Состав шахтного смачивателя для пылеподавления на угольных шахтах
COMPOSITION OF THE MINE WETTING AGENT FOR DUST SUPPRESSION IN COAL MINES

Изобретение относится к горной, в частности, угледобывающей отрасли, и может быть использовано для повышения эффективности пылеподавления и снижения запыленности воздуха на угольных шахтах, а также на разрезах, угольных складах и углеобогатительных фабриках, где применяются средства гидрообеспыливания.
Известен состав для пылеподавления (авторское свидетельство СССР №834353, опубл. 30.05.1981), включающий поверхностно-активное вещество, в качестве которого использован амидобетаин, и воду при следующем соотношении компонентов, вес. %: амидобетаин – 0,00001-1,0000; вода – остальное.
Недостатком состава является его низкая эффективность вследствие использования в нем только одного типа поверхностно-активного вещества – амфотерного, обладающего высокой пенообразующей, но слабой смачивающей способностью.
Известен состав для смачивания угольной пыли (авторское свидетельство СССР №1168735, опубл. 23.07.1985), включающий поверхностно-активное вещество, электролит и воду. В качестве электролита содержит сульфит натрия или тиосульфат натрия при следующем соотношении компонентов, масс. %: поверхностно-активное вещество – 0,04-0,20, сульфит натрия или тиосульфат натрия – 0,01-3,00, вода – остальное.
Недостатками состава являются зависимость скорости смачивания им угольной пыли и эффективности пылеосаждения от использования в нем конкретного поверхностно-активного вещества; наличие в качестве одного из компонентов – сульфита натрия, обращение с которым требует принятия повышенных мер безопасности (применения индивидуальных средств защиты глаз/лица, органов дыхания, кожи, рук) и попадание которого в поверхностные и грунтовые воды недопустимо вследствие его острой токсичности.
Известно профилактическое средство против смерзания, прилипания и пылеподавления сыпучих материалов (патент РФ № 2155201 опубл. 27.08.2000), содержащее 40-50 мас.% гудрона пермских нефтей и 50-60 мас.% керосиногазойлевой фракции каталитического крекинга с пределами кипения 200-275ºС.
Недостатками профилактического средства в качестве пылесвязывающего состава являются специфичность используемых для его приготовления компонентов, обуславливающая отсутствие их в непосредственном доступе, необходимость их нагрева до температуры 70 ºС и делающая невозможным применение данного средства для снижения концентрации взвешенной в воздухе пыли.
3
2
2
3
2
2
2
3
2
2
3
3
2
2
4
3
2
2
5
3
2
2
6
3
2
2
7
3
2
2
8
Известен пылеподавитель (патент РФ № 2220182 опубл. 27.12.2003), содержащий смесь монометиловых эфиров полиэтиленгликолей формулы СНО(СНСНO)nН, где n - целое число от 2 до 8, средней молекулярной массы 175-195, состава, мас. %: монометиловый эфир диэтиленгликоля СНО(СНСНO)Н – 0,1-15; монометиловой эфир триэтиленгликоля СНО(СНСНO)Н – 30-50; монометиловый эфир тетраэтиленгликоля СНО(СНСНO)Н – 20-35; монометиловый эфир пентаэтиленгликоля СНО(СНСНO)Н – 10-20; монометиловый эфир гексаэтиленгликоля СНО(СНСНO)Н – 3,5-10; монометиловый эфир гептаэтиленгликоля СНО(СНСНO)Н – 1-5; монометиловый эфир октаэтиленгликоля СНО(СНСНO)Н – 0,1-1,5.
К недостаткам пылеподавителя относятся наличие в нем большого количества компонентов при высоком их расходе, что усложняет и удорожает процесс производства состава; низкая смачивающая способность, возможность использования пылеподавителя только для предотвращения пыления мелкозернистых сыпучих материалов посредством их обработки и непригодность его применения в системах внутришахтного гидроорошения.
Известно средство для борьбы с пылью и борьбы с замерзанием (патент РФ №2380390 опубл.27.01.2010), в состав которого входят смесь приблизительно от 45 до 90 мас.% глицерина, приблизительно от 5 до 50 мас.% воды и приблизительно от 2 до 15 мас.% растворимой в воде соли.
Недостатками средства для борьбы с пылью являются широкие и приблизительные диапазоны дозирования компонентов, усложняющие процесс приготовления состава и отрицательно влияющие на достигаемую эффективность пылеподавления; использование в составе горючего вещества (глицерина), пары которого могут образовывать взрывоопасные смеси с воздухом; невозможность использования средства для борьбы с пылью в шахтных условиях.
Известен состав пылеподавления и рекультивации поверхности хвостохранилища (патент РФ №2625469 опубл. 14.07.2017), включающий по массе 30% биоугля, 10% природного цеолита (клиноптилолита), 60% отходов рудообогащения оловосодержащего сырья класса крупности - 5+0,074 мм.
Недостатком состава является ограниченная область его применения, распространяющаяся только на закрепление пылящей поверхности хвостохранилищ, содержащих отходы переработки оловорудного сырья, и исключающая возможность использования рассматриваемого состава для смачивания, осаждения и закрепления угольной или углепородной пыли.
Известен пылеподавитель для обработки мелкозернистых материалов (патент РФ №2690925, опубл. 23.08.2018) содержащий 40-50 мас. % пылеподавителя калийных солей в виде смеси моноэтиленгликоля не более 5,0 мас. %, диэтиленгликоля – 20 мас. %, триэтиленгликоля – 20 мас. %, тетраэтиленгликоля – 10 мас. %, пентаэтиленгликоля – 10 мас. % с моноэтиловыми эфирами три- и тетраэтиленгликолей не более 30,0 мас. % в воде не более 5 мас. %; 10-20 мас.% формаль диоксанового спирта в виде побочных продуктов производства диоксана; 1-3 мас. % карбоксиметилцеллюлозы; 1-2 мас.% смачивателя ОП-10; воду до 100 мас.%.
Недостатками пылеподавителя являются сложная рецептура его приготовления, характеризуемая значительным количеством ингредиентов и необходимостью одновременного использования нескольких емкостей с перемешивающими устройствами; высокая стоимость; использование в составе пожароопасного компонента (смачивателя ОП-10), вызывающего при попадании на кожу контактный дерматит; непригодность применения в системах орошения для пылеподавления в угольных шахтах ввиду высокой вязкости пылеподавителя и эффекта пленкообразования, что приводит к залипанию форсунок и выходу их из строя.
Известен смачиватель для подавления угольной пыли (патент РФ №2689469, опубл. 28.05.2019), содержащий по массе 0,8-1,0% олеиновой кислоты, 0,4-0,6% гидроксида натрия (соды каустической), 0,3-0,6% льняного масла и воду – остальное.
Недостатками смачивателя являются недостаточно высокая эффективность пылеподавления, высокая стоимость некоторых компонентов, коррозионное воздействие и токсичность для водной среды использованного в смачивателе гидроксида натрия.
Известен смачиватель для подавления угольной пыли (патент РФ №2495250 опубл. 10.10.2013). Смачиватель содержит алкилбензосульфокислоту, гидроксид натрия, неонол, этиловый спирт, карбамид, хлорид кальция, бишофит, отдушку и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: алкилбензосульфокислота – 11,3-14,3; гидроксид натрия – 6,0-9,05; неонол – 14,0-17,9; этиловый спирт – 1,25-1,75; карбамид – 1,3-1,7; хлорид кальция – 1,25-1,75; бишофит – 1,25-1,75; отдушка – 0,2-0,5; вода - 50-53,5.
Недостатками аналога являются его невысокая эффективность, многокомпонентность, усложняющая и удорожающая процесс производства, наличие в составе веществ, представляющих серьезную опасность в процессе их использования и недопустимо высокий их расход: алкилбензосульфокислоты – вызывающей серьезные раздражения и повреждения кожи и глаз вплоть до ожогов, гидроксида натрия – оказывающего сильное коррозионное воздействие на металлы, вызывающего химические ожоги при попадании на кожу и являющегося остро токсичным для водной среды; этилового спирта – легковоспламеняющей жидкости, пары которой могут образовывать взрывоопасные смеси с воздухом; карбамида – горючего вещества; хлорида кальция – соединения, при возгорании которого может образовываться ядовитый газ – хлористый водород.
Как показывает анализ уровня техники, известные аналоги обладают компонентными составами, содержащими опасные для человека и экологии ингредиенты, а также характеризуются недостаточно высокой смачивающей способностью по отношению к угольной и породной пыли.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков прототипа, а также качественному и количественному составу ингредиентов, к предлагаемому составу рассматривается моющая композиция с децил- и кокоглюкозидами (патент РФ № 2555356, опубл. 10.07.2015). Однако, такая композиция относится к области косметологии и гигиены и представляет собой моющую композицию с пенообразованием, содержащую: a) поверхностно-активные вещества, состоящие из децилглюкозида и кокоглюкозида, где децилглюкозид присутствует в количестве по массе, которое в 1,8-2,2 раза превышает массу кокоглюкозида, и b) воду, где количество децилглюкозида составляет от 10 до 30% масс. от массы композиции, причем композиция свободна от анионных поверхностно-активных веществ. Изобретение обеспечивает создание моющей композиции, которая имеет эффективные свойства пенообразования при отсутствии анионного поверхностно-активного вещества, как и композиция, включающая анионное поверхностно-активное вещество.
Недостатком такой композиции является ее недостаточно высокая смачивающая способность, которая сильно изменяется в рамках указанных пределов варьирования и соотношения глюкозидов.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка нового состава шахтного смачивателя для пылеподавления на угольных шахтах, который является более безопасным для человека и окружающей природной среды по сравнению с аналогами и который обеспечивает более высокую эффективность смачивания породной пыли и пылей углей различного состава, образующихся при ведении горных работ и поступающих в воздух подземных горных выработок.
Для решения поставленной проблемы предложен состав шахтного смачивателя для пылеподавления на угольных шахтах, содержащий децилглюкозид, кокоглюкозид, кокамидопропилбетаин и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:
децилглюкозид
50-55
кокоглюкозид
10-15
кокамидопропилбетаин
5-10
вода
остальное
Технический результат заключается в повышении эффективности смачивания углепородной пыли, витающей в воздухе горных выработок угольных шахт, за счет снижения величины поверхностного натяжения на границе раздела фаз, увеличения скорости смачивания пылевидных частиц и выпадения их из аэрозоля.
Смачиватель изготавливается на основе неионогенных и амфотерных поверхностно-активных веществ, отличающихся более высокой скоростью и полнотой распада в окружающей среде, а также наименьшим раздражающим действием на кожный покров и слизистые оболочки человека по сравнению с катионными и анионными поверхностно-активными веществами.
Децилглюкозид представляет собой неионогенное поверхностно-активное вещество на основе жирных спиртов кокосового и пальмового масел и кукурузной глюкозы. Децилглюкозид хорошо растворим в воде, стабилен в широком диапазоне рН, обладает высокой поверхностной активностью и растворимостью в концентрированных щелочных растворах и других электролитах, хорошо совместим с другими типами поверхностно-активных веществ. Не токсичен, не раздражает кожу, легко биоразлагается. В состав входит в качестве основного поверхностно-активного вещества. При содержании в смачивателе децилглюкозида, равном 50 – 55 мас.%, достигается наиболее высокая смачивающая способность по отношению к углепородной пыли. При концентрации данного компонента в растворе менее 50 мас. % и дальнейшем ее снижении скорость смачивания пылевидных частиц заметно падает, при увеличении концентрации до более чем 55 масс. % – время смачивания практически не изменяется.
Кокоглюкозид является натуральным неионогенным поверхностно-активным веществом, получаемым из сухой мякоти или масла кокоса и фруктового сахара. Кокоглюкозид легко растворим в воде, полностью биоразлагаем, совместим с поверхностно-активными веществами всех типов. Кокоглюкозид обладает меньшей поверхностной активностью по сравнению с децилглюкозидом, но имеет более низкую стоимость, что позволяет уменьшить себестоимость состава. В смачиватель добавляется в качестве вспомогательного поверхностно-активного вещества, позволяющего не только снизить величину поверхностного натяжения на границе раздела фаз, но и получить стабильную, мягкую, мелкоячеистую пену, которая обволакивает пылевидные частицы и ускоряет процесс их смачивания. Добавка кокоглюкозида в количестве 10-15% является достаточной для поддержания высокой скорости смачивания твердых частиц и получения мелкоячеистой пены, улучшающей взаимодействие с ними раствора. Уменьшение дозировки реагента приводит к росту величины поверхностного натяжения на границе раздела фаз «смачиватель-поверхность частицы» и снижению объема образующейся пены, которого становится недостаточно для захвата всех пылевых частиц. Добавка кокоглюкозида в количестве более 15% при одновременном использовании в составе децилглюкозида в качестве основного поверхностно-активного вещества приводит к увеличению количества пены и расходу компонента без значимого увеличения смачивающею эффекта.
Кокамидопропилбетаин – это мягкое амфотерное поверхностно-активное вещество, являющееся производной амида жирных кислот кокосового масла и глицинового бетаина. Отличается высокой степенью пенообразования и стабильностью образованной пены даже в жесткой воде, способностью контролировать динамическую вязкость смесей. Не вызывает раздражения кожи и слизистых оболочек, снижает раздражающее действие других поверхностно-активных веществ. В составе смачивателя использован для усиления смачивающего действия основного и вспомогательного поверхностно-активных веществ, повышения объема пены, ее устойчивости и стабильности.
Внесение в состав кокамидопропилбетаина в количестве 5 – 10 мас.% обеспечивает необходимый синергетический эффект входящих в смачиватель децилглюкозида и кокоглюкозида, устойчивость образующейся пены и стабильность раствора.  При концентрации кокамидопропилбетаина в смачивателе менее 5 мас. % не достигаются указанные выше эффекты, при концентрации более 10 мас.% – не происходит значительного роста смачивающей способности композиции.
Предлагаемый состав шахтного смачивателя для пылеподавления на угольных шахтах более эффективен по сравнению с существующими аналогами в борьбе со взвешенной мелкодисперсной углепородной пылью, прост в изготовлении, все его компоненты широко распространены, являются практически полностью биоразлагаемыми, не оказывают токсического воздействия на здоровье человека, относятся к наиболее безопасным из применяемых поверхностно-активных веществ.
Технология приготовления предлагаемого шахтного смачивателя характеризуется простотой реализации, отсутствием необходимости использования дорогостоящего оборудования. Для приготовления состава может быть использована практически любая емкость с мешалкой, например, чан, вертикальный реактор или установка приготовления эмульсий и суспензий. Схема приготовления состава предусматривает несколько последовательных циклов дробного дозирования компонентов в указанных пропорциях, разбавления их водой и тщательного перемешивания. Готовый смачиватель заливается в дозатор типа «ДС», подключенный к шахтной системе орошения, для получения рабочего раствора с определенной концентрацией, зависящей от фактической смачиваемости образующейся угольной и породной пыли. Концентрация рабочего раствора смачивателя в большинстве случаев принимается равной 0,03-0,05%.
В целях определения эффективности разработанного состава смачивателя проведены лабораторные исследования по оценке его смачивающей способности в отношении угольной пыли.
3
Навеска угля массой 0,1±0,0001 г предварительно подготовленной пробы крупностью -0,063 мм и доведенной до воздушно-сухого состояния высыпалась в стакан на поверхность водного раствора смачивателя заданной концентрации. Объем раствора в стакане составлял 100 мл. Смачивающая способность составов определялась по наименьшему времени смачивания навески угля. Для каждой концентрации раствора смачивателя при одной комбинации компонентов проводилось по 3 опыта, по итогам которых рассчитывалось среднее время смачивания. Полученные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты исследования смачивающей способности предлагаемого состава
Содержание компонентов всмачивателе, масс. %
Среднее время смачивания (с) навески пыли(-0,063 мм) угля марки «Г» при концентрации раствора (%)
Децил-глюкозид
Коко-глюкозид
Кокамидо-пропил-бетаин
Вода
0,02
0,03
0,05
0,1
0,5
1
-
100
-
-
90,3
80,3
54,3
45,0
27,3
15,3
100
-
-
-
74,7
61,7
38,7
30,3
23,0
12,0
40
15
-
45
90,2
79,8
57,4
49,0
32,4
19,9
45
15
-
40
85,1
74,9
53,0
45,1
28,7
15,6
50
15
-
35
80,3
71,7
49,3
43,3
26,3
14,7
55
15
-
30
79,8
71,3
49,0
43,1
26,0
14,4
60
15
-
35
79,4
70,9
48,8
42,8
25,8
14,1
50
5
-
45
91,2
78,8
58,9
51,1
37,4
19,1
50
10
-
40
80,6
71,9
49,5
43,6
26,5
15,0
50
20
-
30
80,1
71,5
49,1
43,2
26,1
14,5
50
25
-
25
79,9
71,2
49,0
43,0
25,9
14,4
50
15
1
34
80,2
71,6
49,0
43,0
25,9
14,4
50
15
3
32
79,8
71,2
48,5
42,4
25,5
14,1
50
15
5
30
67,7
48,7
34,3
25,0
12,7
10,3
50
15
10
25
67,6
48,4
34,1
24,9
12,6
10,1
50
15
15
20
67,4
48,5
34,0
25,0
12,5
10,0
Прототип (30 масс. % децилглюкозида, 15 масс. % кокоглюкозида, 55 масс. % воды)
115,7
99,8
65,8
59,4
38,1
27,6
Аналог
176,7
100,3
54,3
27,0
14,7
11,0
При исследовании составов с различными комбинациями компонентов установлено, что предлагаемый качественный и количественный состав смачивателя для подавления угольной пыли является оптимальным, при этом достигается наиболее высокая скорость смачивания, характеризуемая наименьшим временем смачивания навесок пыли. Уменьшение содержания ингредиентов в составе приводит к снижению его смачивающей способности, увеличение – не дает значительного прироста в скорости смачивания и экономически нецелесообразно. При изменении концентрации раствора предлагаемого смачивателя от 0,02% до 0,05% среднее время смачивания навесок варьировалось от 67,7 с до 34,3 с; при использовании растворов прототипа – от 115,7 с до 65,8 с. Это свидетельствует о том, что предлагаемый состав смачивателя в 1,71-2,04 раза повышает скорость смачивания угольной пыли в сравнении с прототипом. В диапазоне концентраций раствора от 0,1 до 1% время смачивания навески предлагаемым смачивателем составило 25,0-10,3 с, прототипом – 59,4-27,6 с., исходя из чего положительный эффект технического решения также очевиден.
Эффективность предлагаемого смачивающего состава изучена и на пробах пыли других углей, отличающихся маркой, физическими свойствами, петрографическим и химическим составом.  Результаты исследований приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Смачиваемость пыли углей разных марок растворами предлагаемого смачивателя и прототипа
Марка угля
Среднее время смачивания (с) навески угольной пыли(-0,063 мм) 0,1%-ным раствором
аналога
прототипа
предлагаемого смачивателя
Г
37,5
53,1
28,9
Г
31,4
45,8
26,6
Д
37,9
54,2
29,1
Д
28,5
36,5
21,2
ДГ
35,3
50,9
33,1
Из данных таблицы следует, что в 0,1%-ном растворе предлагаемого смачивателя угольная пыль различного состава смачивается в 1,07-1,34 раза быстрее по сравнению с аналогом и в 1,53-1,86 раза быстрее по сравнению с прототипом.
Таким образом, заявляемый состав шахтного смачивателя по сравнению с прототипом и другими известными решениями более экологичен, безопасен для человека, обеспечивает более высокую скорость смачивания углепородной мелкодисперсной пыли, что позволяет уменьшить время пылеосаждения и повысить эффективность пылеподавления взвешенной в воздухе горных выработок пыли и снизить ее концентрацию, улучшив условия труда по пылевому фактору на рабочих местах.