KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW INSTRUKCJA DO LABORATORIUM Z UNIESZKODLIWIANIA ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH BADANIE WPŁYWU UZIARNIENIA ORAZ ZAGĘSZCZENIA KOSZALIN 2014
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROCESU W metodzie flotacyjnego wzbogacania wykorzystuje się różnice we własnościach powierzchniowych minerałów, dodatkowo zwiększone przez zastosowanie substancji powierzchniowo czynnych. Model jakościowy procesu flotacji jest następujący: ziarna hydrofobowe, słabo zwilżalne wodą, przyczepione do pęcherzyków powietrza wynoszone są nad powierzchnię mętów flotacyjnych - do piany. Ziarna hydrofilne, dobrze zwilżane przez wodę - toną. Dla umożliwienia tworzenia się trwałych w pewnym określonym stopniu pęcherzyków powietrza oraz umożliwienia powstawania zjawiska przyczepiania się do nich określonych ziarn materiału surowego wprowadza się do zawiesiny flotacyjnej odczynniki flotacyjne, stanowiące w procesie wzbogacania flotacyjnego istotny czynnik technologiczny rozdziału kopaliny surowej. Klasyfikacja odczynników flotacyjnych Odczynniki flotacyjne ze względu na ich rolę i działanie w procesie flotacji dzielą się na: zbierające (zbieracze), pianotwórcze (spieniacze), modyfikujące (regulatory). Odczynniki zbierające Zbieracze są to związki organiczne, które gromadząc się na granicy faz ciało stałe - ciecz, selektywnie zwiększają hydrofobowość powierzchni cząstek mineralnych. Odczynniki zbierające, zwane też kolektorami, można usystematyzować - ze względu na ich własności jonowe, następująco: jonowe: anionowe: zawierają grupę: o tiolową (-SH), np. merkaptany, ksantogeniany, dwutiokarbamlniany, o karboksylową (-COOH), np. olejan sodu; o grupę sulfonową (-SO 3 H), o siarczanową (-SO 3 OH), o fosforanową (-OPO 3 H 2 ). kationowe: o pierwszo-, drugo-, trzeciorzędowe aminy, o sole amonowe o organiczne związki azotowe, w których atom azotu wchodzi w skład struktury cyklicznej, np. pirydyna, chinolina). amfoteryczne: np. kwas cetyloaminooctowy. niejonowe: są nierozpuszczalne w wodzie i dlatego są stosowane w postaci emulsji, np. nafta. KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 2
Odczynniki pianotwórcze Odczynniki te obniżają napięcie powierzchniowe na granicy faz ciecz - gaz, dzięki czemu zwiększają dyspersję powietrza w mętach flotacyjnych, stabilizują banieczki powietrza i przeciwdziałają ich zlepianiu się, tworzą pianę o właściwej strukturze i czasie trwania piany, współdziałają one w procesie flotacji z odczynnikami zbierającymi. Odczynniki pianotwórcze dzielą się na: kwasowe: fenolowe: o fenol, o krezole, o ksylenole. alkilo-, arylosulfoniany zasadowe: ciężkie zasady pirydynowe: o pirydyna, o chinolina. obojętne: odczynniki terpenowe: o olej sosnowy, o synpinol, o terflot: AT-20, AT-60, AT-80. alkohole: o alifatyczne np. heksanol, o alicykliczne np. cykloheksanol, o wielofunkcyjne np. alkohol dwuacetanowy. etery: o polietylenoglikole, o odczynnik typu trójetoksybutanu TEB, o estry. Odczynniki modyfikujące Zadaniem modyfikatorów jest zwiększenie selektywności działania odczynników zbierających. Aktywatory Są to związki, których zadaniem jest podwyższenie adsorpcji zbieracza na powierzchni mineralnej, np: kwas siarkowy i kwas solny służą do usuwania zanieczyszczeń z powierzchni mineralnej. Depresory Są to związki, których zadaniem jest utrudnianie adsorpcji zbieracza na powierzchni mineralnej, np.: siarczek sodu i inne rozpuszczalne siarczki, głównie dla depresji minerałów siarczkowych, cyjanki we flotacji selektywnej rud siarczkowych, chromiany i dwuchromiany dla galeny, krzemian sodu (szkło wodne) dla depresji kwarcu i innych typowych minerałów skały płonnej, KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 3
regulatory organiczne nie dysocjujące na jony (np.: krochmal, dekstryny, substancje garbujące i inne) dla depresji minerałów niesiarczkowych. Regulatory odczynu Są to związki chemiczne, których zadaniem jest: regulowanie stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych, stężenia formy jonowej i cząsteczkowej zbieracza, depresora i aktywatora. W procesie flotacyjnym stosuje się: regulatory zasadowe np.: wodorotlenek sodu, tlenek wapnia, węglan sodowy, regulatory kwasowe np.: kwas siarkowy, kwas solny oraz kwas fluorowodorowy. Jony wodorowe oraz wodorotlenowe adsorbują się na powierzchni ziaren mineralnych, wywołując zmianę ich hydratacji. Jeżeli jony te są potencjałotwórcze dla danego minerału, to przez ich adsorpcję w podwójnej warstwie elektrycznej następuje zmiana potencjału powierzchni, co wpływa na przebieg flotacji. Regulatory zasadowe wpływają także na stężenie w mętach flotacyjnych jonów metali ciężkich, które mogą aktywować powierzchnię minerału. Regulatory tworzą z jonami tych metali trudno rozpuszczalne wodorotlenki, co wywołuje zmianę stężenia jonów w mętach flotacyjnych. Peptyzatory i flokulatory Peptyzatory mają za zadanie uniemożliwić tworzenie się agregatów ziarn minerałów użytecznych z ziarnami minerałów nieużytecznych. Działanie peptyzujące wykazują elektrolity, przy czym istotne jest, aby jeden z jonów peptyzatora był jonem potencjałotwórczym w stosunku do minerału peptyzowanego. Najczęściej jako peptyzatora używa się szkła wodnego. Flokulatory są związkami, których dodanie do mętów flotacyjnych wywołuje powstawanie większych agregatów z drobnych ziarn. Stosuje się je dla zapobieżenia tworzenia się pokryć mułowych skały płonnej na ziarnach minerałów. Mają one za zadanie utworzyć agregaty ziarn skały płonnej lub ziarn minerałów użytecznych. Między innymi powinny powstawać, w wyniku działania flokulantów, agregaty ziarn skały płonnej z ziarnami minerałów użytecznych. WĘGLA Charakterystyka węgla Flotacja węgla jest mniej skomplikowana niż flotacja rud, tym niemniej jest ona zależna od szeregu parametrów: Czynniki związane z charakterystyką węgla: stopień uwęglenia, skład petrograficzny, utlenienie, charakter zrostów. Charakterystyka mętów: gęstość, odczyn ph, temperatura, kształt i wielkość ziarn, KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 4
reżim odczynnikowy: typ odczynnika, jego zużycie, sposób dozowania czas kontaktu, parametry związane z budową i działaniem maszyny flotacyjnej: napowietrzanie mętów, intensywność mieszania, czas flotacji, odbiór produktu pianowego. Wszystkie własności fizyczne i chemiczne węgla zależą od stopnia jego uwęglenia. Stopień uwęglenia charakteryzuje się zawartością w węglu części lotnych. W procesie tym zwiększa się cząsteczkowe uporządkowanie węgla, następuje wzrost zawartości w nim pierwiastka węgla oraz obniżenie zawartości tlenu. Wzrost stopnia uwęglenia powoduje zwiększenie gęstości węgla oraz jego połysku. Węgle o średnim stopniu uwęglenia charakteryzują się maksymalną wartością ciepła spalania, koksowalnością oraz hydrofobowością. Doświadczalnie potwierdzono najlepszą flotowalność węgli o średnim stopniu uwęglenia. W węglach zawsze występują pewne domieszki nieorganiczne. O ich wartości sądzi się po ilości powstałego popiołu po spaleniu węgla. Dla flotacyjnego wzbogacania węgla największe znaczenie ma postać domieszek mineralnych, w jakich występują popiołowe składniki węgla, oraz stopień rozdrobienia minerałów. Jako pierwsze flotują zawsze ziarna z minimalną ilością domieszek, po czym do produktu pianowego przechodzą ziarna z coraz większą ich ilością. Taka prawidłowość odnosi się głównie do minerałów ilastych, których hydrofilny charakter powoduje zwiększenie hydratacji powierzchni węgla. Odczynniki apolarne w procesie flotacji węgla Odczynniki, które nie są zdolne do wymiany elektronów oraz mają budowę symetryczną, noszą nazwę apolarnych. Takie własności są podstawą ich małej aktywności chemicznej, niedużej rozpuszczalności w wodzie oraz bardzo wysokiej hydrofobowości i niedużej aktywności powierzchniowej. Są one używane w formie emulsji i w takiej postaci oddziałują z powierzchnią ziarn przy flotacji. Przytwierdzanie się kropelek odczynników apolarnych do ziarenek węglowych następuje dzięki siłom van der Waalsa. Proces przyczepiania się apolarnego zbieracza do ziarna węgla jest tym bardziej prawdopodobny, im hydratacja powierzchni jest mniejsza. W pierwszym etapie następuje hydrofobizacja powierzchni ziaren wzdłuż krawędzi kontaktu trzech faz, a następnie ich flokulacja. Proces flokulacji węgla można zaobserwować nieuzbrojonym okiem. Flokuły węgla posiadają dużą aktywność flotacyjną, z uwagi m.in. na znaczną ilość w sobie pęcherzyków powietrza. KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 5
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Cel i zakres ćwiczeń Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu wybranych parametrów technologicznych na wyniki flotacji węgla. Opis stanowiska badawczego Doświadczenie prowadzi się we flotowniku typu mechaniczno (agitacyjno) - pneumatycznego, którego schemat został przedstawiony na rysunku 1. W obudowie flotownika znajduje się pionowy wał napędzany silnikiem poprzez układ pasków klinowych. Wirnik o budowie klatkowej jest umocowany w dolnym końcu wału. Współosiowo do wału wirnika umieszczona jest rura powietrzna zaopatrzona w króciec doprowadzający sprężone powietrze. Nadawę do flotownika doprowadza się do komory flotacyjnej. Wytwarzanie pęcherzyków powietrza następuje przez szybkie mieszanie mętów flotacyjnych wirnikiem oraz przez wprowadzenie do rury w sposób ciągły sprężonego powietrza. Piana z koncentratem zgarniana jest z powierzchni mętów flotacyjnych zgarniaczami skrzydełkowymi. Rys. 1. Laboratoryjny flotownik mechaniczno-pneumatyczny KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 6
UTYLIZACJA ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH Część I Analiza wpływu uziarnienia na wyniki flotacji Wykonać kolejno flotację następujących klas ziarnowych węgla: d1 = 0 0,1 mm, d2 = 0,1 0,3 mm, d3 = 0,3 0,5 mm. Sposób przeprowadzenia ćwiczenia 1. przygotować w trzech zlewkach o pojemności 400 ml (poz. a na rysunku 2.) zawiesinę flotacyjną o zagęszczeniu β=100 g/l (przyjąć stosunek wagowy węgla danej klasy ziarnowej d1 3 do piasku 1:1, tj. 20 g węgla oraz 20 g piasku, Q1=40 g), 2. mieszać za pomocą mieszadła mechanicznego przez 10 minut poz. b na rysunku 2., Rys. 2. 3. przenieść zawiesinę do komory flotacyjnej poz. a na rysunku 3., 4. włączyć wirnik (górny przycisk na rysunku 4), 5. dodać 5 kropli zbieracza (nafty), 6. włączyć strumień sprężonego powietrza, 7. dodać 5 kropli odczynnika spieniającego (olejku sosnowego), Rys. 3. Rys. 4. KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 7
8. zbierać koncentrat z powierzchni mętów flotacyjnych przez 5 minut rysunek 5, 9. wyłączyć wirnik (dolny przycisk na rysunku 4), 10. wyłączyć dopływ sprężonego powietrza 11. otrzymane koncentraty wysuszyć i następnie zważyć (q 11, q 12, q 13 ). Część II Rys. 5. Rola zagęszczenia w procesie flotacji węgla Wykonać kolejno flotację zawiesiny o następujących zagęszczeniach: β 1 = 50 g/l (V=400 ml, Q Sw =10 g, Q Sk =10 g), β 2 = 100 g/l (V=400 ml, Q Sw =20 g, Q Sk =20 g), β 3 = 150 g/l (V=400 ml, Q Sw =30 g, Q Sk =30 g), gdzie: V objętość fazy ciekłej (wody) [ml], Q Sw masa fazy stałej węgla [g], Q Sk masa fazy stałej kwarcu [g]. Sposób przeprowadzenia ćwiczenia. 1. przygotować w trzech zlewkach o pojemności 400 ml zawiesinę węglową o uziarnieniu wskazanym przez prowadzącego (przyjąć stosunek wagowy węgla do piasku 1:1), 2. mieszać za pomocą mieszadła mechanicznego przez 10 minut, 3. przenieść zawiesinę do komory flotacyjnej, 4. włączyć wirnik, 5. dodać 5 kropli zbieracza (nafty), 6. włączyć strumień sprężonego powietrza, 7. dodać 5 kropli odczynnika spieniającego (olejku sosnowego), 8. zbierać koncentrat z powierzchni mętów flotacyjnych przez 5 minut, 9. wyłączyć wirnik i dopływ sprężonego powietrza 10. otrzymane koncentraty wysuszyć i następnie zważyć (q 21, q 22, q 23 ). Część III 1. Pobieramy odważki (poprzednio otrzymanych koncentratów w częściach I i II) do tygielków porcelanowych (na wadze analitycznej), w ilości 1±0,0002 g (w przypadku mniejszej masy koncentratu bierzemy całość), odpowiednio z: surowca (0,5 g węgla o uziarnieniu 0,1 0,3 mm i 0,5 g piasku) - m s0, wysuszonych próbek o masie q 11, q 12 i q 13 (otrzymanych w części I doświadczenia) - m s11, m s12, m s13, wysuszonych próbek o masie q 21, q 22 i q 23 (otrzymanych w części II doświadczenia) - m s21, m s22, m s23. KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 8
2. prażymy w temperaturze 815 C ± 10 C do uzyskania stałej masy, 3. pozostałość po prażeniu ważymy uzyskując z: surowca: m i0, próbek otrzymanych w części I doświadczenia: m i11, m i12, m i13, próbek otrzymanych w części II doświadczenia: m i21, m i22, m i23 Sposób opracowania ćwiczenia Wychód węgla γ [%] w otrzymanych koncentratach: gdzie: q masa koncentratu [g], Q masa nadawy [g]. q γ = 100 [%] Q Zawartość popiołu w nadawie α [%]: mi0 α = 100 [%] ms0 gdzie: m i0 masa próbki surowca po prażeniu [g], m s0 masa próbki surowca przed prażeniem [g]. Zawartość popiołu w koncentracie ν [%]: mi ν = 100 [%] ms gdzie: m i masa próbki koncentratu po prażeniu [g], m s masa próbki koncentratu przed prażeniem [g]. Uzysku ε [%] części palnych i lotnych w koncentracie: gdzie: 100 ν = 100 α ε 1 3 γ [%] ν zawartość popiołu w koncentracie [%], α zawartość popiołu w nadawie [%], γ wychód węgla w otrzymanych koncentratach [%]. Część I Tab.1. Wyniki badań wpływu wielkości poszczególnych frakcji ziarnowych d [mm] na wychód γ [%], zawartość popiołu W [%] oraz uzysk części palnych i lotnych w koncentracie ε [%] w procesie flotacji FRAKCJA MASA ZAWARTOŚĆ POPIOŁU WYCHÓD NADAWA KONCENTRAT NADAWA KONCENTRAT UZYSK d Q q γ α ν ε [mm] [g] [g] [%] [%] [%] [%] 0,0 0,1 q 11 γ 11 ν 11 ε 11 0,1 0,3 Q 11 q 12 γ 12 α 11 ν 12 ε 12 0,3 0,5 q 13 γ 13 ν 13 ε 13 KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 9
Zilustrować wykresem słupkowym zależności ν = f(d) i ε = f(d). Przeprowadzić analizę otrzymanych wyników i podać wnioski końcowe. Część II Tab.2. Wyniki badań wpływu wielkości zagęszczenia β [g/l] na wychód γ [%], zawartość popiołu W [%] oraz uzysk części palnych i lotnych w koncentracie ε [%] w procesie flotacji ZAGĘSZ- MASA ZAWARTOŚĆ POPIOŁU WYCHÓD CZENIE NADAWA KONCENTRAT NADAWA KONCENTRAT UZYSK β Q q γ α ν ε [g/l] [g] [g] [%] [%] [%] [%] 50 Q 21 q 21 γ 21 ν 21 ε 21 100 Q 22 q 22 γ 22 α 21 ν 22 ε 22 150 Q 23 q 23 γ 23 ν 23 ε 23 Zilustrować wykresem słupkowym zależności ν = f(β) i ε = f(β). Przeprowadzić analizę otrzymanych wyników i podać wnioski końcowe. LITERATURA [1]. Małysa E., Ociepa Z., Oruba F., Sanak-Rydlewska S.: Ćwiczenia laboratoryjne z flotacji, skrypt uczelniany nr 858 AGH Kraków, 1981, [2]. Blaschke J.: Procesy technologiczne w przeróbce kopalin użytecznych, skrypt uczelniany nr 1058 AGH Kraków, 1987, [3]. J. Blaschke St., Blaschke H.: Technika wzbogacania węgla, cz. II, skrypt uczelniany nr 716 AGH Kraków, 1979, [4]. Blaschke St., Blaschke H.: Maszyny i urządzenia do przeróbki kopalin flotowniki, AGH Kraków, 1991. KATEDRA TECHNIKI WODNO-MUŁOWEJ I UTYLIZACJI ODPADÓW 10