Состав шахтного смачивателя для пылеподавления на угольных шахтах Российский патент 2023 года по МПК E21F5/02 C09K3/22 

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.

Известен пылеподавитель (патент РФ № 2220182 опубл. 27.12.2003), содержащий смесь монометиловых эфиров полиэтиленгликолей формулы СН₃О(СН₂СН₂O)nН, где n - целое число от 2 до 8, средней молекулярной массы 175-195, состава, мас. %: монометиловый эфир диэтиленгликоля СН₃О(СН₂СН₂O)₂Н – 0,1-15; монометиловой эфир триэтиленгликоля СН₃О(СН₂СН₂O)₃Н – 30-50; монометиловый эфир тетраэтиленгликоля СН₃О(СН₂СН₂O)₄Н – 20-35; монометиловый эфир пентаэтиленгликоля СН₃О(СН₂СН₂O)₅Н – 10-20; монометиловый эфир гексаэтиленгликоля СН₃О(СН₂СН₂O)₆Н – 3,5-10; монометиловый эфир гептаэтиленгликоля СН₃О(СН₂СН₂O)₇Н – 1-5; монометиловый эфир октаэтиленгликоля СН₃О(СН₂СН₂O)₈Н – 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.

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 мл³. 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 в
смачивателе, 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.

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. Состав шахтного смачивателя содержит 50-55 мас. % децилглюкозида, 10-15 мас. % кокоглюкозида, 5-10 мас. % кокамидопропилбетаина и воду – остальное. Техническим результатом является повышение эффективности смачивания углепородной пыли за счет снижения величины поверхностного натяжения на границе раздела фаз, увеличения скорости смачивания пылевидных частиц и выпадения их из аэрозоля. 2 табл.

Состав шахтного смачивателя для пылеподавления на угольных шахтах, отличающийся тем, что содержит децилглюкозид, кокоглюкозид, кокамидопропилбетаин и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %:

децилглюкозид 50–55 кокоглюкозид 10–15 кокамидопропилбетаин 5–10 вода остальное