Вплив солей гумінових кислот на структурно-механічні властивості водовугільних суспензій - Автореферат

%, низькі значення вязкості (не більш 1 Пас при швидкості зсуву 10 с-1) і напруги зсуву (не більш від 5-10 Па при >10 с-1); агрегативна і седиментаційна стійкість - можливо лише при введенні поверхнево-активних речовин (пластифікаторів і стабілізаторів), що можуть надати системі необхідні структурно-механічні властивості і стабільність. Цілеспрямоване регулювання і прогнозування структурно-механічних властивостей ВВВС у широкому діапазоні температур, а також у присутності різних хімічних реагентів у їх складі є можливим тільки при використанні сучасних підходів фізико-хімічної механіки дисперсних систем, які полягають у керуванні поверхневими явищами на міжфазних границях, зокрема за допомогою поверхнево-активних речовин різної хімічної природи і будови, а також електролітів. Таким чином, установлення загальних закономірностей пластифікуючої дії солей гумінових кислот у водовугільних суспензіях в залежності від їхньої будови і властивостей, а також регулювання структурно-механічних властивостей ВВВС, що отримують з використанням цих добавок є задачею актуальною як у теоретичному, так і в практичному плані. Визначити загальні закономірності зміни структурно-механічних властивостей висококонцентрованих водовугільних суспензій при введенні до системи електролітів 1-1 (KCL, NACL), зміні концентрації твердої фази і температури для випадків практично цілком гідрофобної (пісне вугілля) і "мозаїчної" (газове вугілля) поверхні. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: уперше проведено систематичні дослідження структурно-механічних властивостей водовугільних суспензій з урахуванням природи поверхні твердої фази, температури і вмісту в системі електролітів 1-1, а також із застосуванням в зазначених умовах СГН і НГН, як пластифікаторів .Відзначено, що широка полідисперсність гумінових кислот, повязана з їхнім біогенним походженням, робить особливо важливим установлення взаємозвязку між фізико-хімічними параметрами гуматів і їхніми пластифікуючими властивостями, тому що це дозволило б цілеспрямовано одержувати добавки з заданими властивостями. Для встановлення загальних закономірностей пластифікування ВВВС в якості твердої фази було обрано зразки вугілля з різним характером поверхні: пісне (із практично цілком гідрофобною) і газове (з "мозаїчною" поверхнею). Розмір частинок за даними седиментаційного аналізу складав <40 мкм, питома поверхня порошків вугілля за БЕТ: газове вугілля 14 м2/г, пісне вугілля 8 м2/г. При дослідженні залежності реологічних характеристик від вмісту твердої фази в суспензії при температурі 200 С показано, що без пластифікатора для обох типів вугілля вже при >50% спостерігаються високі значення вязкості і значні початкові напруги зсуву, небажані для цього типу промислових суспензій. При перевищенні критичного значення концентрації твердої фази (при температурі 200С для ВВВС ця величина склала 55%) у системах реалізується течія з областю наданомалії (при швидкостях деформації 1 - 9 с-1), що виражається в різкому спаді напруги зсуву після досягнення критичного значення швидкості деформації.На основі систематичних досліджень структурно-механічних властивостей висококонцентрованих водовугільних суспензій установлено взаємозвязок між складом суспензій, поверхневими характеристиками вугілля і типом течії, що реалізується в суспензії, у тому числі при високих температурах і високих концентраціях електролітів. Установлено критичні концентрації твердої фази, при яких у суспензії реалізується течія з областю наданомалії вязкості, для водовугільних суспензій різного складу в широкому діапазоні температур. Встановлено, що зростання енергії міжчастинкових взаємодій (зокрема при підвищенні температури і концентрації електролітів у дисперсній системі) призводить до збільшення ступеня тиксотропності, зниження агрегативної стійкості, і сприяє реалізації течії з областю наданомалії вязкості. Введення в водовугільні суспензії пластифікаторів - солей гумінових кислот - істотно знижує значення всіх реологічних параметрів, зменшує енергію міжчастинкових взаємодій, унаслідок чого знижує ступінь тиксотропності, підвищує агрегативну стійкість суспензії і сприяє реалізації вязкопластичного типу течії без наданомалії вязкості. Для характеристики поверхнево-активних речовин на основі солей гумінових кислот як регуляторів (пластифікаторів, стабілізаторів, емульгаторів та ін.) структурно-механічних властивостей дисперсних систем запропоновано використовувати нові параметри: пороги висолювання і кислотостійкості.

Основний зміст роботи

1. На основі систематичних досліджень структурно-механічних властивостей висококонцентрованих водовугільних суспензій установлено взаємозвязок між складом суспензій, поверхневими характеристиками вугілля і типом течії, що реалізується в суспензії, у тому числі при високих температурах і високих концентраціях електролітів.

2. Виявлено явище наданомалії вязкості при течії високодисперсних висококонцентрованих водовугільних суспензій з вугілля з різним характером поверхні (з практично цілком гідрофобною і "мозаїчною"). Установлено критичні концентрації твердої фази, при яких у суспензії реалізується течія з областю наданомалії вязкості, для водовугільних суспензій різного складу в широкому діапазоні температур.

3. На основі реологічних даних визначено енергії міжчастинкових взаємодій у висококонцентрованих водовугільних суспензіях різного складу. Встановлено, що зростання енергії міжчастинкових взаємодій (зокрема при підвищенні температури і концентрації електролітів у дисперсній системі) призводить до збільшення ступеня тиксотропності, зниження агрегативної стійкості, і сприяє реалізації течії з областю наданомалії вязкості.

4. Введення в водовугільні суспензії пластифікаторів - солей гумінових кислот - істотно знижує значення всіх реологічних параметрів, зменшує енергію міжчастинкових взаємодій, унаслідок чого знижує ступінь тиксотропності, підвищує агрегативну стійкість суспензії і сприяє реалізації вязкопластичного типу течії без наданомалії вязкості. Пластифікуючий ефект гуматів визначається їхньою адсорбцією на поверхні вугільних частинок.

5. Розроблено оптимальні умови одержання солей сульфованих гумінових кислот з високим виходом.

6. Установлено, що хімічне модифікування солей гумінових кислот шляхом уведення сульфогруп у молекули гумінових кислот є дійовим способом одержання більш ефективних і стійких до впливу різних факторів пластифікаторів висококонцентрованих водовугільних суспензій.

7. Для характеристики поверхнево-активних речовин на основі солей гумінових кислот як регуляторів (пластифікаторів, стабілізаторів, емульгаторів та ін.) структурно-механічних властивостей дисперсних систем запропоновано використовувати нові параметри: пороги висолювання і кислотостійкості. Виявлено, що розчини сульфованих гуматів натрію більш стійкі до впливу сильних електролітів, ніж розчини нативних гуматів.

8. Запропоновано використовувати солі сульфованих гумінових кислот як регулятори структурно-механічних властивостей для одержання суспензій з високим ступенем мінералізації рідкої фази в дослідно-промислових умовах.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Хилько С.Л. , Титов Е.В., Федосеева А.А. Влияние сильных электролитов и температуры на возникновение разрывов сплошности при течении водоугольных суспензий // Коллоидный журнал. - 2001. - №6. - С. 845-849.

2. Хилько С.Л. , Титов Е.В. , Федосеева А.А. Влияние сильных электролитов на водные растворы Na-солей нативных и сульфированных гуминовых кислот // Коллоидный журнал. - 2001. - №5. - С. 706-710.

3. Хилько С.Л., Титов Е.В., Федосеева А.А. Получение гумосульфонатов натрия в вибромашинах типа "ВОТУМ" // Сб. науч. трудов "Коллоидная химия и физико-химическая механика природных дисперсных систем", Одесса: НПО "ВОТУМ", 1997.- С. 105-106.

4. Хилько С.Л. , Титов Е.В., Федосеева А.А. Определение кислотных групп в сульфированных гуматах натрия методом потенциометрического титрования // Сб.науч.тр. "Вибротехнология-98". - Одесса : НПО ВОТУМ, 1998. - С. 101 - 102.

5. Хилько С.Л., Титов Е.В., Федосеева А.А., Белкина Г.А. Пороговые характеристики солей сульфированных гуминовых кислот // Сб. науч. тр. "Обработка дисперсных материалов и сред". - Одесса: НПО ВОТУМ, 1999. - С. 212 - 214.

6. Хилько С.Л., Титов Е.В., Федосеева А.А., Белкина Г.А. Зависимость вязкости водоугольных суспензий от температуры // Сб. науч. тр. "Обработка дисперсных материалов и сред". - Одесса: НПО ВОТУМ, 1999. - С. 209 - 211.