Способ получения смачивающего состава для подавления угольной пыли на основе гидролизата перо-пуховых отходов Российский патент 2024 года по МПК E21F5/02 C09K3/22 C09K23/30 

Изобретение относится к горной, металлургической, химической и другим отраслям промышленности, в частности, угледобывающей, может быть использовано для пылеподавления и снижения пылепереноса в угольном производстве, а также может быть использовано в качестве технологии утилизации и переработки мало перерабатываемых отходов птицеводства (перо птицы).

В настоящее время с целью повышения безопасности в угольном производстве для пылеподавления применяют водные растворы реагентов, улучшающих смачивание угольной пыли. При этом в качестве смачивающих агентов используют разнообразные высокомолекулярные соединения, выполняющие роль поверхностно-активных веществ, в том числе, природные соединения и продукты переработки различных видов отходов.

Известен состав для пылеподавления угля (патент ЕАО № 035341 B1, опубликован 29.05.2020), включающий маслорастворимое поверхностно-активное вещество на основе растительных масел (рапсовое, подсолнечное, пальмовое) в количестве 0,1-1,0 мас.% от рабочего состава. Большая часть предлагаемых рабочих составов (до 99%) представлена продуктами нефтепереработки, включающая нефтяные экстракты, получаемые из остаточных масляных фракций. Роль растительных масел в предлагаемых составах сводится к увеличению смачиваемости поверхности тонкодисперсных частиц угля углеводородами и прилипания к поверхности более крупных частиц, смазки для уменьшения натира мелких фракций при перевалках угля. К недостаткам данных составов следует отнести также сложный многокомпонентный состав, возможное негативное влияние на окружающую среду, сложность в практическом применении ввиду необходимости использования высоких температур при работе с составами.

Известен состав для закрепления пылящих поверхностей (патент РФ № 2014471, опубликован 12.01.1993), содержащий в качестве высокомолекулярного компонента коллоидный раствор крахмала. Приведенный состав имеет потенциал к формированию длительного пылеподавляющего эффекта за счет увеличения смачивающей способности и создания закрепляющей пыль пленки. Недостатками данного состава являются технологическая сложность получения коллоидного раствора крахмала с необходимыми физико-химическими свойствами, значительная зависимость от климатических условий применения, нецелесообразность использования ценного для пищевой промышленности сырья в качестве компонентов пылеподавителей.

Известен состав для пылеподавления и снижения пылепереноса (патент РФ № 2761229 С1, опубликован 06.12.2021), в качестве одного из компонентов которого используют отходы производства биотоплива. Предлагаемый пылеподавительный состав при высыхании дает сплошное покрытие и обладает продолжительным временем защитного действия. Недостатком данного состава является использование дополнительных реагентов, которые не относятся к экологически безопасным веществам. В частности, анионное поверхностно-активное вещество сульфонол (алкилбензолсульфонат натрия) обладает низкой биоразлагаемостью, поэтому накапливается в окружающей среде, загрязняя ее.

Из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения смачивателей для угольной пыли, содержащих в качестве основного компонента соединения белковой природы, извлеченных из кератиновых отходов.

Наиболее близким к заявляемому решению является состав для закрепления пылящих поверхностей (патент РФ, № 2770264 С1, опубликован 14.04.2022), содержащий в качестве основного компонента свекловичную мелассу - побочный продукт сахарного производства. В качестве дополнительных - поливинилацетат и льняное масло. Данный состав позволяет увеличить продолжительность пылезакрепляющего действия, улучшить смачиваемость поверхности частиц пыли, обеспечить возможность склеивания частиц пыли за счет образования пленки. Недостатками данного состава являются использование сырья, полученного из отходов довольно специфичного производства и недоступного для большинства территорий Российской Федерации.

В связи с этим технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка эффективного смачивающего состава с экологичными и безопасными компонентами, которые можно получить технологически рациональным способом из распространённых, но мало перерабатываемых отходов, обладающими поверхностной активностью, увеличивающими смачивание поверхности частиц угольной пыли, а также обеспечивающими прочность закрепления пылящих поверхностей.

Для решения технической проблемы предложен смачиватель для подавления угольной пыли, содержащий белковый гидролизат из перо-пуховых отходов, льняное масло и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: гидролизат пера: льняное масло - 0,1 - 0,3 : 0,07 - 0,1; вода - остальное.

Гидролизат, представляющий собой водный раствор белка кератина со средневесовой молярной массой 4014 г/моль с низкой полидисперсностью (индекс полидисперсности 1,58), в заявляемом составе выполняет функцию поверхностно-активного вещества для лучшего смачивания гидрофобной поверхности пыли и получается путём щелочного гидролиза пера в присутствии сульфида натрия в качестве реагента, способствующего практически полному растворению кератинового сырья за счет эффективного восстановления дисульфидных связей в структуре белка.

Льняное масло в заявляемом составе используется в качестве реагента, способного вызывать слипание посредством сродства полярности масла и частиц угля, кроме того, под действием кислорода воздуха и ультрафиолетового излучения способного полимеризоваться, образуя более прочную связь между частицами угля и создавая прочный закрепленный слой на поверхности.

Состав смачивателя для подавления угольной пыли приготавливают следующим образом.

1. Сначала готовят концентрат рабочего раствора гидролизата:

- к 8 - 12 г пера птицы добавляют 400 - 500 мл воды, 4 - 12 г гидроксида натрия (сода каустическая) и 19 - 21 г безводного сульфида натрия;

- смесь выдерживают при температуре 20 - 25 °С 72 часа, фильтруют.

2. К полученному раствору при перемешивании добавляют 0,2 - 0,4 г льняного масла.

3. Полученный концентрат гидролизата разбавляют водой до 200 л.

Полученным раствором обрабатывают пылящую поверхность и (или) воздушное пространство над ней, распыляя раствор через сопла форсунки.

Результаты эксперимента, подтверждающие указанные преимущества, представлены в приведенных таблицах 1 ,2, 3, 4 и 5.

В таблице 1 отражены результаты определения концентрации белка в процессе получения гидролизата в модельных системах перо : гидроксид натрия : сульфид натрия : вода.

Таблица 1
Результаты определения концентрации белка в процессе получения гидролизата в модельных системах перо : гидроксид натрия : сульфид натрия : вода Соотношение реагентов, мас.% Продолжительность реакции, час 24 48 72 96 120 Концентрация белка в гидролизате, мас.% 2,5:0,05:4,7:92,75 1,2 3,7 4,1 4,3 4,6 2,5:0,1:4,8:92,6 2,4 4,7 5,0 5,1 5,0 2,5:0,2:4,9:92,4 3,0 5,3 5,4 5,4 5,4 2,5:0,3:5,0:92,2 3,1 4,9 5,2 5,3 5,3 2,5:0,4:5,1:92,0 3,5 5,2 5,3 5,3 5,3

Из таблицы видно, что наибольший выход белка (5,4 мас.%) наблюдается в модельной системе перо : гидроксид натрия : сульфид натрия : вода при соотношении реагентов, мас.% 2,5 : 0,2 : 4,9 : 92,4. Данная концентрация достигается после 72 часов выдержки реакционной системы при комнатной температуре (20 - 25°С) после полного растворения биомассы пера.

В таблице 2 отражены результаты определения поверхностного натяжения рабочих составов до и после контакта с каменноугольной пылью.

Таблица 2
Результаты определения поверхностного натяжения рабочих составов до и после контакта с каменноугольной пылью Концентрация гидролизата в рабочем составе, мас.% 0,04 0,10 0,20 0,40 100 Поверхностное натяжение рабочих составов, Н/м до контакта с каменноугольной пылью 69,9 60,8 53,2 43,5 32,7 после контакта с каменноугольной пылью 70,9 67,4 62,1 48,9 35,4

Из таблицы 2 следует, что исследуемый гидролизат обладает свойствами поверхностно-активного соединения.

Из таблицы 2 также следует, что при контакте угольной пыли с водным раствором гидролизата происходит увеличение поверхностного натяжения жидкости, что свидетельствует об адсорбции белка на поверхности угля. При концентрации гидролизата в рабочем составе 0,20 мас.% разница в значениях поверхностного натяжения раствора до и после контакта с углем максимальная, что свидетельствует о лучшей адсорбции белка на поверхности угля в данной модельной системе.

В таблице 3 приведены результаты определения скорости смачивания каменноугольной пыли растворами гидролизата разной концентрации до достижения условной точки, которая соответствует среднему значению водопоглощения угольной пыли массой 1 г - 0,6 мл раствора.

Таблица 3
Результаты определения скорости смачивания каменноугольной пыли растворами гидролизата разной концентрации Концентрация гидролизата в водном растворе, мас.% вода 0,02 0,06 0,08 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Время смачивания, с 11,5 9,1 6,2 5,3 3,1 3,5 3,4 3,1 4,2

Из таблицы 3 следует, что при контакте угольной пыли с водным раствором гидролизата происходит поглощение раствора образцами угольной пыли за счет смачивания поверхности пылевых частиц. При этом скорость смачивания максимальна в диапазоне рабочих концентраций гидролизата в водном растворе от 0,10 до 0,40 мас.%. По сравнению с водой, скорость смачивания угольной пыли в данных модельных системах в среднем выше в три раза. Дальнейшее увеличение содержания гидролизата в растворе не приводит к увеличению скорости смачивания.

В таблице 4 приведены результаты определения скорости смачивания каменноугольной пыли рабочим составом (с добавлением льняного масла) до достижения условной точки, которая соответствует среднему значению водопоглощения угольной пыли массой 1 г - 0,6 мл раствора.

Таблица 4
Результаты определения скорости смачивания каменноугольной пыли рабочим составом разной концентрации Концентрация гидролизата в рабочем составе, мас.% 0,02 0,04 0,10 0,20 0,40 0,50 Время смачивания, с 3,5 4,3 3,2 2,8 3,5 4,4

Из таблицы 4 следует, что при контакте угольной пыли с рабочим составом также происходит поглощение раствора образцами угольной пыли за счет смачивания поверхности пылевых частиц. При этом скорость смачивания максимальна в системе с концентрацией гидролизата в рабочем составе 0,20 мас.%, что в четыре раза больше, чем при использовании в качестве смачивателя воды. Таким образом, добавление льняного масла усиливает действие белкового гидролизата как смачивателя поверхности угольной пыли.

В таблице 5 приведены результаты определения смачивания каменноугольной пыли рабочим составом разной концентрации методом плёночной флотации

Таблица 5
Результаты определения смачивания каменноугольной пыли рабочим составом разной концентрации методом плёночной флотации Концентрация гидролизата в рабочем составе, мас.% 0,04 0,10 0,20 0,40 0,50 Масса осевших частиц, мг за 1 мин 35 24 37 27 29

На основании этой таблицы также можно сделать вывод о наиболее эффективном составе смачивателя при концентрации гидролизата в рабочем составе 0,20 мас.%. Масса осевших за 1 минуту частиц в данной системе максимальна по сравнению с остальными вариантами.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности пылеподавления каменноугольных пылевых аэрозолей и пылящих поверхностей, посредством увеличения скорости смачивания пылевых частиц и способности компонентов состава к адсорбции на поверхности угля, склеиванию частиц и полимеризации на свету.

Также технический результат достигается тем, что смесь получают соединением органических компонентов естественного происхождения и воды в соотношении 1:355, при этом, состав сохраняет достаточное сродство к гидрофобной поверхности пылевых частиц каменного угля.

Также технический результат достигается тем, что в качестве основного органического компонента используется гидролизат белка кератина, полученный растворением мало перерабатываемых перо-пуховых отходов в мягких условиях с сохранением большей части молекулы полипептида.

Изобретение относится к технологии утилизации и переработки мало перерабатываемых отходов птицеводства. Предложен способ получения смачивающего состава для подавления угольной пыли путём приготовления водного раствора гидролизата перо-пуховых отходов, полученного путем щелочного гидролиза пера птицы в присутствии восстановителя в следующем соотношении компонентов, мас.%: перо птицы:гидроксид натрия:сульфид натрия - 2,0-3,0:0,1-0,3:4,8-5,0, остальное - вода, в течение 72 ч при температуре 20-25°C, с последующим фильтрованием раствора, к которому затем добавляют растительное масло и воду в следующем соотношении компонентов, мас.%: гидролизат пера:льняное масло - 0,1-0,3:0,07-0,1, остальное - вода. Технический результат - повышение эффективности пылеподавления каменноугольных пылевых аэрозолей и пылящих поверхностей посредством увеличения скорости смачивания пылевых частиц и способности компонентов состава к адсорбции на поверхности угля, склеиванию частиц и полимеризации на свету. 5 табл., 5 пр.

Способ получения смачивающего состава для подавления угольной пыли заключается в приготовлении водного раствора гидролизата перо-пуховых отходов, полученного путем щелочного гидролиза пера птицы в присутствии восстановителя в следующем соотношении компонентов, мас.%: перо птицы:гидроксид натрия:сульфид натрия - 2,0-3,0:0,1-0,3:4,8-5,0, остальное - вода в течение 72 ч при температуре 20-25°C, последующего фильтрования раствора, к которому затем добавлялось растительное масло и вода в следующем соотношении компонентов, мас.%: гидролизат пера:льняное масло - 0,1-0,3:0,07-0,1, остальное - вода.