ИССЛЕДОВАНИЕ СГУЩАЕМОСТИ ПРОДУКТОВ ФЛОТАЦИИ ПОЛИМЕРНЫМИ ФЛОКУЛЯНТАМИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ФЛОКУЛЯНТОВ НА ПРОЦЕСС ФИЛЬТРАЦИИ

ANALYZING THICKENING ABILITY OF FLOTATION PRODUCTS BY POLYMER FLOCCULANTS AND DETERMINATION OF THE EFFECT OF FLOCCULANTS ON THE FILTRATION PROCESS

Almaz Kozhonov

candidate of Science, CEO “Geotechservice Technology” LLC,

Kyrgyzstan, Bishkek

Aleksey Yashchuk

manager of plant “Bozymchak”, “Kazminerals Bozymchak” LLC,

Kyrgyzstan, Bishkek

Nasym Duishonbaev

engineer of ore dressing “Kazminerals Bozymchak” LLC,

Kyrgyzstan, Bishkek

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты тестов по сгущению и фильтрации с применением органических полимеров фирмы “ASCOR” для разделения твёрдой и жидких фаз:

• Флокулянты: AS-F31150; AS-F31200; AS-F31300; AS-FL7003; AS F31111S; AS-F31112S; AS-F31122S; AS-F31150S.
• Коагулянты: AS-C21A42.

При этом установлено, что наиболее чистые сливы получены при применении реагента AS-F31300, и с повышением дозировки данного полимера содержание взвешенных веществ в осветлённой воде снижается. Определено влияние дозировки реагентов AS-F31300 и AS-F31122S на показатели сгущения.

ABSTRACT

The results of tests on the thickening ability and filtration using organic polymers of «ASCOR» company for the separation of solid and liquid phases have been demonstrated:

• Flocculants: AS-F31150; AS-F31200; AS-F31300; AS-FL7003; AS-F31111S; AS-F31112S; AS-F31122S; AS-F31150S.
• Coagulants: AS-C21A42.

It was found that the clearest overflow might be obtained with reagent AS-F31300, and with increasing dosages of this polymer; the content of suspended substances in the turbidity-free water is reduced. The influence of the dosage of reagents AS-F31300 and AS-F31122S on thickening ability results have been determined.

Ключевые слова: полимерные реагенты, флокулянт, коагулянт, сгущение, твердые и жидкие фазы, суспензия, фильтрование, сила тяжести, сгуститель.

Keywords: polymer reagents, flocculant, coagulant, thickening ability, solid and liquid phases, suspension, filtering, force of gravity, thickener.

Получение кондиционных концентратов по влаге при повышенных содержаниях влагоемких минералов в руде и при обезвоживании продуктов обогащения в условиях замкнутого водооборота является проблематичной задачей.

Высокое содержание волластонита в руде при измельчении руды приводит к образованию тонкодисперсных классов 80 % – 0,045 мм и 72 % – 0,020 мм. В состав волластонита входят окись кальция (СаО) – 48,3 %, двуокись кремния (SiO2) – 51,7 %, до 9 % закиси железа и шламы воласстонита имеют игольчатую форму, которые забивают поры плит керамических фильтров и поры фильтровальных тканей. Кроме того, остаточное количество применяемых флокулянтов (полиакриламид) в составе фильтруемых продуктов усугубляет процесс фильтрации, образуя труднофильтруемые влагоемкие комплексы. При этом возникает необходимость совершенствования процесса сгущения с подбором оптимальных флокулянтов.

Цель статьи – исследование влияния различных типов флокулянтов, отличающихся молекулярной массой, зарядом, структурой и химическим составом, на эффективность разделения твёрдой и жидкой фаз концентратов и хвостов с выявлением зависимости показателей фильтрации от типа флокулянта.

В рамках исследования проведены тесты по сгущению с применением органических полимеров фирмы “ASCOR” для разделения твёрдой и жидких фаз: Флокулянты: AS-F31150; AS-F31200; AS-F31300; AS-FL7003; AS F31111S; AS-F31112S; AS-F31122S; AS-F31150S. Коагулянты: AS-C21A42.

Приготовление (разбавление) реагентов проводили в соответствии со стандартными методиками [10; 11]. Рабочая концентрация флокулянтов составляла 0,1 %, коагулянтов – 1 %. Сгущение исследуемой пульпы проводили в соответствии со стандартными методиками и процедурами [8; 18; 21; 23; 27] на лабораторной установке “FP4 PortableFlocculationTester” фирмы “VELPScientifica”. Содержание взвешенных веществ (мг/л) в осветлённой воде измеряли на колориметре модели «DR 900 Colorimeter» фирмы “HACH” [24].

Фильтрование флотационных хвостов произведены по стандартной методике “FreeDrainageJarTest” [9; 13; 23; 25; 26; 28].

Для исследования сгущения медного концентрата использовали пульпу питания сгустителя с содержанием 360 г/л твёрдого.

Сравнительные результаты работы применяемого анионного полиакриламида (ПАА) и двух новых порошкообразных высокомолекулярных органических полимеров (AS-F31300 и AS-F31122S) при их одинаковой дозировке (20 г/т) представлены на рис. 1 и 2.

Рисунок 1. Взвешенные вещества в осветлённой воде через 30 минут отстаивания при добавлении различных реагентов (дозировка 20 г/т)

Рисунок 2. Влияние дозировки флокулянта AS-F31300 на содержание взвешенных вещества в осветлённой воде через 30 минут отстаивания

Наиболее чистые сливы получены при применении реагента AS-F31300, и при этом установлено, что с повышением дозировки данного полимера содержание взвешенных веществ в осветлённой воде снижается.

Для исследования хвостов в качестве исходной суспензии для исследования сгущения использовали пульпу хвостов флотации, отобранную в питании сгустителя хвостов.

Содержание твёрдой фазы в пульпе хвостов флотации составляло 381,2 г/л. Дозировка реагентов составляла 10,5 г/т.

По совокупности качества осветлённой воды и плотности сгущённых хвостов наиболее эффективными являются флокулянты AS-F31300 и AS-F31122S.

Полученные результаты представлены на рис. 3 и 4.

Рисунок 3. Взвешенные вещества в осветлённой воде через 30 минут отстаивания при добавлении различных реагентов

Рисунок 4. Взвешенные вещества в осветлённой воде через 30 минут отстаивания при добавлении различных реагентов

Определено влияние дозировки реагентов AS-F31300 и AS-F31122S на показатели сгущения. Дозировка флокулянтов лежала в пределах 5,2–31,5 г/т медного концентрата.

Полученные результаты представлены на рис. 5 и 6.

Рисунок 5. Взвешенные вещества в осветлённой воде через 30 минут отстаивания при различной дозировке полимерных реагентов AS-F3100 AS-F31122S

Рисунок 6. Содержание твёрдого в сгущённой пульпе через 30 минут отстаивания при различной дозировке полимерных реагентов AS-F3100 AS-F31122S

Скорость сгущения хвостов при дозировках 21 и 31,5 г/т выше при добавлении флокулянта AS-F31122S но ухудшается качество сливов сгущения. С увеличением дозировки флокулянта AS-F31300 скорость сгущения повышается (рис. 7), и при этом наблюдается незначительное снижение взвешенных веществ в осветлённой воде (рис. 8).

Рисунок 7. Взвешенные вещества в осветлённой воде через 30 минут отстаивания при различных программах реагентной обработки. Через 3 минуты

Рисунок 8. Содержание твёрдого в сгущённой пульпе через 30 минут отстаивания при различных программах реагентной обработки. Через 22 минуты

Таким образом, наиболее эффективным флокулянтом при сгущении является реагент AS-F31300.

В ходе дальнейших исследований проверили влияние его дозировки как на скорость фильтрования, так и на удельное сопротивление кека. Исследуемый диапазон дозировок фильтровальной добавки AS-F31300 в пределах от 0 до 150 г/т.

В качестве исходной суспензии использовали материал, предварительно сгущённую в лабораторных условиях до содержания твёрдого 600 г/л. Влияние дозировки реагента AS-F31300 на скорость фильтрования (скорость оттока 15 и 30 мл жидкой фазы) пульпы хвостов флотации приведено на рис. 10, из которого видно, что применение органического полимера AS-F31300 позволяет значительно повысить скорость фильтрования по сравнению с опытом без реагента. При этом оптимальный диапазон дозировки в пределах 50–100 г/т (табл. 1).

Таблица 1.

Зависимость скорости фильтрования от дозировки реагента AS-F31300

Полученные результаты представлены на рис. 9 и 10.

Рисунок 9. Кинетика фильтрования пульпы при различных дозировках реагента AS-F3130

Рисунок 10. Влияние дозировки реагента AS-F31300 на скорость фильтрования

При фильтровании с образованием несжимаего осадка на несжимаемой фильтровальной перегородке объём фильтрата, получаемый за малый промежуток времени с единицы поверхности фильтра прямо пропорционален разности давлений и обратно пропорционален вязкости фильтрата и общему сопротивлению осадка и фильтровальной перегородки [1–4; 7; 20; 22].

В дифференциальной форме это уравнение запишется в следующем виде:

                                               (1)

                                       (2)

где V – объем фильтрата, м³; S – поверхность фильтрования, м²; t – продолжительность фильтрования, с; ∆P – разность давлений при фильтровании, Па; η-динамическая вязкость жидкой фазы суспензии или фильтрата, Па⋅с; Roc – сопротивление слоя осадка, м ^-1; Rфп – сопротивление фильтровальной перегородки, м^-1; r_o – удельное объёмное сопротивление осадка, м^-2; x_o – отношение объёма осадка к объёму фильтрата, м³/м³; rм – удельное массовое сопротивление осадка, м/кг; xм – отношение массы твёрдых частиц осадка к объёму фильтрата, кг/м³.

При ∆P = const все величины в уравнении (2), за исключением V и t, имеют постоянное значение. После разделения переменных и интегрирования в пределах от 0 до t и от 0 до V и ряда простейших преобразований уравнения (2) с учётом выражения (3), которые подробно рассмотрены в работах [1; 3; 5], получим уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой фильтровальной перегородке при постоянной разности давлений:

                       (4a)

                       (4б)

Уравнение (4) показывает непосредственную зависимость объёма фильтрата от продолжительности фильтрования; решая его относительно V, получим зависимость объёма фильтрата от продолжительности фильтрования.

Уравнение (4) применимо к несжимаемым и сжимаемым осадкам, поскольку при ∆P = const величины r_o, r_м и x_o, x_м также постоянны [2; 4].

Уравнение (4) можно свести к уравнению прямой линии вида y = ax + b:

                                                           (5)

где:                                                        (6)

                                                               (7)

Зная экспериментальную зависимость V = f (t), можно построить графики функции в координатах V–t/V,которые представляют собой прямые линии. По тангенсу угла наклона прямой линии уравнения (5) можно вычислить удельное сопротивление осадка (r_o и /или r_м), а сопротивление фильтровальной перегородки R_фп – по отрезку N, отсекаемому на оси ординат t/V [20; 2–4; 14–16].

Согласно современной теории фильтрования суспензий [2; 6; 12; 14; 15; 17] удельное сопротивление осадка (r_o, r_м), характеризующее сопротивление фильтрации и фильтруемость (водоотдачу) осадков, определяется по формуле, которая вытекает из уравнения (6):

                                     (8а)

                                     (8б)

Чем выше удельное сопротивление, тем осадок хуже фильтруется.

Водоотдача осадков зависит от их гранулометрического состава. Исследованиями установлено, что с увеличением размера частиц твёрдой фазы удельное сопротивление осадка снижается. Также известно, что в результате реагентного метода кондиционирования осадков перед обезвоживанием удельное сопротивление осадка значительно снижается за счёт агрегации коллоидных и мелких нерастворённых частиц, и осадок легче отдаёт воду. Особенно эффективными реагентами считаются органические высокомолекулярные полимерные соединения.

На рис. 11 приведены графики зависимости обратной скорости фильтрования (t/V) от объёма фильтрата (V) при различных дозировках реагента AS-F31300. Графо-аналитический и аналитические методы обработки прямых зависимостей t/V = f(V) позволяют определить постоянные фильтрования (угловой коэффициент M и коэффициент N) в уравнении (5).

Рисунок 11. Зависимость обратной скорости фильтрования (t/V) от объёма фильтрата (V) для разных дозировок AS-F31300

Рисунок 12. Влияние дозировки AS-F31300 на угловой коэффициент М (удельное сопротивление осадка ro; rм)

Как следует из уравнения (8), при прочих равных условиях угловой коэффициент М прямо пропорционален удельному сопротивлению осадка (r_o или r_м). Поэтому о величине r_o и r_м можно судить по значению углового коэффициента М. Из рис. 12 видно, что с ростом дозировки полимера AS -F31300 снижается удельное сопротивление осадка (угловой коэффициент М). При этом наиболее резкое снижение наблюдается в интервале дозировок от 0 до 100 г/т.

Интересует, как правило, не само абсолютное значение удельного сопротивления осадка (r_o и/или r_м), а его изменение при обработке реагентом, то вычислены относительные значения удельного сопротивления кека для различных дозировок реагента AS-F31300 через отношение угловых коэффициентов М (при этом удельное сопротивление осадка без обработки реагентами принято за 1).

Таблица 2.

Зависимость скорости фильтрования от дозировки реагента AS-F31300 (для 15 и 30 мл фильтрата)

Как видно из табл. 2, при обработке пульпы полимером AS-F31300 перед их фильтрованием удельное сопротивление осадка в интервале дозировок 50–100 г/т снижается в 2,6–5,6 раза.

Сопротивление слоя осадка (кека) R_ос зависит от размера частиц, их формы и шероховатости, электрокинетического потенциала частиц (ζ-потенциала), распределения по крупности, распределения частиц в занимаемом объёме и содержания твёрдого в суспензии, поступающей на фильтрование [5; 14; 15]. С уменьшением размера частиц сопротивление кека резко возрастает. Фильтровальная добавка на основе органического высокомолекулярного полимера, введённая в суспензию пульпы, агломерирует тонкодисперсные частицы, что приводит к повышению среднего размера частиц, образующих слой осадка на фильтре. Известно [2; 14–15], что чем больше степень агломерации, тем меньше удельное сопротивление кека. В результате упаковка частиц в кеке становится менее плотной, увеличивается размер каналов в осадке и снижается сопротивление кека R_ос. Как следствие повышается скорость фильтрования и удаляется большее количество жидкой фазы [1; 19].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение высокомолекулярного органического полимера AS-F31300 позволяет повысить эффективность разделения твёрдой и жидкой фаз:

• при сгущении медного концентрата – повышается качество осветлённой воды (снижается содержание твёрдых частиц в сливе сгустителя) по сравнению с анионным ПАА, применяемым в настоящее время, при прочих равных условиях;
• при сгущении хвостов флотации – повышаются скорость отстаивания твёрдой фазы, уплотнение осадка и качество осветлённой воды при расходе реагента AS-F31300 ниже, чем анионного ПАА;
• при фильтрации – значительно повышается скорость фильтрования и снижается удельное сопротивление кека.

Рекомендуемый диапазон дозировок реагента AS-F31300 составляет 50–100 г/т твёрдой фазы.

Список литературы:

1. Еремеев Д.Н. Обезвоживание сгущённых тонкодисперсных угольных шламов с применением органических полимеров // Вода: химия и экология. 2012. № 7. С. 23–29.
2. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий: учеб. пособие. – М.: Химия, 1980. – 400 с.
3. Зеликман А.Н., Вольдман Г.М., Беляевская Л.В. Теория гидрометаллургических процессов: учеб. пособие. – М.: Металлургия, 1983. – 424 с.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие. – М.: Химия, 1971. – 784 с.
5. Майдуков Г.Л. Технология фильтрования продуктов обогащения углей: учеб. пособие. – М.: Недра, 1975. – 144 с.
6. Малиновская Т.А., Кобринский И.А., Кирсанов О.С., Рейнфарт В.В. Разделение суспензий в химической промышленности: учеб. пособие. – М.: Химия, 1983. – 264 с.
7. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: учеб. пособие. – М.: Химия, 1987. – 496 с.
8. Практикум по обогащению полезных ископаемых: учеб. пособие / Под ред. Н.Г. Бедраня. – М.: Недра, 1991. – 526 с.
9. Процедура лабораторного тестирования. Обезвоживание. Гравитационное фильтрование / Lab Test Procedure. Dewatering. Free Drainage Test/. – ASCOR, 2015. – 2 с.  IB-1-028-EN.
10. Процедура приготовления реагентов для лабораторного тестирования. 1. Коагулянты жидкие. – ASCOR, 2014– 1 с.  IB-1-021-RU.
11. Процедура приготовления реагентов для лабораторного тестирования. 4. Флокулянты порошкообразные. – ASCOR, 2014. – 2 с. IB-1-024-RU
12. Руденко К.Г., Шемаханов М.М. Обезвоживание и пылеулавливание: учеб. пособие. – М.: Недра, 1981. – 351 с.
13. Руководство к практическим занятиям в лаборатории по процессам и аппаратам химической технологии: учеб. пособие / Под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1969. – 248 с.
14. Туровский И.С. Обработка осадков сточных вод: учеб. пособие. – М.: Стройиздат, 1982. – 223 с.
15. Туровский И.С. Осадки сточных вод. Обезвоживание и обеззараживание: учеб. пособие. – М.: ДеЛи принт, 2008. – 376 с.
16. Удаление металлов из сточных вод. Нейтрализация и осаждение: учеб. пособие. / Под ред. Дж.К. Кушни. – М.: Металлургия, 1987. – 176 с.
17. Чуянов Г.Г. Вспомогательные процессы обогащения. Обезвоживание и пылеулавливание: учеб. пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. – 204 с.
18. ASTM D2035-80. Standard Practice for Coagulation-Flocculation Jar Test of Water. Editorial correction, March 1989. P. 665–668.
19. Branning M.L., Richardson P.F. Factors affecting the dewatering of coal refuse slurries using twin belt continuous filters // Paper presented at Coal Prep 86, Lexington, Kentucky, April 28-30, 1986.
20. Cheremisinoff N.P. Liquid Filtration (2nd Edition). Woburn: Butterworth-Heinemann, 1998. 326 p.
21. Coagulation – Flocculation. – Andrézieux Cedex: SNF Floerger, 2003. – 20 p.
22. Green D.W., Perry R. H. Perry’s chemical engineers’ handbook. – 8th Edition. / Prepared by a staff of specialists under the editorial direction of Don W. Green, editor-in-chief, Robert H. Perry, late editor. NY: McGraw-Hill, 2008. 2851 p.
23. Laboratory Tests with Praestol Flocculants. – Ashland Deutschland GmbH, 2006. – 24 p.
24. Method 8006 (DOC316.53.01139). Suspended Solids. Photometric Method (750 mg/L TSS). Edition 9. – HACH Company, 2014. – 4 p.
25. Sludge Dewatering. – Andrézieux Cedex: SNF FLOERGER, 2003. – 36 p.
26. Test Procedure: Free Drainage Jar Test. Form 648. – NCC, 2004. – 2 p.
27. Test Procedure: Waste Water Jar Test. Form 647. – NCC, 2004. – 2 p.
28. Wooley J.F. Operational Control Tests for Wastewater Treatment Facilities. Specific Resistance Test. Student Workbook. – Albany: Linn-Benton Community College, 1981. – 18 p.