марки Д), а з вугілля пізньої

стадії метаморфізму — антрациту не тече зовсім. Максимальну текучість мають суспензії з вугілля середньометаморфізованого — марки Ж як для донецького, так і для кузбаського вугілля.

Таблиця 2. Час витікання ВВУС в присутності реагентів-розріджувачів для вугілля Кузбасу і Донбасу, с

Вугілля Гумати, кг/м3 НФК, (С = 10кг/м3) с-з, (С= 10 кг/м3)

¡0 5 1

Кузбас

Д Н.т.* 15,2 10,0 8.4 7,2

Г, А-Є 10,8 10,3 9,2 10,0 9,2

Г, Пол. 19,2 13,2 10,0 13,0 13,7

Ж, А-Є 9,7 8,4 7,3 6,0 6,7

Ж, Пол. 10,2 10,0 9,6 9,5 8,2

Донбас

Д Н.т. 45,6 9,8 ‘ 4,8 3,6

Ж 5,4 4,9 4,1 4,1 3,1

Т 9,8 7,1 5,0 5,2 4,3

А Н.т. Н.т. Н.т. Н.т. Н.т.

*Н. т. — не тече.

Таким чином, отримані експериментальні дані підтверджують припущення, зроблені на основі вивчення фізико-хімічних властивостей вугілля різної стадії метаморфізму. Отже природа вугілля визначає його адсорбційну здатність і обумовлює зміну текучості суспензій вугілля різних марок, на що необхідно вважати при створенні композицій вугільних суспензій, придатних до транспортування.

У четвертому розділі приводяться результати дослідження зміни кислотно-основних властивостей водовугільних суспензій під впливом різних факторів, а саме, виявлена дія природи вугілля, його дисперсності, окисленості поверхні та різних додатків на рН суспензій.

Виявлено, що природа вугільної поверхні має рішуче значення при формуванні рН суспензій. Причому, властивості водовугільних суспензій (ВВУС) змінюються не тільки в залежності від марки вугілля, а й по пластам (табл. 3).

Таке значне коливання рН обумовлюється різним утриманням функціональних груп, різною зольністю, ступенем окисленості поверхні.

Таблиця 3. Зміна рН водовугільних суспензій під впливом часу

Час Вугілля марки "Д", пласт Вугілля марки "К", пласт

Сичов-ський П Колмого- ровський Грамоте- їнський Смоляни- нівський Праскове- івський Лівен- ський

рН= 6,0

6 годин 7,40 8,05 6,70 6,70 4,97 3,45

Здоби 7,56 7,88 6,80 7,35 6,50 3,70

5 діб ' 7,57 7,90 6,95 7,90 7,16 3,77

pH = 8,3

6 годин 7,45 7,85 6,70 6,65 5,00 3,23

Здоби 7,50 7,80 6,80 7,45 6,55 3,58

5 діб 7,50 7,90 6,90 7,70 7,10 3,65

Вивчення впливу окисленості вугільної поверхні на кислотно-основні властивості вугільних суспензій виявило загальну тенденцію — зменшення рН при контакті окисленого вугілля з розчином, що є наслідком збільшення кількості кислих груп на поверхні вугілля. Відзначається, що через 6 діб значення рН суспензій окисленого і неокисленого вугілля стають майже однаковими, що обумовлено буферною дією вугілля.

Встановлено, що лужність середовища є благодійним фактором при створенні водовугільних суспензій, так як сприяє лабільному режиму текучості, стабільності останніх, а також зменшує їх корозійну дію. Але підгримувати високі значення рН під впливом часу досить складна задача через те, що, завдяки функціональним кислим групам на поверхні та природної зольності, вугілля само здатно змінювати рН водного середовища, тобто проявляти буферні властивості (табл. 3).

Виявлено, що досягнути високої лужності суспензій і підтримувати 11 протягом кількох діб можна введенням водночас оксиду кальцію і гумітів. Рекомендовані їх оптимальні концентрації.

П’ятий розділ присвячено вивченню гумінових речовин, отриманих з вугілля різної ступені метаморфізму, та їх властивостям.

Гумінові речовини відображають гетерогенну структуру вугілля і являють собою клас багатофункціональних органічних кислот різного походження, об’єднаних здатністю давати у лугах стійкі розчини з бурим забарвленням.

У зв’язку з цим важливо було визначити порівняльну дію на водовугі-льні суспензії гумінових речовин, отриманих з бурого вугілля різних копалин — Ірша-Бородинського (І) і Березовського (П).

Вивчення реологічних характеристик показало, що гумати II є ліпшими розріджувачами водовугільних суспензій у порівнянні з іуматами І та стабілізуюча дія їх гірша.

Для з’ясування причин було проведено детальне вивчення гуматів: визначені оптичні властивості, поріг коагуляції, зольність, щільність, кількість функціональних груп, молекулярна вага. Виявлено, що оптична щільність розчинів гуматів І у всіх частинах спектру вища, ніж гуматів II. Поріг коагуляції, який пов’язаннй з дисперсністю, більш високий для гуматів II (50 мг-екв/л електроліту у порівнянні з 35 мг-екв/л для гуматів І).

Знижена оптична щільність розчинів гуматів Березовського вугілля і підвищений поріг коагуляції свідоцтвують про те, що ці гумати мають простішу структуру і є молодшими в генетичному плані у порівнянні з гуматами з Ірша-Бородинського вугілля, а також мають вищу ступінь дисперсності і меншу молекулярну вагу.

Ці якості придають їм більш}' рухомість, що полегшує процес адсорбції їх і сприяє розрідженню суспензій. Таким чином, природа вугілля впливає не тільки на його власні якості, а й на властивості гумінових речовин, отриманих з нього.

Шостий розділ присвячено вивченню структурно-реологічних властивостей водовугільних суспензій.

Розвиток коагуляційної структури, що охоплює весь обсяг системи, відбувається внаслідок зіткнення частинок найбільш високодисперсної колоїдної фракції і викликає тіксотропне затвердіння рідкого дисперсного середовища вже при вельми малому об’ємному складі дисперсної фази. Тому, одним з найважливіших факторів, визначаючих реологічні властивості дисперсних систем, є концентрація твердої фази.

У зв’язку з цим вивчена залежність структурно-механічних властивостей суспензій вугілля Д від концентрації його в інтервалі 40 - 65 % в присутності реагентів-розріджувачів.

На рис. 2 приведені реологічні криві течії суспензій з різною концентрацією вугілля та з додатками НФК (відомого з літератури розріджувача). Видно, що характер залежності Dr від \ неоднаковий. Водовугільні суспензії в присутності НФК з концентрацією твердої фази до 60 % можна віднести до ньютонівських рідин (характер залежності прямолінійний, криві 1 - 3). Вище цієї' концентрації (крива 4) — характер залежності змінюється, що є наслідком структуроутворення в суспензії.

По залежності Dr від тг були визначені критичні концентрації структуроутворення ККСі та ККС2, відповідних до концентрацій вугілля в суспензії, при яких мас місце виникнення та зміцнення структури .

Значення ККСі та ККС2 дорівнюють відповідно для водовугільних суспензій 40 і 53 %, а з додатками НФК і його модифікації С-3 — 54 і 60 %. Таким чином, додатки НФК і С-3 с ефективними розріджувачами для водовугільних суспензій, в їх присутності суспензія набагато довше залишається текучою при тій же самій концентрації вугілля. Експериментально встановлені оптимальні концентрації НФК для практичного використання.

Значну роль в структуроутворенні відводять дисперсності твердої фази. У зв’язку з цим вивчена текучість 50 %-вих суспензій з вугілля різної дисперсності (табл. 4)

Таблиця 4. Залежність часу витікання суспензій в присутності НФК від дисперсності вугілля.

Діаметр частинок, мкм Час витікання, с

0-200 6,8

160- 125 Розшаровується

125-45 22,0

<45 Не тече

Прим. Концентрація НФК — 2 кг/м3.

л

Визначено, що монодисперсиа вугільна суспензія з великих частинок (<і = 160 - 125 мкм) розшаровується, тобто являється агрегативно та седиментаційно нестійкою.- В той же час монодісперсна вугільна суспензія (сі < 45) структуруєгься, не тече. Основний вклад в текучість суспензій вносять частинки середнього діаметру (г/ = 45 — 125). Раціональне співвідношення великих та дрібних фракцій дозволяє отримати водовугільні суспензії з оптимальним гранулометричним складом, які мають максимальну текучість. Ось чому актуальною являється задача регулювання та контролю за дисперсністю при створенні композицій вугільних суспензій, придатних для транспортування.

У роботі експериментально підібрані дисперсійні середовища, придатні для контролювання дисперсності вугільних суспензій, та розроблені рекомендації для їх практичного використання.

Під впливом дисперсійного середовища частинки дисперсної фази суспензій в залежності від процесів коагуляційного зчеплення можуть утворювати різні агрегати, що приводить до змінювання фракційного складу суспензій і веде до змінювання їх текучості і стабільності.

Змінення фракційного складу вугільних суспензій під впливом додатків гуматів представлено на рис. 3.

Рис. 3. Вплив добавок гумінових кислот на фракційний склад водову-гільних суспензій.

Використання розчинів гумінових кислот як дисперсійного середовища для вугільних суспензій приводить до зменшення виходу дрібних (<і < 20 мкм) та середніх (г/ = 20 - 50 мм) фракцій вугілля, у той час, як кількість великих вугільних частинок зростає.

Це зв’язано з тим, що додатки гуматів сприяють утворенню близьких коагуляційних контактів, зменшують бар’єр відштовхування між частинками, в наслідок чого має місце швидкий розвиток коагуляційних процесів.

Окислення вугільної поверхні приводить до зворотної дії (рис. 4): вихід великих фракцій вугілля (</ > 50 мкм) значно знижується, а вихід середніх та дрібних фракцій — зростає. Такий ефект викликаний збільшенням кисе-ньвмістовних груп при окисленні, що викликає підвищення гідрофільності поверхні вугільних частинок і сприяє зменшенню процесів коагуляції.

Q,% Ц — вугілля початкове ЗО' В—вугілля окислене Г"

<10 мкм 10 -20 20-30 30 -40 40 -50 50 - 100 >100 мкм

Рис. 4. Вплив вугільної поверхні на фракційний склад водовугшьних суспензій.

Отримані дані дозволяють уяснити змінення текучості і стійкості вугільних суспензій під впливом окислення вугільної поверхні та додатків по-верхньо-активних речовин, якими є гумата.

У сьомому розділі роботи показано вплив різних факторів на стійкість водовугільннх суспензій.

Утворення аїрегативно та седиментаційно стійких водовугільних суспензій, маючих добру текучість — одна з основних проблем трубопровідного транспорту твердого палива.

У процесі роботи виявлено, що стійкість суспензій залежить від багатьох факторів, таких як дисперсність вугільних частинок, окисленість вугільної поверхні, зольність, характер взаємодії частинок дисперсної фази і дисперсійного середовища, сольватація і т. д. Поліпшити властивості суспензій і додати їм більшу стійкість можна методом введення в систему стабілізуючих

добавок, дія котрих пов’язана з утворенням адсорбційних шарів на поверхні частинок твердої фази.

При вивченні впливу додатків гуматів на стійкість водовугільних суспензій виявлено, що чим вище концентрація гуматів, тим більш стабільна система. При концентрації гуматів 10 кг/м-' суспензія практично не розшаровується на дві фази (рис. 5) і залишається стабільною протягом 5 і більше діб. Це може бути пояснено формуванням щільних адсорбційних шарів іу-матів при високій їх концентрації на частинках вугілля. Частинки линуть одна по іншій і займають найвигідніші положення, що характеризуються мінімальною потенційною енергією і придає ї м більшу стійкість.

Уж,%

20

16-

12-

4-

Залежнісь обсягу рідкої фази при розшаруванні суспензій від часу в присутності гуматів різної концентрації.

1 —2.0

2 — 4,0

3 — 5,0

4 — 10,0 кг/м3

Рис. 5.

24

48

—г~

72

96

120 144 168

і, год

З метою винаходження найефективніших стабілізаторів водовугільних суспензій були вивчені такі реагенти як желатин, гліцерин, силікат натрію, карбоксіметилцелзолоза (табл. 5).

Як видно з таблиці максимальну стійкість мають суспензії з додатком желатину 0,1 % до ваги вугілля. Але вивчення в'язкотекучих властивостей вугільних суспензій з цим додатком показало підвищення в’язкості. Зменшення концентрації додатків желатину відповідно зменшує стабілізуючий ефект. Ефективну стабілізуючу дію на стійкість водовугільних суспензій виявили додатки карбоксіметилцелюлози (КМЦ ). Встановлено, що суспензії в

присутності додатків КМЦ мають і добру текучість, особливо у випадку спільного застосування КМЦ і УЩР. Таким чином, введення розчинів КМЦ у водовугільні суспензії (ВВУС) сприяє утворенню гнучкої структури системи, яка не заважає текучості.

Таблиця 5. Залежність висоти освітленого шару ВВУС (см) від часу контакту фаз в присутності добавок стабілізаторів.

Дисперсійне Концентрація, Час контакту, доба

середовище кг/м3 0 1 2 6

Дист. вода _ 1,3 1,4 1,4 1,4

Силікат 1,0 1,0 1,2 1,2 1,2

Гліцерин 1,0 1,0 1,3 1,4 1,4

1,0 0,2 0,2 0,2 0,2

Желатин 0,1 1,3 1,3 1,5 0,2

0,5 1,1 1,1 1,1 1,6

1,0 0,4 0,4 0,4 1,3

3,0 0,6 0,8 0,8 0,4

КМЦ 0,5 0,5 0,6 0,7 0,8

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,1 0,4 0,6 0,7 0,6 .

КМЦ + СаО 0,1 +2,7 0,6 0,7 0,7 0,7

КМЦ + СаСЬ 0.1 + 5.3 0.6 0.7 0.7 0.7

Встановлено також значне підвищення стійкості водовугільних суспензій при збільшенні зольності вугілля до 10 - 15 % і окисленні поверхні вугілля.

ВИСНОВКИ

I. При вивченні колоїдно-хімічних властивостей вугільних суспензій доведено, що властивості їх так само як і властивості вугілля визначаються сіупінню метаморфізму.

Встановлено, що в’язкотекучі властивості водовугільних суспензій змінюються в метаморфологічному ряді вугілля по класичній залежності з мінімумом для середньометаморфічних.

II. Показана можливість керування реологічними властивостями водовугільних суспензій методом зміни рН середовища. Виявлено, що спільне введення гуматів і СаО дозволяє підтримувати високі значення рН протягом тривалого часу (до 20 діб).

III. Експериментально доведено, що додатки іуматів мають універсальні властивості, водночас вони є розріджувачами, стабілізаторами вугільних суспензій та інгібіторами корозії трубних сталей.

Виявлено, що різниця у розріджуючій, інгібіруючій та стабілізуючій дії іуматів, отриманих з бурого вугілля різних копалин, визначається ступенем зрілості вихідного матеріал}'. •

IV. Встановлені оптимальні концентрації реагентів-розріджувачів для

водовугільних суспензій — НФК і іуматів, які приводять до збільшення текучості суспензій на 20 - 25 % і дозволяють підвищити концентрацію твердої фази до 60 %. ,

V. Виявлено зв’язок текучості суспензій зі ступенем дисперсності вугілля. Основний внесок у підвищення в’язкості водовугільних суспензій вносить клас вугілля дисперсністю 45 - 125 мкм, що необхідно ураховувати при доборі гранскладу до транспортування.

VI. Розроблені рекомендації до вибору дисперсійного середовища для контролю за гранулометричним складом суспензій.

VII. Визначені оптимальні концентрації додатків реагентів-стабіліза-торів, введення яких у суспензію дозволяє підвищити її агрегативну та седиментаційну стійкість у 2 - 2,5 рази при збереженні текучості.

Дані, отримані у дисертаційній роботі, сприяють створенню агрега-тивно та седиментаційно стійкої водовугільної суспензії, яка має добру текучість і оптимальний гранулометричний склад, придатну до транспортування на значні відстані.

АНОТАЦІЯ

Іщенко Аліна Володимирівна

Структурно-механічні властивості водовугільних суспензій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата хімічних наук по спеціальності 02.00.11 - колоїдна хімія. - Донецький державний університет, Донецьк, 1997.

Захищаються дванадцять наукових робіт, присвячених систематичному дослідженню колоїдно-хімічних властивостей суспензій, отриманих з вугілля Кузнецького та Донецького басейнів. Показано зв’язок фізико-хімічних характеристик і реологічних властивостей водовугільних суспензій з метаморфізмом вугілля. Вивчено вплігв ряд}7 факторів на текучість і стабільність суспензій. Розроблені рекомендації для створення водовугільних суспензій, придатних до транспортування.

Ключові слова: водовугільні суспензії, транспортування, стійкість, текучість, реагенти-розріджувачі, стабілізатори суспензій.

АННОТАЦИЯ

Ищенко Алина Владимировна

Структурно-механические свойства водоугольных суспензий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.11 - коллоидная химия, Донецкий государственный университет, Донецк, 1997.

Защищаются двенадцать научных работ, посвященных систематическому изучению коллоидно-химических свойств суспензий, полученных из углей Кузнецкого и Донецкого бассейнов. Показана связь физико-химических характеристик и реологических свойств водоугольных суспензий с метаморфизмом углей. Изучено влияние ряда факторов на текучесть и стабильность суспензий. Разработаны рекомендации для создания водоугольных суспензий, пригодных для транспортирования.

Ключевые слова: водоугольные суспензии, транспортирование, устойчивость, текучесть, реагенты-разжижители, стабилизаторы суспензий.

Ischenko Alina Vladimirovna

Structural-mechanical properties of coal-water suspensions. - Manuscript.

Thesis submission a Degree of Candidat of Chemistry Science on the specialities 02.00.11 - Colloid Chemistry, Donetsk State University, Donetsk, 1997.

Suk for Ph. D (02.00.11 - colloid chemistry). Institute of Biocolloid Chemistiy National Academy of Science of Ukraine, Kiev.

Twelve these, presented to an examining board for the oral, are devoted to the serious study of colloidal chemical properties of slurries, received from Kuznetsk and Donetsk coal fields. The connection between physico-chemical characteristics and reological properties of colloid slurries with coal metamorphism is presented these wores. The influence of some factors on fluidity and stability of slurries was under the detailed analyses. Recommendations, given in these works, worked for creation of water-coal slurries useful for transportation.

Key words: coal-water suspensions, transportation, stability, fluidity, rea-gents-liquefier, stabilizer of suspensions.

SUMMARY