В настоящее время важнейшей задачей при изучении свойств углей является разработка новых и интенсификация существующих способов переработки применительно и к топливным, и к нетопливным направлениям использования углей. Одним из путей решения этой задачи является применение воздействия физических полей как на стадии обработки сырья, так и непосредственно в процессе получения продуктов переработки из угля. Это объясняет актуальность изучения влияния физических полей (температурного, электромагнитного, ультразвукового и др.) на органическую массу твердых горючих ископаемых.
Физические методы интенсификации очень разнообразны в различных процессах. Методические основы интенсификации основываются на том, что любой процесс связан с переводом веществ (материально-энергетических потоков) из одних состояний (вход) в другие (выход), а всякое воздействие направленно влияет через определенные свойства веществ, поэтому их знание и учет при выборе воздействий является основным фактором, предопределяющим вид и характер воздействия [5].
При этом физические воздействия могут быть отнесены к одной из следующих групп:
1) не влияющие на свойства вещества в смысле получения по этому веществу конечного результата (нейтральные);
2) вызывающие приближение свойств вещества к области требуемых значений (интенсифицирующие);
3) вызывающие удаление свойств вещества относительно области требуемых значений (замедляющие).
После варьирования физическими воздействиями и их сочетаниями определяется их наиболее целесообразная совокупность, которая обеспечивает проведение требуемого (возможно нового) процесса. Процедура заканчивается при достижении заданной цели, т.е. при попадании свойств в область требуемых значений с учетом выполнения наложенных ограничений [2].
В связи с этим за последнее десятилетие бурное развитие получили такие новые области, как применение электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона и ударных волн, ультразвук, лазерохимия и др. Расширение диапазона возможных воздействий на технологические процессы естественно влечет за собой требование знания свойств веществ, связанных с воздействиями различных типов.
Выбор физического воздействия, его характеристик и способа организации процесса химических превращений определяется многочисленными факторами, требующими кропотливого теоретического и опытного изучения.
Поскольку физические воздействия позволяют интенсифицировать не только макроскопические, но и микроскопические процессы атомно-молекулярного уровня, то для изучения вопроса комплексной переработки ТГИ особый интерес представляют воздействия, приводящие к химическим превращениям веществ, которые невозможны при использовании других методов, так как между физическими и химическими явлениями существует глубокое единство.
Таким образом, в условиях современного производства, где одной из важнейших задач выступает повышение эффективности использования имеющихся ресурсов в совокупности с соблюдением возрастающих экологических требований, актуально развитие исследований, ориентированных на расширение применения нетрадиционных физических и физико-химических воздействий на сырьевой ресурс, позволяющих интенсифицировать производство продукта с добавленной стоимостью.
Задача интенсификации химико-технологических процессов переработки углей заключается в выборе или поиске наиболее эффективных воздействий или их совокупности. В процессе переработки углей в разные виды продуктов можно выделить технологические операции подготовки сырья, собственно переработки и выделения целевых продуктов. На любой из этих стадий возможно применение воздействий физическими полями. Кроме этого, возможно повышение качества продуктов переработки при наложении физических воздействий на полученный продукт.
Одним из перспективных физических методов воздействия на вещества для интенсификации технологических процессов является метод, основанный на использовании механических колебаний ультразвукового диапазона - так называемых ультразвуковых (УЗ) колебаний. Наиболее успешно УЗ колебания используются в процессах, связанных с жидкими состояниями реагентов, поскольку только в них возникает специфический процесс - ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на различные вещества. Воздействие УЗ колебаний на различные технологические процессы в жидких средах позволяет [5]:
1) кратно ускорить процессы, протекающие между двумя или несколькими неоднородными средами (растворение, пропитку, экстрагирование и т.д.);
2) увеличить выход полезных продуктов (например, экстрактов) и придать им дополнительные свойства (например, биологическую активность).
Высокая эффективность УЗ воздействий на различные технологические процессы подтверждена многочисленными исследованиями и опытом более чем тридцатилетнего применения на ряде предприятий различных областей промышленности. Несомненные достоинства УЗ колебаний должны обеспечить их широчайшее использование при решении сложных проблем современных производств, предназначенных для выпуска конкурентоспособной продукции.
Проведенными ранее исследованиями [4] показана принципиальная возможность увеличения выхода гуминовых кислот при применении воздействия ультразвуком на бурый уголь и торф. Целью настоящего исследования было установление степени влияния ультразвука на различных стадиях выделения гуминовых кислот их бурых углей. Ультразвуковое воздействие осуществлялось в ультразвуковой ванне типа УЗВ-9/100-ТН-РЭЛТЭК с частотой озвучивания рабочего раствора 20,35-48,4 кГц и (при необходимости) температурой нагрева до 65 °С. В качестве объекта исследований взят бурый уголь Харанорского месторождения с влажностью Wa = 13,8 %, зольностью Ad = 7,4 %, выходом летучих веществ Vdaf = 46,2 %. Выход свободных гуминовых кислот по ГОСТ 9517-94 составил 6,7 %. Масса проб (на сухое топливо) при проведении экспериментов составляла 100 г.
Традиционная методика выделения гуминовых кислот из бурых углей заключается в щелочной экстракции пробы при температуре 95-98 °С. В лаборатории комплексного использования углей Института горного дела Севера разработана методика выделения гуминовых кислот из бурых углей, заключающаяся в смешивании угля со щелочью при минимальном количестве воды, предварительной тепловой обработке (нагреве) полученной смеси и последующей водной экстракции. При выполнении данной серии экспериментов произведено изменение вышеприведенной методики с введением в нее ультразвукового воздействия на стадии смешивания бурого угля со щелочью, стадии предварительной тепловой обработки и (или) на стадии экстракции гуминовых веществ. Влияние ультразвукового поля оценивалось относительно выхода свободных гуминовых веществ [1] и выхода гуминовых веществ при традиционной щелочной экстракции. В связи с этим были изучены следующие варианты комбинирования традиционного и ультразвукового извлечения гуминовых кислот:
1 - щелочная экстракция традиционным способом (без предварительной обработки сырья);
2 - предварительная ультразвуковая обработка сырья и ультразвуковая экстракция;
3 - нагрев смеси угля со щелочью, ультразвуковая экстракция;
4 - предварительная ультразвуковая обработка сырья, нагрев смеси угля со щелочью, экстракция традиционным способом.
Условия проведения экспериментов по вариантам приведены в таблице 1.
Таблица 1
Условия проведения экспериментов
|
№ |
Параметры |
Варианты |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
||
|
1 |
Сухая масса пробы угля, г |
100 |
|||
|
2 |
Щелочь |
КОН |
|||
|
3 |
Количество щелочи, моль на 1 кг сухой беззольной массы угля |
15 |
|||
|
4 |
Температура ультразвуковой обработки, °С |
- |
60 |
- |
60 |
|
5 |
Температура тепловой обработки, °С |
- |
120 |
120 |
120 |
|
6 |
Объем воды при предварительной обработке, мл |
- |
500 |
||
|
7 |
Время предварительной обработки, ч |
- |
1 |
||
|
8 |
Объем воды для экстракции, мл |
2500 |
|||
|
9 |
Время экстракции, ч |
1 |
|||
|
10 |
Температура традиционной экстракции, °С |
95 |
- |
- |
95 |
|
11 |
Температура ультразвуковой экстракции, °С |
- |
60 |
60 |
- |
Полученный в ходе экспериментов экстракт после остывания фильтровался через сито с размером ячеек 0,13 мм, замерялся его объем, рН и выход гуминовых кислот весовым методом. Эксперименты проводились с трехкратным повторением.
В результате проведения экспериментов получено:
- при щелочной экстракции традиционным способом выход гуминовых кислот составил 6,2 %, что сопоставимо с их выходом, полученным по ГОСТ 9517-94;
- предварительная ультразвуковая обработка сырья и последующая ультразвуковая экстракция позволили повысить выход гуминовых кислот до 16,9 %;
- нагрев смеси угля со щелочью в сочетании с экстракцией под действием ультразвукового поля в ультразвуковой ванне позволяет увеличить выход гуминовых веществ до 19,4 %;
- предварительная ультразвуковая обработка сырья с последующим нагревом и экстракцией традиционным способом позволяет достичь наилучших результатов. При таком методе переработки сырья выход гуминовых веществ из бурого угля увеличивается до 24,9 %.
Таким образом, исследованиями ультразвукового воздействия на процесс извлечения гуминовых веществ из бурого угля в лабораторных условиях установлено, что как предварительная ультразвуковая обработка сырья, так и последующая его экстракция под воздействием ультразвукового поля приводит к увеличению выхода гуминовых кислот. Эксперименты показали, что при предварительной ультразвуковой обработке бурого угля с последующим нагревом и экстракцией традиционным способом выход гуминовых веществ увеличивается в 4 раза по сравнению с выходом гуминовых кислот при традиционной экстракции. Полученные результаты являются основой нового метода экстракции гуминовых веществ в ультразвуковом поле.
Рецензенты:
Гриб Н.Н., д.т.н., профессор, заместитель директора по науке, заведующий кафедрой «Горное дело», Технический институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова», г. Нерюнгри;
Матвеев А.И., д.т.н., заведующий лабораторией обогащения полезных ископаемых, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск.