Методика определения поверхностного натяжения твердых тел описана в работах [8-10].

о Артемьевскому месторождению были взяты две выборки экспериментальных значений предела прочности на одноосное сжатие для двух типов пород: метасоматитов и хлоритолитов (по данным лабораторных исследований). Результаты испытаний приведены в таблице 1.

На основе данных лабораторных испытаний выполнена статистическая проверка гипотезы о возможности объединения данных породных разностей в один домен.

Выполняем статистическую обработку выборочных данных (таблица 1) и определяем характеристики: выборочное среднее, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации (таблица 2).

Выдвигаем две конкурирующие гипотезы Н0 и Н1.

Нулевая гипотеза Н0 заключается в следующем: средние значения предела прочности на одноосное сжатие для двух типов пород отличаются незначительно, т.е. обе выборки принадлежат одной генеральной совокупности, а различие в их средних значениях является случайным, статистически не значимым т.е. различие между средними значениями измеренного параметра для двух типов пород является статистически значимым, не случайным.

Х1 = Х2. (1)

Альтернативная гипотеза Н1 имеет вид:

Х1 „j Х2. (2)

Для проверки нулевой гипотезы вычисляем значение Т-критерия значимости, имеющего распределение Стьюдента с (n1 + n2 ЁC 2) степенями свободы.

µ § (3)

Подставив численные значения, получим Т = 1,96.

ПородаПрочность на сжатие, МПаПородаПрочность на сжатие, МПаМетасоматиты41,0Хлоритолиты48,0Метасоматиты48,0Хлоритолиты46,0Метасоматиты79,0Хлоритолиты16,0Метасоматиты62,0Хлоритолиты37,0Метасоматиты39,0Хлоритолиты24,0Метасоматиты48,0Хлоритолиты41,0Метасоматиты40,0Хлоритолиты32,0Метасоматиты100,0Хлоритолиты44,0Метасоматиты48,0Метасоматиты36,0Метасоматиты22,0Метасоматиты40,0

Таблица 2 ЁC Выборочные характеристики

ПоказателиПородыМетасоматитыХлоритолитыСреднее, усж.ср.50,2536,00Среднеквадратическое

Расчетное значение критерия Т необходимо сравнить с табличным критическим значением t-распреде­ления Стьюдента при заданном уровне значимости б. Принимаем уровень значимости б = 0,10.

По распределению Стьюдента при числе степеней свободы m = (12 + 8 ЁC 2) = 18 критическое значение критерия t = 1,734 [1, 2].

Так как T > t, то принимаем гипотезу Н1 о том, что различия статистически значимы.

Имеем два возможных решения (таблица 3):
Таблица 3 ЁC Варианты решения

РешениеРешение:принять гипотезу Н0принять гипотезу Н1Справедлива гипотеза Н0правильное

Сравнивая расчетное и критическое значения Т-критерия, принимаем первую гипотезу Н1, согласно которой с вероятностью р = (1 ЁC б) = 0,90 можно утверждать, что различия в прочности на сжатие у метасоматитов и хлориторитов значимо. Обе выборки не принадлежат одной генеральной совокупности.

Распределения прочности пород на одноосное сжатие приведены на диаграмме (рисунок).

Распределение прочности на сжатие

связи с сохраняющимися темпами потребления углей и увеличением доли низкосортных углей в общем балансе угледобычи повышается актуальность решения широкого круга задач, заключающихся в утилизации отходов переработки углей и зол, экологии и защите окружающей среды. В Казахстане ежегодно в отвалы выбрасывается более 15 миллионов тонн горной массы (отходов добычи и обогащения углей). Однако объем перерабатываемой минеральной части этих отходов исключительно мал по сравнению с возможным.

По своему составу отходы добычи и обогащение углей таких месторождений, как «Экибастузское» и «Борлинское», представляют собой комплексное сырье. Они отличаются высоким содержанием оксида алюминия (30-35 %), диоксида кремния (55-60 %), относительно низким содержанием оксидов железа и кальция, могут относиться к глиноземистому типу. По данным рентгенофазового и кристаллооптического анализов, углистая порода представлена каолинитом (AI2O3·2SiO2·2Н2О), кварцем и незначительным количеством сидерита.

Перспективным направлением переработки глиноземсодержащих углистых отходов Казахстана может явиться производство коагулянта ЁC сульфата алюминия, применяемого для очистки питьевых и сточных вод.

Объем потребления коагулянта для очистки питьевой воды водохозяйством города Караганды примерно составляет 5 тыс. тонн в год. Водохозяйства других городов Казахстана потребляют 3-5 тыс. тонн в год. Химические и металлургические предприятия городов Казахстана потребляют не менее 2-4 тыс. тонн коагулянта в год. Проблема переработки заключается в том, что сырье является высококремнистым. Классические способы переработки в данном случае не представляются эффективными.

Из известных способов переработки для данного вида сырья наиболее перспективным является способ кислотного растворения минеральной части углистых отходов [1]. Этот способ позволит уже на начальной стадии отделить диоксид от оксида алюминия, что значительно упростит технологическую схему и позволит получить сульфат алюминия, который в настоящее время в Казахстане производится только на АО «Алюминий Казахстана» из продукта глиноземного цикла. Сиштоф ЁC кремнистый остаток от выщелачивания, может явиться прекрасным сырьем для производства строительных материалов. Реализация технологии переработки углистых отходов на коагулянт и стройматериалы позволит решить не только проблему расширения сырьевой базы глиноземной промышленности, но и способствовать решению экологических проблем, связанных с многочисленными угольными отвалами на поверхности.

Сущность разработанной нами технологии заключается в обжиге углистых отходов с целью получения кислоторастворимого соединения, которое выщелачивают серной кислотой. Отфильтрованный раствор является готовым продуктом, применяемым в качестве коагулянта. Для получения кристаллического коагулянта раствор выпаривают с получением соли AI2(SO4)3*(17-18)Н2О.

Для перевода в растворимую форму оксидов алюминия и кремния необходим обжиг при высоких температурах. При нагревании углистой породы до 400-600 °С кристаллическая решетка каолинита разрушается с образованием аморфного метакаолинита с последующим выделением оксидов как самостоятельной фазы. Известно, что дальнейшее нагревание коалинита приводит к распаду аморфного метакаолинита и кристаллизации муллита 3Al2O3*2SiO2, через промежуточные фазы силиманита Al2O3*SiO2. Углистые отходы, обожженные в оптимальных условиях, выщелачивали серной и соляной кислотами. Гидрометаллургические особенности процессов кислотной переработки глиноземистых углистых отходов исследовались с помощью математического моделирования. Изучение процессов выщелачивания и фильтрование проводилось с применением вероятностно-детермини­рованного планирования эксперимента, который основан на использовании латинских квадратов и уравнения Протодьяконова [2, 3]. Степень перехода оксида алюминия в раствор определяли в зависимости от температуры, продолжительности процесса, концентрации и количества серной или соляной кислоты, сорта материала.

Получена обобщенная модель процесса выщелачивания обожженной породы в серной кислоте:

µ §

Рассчитанное с помощью модели извлечение оксида алюминия в оптимальных условиях составляет 80,12 %, а фактическое ЁC 76,8 %.

Получена математическая модель процесса выщелачивания обожженной углистой породы соляной кислотой, которая имеет вид:

µ §

µ §

Исходя из данной математической модели, получено расчетное значение степени перехода оксида алюминия, которое составило 82,6 %, в сравнении с экспериментальным значением ЁC 81,9 %.

Температура выщелачивания пульпы играет наиболее важную роль, так как ее изменение оказывает глубокое влияние на интенсивность процесса. Увеличение продолжительности выщелачивания выше оптимальной влечет за собой уменьшение степени извлечения. Это объясняется снижением концентрации свободной серной кислоты в растворе по мере ее расходования и уменьшением количества непрореагировавшего оксида алюминия в обожженной породе.

Исследование по разделению сернокислотных растворов, образующихся при выщелачивании обожженной породы от твердого остатка, производилось фильтрованием под вакуумом. Факторами, влияющими на этот процесс, были выбраны температура фильтрования, продолжительность отстаивания пульпы, количество добавляемого флокулянта ЁC полиакриламида (ПАА), кислотность пульпы, остаточное содержание углерода в обожженной породе, а также крупность материала и высота слоя осадка на фильтре.

Получено обобщенное уравнение процесса фильтрования ЁC

µ §

Определены оптимальные условия фильтрования.

Повышение температуры способствует уменьшению вязкости жидкой фазы и в то же время ЁC увеличению скорости гелеобразования золя кремниевой кислоты. Процесс гелеобразования золя кремниевой кислоты приводит к увеличению удельного сопротивления осадка, следовательно, к снижению производительности фильтрования. Оптимальная температура фильтрования характеризует высокую степень растворимости сульфата алюминия в сернокислотном растворе, малое значение вязкости среды, а также точку, в которой скорость гелеобразования равна скорости коагуляции.

Влияние расхода ПАА на процессе связано с агрегированием коллоидных частиц кремнезема и отделением кремния на стадии фильтрования. Количество ПАА определяет границу зоны флокуляции и стабилизации системы и сводит к минимуму обратный процесс пептизации. Время отстаивания не оказывает существенного влияния.

Влияние рН на процесс фильтрования определяется растворимостью сульфата алюминия и кремнезема в кислых растворах и способностью растворимого кремния к гелеобразованию. При рН = 2 наблюдается максимальная по времени устойчивость золя кремнезема с наибольшим периодом гелеобразования. Увеличение рН до 3 нежелательно, так как ускоряется процесс гелеобразования.

Влияния остаточного содержания углерода определяется образованием смолистой пленки, появлением которой можно объяснить повышением остаточного содержания углерода после обжига. Это приводит к увеличению поверхностного натяжения, а также повышению сопротивления фильтровальной перегородки за счет проникновения тонкодисперсных частиц углерода в ее поры.

По мере увеличения крупности материала возрастает полидисперсность в пределах одной фракции, что снижает скорость фильтрации за счет увеличения удельного сопротивления осадка. Для увеличения скорости процесса необходимо соблюдать соотношение мелких и крупных частиц в пределах одной фракции примерно 1:1, что приводит к небольшому удельному сопротивлению осадка на фильтре [4].

Были исследования физико-химические свойства раствора сульфата алюминия ЁC плотность и вязкость в зависимости от температуры и концентрации от 56,6 % до 146,88 г/л по оксиду алюминия. Установлено, что повышение температуры ведет к понижению плотности и вязкости исследуемых растворов за счет увеличения теплового движения частиц. При увеличении концентрации растворов плотность и вязкость увеличиваются за счет возникновения пространственных структур, образуемых сцеплением макромолекул. При истечении структурированной жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной вязкости, но и на разрушение структуры. Концентрацию раствора сульфата алюминия 95,5 г/л по AI2O3 можно считать оптимальной, так как при этой концентрации энергия в виде работы затрачивается только на преодоление истинной вязкости.

Технологический процесс получения коагулянта включает следующие основные стадии:
Углистые и глиноземсодержащие отходы добычи и обгащения

Ўй

Прием и подготовка сырья

Дробленный и измельченный материал

Ўй

Обжиг

Обожженный материал

Ўй

Выщелачивание серной кислоты

Фильтрация

Ўй Ўй Ўй

Ўй

твердый продукт

к потребителю

бодная серная кислота в полученных растворах не содержалась.

Растворы, полученные после разделения твердой и жидкой фазы, содержали, г/л: AI2O3 ЁC 148,9-161,1; SiO2 ЁC 0,003-0,008; Fe2O3 ЁC 2,9-3,5. Плотность полученных растворов ЁC 1,23-1,43 г/см3 , вязкость ЁC 1,29-1,51 сПз при оптимальной температуре выщелачивания.

Кремнистый остаток от выщелачивания ЁC сиштоф ЁC содержит в %: AI2O3 ЁC 5-8; SiO2 ЁC 75-80; п.п.п. ЁC 26,3-27,6. По данным рентгенофазового анализа, основной фазой шлама являются кварц и аморфный кремнезем. Кремнистый остаток можно использовать при производстве силикатных строительных материалов, в частности микропорита ЁC облегченного стройматериала, применяемого в ограждающих конструкциях и теплоизоляционных изделиях.