CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TUYỂN THAN TRONG DUNG DỊCH NƯỚC MUỐI VÀ NƯỚC BIỂN
2.3. Các khía cạnh ảnh hưởng của nước muối đến quá trình tuyển nổi than
Trong mục này trình bày các kiến thức tuyển than trong dung dịch nước muối từ các tài liệu tham khảo [3-9].
2.3.1 Lớp hydrat xung quanh hạt than:
Như đã nói ở trên, các nhà nghiên cứu Nga đã nghiên cứu ảnh hưởng của các muối vô cơ đến quá trình tuyển nổi than từ những năm 30 thế kỷ trước. Klassen và Mokrousov giải thích ảnh hưởng tích cực của muối đến quá trình nổi của than là do hiện tƣợng giảm thế điện hóa của bề mặt than tạo ra do hấp thụ các ion, và điều này dẫn đến sự giảm tính ổn định của lớp hydrat xung quanh hạt than. Tính không ổn định của lớp hydrat xung quanh hạt than làm tăng tính kỵ nước của chúng. Lý thuyết trên được nhiều nhà nghiên cứu (Blake và Kitchener) sau đó ủng hộ bằng các thí nghiệm khẳng định rằng dung dịch nước muối làm cho lớp hydrat xung quanh hạt khoáng trở nên kém bền vững.
Arnold và Aplan cũng đã đưa ra kết luận rằng quá trình tuyển nổi than trong nước máy tốt hơn nhiều trong nước cất và giả thích rằng khi sự có mặt của các ion muối vô cơ ( như Ca2+, Mg2+, Na+, Cl-, SO22-…) thì lớp hydrat xung quanh hạt than trở nên kém bền vững và mỏng đi nhiều. Điều này xảy ra do các chất điện ly trên nén ép lớp điện tích kép.
Klassen và Mokrousov chỉ ra rằng góc tiếp xúc của than trong dung dịch nước muối tăng lên khi nồng độ muối tăng lên. Tuy nhiên các thí nghiệm chính xác sau đó của Laskowski-Iskra và Yoon-Sabey lại cho thấy không có sự thay đổi về góc tiếp xúc trên bề mặt khoáng vật khi thay đổi nồng độ dung dịch muối.
2.3.2 Lớp điện tích kép xung quanh hạt than:
Lý thuyết DLVO đã mô tả các lực tương tác giữa các bề mặt tích điện thông qua một môi trường chất lỏng. Theo lý thuyết này, hai lực chính trong tương tác
giữa hạt khoáng và bóng khí trong môi trường nước là lực Val der Waals và lực đẩy tĩnh điện do lớp điện kép. Các lớp điện tích kép tương tác với nhau khi các miền khuếch tán ion chồng lấn lên nhau. Khi tăng nồng độ chất điện ly thì mật độ ion trong dung dịch tăng lên và do đó các ion đối sẽ đi vào lớp Stern và làm cho lớp khuếch tán dày lên do tăng lực hút và giảm lực đẩy.
Hiện tượng nén ép lớp điện tích kép trong nước muối làm tăng quá trình mỏng dần và phá vỡ màng nước giữa hạt than và bóng khí, dẫn đến việc hình thành tổ hợp bóng khí - hạt khoáng. Quá trình nén ép này cũng thúc đẩy quá trình tạo tổ hợp giữa các hạt khoáng và do đó tác động lên quá trình thu hồi than cũng nhƣ đất đá và sản phẩm bọt.
2.3.3 Màng nước giữa hạt khoáng (than) và bóng khí:
Các thí nghiệm về tuyển nổi than:
Đầu tiên Laskowski (1965) đã tiến hành tuyển nổi than với các muối vô cơ (NaCl và KCl) và giả thiết rằng các lớp điện tích kép xung quanh các hạt khoáng bị nén ép và để lộ ra các vị trí kỵ nước trên bề mặt chúng. Các điểm này sau đó bám dính với bóng khí thông qua liên kết kỵ nước.
Yoon và Sabey (1989) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các muối đến tuyển nổi than với nhiều loại muối đƣợc áp dụng và so sánh kết quả tuyển với các thí nghiệm tuyển nổi thông thường sử dụng dầu hỏa và thuốc tạo bọt Dowfloth 250. Các tác giả đã phát hiện rằng kết quả tuyển nổi theo hiệu suất phân tách khi tuyển trong nước muối là tương đương với tuyển nổi thông thường. Khi so sánh hằng số động học tuyển nổi thì quá trình tuyển nổi trong nước muối diễn ra nhanh hơn. Điều này cũng đƣợc giải thích là do lớp điện tích kép bị nén ép làm thúc đẩy quá trình bám dính hạt khoáng - bóng khí.
Yang và cộng sự (1988) đã nghiên cứu quá trình kết hạt dầu để thử nghiệm thu hồi nhiều mẫu than khác nhau trong môi trường dung dịch NaCl và phát hiện rằng thực thu than tăng lên khi tăng nồng độ muối. Các tác giả giải thích sự tăng thực thu phần cháy là do hiện tƣợng nén ép lớp điện tích kép dẫn đến làm mỏng lớp nước giữa các hạt than và các giọt dầu trong dung dịch muối. Medrzycka và
Zwierzykowski (1988) nghiên cứu quá trình tách dầu ra khỏi nhũ tương dầu/nước bằng tuyển nổi với sự có mặt của các muối vô cơ khác nhau và thấy rằng ảnh hưởng của các muối vô cơ là rất lớn. Tác dụng này liên quan đến ảnh hưởng lên lớp điện tích kép xung quanh bóng khí và các giọt dầu. Lực đẩy giữa các lớp điện kép xung quanh bóng khí và các giọt dầu lớn hợn trong dung dịch NaCl so với các dung dịch Na2SO4 hoặc Na3PO4.
Li và Somasundaran (1993) đã nghiên cứu tính nổi của một mẫu than mỡ trong các dung dịch NaCl khác nhau dùng ống Hallimond cải tiến để xác định mối tương quan giữa lực tương tác tĩnh điện giữa bóng khí và hạt than với tính nổi của than. Khi nồng độ muối tăng lên thì khoảng cách tác dụng giữa các lớp điện tích kép giảm xuống do sự nén ép của chúng. Lực tương tác tĩnh điện chiếm ưu thế một khi khoảng cách tác dụng tương tác giữa bóng khí và hạt khoáng là cùng bậc với tương tác kỵ nước. Các tác giả cũng giải thích giống như Klassen và Mokrousov rằng khi tăng nồng độ muối thì làm mất độ bền vững của các lớp hydrat xung quanh hạt than và thúc đẩy quá trình róc nước xen giữa bóng khí và hạt than và làm cho hạt than trở nên dễ tuyển nổi hơn.
Pugh và đồng nghiệp (1997) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chất điện ly vô cơ đến quá trình tuyển nổi than. Kết quả cho thấy, thực thu than tăng lên khi tăng nồng độ muối và mức độ tăng có thể phân các muối thành 3 nhóm. Các muối hóa trị 2 và 3 bao gồm MgCl2, CaCl2, Na2SO4, MgSO4 và LaCl3 cho kết quả tốt nhất. NaCl, LiCl, KCl, CsCl, NH4Cl cho kết quả trung bình. Cuối cùng các chất điện ly NaAc, NaClO4, HClO4, HCl, H2SO4, LiClO4 và H3PO4 cho kết quả kém nhất.
Mức thực thu cao là do tăng xác suất va chạm bóng khí - hạt khoáng do mật độ các bóng khí bé cao hơn và do giảm tương tác tĩnh điện giữa hạt khoáng và bóng khí và giữa các hạt khoáng với nhau do chiều dày của lớp điện tích kép.
Harvey và cộng sự (2002) đã nghiên cứu tính nổi của than trong các dung dịch NaCl và MgCl2 sử dụng ống Hallimond cải tiến để khảo sát vai trò của tương tác lớp điện tích kép giữa bóng khí và hạt rắn. Các tác giả đã phát hiện rằng trong dung dịch điện ly nồng độ thấp thì quá trình tuyển nổi than giảm khi nồng độ muối tăng nhƣng trong dung dịch nồng độ cao thì tuyển nổi tăng theo nồng độ muối.
Tạo tổ hợp hạt khoáng:
Sivamohan (1990) đã tổng kết quá trình tạo tổ hợp chọn lọc bởi chất điện ly.
Ở nồng độ thấp và trung bình của các chất điện ly khác nhau, lực đẩy giữa các bề mặt tích điện là tác động xa trong khi lực hút Val der Waals là tác động gần. Và cái gọi là mức cực tiểu phụ trong đường cong tương tác được coi là không đáng kể.
Mọi sự tạo tổ hợp do mức cực tiểu phụ này là đều dễ đạng phá hủy bởi sự khuấy nhẹ nhàng. Ở mức nồng độ cao thì quá trình kết tụ diễn ra nhanh tróng và những rào cản năng lƣợng có ở mức nồng độ thấp đều bị dỡ bỏ.
Xu và Yoon (1990) đã nghiên cứu quá trình kết tụ của các hạt kỵ nước (silica methyl hóa). Các nghiên cứu của họ cho thấy ở mức nồng độ thấp và khuấy nhẹ thì lực đẩy tĩnh điện có thể bị lực kỵ nước tác dụng xa vượt qua dẫn đến các tổ hợp liên kết yếu, thậm chí cả khi các hạt có điện tích âm. Zhou (1996) cũng đã cho thấy ảnh hưởng của các vi bóng khí tới quá trình kết hạt kỵ nước. Sự có mặt của các vi bóng khí này làm giảm tỷ trọng và tăng kích thước tổ hợp các hạt mịn liên kết. Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy các vi bóng khí này có kích thước khoảng 6 đến 17 m.
2.3.4 Tác dụng ngăn cản bóng khí hoàn nhập trong dung dịch muối:
Marrucci (1969) đã phát hiện rằng các muối có thể ngăn cản quá trình hợp nhất bóng khí bằng cách giảm quá trình mỏng dần của lớp nước xen giữa các bóng khí. Ở mức nồng độ muối đủ lớn thì gradient sức căng bề mặt dẫn đến quá trình làm mỏng lớp nước xen sẽ cố định bề mặt lỏng - khí giữa các bóng khí đang hòa nhập.
Nếu quá trình hòa nhập xảy ra thì cũng rất chậm.
2.3.5 Tác dụng ổn định tính chất bọt:
Cấu trúc của bọt và độ ổn định của bọt đóng một vai trò quan trọng quyết định hàm lƣợng sản phẩm bọt và mức thực thu. Độ ổn định của bọt chủ yếu phụ thuộc vào thuốc tạo bọt (chủng loại và nồng độ) và số lƣợng và bản chất của các hạt rắn lơ lửng, đặc biệt là kích thước và độ kỵ nước. Tuy nhiên cũng có các thông số khác như chất lượng của nước công nghệ, độ phân tán khí và góc tiếp xúc của hạt khoáng là có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của bọt. Các thông số ảnh hưởng đến độ ổn định của bọt tuyển nổi đƣợc nghiên cứu nhiều và cũng nhiều tổng quan về bọt và tính chất bọt đƣợc công bố.
Nói chung tác dụng của thuốc tạo bọt là nguyên nhân chính làm chậm quá trình hòa nhập các bóng khí. Tuy nhiên nhiều loại muối cũng có thể ngăn cản quá trình hòa nhập này. Các ion vô cơ dường như làm chậm quá trình thoát các nước xen giữa các bóng khí tiếp xúc. Tuy nhiên có sự khác biệt đáng kể giữa các muối vô cơ và thuốc tạo bọt. Các muối vô cơ thì cần phải có một lƣợng lớn mới ngăn cản quá trình hòa nhập bóng khí trong khi các thuốc tạo bọt thì chỉ cần một chi phí rất thấp (vài ppm). Các muối vô cơ có xu hướng làm tăng sức căng bề mặt trong khi các thuốc tạo bọt lại làm giảm. Các muối vô cơ thường ít khả năng tạo bọt hai pha. Lekki và Laskowski (1975) quan sát rằng chỉ khi có các hạt kỵ nước thì dung dịch nước muối mới hình thành bọt ổn định. Họ cũng nhận định rằng các chất điện ly vô cơ là các chất không hoạt tính bề mặt trong khi thuốc tạo bọt là chất hoạt tính bề mặt.
Kurniawan và cộng sự (2011) đã nghiên cứu tính chất bọt khi tuyển nổi than sử dụng MgCl2, NaCl, NaClO3 khi có hoặc không có thuốc tạo bọt Dowfloth 250.
Các tác giả phát hiện rằng khi có mặt Dowfloth 250 thì MgCl2 cho bọt ổn định nhất trong khi NaClO3 cho độ ổn định bọt thấp nhất cũng nhƣ kết quả tuyển nổi. Họ giải thích kết quả thực nghiệm dựa trên nồng độ chuyển đổi của muối. Khi sử dụng NaCl và MgCl2 thì mức thu hồi than, độ ổn định động của bọt và kích cỡ bóng khí thay đổi với mức chi phí chất điện ly thấp hơn nồng độ chuyển đổi trong khi vƣợt quá mức nồng độ này thì không có sự thay đổi nữa.
Kết luận: Tuyển nổi than được tăng cường thêm khi tuyển trong môi trường nước muối. Ba cơ chế chính giải thích hiện tượng trên là: 1/ Làm lớp hydrat xung quanh hạt than kém bền vững;2/ Ngăn cản quá trình hòa nhập bóng khí và 3/ Nén ép lớp điện tích kép xung quanh hạt vật liệu.
CHƯƠNG 3