книги из ГПНТБ / Менковский М.А. Химия в угольной промышленности

шахтных вод во время весеннего снеготаяния зависит и от рас­ положения пластов. Так, например, в Кизеловском бассейне шахты со стабильным притоком вод 300—1500 м3/час, распо­ ложенные на крыльях синклиналей, где угольные пласты покры­ ваются лишь породами угленосной толщи (сланцы, песчаники), показывают увеличение притока весенних вод в несколько раз,

тогда как в центре этого не наблюдалось.

Характер растворенных веществ в шахтных водах для раз­ личных бассейнов, шахт и даже пластов может быть различен и должен в каждом отдельном случае подвергаться соответст­ вующему контролю. Предварительные выводы могут делаться на основе общей характеристики угольных пластов и примыкающих к ним пород.

Шахтные воды Донбасса преимущественно щелочные. Воды Кизеловского бассейна, который представлен сильноосерненны-

ми углями, — кислые; pH этих вод порядка 3,5. Содержание

H2SO4 в водах этого бассейна зимой составляет 0,12—1,6 г/л,

а весной 0,2—2,44 г/л. Исследования, проведенные на шахтах Мосбасса, показали, что эти воды не столько агрессивны,

сколько засорены взвесями.

Мутность воды различных шахт Мосбасса обусловливается наличием частиц преимущественно минерального происхожде­ ния, размером 0,25—1 мм в количестве 1,71—7,34 г/л.

Для характеристики шахтных вод существенное значение имеют и растворенные в них газы. Газы в воде растворяются, как и в других жидкостях, до тех пор, пока не установится динами­ ческое равновесие: газ — растворитель — раствор.

Растворимость различных газов с изменением температуры приведена в табл. 9.

Таблица 9

Растворимость газов в пресной воде при давлении газа над водой 760 мм рт. ст., мл газа на 1 г воды

59

Перенос газов в растворенном состоянии водами имеет су­

щественное значение в общем режиме подземных разработок.

Падение растворимости газов в воде с увеличением темпе­

Различие в газоносности поверхностных и подземных вод можно видеть из сопоставления имеющихся по этому вопросу

данных по Донбассу.

Большинство анализов поверхностных вод Донбасса показы­

глубин), по имеющимся анализам, наиболее насыщены азотом (больше 50%), кислорода в них 0—10%, двуокиси углерода

0—5%, метан обнаружен лишь в одной пробе. Соотношение

растворенного азота и аргона указывает на воздушное проис­ хождение газов в этой воде, то же можно сказать и о взятых с больших глубин сульфатных водах. В водах сравнительно больших глубин (хлорно-натриевых) уже преобладает раство­ ренный метан, тогда как воздушные газы в них растворены в не­ большом количестве.

В большинстве проб, взятых непосредственно из шахт, обна­ ружено: сероводород, сернистый газ до 5%, двуокись углерода до 10%, кислород от 0 до 25%, аммиак. Концентрация метана

увеличивается по мере снижения концентрации растворенного кислорода.

По мере углубления и обеднения кислородом и обогащения

метаном содержание двуокиси углерода сначала увеличивается, а затем ввиду поглощения ее углем начинает уменьшаться. От­ ношение между азотом и кислородом, растворенными в шахт­ ных водах, по мере углубления увеличивается от 4,5 до 8,3.

60

4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ОЧИСТКИ ВОДЫ

Методы улучшения качества воды в основном сводятся к сле­

дующим операциям:

1)освобождение от грубовзвешенных (суспензированных)

веществ или осветление;

2)обеззараживание (освобождение от микроорганизмов);

3)дегазация и дезодорация (устранение дурных запахов);

4)умягчение;

5)усреднение (нейтрализация) воды и другие виды специ­

альной химической обработки;

6)опреснение.

1)Освобождение от грубовзвешенных (суспензированных)

веществ, или осветление воды

Осветление преследует цель получения воды, свободной от

взвешенных частиц.

В качестве основных осветлителей применяют: песочные фильтры, сгустители с песочным фильтрующим днищем, чаны

с косо поставленной матерчатой перегородкой, ящичные цемен-

таторы со стружками и мохом, чаны с вакуум-рамами, мешоч­ ные фильтры, фильтр-прессы.

Шахтные воды всегда бывают засорены пылью, частицами угля и породы, кусочками балласта шахтных путей и др. Тща­ тельное ограждение и закрывание водоотливных канавок на главных откаточных выработках и надлежащее устройство во­ доотстойников являются основными средствами борьбы с излиш­ ним загрязнением шахтных вод.

Для осветления воды на поверхности устраивают песоч­

ные фильтры (20% речного и 80% отвального песка крупностью

частиц 20—40 мм). Песочные фильтры имеют диаметр 6—9 м и высоту 0,9—1,2 м. Слой речного песка обычно составляет около 0,15 м, а подстилкой для него служит крупный отваль­ ный песок. Когда просачивание замедляется, снимают верхний слой и добавляют свежий песок. При наличии в воде коллоид­

ных частиц (глинистое вещество, кремнекислота и др.) прибе­

гают к их коагуляции.

Добавка коагулирующих веществ способствует также очистке воды от бактерий, которые поглощаются образующимися

хлопьевидными осадками, задерживаемыми на фильтре. Коли­ чество коагулянта определяют экспериментальным путем, вводя в пробу воды определенные его количества до осветления. Опы­ тами также определяются время, протекающее до момента хлопьеобразования, и скорость выпадения осадка. В качестве

коагулянтов применяют соли алюминия, гидрат окиси железа,

соду и другие реагенты.

Малоэффективный, но доступный коагулянт, который может быть применен при значительной временной жесткости, — из­

61

весть. Распространенным коагулянтом для осаждения уголь­ ных шламов является крахмал. Расходуя 15—20 г крахмала на 1 м3 шламовой воды (100—200 г на 1 т твердого вещества), можно в течение 15—20 сек. осадить наиболее разжиженные шламы. Для осаждения из воды угольных шламов на углеобо­ гатительных фабриках, а также и при объединенном водном хозяйстве шахты и фабрики применяют цилиндрические сгусти­ тели. Сгуститель с центральным приводом (рис. 6) представ­ ляет собой большой цилиндрический чан 1 с коническим днищем

Рис. 6. Цилиндрический сгуститель

диаметром 16—30 м. Осветляемая вода поступает в сгустительпо желобу 2 и центральной трубе 3. Чем крупнее и тяжелее ча­ стицы, тем ближе к центру оседают они на дне чана. Осветлен­ ная вода переливается в верхний кольцевой желоб 4 и уда­

ляется через отверстие 5. Оседающий шлам граблями 6, наса­ женными на вал 7, приводимый в движение механизмом 8, пе­ ремещается к разгрузочному отверстию 9 по трубопроводу 10 и выкачивается диафрагмовым насосом 11.

Введение коагулянтов улучшает работу сгустителей.

Для осаждения частиц более крупных классов применяют

пирамидальные отстойники без механических приспособлений для перемешивания.

Простыми в обслуживании являются центробежные сгусти­

тели, имеющие форму конуса. Взвешенные в воде частицы под действием центробежной силы прижимаются к стенке конуса и скользят по ней вниз к разгрузочному отверстию, а осветленная вода вытекает через отверстие в крышке конуса.

62

2)Обеззараживание воды

Вшахтных водах почти всегда имеются продукты разложе­ ния и разлагающиеся органические вещества, а также микро­ организмы.

Для обеззараживания воды наибольшее распространение имеет применение хлора, который уже при концентрации порядка

долей мг/л губительно действует на микроорганизмы.

Ввиду трудности установления точных дозировок в воду вво­

путем.

Процесс хлорирования, способствующий не только дезинфек­

ции, но удалению дурных запахов, в последнее время внедряется в практику в широких размерах.

Для хлорирования можно применять не только газообраз­ ный хлор, но и хлорную известь и другие вещества.

В последнее время для обеззараживания воды нередко ис­ пользуют ультрафиолетовые лучи и озон, который, являясь энер­

гичным окислителем, служит хорошим реагентом для обеззара­

живания воды.

Ленинградскими учеными разработан способ обеззаражива­ ния воды серебряным песком и солями серебра.

Дехлорирование воды состоит в прибавлении реагентов, *ко личественно взаимодействующих с избыточным хлором, напри­ мер

6FeSO4 + ЗС1, = 2Fe2 (SO4)3 + 2FeCl3.

Недостаток этого способа состоит в трудности точной дози­ ровки.

3) Дегазация воды

Дегазация воды приобретает значение при питании ею по­ верхностных предприятий — обогатительных фабрик, котельных установок и др.

Содержание в воде растворенных газов, в частности кисло­ рода, вредно влияет на стенки паро-вых котлов; содержание в воде углекислого газа обусловливает разрушение (коррозию)

бетонных сооружений, работающих в этой воде. Сероводород придает неприятный запах. Для удаления растворенных в воде газов иногда производится специальная ее обработка (дегаза­

ция).

Дегазация осуществляется: 1) понижением парциального

давления газа над раствором; 2) уменьшением растворимости газов нагреванием.

Практически дегазация воды производится методом аэрации (дождевание на воздухе), осуществляемым в душах 1,5— 2,5 м высотой.

63

Дезодорация — процесс обработки воды с целью уничтоже­ ния дурных запахов, возникающих не только от наличия серо­

водорода, но и от фенола, хлорфенола и других веществ. Общий

прием дезодорации — фильтрование через активированный

уголь.

Химическая дегазация основана на взаимодействии газа, растворенного в воде, с вводимым в нее реагентом; например, углекислота связывается с известью:

2СО2 + Са (ОН)2 = Са (НСО3)2.

Сероводород окисляется хлором или кислородом воздуха по реакции: H2S + С12 — 2НС1 + S; выделяющуюся при этом серу

отфильтровывают.

4) Умягчение воды

Умягчением воды называется процесс, приводящий к умень­ шению концентрации кальциевых и магниевых солей, т. е. сни­ жающий жесткость воды. В практике применяются термический способ умягчения (предварительное нагревание для разложе­ ния бикарбонатов) и реагентный способ, заключающийся в пере­ воде солей жесткости в нерастворимые соединения, выпа­ дающие в виде осадка, который может быть отфильтрован, или обменных реакций (замещение ионов Са+2 и Mg+2 ионами дру­

гих металлов, например Na + ).

Процесс уменьшения временной жесткости при кипячении

объясняется тем, что бикарбонаты Са и Mg могут находиться в растворе только при наличии свободной углекислоты.

Обычными реагентами, применяемыми для умягчения воды,

служат известь, едкий натр, сода, углекислый барий, фосфорно­ кислый натрий и др.

В процессе умягчения происходит нейтрализация свободной углекислоты:

Са (НСО3)2 = СаСО3 + СО2 + Н2О;

Mg (НСО3)2 = MgCO3 + СО2 + Н2О;

Са (НСО3)2 + Са (ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н2О.

Умягчение едким натром аналогично умягчению известью:

Са (НСО3)2 + 2NaOH = СаСО3 + Na2CO3 + 2Н2О;

Mg (НСО3)2 + 2NaOH = MgCO3 + Na2CO3 -f- 2H2O;

MgCO3 + 2NaOH = Mg (OH)2 + Na2CO3.

■64

получивших название ионитов, при фильтрации через которые удается почти полностью освободить воду от содержащихся в ней солей.

Благодаря обменной способности ионитов, их высокой темпе­

ратурной устойчивости, механической и химической стойкости ионитам принадлежит большое будущее.

5) Усреднение (нейтрализация) и другие виды специальной

химической обработки воды

Шахтные воды в целях снижения в них кислотности нейтра­ лизуют известью, добавляя в обрабатываемую воду известковое

молоко. Основным недостатком такогометода является засо­ рение каналов и значительная затрата труда на перемешивание

воды.

При усреднении известью или едким натром средних по агрес­ сивности вод следует давать небольшой избыток реагента (по­ рядка 10—15%).

При усреднении шахтной воды рекомендуется:

1)вводить реагенты (известь, едкий натр) в измельченном

состоянии;

2)проводить нейтрализацию воды до входа ее в общий

сборник;

3)вводить реагенты возможно дальше от водосборников во избежание засорения их выпадающими осадками;

4)для ввода реагентов употреблять деревянные лотки, в ко­ торые можно собирать выпадающие осадки и которые срав­

нительно легко очищаются от последних.

Для полноты нейтрализации в большинстве случаев вводят

дополнительные вещества, так как смешение кислых вод с нейт­

ральными или слабощелочными — обычно карстовыми нижних горизонтов — не дает уменьшения агрессивности .*

Такое смешение можно производить при pH воды, не превы­ шающем 3—3,5. Кислые воды обычно насыщены железистыми

соединениями, а потому имеют желто-коричневую окраску. Специальная химическая обработка для удаления тех или

иных примесей, например остатков соединений железа или мар­ ганца, предусматривает введение реагентов, вступающих во взаимодействие с удаляемым веществом.

6) Опреснение воды

Опреснение воды, т. е. удаление всех находящихся в ней солей, осуществляется: 1) дистилляцией, 2) электролизом,

3)фильтрованием через иониты и катиониты.

*Например, при pH меньше 2,8 и содержании свободной кислоты от 30—38 до 2112 мг/л смешение с менее кислыми водами (Кизеловского бас­ сейна) не давало эффекта.

66

Дистилляция воды производится общеизвестным методом перегонки с последующим улавливанием конденсата. Для окис­ ления органических примесей и для связывания растворенной в воде двуокиси углерода к ней часто добавляют раствор пер­ манганата калия или едкого натра. Очистка электролизом по­ стоянным током напряжением НО—120 в требует затраты энер­ гии в 1,5—4,5 квт-ч на 100 л воды. Этот метод применяется для

счистки небольших количеств воды (аккумуляторные лабора­ тории) .

7) Оборотные воды

Воды, использованные в технологическом процессе и вновьподаваемые в процесс, называются оборотными. Выгоды обо­ ротной системы подачи воды в сравнении с прямоточной заклю­ чаются в том, что в 10—20 раз сокращается забор воды из источника, уменьшается сечение линий подачи воды и снижа­ ются издержки по подъему воды, но в то же время требуются затраты на дополнительные сооружения, как-то: устройство осве­ тителей, водосборников, бассейнов, а иногда и охладителей (брызгал, градирен). Для углеобогатительных фабрик, а также, при-гидравлическом способе добычи угля вопрос использования оборотных вод имеет существенное значение.

Если воду невыгодно использовать как оборотную, то ее спускают в какой-либо водоем, и тогда она носит название сточ­ ной. Сточные воды перед спуском в водоем должны быть соот­ ветствующим образом очищены и обезврежены.

Помимо отстоя взвешенных частиц или фильтрования их

через слой поглотителя, различают следующие методы очистки

сточных вод:

1)деструктивные, когда загрязняющие воду вещества раз­ рушаются окислением (реже восстановлением) и образующиеся при этом продукты распада удаляются в виде газов или осад­ ков или же остаются в воде. К деструктивным методам отно­ сится биологическая очистка, применяемая для основной массы обрабатываемых бытовых сточных вод;

2)регенеративные, когда при очистке осуществляется извле­

чение из воды содержащихся в ней полезных компонентов, на­ пример извлечение из сточных вод газогенераторных станций и коксохимических заводов фенола и других содержащихся

вних веществ;

3)комбинированные, когда регенеративным методом извле­ каются полезные компоненты, а деструктивным производится доочистка.

При осуществлении регенеративных методов применяют раз­ личные операции, как-то: сорбцию, экстракцию, отгонку с водя­ ным паром (вапорацию).

5*

Глава V

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ

С МАТЕРИАЛАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ, ПРИМЕНЯЕМЫМИ НА УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

1. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ И ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

К важнейшим материалам, применяемым при добыче угля,

можно отнести металлы, древесину, пластмассы и вспомогатель­ ные материалы (краски, замазки и др.). Здесь рассматриваются

лишь те химические свойства и процессы, которые связаны с эксплуатацией указанных материалов в условиях угольных пред­ приятий.

Для изготовления горнорудного оборудования используют

•самые разнообразные металлы: легкие (с уд. весом менее 7) и тяжелые (с уд. весом более 7), цветные (алюминий, медь, цинк

идр.) и черные (железо).

Вчистом виде металлы почти не употребляют; они нахо­

дят применение в виде сплавов, из которых изготовляют меха­ низмы и оборудование.

При изготовлении шахтного оборудования часто применяется хромоникелевая кислотоупорная сталь марки 18—8, имеющая -содержание: Сг—18%, Ni —8%, С —0,20—0,25%, Мп —до 1%,

Характеристика различных типов сталей, применяемых для изготовления шахтного оборудования, приведена в табл. 11.

Хромоникелевый чугун обладает низкими литейными качест­ вами, но он годен для изготовления деталей насосов, применяе­ мых в горном оборудовании, и отдельных деталей арматуры. Хромоникелевый чугун имеет следующий состав: С — 2,7—3,2%,

68