Влияние ультразвука на степень извлечения гуминовых кислот из бурого угля Кангаласского месторождения

ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

УДК 662.642:534-8

Влияние ультразвука на степень извлечения гуминовых кислот из бурого угля

Кангаласского месторождения

Т.В. Москаленко, О.С. Данилов

Экспериментально изучено влияние колебаний ультразвукового диапазона мощностью 280 Вт и частотой 35 кГц на степень извлечения гуминовых кислот из бурого угля. Установлен положительный эффект воздействия, предложено объяснение механизма влияния ультразвука.

Experimentally influence of oscillations of a ultrasonic range by power of280 W and by frequency 35 vHz on a grade of extraction of humic acids from brown coal is studied. The positive effect of influence is established, argument of the mechanism of influence of ultrasonic sound is offered.

Ключевые слова: гуминовые кислоты, бурый уголь, Кангаласское месторождение, ультразвук.

В углехимических исследованиях последнего десятилетия значительное внимание уделяется поиску эффективных способов активации углей с целью стимулирования деструктивных превращений их органической массы (ОМУ) в более мягких условиях [1].

Ультразвуковая активация - одно из современных экологически чистых средств стимуляции физико-химических процессов [2].

Согласно [3], ультразвук (УЗ) представляет собой упругие колебания и волны, частота которых превышает 15-20 кГц и применяется как в научных исследованиях для изучения строения и свойств вещества, так и для решения самых разнообразных технических задач.

УЗ является средством активного воздействия:

1) на протекание тепло-, массообменных процессов в веществах;

2) на структуру твердых тел и процессы их контактного взаимодействия.

Использование УЗ в технологических процессах получения и обработки материалов и веществ позволяет:

1) снизить себестоимость процесса или продукта;

2) получать новые продукты или повысить качество существующих;

3) интенсифицировать традиционные техно-

МОСКАЛЕНКО Татьяна Владимировна - к.т.н., н.с. ИГДС СО РАН; ДАНИЛОВ Олег Сергеевич - аспирант ИГДС СО РАН.

логические процессы или стимулировать реализацию новых [2].

В связи с этим, в сфере углехимических исследований весьма актуальной является проблема выявления характера специфических эффектов акустических ультразвуковых колебаний на процессы глубокой переработки твердых горючих ископаемых (ТГИ), в частности, на степень извлечения гуминовых кислот из бурого угля.

ГК являются весьма ценным продуктом переработки ТГИ и представляют собой смесь тем-ноокрашенных органических высокомолекулярных аморфных кислот, объединенных общим типом строения, но имеющих некоторые различия, определяемые их происхождением и способом выделения [4]. Благодаря наличию активных кислых групп в макромолекулах ГК, обусловливающих способность к ионному обмену, к комплек-сообразованию с поливалентными катионами и окислительно-восстановительным реакциям, они весьма широко используются в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства [5]. Так, в настоящее время имеется значительный опыт практического использования различных видов гуминовых удобрений и стимуляторов роста растений в разнообразных почвенно-климатических условиях. В работах [6,7] доказан высокий антитоксический эффект гумата натрия, что позволяет использовать этот препарат в медицине и животноводстве в качестве лекарственного средства, повышающего сопротивляемость организма к воздействию неблагоприятных факторов. Кроме

МОСКАЛЕНКО, ДАНИЛОВ

того, ГК успешно применяются: 1) в производстве керамики, увеличивая текучесть шликера и прочность сырца на изгиб до 20 %; 2) в производстве железобетонных конструкций, повышая их прочность; 3) в производстве полимеров, повышая термо- и светостойкость, прочность; 4) в мебельном производстве в качестве качественного пигмента; 5) в очистке вод и почв от тяжелых и радиоактивных металлов, а также нефтяных загрязнений [5].

Исходным объектом для получения ГК послужил бурый уголь марки 2Б Кангаласского угольного месторождения Ленского бассейна (Республика Саха (Якутия), имеющий следующие характеристики (%): = 8,1; Аа = 17,3; Аа = 18,8; Vй = 36,5; Vм = 48,8.

Методика исследования заключалась в следующем. Из исходного бурого угля ГК выделяли тремя методами:

1) стандартным по ГОСТ 9517-94 (ИСО 5073-85);

2) без включения в процесс экстракции ГК водяной бани, требуемой ГОСТом, т.е. на воздухе;

3) заменой водяной бани воздействием ультразвуковых колебаний (мощность источника 280 Вт, частота 35 кГц).

Время экстракции во всех трех методах составило 1 и 2 ч.

Ультразвуковая обработка проводилась в ультразвуковой ванне марки «Лаборетте-17». Для проведения экспериментальной части исследования ванна была наполнена водой на 3/4 своего объема. В воду были погружены две колбы емкостью 100 см3 , заполненные смесью бурого угля и 5%-ного раствора едкого калия в пропорции, регламентированной ГОСТом 9517-94 (ИСО 507385). Положение колб фиксировалось держателями на одном уровне от ультразвукового излучателя ванны.

Степень извлечения (выход) ГК из бурого угля в зависимости от применяемого метода приведена в таблице.

Как видно из таблицы, выход ГК из бурого угля с применением ультразвуковой обработки несравнимо ниже выхода по методу регламентированному ГОСТом с применением водяной бани. Однако, если сравнить выход ГК с применением ультразвуковой обработки с выходом ГК без применения тепловой обработки (на воздухе), то можно констатировать, что выход с применением ультразвука выше. Полученные результаты по влиянию ультразвуковых колебаний на степень

Выход ГК (мас. %) в зависимости от метода его извлечения из бурого угля

Условия Время воздействия, час

1 2

ГОСТ 9517-94 Водяная баня (нагрев до 80°С) 34,29 40,74

На воздухе (1 = 21 °С) 12,52 17,32

Ультразвуковая обработка (1 = 21-30°С) 19,80 28,88

извлечения ГК из бурого угля хорошо согласуются с результатами, приведенными в работе [8], где отмечен тот факт, что ультразвук позволяет увеличить степень извлечения гуминовых кислот из бурого угля.

Механизм влияния ультразвуковых колебаний на повышение выхода ГК, вероятно, можно объяснить следующим образом. В технологии получения ГК из бурого угля используется выщелачивание, в нашем случае, с применением едкого калия. При этом смешивается определенное количество щелочи с навеской угля, т.е. получают жидкофазный раствор. Согласно [3], химические реакции, возникающие в жидкости при распространении УЗ, можно подразделить на 4 типа:

1) окислительно-восстановительные реакции, протекающие в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами расщепления внутри кавитационного пузырька молекул растворителя (воды) и газов;

2) реакции между растворенными газами, водой и веществами с высокой упругостью пара, находящимися внутри кавитационного пузырька;

3) цепные реакции в растворе, инициируемые радикалами, появляются в результате расщепления в кавитационной полости какого-либо вещества помимо воды;

4) звукохимические реакции с участием макромолекул. Реакции этого типа могут, в отличие от предыдущих, инициироваться ультразвуком и в отсутствие кавитации в случае механической деструкции первоначально присутствующих в системе молекул полимеров: под действием звукового поля происходит механический разрыв макромолекул, а полученные макрорадикалы способны инициировать полимеризацию.

В нашем случае вероятнее всего возникают химические реакции четвертого типа с участием макромолекул. Корректность такого утверждения можно обосновать по аналогии с экспериментами по интенсификации степени экстрагирования ГК из ТГИ более низкой стадии метаморфизма

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА СТЕПЕНЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ

- торфе [9]. Эффект повышения выхода ГК авторы объясняют тем, что вибрационные колебания с выбранной ими для экспериментов частотой (18-19 кГц) вызывают деструктивные процессы в торфе, активизируя его. Происходит «расшатывание» и разрыв связей в органических и минеральных составляющих, разрушение адсорбционных комплексов, в результате чего ускоряются химические процессы и гуминовые кислоты наиболее полно экстрагируются из торфа.

Бурый уголь стоит в ряду метаморфизма за торфом, следовательно, процессы, происходящие в торфе при воздействии УЗ, можно корректно перенести и на бурый уголь, но с учетом строения, которое влияет на выбор эффективного частотного диапазона ультразвуковых колебаний.

Кроме этого, в данном процессе весьма вероятна реализация процесса ультразвуковой пропитки, основанной на звукокапиллярном эффекте. При этом жидкость, которой пропитывают тело, как бы «вгоняется» в капилляры, в десятки раз ускоряя его пропитывание [2]. В нашем случае, возможно, раствор едкого калия под воздействием УЗ проникает более глубоко в капиллярную сеть бурого угля, тем самым усиливая разложение последнего. Это в свою очередь вызывает увеличение выхода ГК.

Таким образом, по совокупности представленной информации можно сделать вывод, что ультразвуковые колебания мощностью 280 Вт и частотой 35 кГц положительно влияют на выход ГК из бурого угля Кангаласского месторождения, повышая его с увеличением продолжительности воздействия.

Литература

1. Патраков П.Ф., Федорова Н.И., Семенова С.А. Влияние кавитационной обработки углей на их физико-химические свойства и способность к термическому растворению // Химия твердого топлива. - 2007. - №4. - С. 3-8.

2. www.vvt.ru.

3. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Гл. ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

4. Головин Г.С., Лесникова Е.Б., Артемова Н.И., Лукичева В.П. Использование гуминовых кислот твердых горючих ископаемых // Химия твердого топлива. -2004. - №6. - С.43-49.

5. Шишмина Л.В., Чухарева Н.В. Направления использования гуминовых кислот. - http://xxt2006.chtd. tpu.ru/uploads/pdf/77_18.pdf

6. Чуков С.Н., Талашкина В.Д., Надпорожная М.А. Физиологическая активность ростовых стимуляторов и гуминовых кислот почв // Почвоведение. -1995. - №2. - С.169-173.

7. Аляутдинова Р.Х., Екатеринина Л.Н., Вишнякова Л. В. Уголь как сырье для получения гуминовых препаратов, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур // Кокс и химия. - 1984. - №12. - С. 37-39.

8. Камнева А.И., Канделаки Г.И., Косов И.И. Влияние ультразвука на состав и свойства гуминовых веществ, выделяемых из бурого угля Канско-Ачинского бассейна // Перспективы использования угля и продуктов его переработки в народном хозяйстве: Тез. докл. I республ. конф. 13-15 мая 1985. - Киев, 1985. - С.51.

9. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Кривопуцкая Л.М., Кривопуцкий В.С. Влияние вибрационных методов на скорость и полноту протекания химических реакций при переработке торфа // Тр. ВЦ СО РАН. Сер. Мат. моделир. в геофиз. - 1994. - № 3. - С. 102-110.