ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНЫХ ВОД 3 страница
2 Взвешенные вещества в шахтных водах
Взвешенными веществами являются примеси, которые имеют большие размеры (более 0,1 мкм) и находятся во взвешенном состоянии в подвижной воде. В неподвижной воде такие частицы выпадают в осадок под действием силы тяжести (если их плотность превышает плотность воды) или всплывают на поверхность воды (если их плотность меньше плотности воды). Физико-химическая система с взвешенными веществами является суспензией. Система седиментационной неустойчива, поскольку частицы ее дисперсной фазы под действием силы тяжести хотя и очень, но непрерывно оседают. В связи с седиментациею частиц в таких системах не наблюдаются явления диффузии.
Частицы суспензий при осадке попутно коагулируют (образуют агрегаты), вследствие чего их оседания ускоряется; при этом осадок некомпактный, занимает больший объем.
Однако во многих случаях, особенно в области размеров, когда размеры частицы снижаются до нескольких микрометров (микрогетерогенные системы), суспензии становятся агрегативно устойчивыми. Размеры их частиц не изменяются, и оседание происходит. Осадок, образующийся, компактный, однако его механические свойства снижены.
2.1 Показатели содержания взвешенных веществ
Содержание взвешенных веществ в воде характеризуют три показателя: концентрация взвешенных веществ, прозрачность и мутность.
Концентрация взвешенных веществ имеет единицы измерения мг/л или грамм на метр кубический. Ее определяют весовым способом, суть которого заключается в фильтровании отобранной и тщательно перемешанной пробы исследуемой воды (объем 1 л) через предварительно высушенный и взвешенный беззольный бумажный фильтр, который после окончания фильтрования с задержанными грубодисперсными частицами вновь высушивают при температуре 105 0С до постоянной массы. На основании полученных данных рассчитывают содержание взвешенных веществ в воде. Описанный метод отличается высокой точностью, однако, длительный и весьма трудоемкий. Поэтому для оперативного контроля наличия взвешенных веществ используют или разные нефелометрические методы, или косвенные приемы, заключающиеся в определении прозрачности или мутности.
|
|
|
Прозрачность воды определяют по “шрифту” или по “кресту”. Для первого метода применяют градуированный на сантиметры стеклянный цилиндр высотой 30 см (прибор Снеллена), под дно которого подложен специальный шрифт. Максимальный столб воды, выраженный в сантиметрах, через который можно прочитать текст, определяет прозрачность воды. Прозрачность по кресту определяют по той же методике, используя цилиндр высотой 350 см и диаметром 3,0 см, на дне которого находится фарфоровый круг с крестом, который имеет ширину линий в I мм.
|
|
|
Мутность воды пропорциональна концентрации в воде взвешенных веществ. Ее определяют, сравнивая исследуемую пробу с определенным эталоном мутности, содержание взвесей в котором заранее известен. Чаще всего при этом используются приборы фотоэлектроколориметра.
В основу определения мутности положен фотоэлектрический эффект интенсивности светового потока, прошедшего через контролируемую среду. Установление концентрации взвешенных веществ фотоэлектрическим методом осуществляется на основании зависимости между оптической прозрачностью испытываемой среды и количеством нерастворимых в ней частиц (по градуировочным или калибровочных графиках в координатах: оптическая плотность пробы - концентрация суспензии или мутность, мг/л).
Фотоэлектрический метод является удобным и оперативным, особенно при проведении исследований в подземных горных выработках.
2.2 Образования взвешенных веществ в шахтных и карьерных водах
Взвешенные вещества в шахтных и карьерных водах представлены такими примесями как мелкие угольные частицы, песчаные и глинистые частицы от размокания горных пород, минеральные включения углей (кварц, пирит, карбонаты и др.), инертный пыль систем борьбы с взрывами метана.
|
|
|
Взвешенные вещества образуются и поступают в воду в результате разрушения массива и при погрузке отбитой массы на транспортные средства; при дренаже вод через выработанное пространство на штреки; при перекреплении выработок. Такие источники загрязнения называются основными, или первичными.
В условиях горного производства возникают и вторичные источники поступления взвесей в шахтные воды: при транспортировке горной массы (особенно на грузовых пунктах, на пересыпях, по), при движении транспорта и перемещении людей в подтопленных местах выработок, при сдувании вентиляционными струями технологического и инертной пыли. Загрязненность шахтных вод взвешенными веществами изменяется в широких пределах и зависит от многих факторов, которые можно разделить на две группы: горно-геологические и технологические факторы.
К основным горно-геологическим факторам относятся приток воды в шахты или карьера, влажность угля и пород, минералогический состав угольного пласта и вмещающих пород, их размокаемость, мощность, структура, угол падения угольного пласта, способность пластов к образованию пыли.
|
|
|
Влияние технологических факторов обусловливается способом месторождения, системой разработки, способом и степенью механизации выемки угля и разрушения пород, в частности степенью оснащения забоя механизмами, схемой набора зубков и размерами режущего инструмента, режимом разрушения угольного массива исполнительскими органами, объемом взрывных и буровых работ с промывкой шпуров и скважин. Сюда же относятся способ транспортировки горной массы, интенсивность работы оросительных устройств, протяженность выработок, состояние водосборников, режим работы водоотливного хозяйства и других сооружений, которые канализируют шахтной (карьерной) воду и определяющих время пребывания взвешенных частиц в воде.
Значимым фактором, что загрязняет воду взвешенными веществами, есть, и часть угольного и породного пыли, который попадает в нее в процессе мокрого пылеподавления и в результате оседания при движении по горным выработкам с воздушным потоком.
Образование угольной пыли во многом определяется пылевым фактором угольных пластов, то есть интенсивностью выделения пыли при механическом разрушении пластов угля (всего различают восемь групп пыльности пластов: к первой группе отнесены пласты с удельным выделением пыли менее 50 г/т разрушаемого угля, до восьми - более 1000 г/т). Средства механизации стали основными источниками выделения пыли. Интенсивность пылеобразования прочих равных условиях зависит от типа исполнительного органа и класса машины. Наиболее пылеемные барабанные исполнительные органы, а наименее - струги. Выемочные машины оснащены в основном мокрыми системами пылеподавления - распылением воды под давлением, которая, связывая угольная пыль, превращается в сточную воду. Лишь некоторая часть неуловленой пыли в определенных условиях оседает (седиментует) из воздушных потоков, попадая в шахтную воду.
При проведении подготовительных выработок по породе наибольшее количество мелкодисперсного пыли выделяется при комбайновые проходке выработок, а также в ходе буровых работ. Пыль после ее улавливания или седиментации попадает, как правило, в шахтную воду, загрязняя ее.
Воды, поступающие в горные выработки из окружающего массива, мало загрязнены взвешенными веществами, их содержание составляет менее 2 мг/л. Такие воды можно охарактеризовать как условно чистые. Загрязнения шахтных вод твердыми взвешенными веществами (как и другими примесями) может происходить лишь в процессе их движения по выработкам. Дополнительно вода загрязняется из-за различных нарушений, связанных с водоотливными канавками: их отсутствием, поддержкой с отступлением от проектных требований, неправильной эксплуатацией.
Активным источником загрязнений в обводненных выработках вблизи очистного забоя является горная масса транспортируется конвейером. При переполнении прудов скребковых конвейеров массой выше борта последняя сползает на почву и смывается водой.
Дисперсность взвешенных веществ в шахтных водах зависит от стадии метаморфизма угля.
Так, при уголь марок К, ОС, Ж, Д, Т и Г содержание фракции более 50 мкм в воде колеблется от 1,3 до 30,9%; фракции менее 50 мкм - от 69,1 до 98,7%. При углей марок А и ПА содержание фракции более 50 мкм - от 15,7 до 65,5%, а фракции менее 50 мкм - от 34,5 до 84,5%. Повышенное содержание взвесей крупностью до 50 мкм характерен в основном для шахтных вод шахт, которые добывают коксующийся уголь и газовый. Установлено, что зольность суспензий фракции менее 50 мкм всегда выше зольность осадка в целом. Это на содержание значительного количества глинистых соединений в данной фракции.
Низкометаморфизованные угля от марки Д к Т и ОС), разрушаясь в забое, сразу дает более тонкодисперсный состав в сравнении со "старым" углем марок А и ПА, Они особенно склонны к разрушению и размоканию в процессе их переноса водой.
Содержание и дисперсный состав взвешенных веществ в водах, прошедших все подземные воднотранспортные цепочки вплоть до центральных бассейнов, меняются в широких пределах по шахтам одного и того же бассейна, а также месторождений. В связи с высокой зольностью угля (от 25 до 65%), а также при проходке подготовительных выработок по породам в шахтную воду попадают наугольные (зольные) частицы различной крупности. Частицы крупностью более 100 мкм представлено в основном углем, а по мере снижения крупности преобладать частицы в виде оксидов кремния и алюминия. Их содержание достигает 50%. Особенно высокую дисперсность имеют гидрофильные глинистые частицы, которые размокают до коллоидного состояния. Особенностью отмеченных частиц является их способность сорбировать, так и генерировать ионы, а, следовательно, заряжать и усиливать тем самым агрегативную устойчивость частиц по отношению к коагуляции. Вышеизложенное позволяет констатировать, что на участковых воднотранспортных цепочках дисперсность взвешенных веществ на два порядка меньше, чем в водах, откачиваются на поверхность земли. Следовательно, целесообразно не допускать разрушения крупных частиц, улавливать их в непосредственной близости к источникам загрязнения воды.
2.3 Седиментационный анализ взвешенных веществ
Распределение частиц взвешенных веществ по крупности получают в результате седиментационного анализа суспензий. Такой анализ является необходимым для определения технологических параметров отстойных очистных сооружений.
Размер тонкодисперсных частиц взвешенных веществ выражается косвенным образом - по скорости их осаждения, которую определяют экспериментальным путем. Скорость выпадения частицы в неподвижной воде при температуре 10°С называется гидравлической крупностью U0(мм/с). Скорость, полученная в экспериментах при других температурах, корректируется согласно изменению вязкости воды.
Если суспензия состоит из частиц одинаковой гидравлической крупности, она называется монодисперсною, если частицы различной крупности - полидисперсною. В горных водах взвесь полидисперсная.
Для условий монодисперсной системы, когда все частицы в суспензии имеют шаровидную форму, одинаковый диаметр, движутся равномерно, независимо друг от друга и одновременно, Стоксом предложена формула:
(3.2)
где d - диаметр частицы;
g - ускорение свободного падения;
rч и rв - плотность твердых частиц;
m - коэффициент динамической вязкости жидкости.
Из анализа формулы (3.1) видно, что на процесс седиментации влияют также плотность частиц и жидкости, вязкость последней. Известно, что оба эти показателя зависят от температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость и плотность. Следовательно, скорость осаждения частиц увеличивается с ростом температуры. Поскольку с ростом температуры вязкость падает сильнее, чем плотность, то доминирующее влияние имеет вязкость. Например, при повышении температуры воды от 5 до 30оС ее вязкость уменьшается вдвое.
В монодисперсных системах частицы движутся независимо друг от друга и равномерно. Поэтому за некоторое время t все они одновременно опустятся на некоторую высоту Н. Если бы в начальный момент частицы на одном уровне, то за время t на расстояние (высоту) Н сместилась бы граница раздела концентрированной суспензии, отстоявшейся, и прозрачного дисперсионной среды.
Таким образом, скорость равномерной седиментации легко определить экспериментально, как отношение некоторого пути H, пройденного частицей, ко времени t, за которое этот путь пройден:
(3.3)
На практике почти всегда приходится иметь дело полидисперсными системами, содержащие частицы различных размеров и формы. Картина седиментации в этом случае усложняется, поскольку оседание частиц происходит хотя и одновременно, но с разной скоростью. В полидисперсных высококонцентрированных системах осаждения является ограниченным (связанным), а в его процессе часто происходит коагуляция (слипание) суспензий с образованием пластинчатых агрегатов. Как правило, связано оседание взвешенных веществ (случай, когда частицы движутся или параллельно друг друга или вслед друг за другом на близком расстоянии) увеличивает сопротивление среды, а поэтому скорости их седиментации уменьшаются по сравнению с теоретическими.
Процесс изменения содержания взвешенных веществ в воде во времени называют кинетикой оседания взвешенных веществ.
Изменение содержания взвешенных веществ во времени изображают графически. Полученные графики зависимости эффекта осаждения от времени Р=f(t) называют кривыми кинетики оседания взвешенных веществ, или кривыми седиментации (осаждения). Их экспериментальным путем.
Виды кривых осаждения приведены на рис. 3.1 – 3.3. В монодисперсных системах все частицы имеют одинаковый размер, в процессе оседания не агломерують, а потому их скорости не меняются, то есть Uo=const. График седиментации частиц монодисперсной системы - прямая линия, выходящая из начала координат (рис.3.1). Конечная точка графика соответствует полному (100%-ному) осаждению взвесей за время T в сосуде с глубиной воды Н (то есть от верхнего слоя жидкости до дна сосуда) с постоянной скоростью Uo. Тогда при условии Uo=const масса частиц, которые выпадут за время t < T, будет равна
(3.4)
Рис. 3.1. Кривые осаждения суспензии монодисперсной
Рис. 3.2. Кривая осаждения двухкомпонентной суспензии
Рис. 3.3. Кривая осаждения полидисперсной суспензии
Величина угла наклона графика прямо пропорциональна концентрации взвешенных веществ, размерам частиц и обратно пропорциональна высоте сосуда.
Седиментацию частиц в двохдисперсной системе можно как одновременное оседание взвесей в двух монодисперсных системах и изобразить графически (см. рис. 3.2).
Аналогичные рассуждения применимы к трех-, четырех -... полидисперсных систем.
В конце концов (при бесконечно большом количестве взвесей разных размеров) получают плавную кривую седиментации частиц в полидисперсной системе (как предел ломаной линии) (см. рис. 3.3). Кривизна этой кривой уменьшается по мере оседания наиболее крупных частиц. На каждом таком графике, на его начале почти всегда есть прямолинейный участок, которому соответствует минимальное время tо полного оседания фракций крупных частиц.
В конце осадка во взвешенном состоянии останутся лишь частицы одного (наименьшего) размера, и суспензия превратится в монодисперсную систему. Начиная с этого момента и до конца оседания, кривая переходит в прямую, характерную для графика седиментации монодисперсных систем.
По графику седиментации можно найти относительное содержание различных фракций. Для этого применяют прием обработки графика: разбивают кривую точками, в которых проводят касательные, продолжают их до пересечения с осью ординат и определяют точки пересечения. Ординаты этих точек используют при построении интегральной кривой осаждения.
Дальнейшая обработка результатов седиментационного анализа позволяет построить еще одну кривую - кривую распределения частиц по размерам или дифференциальную кривую. По оси абсцисс откладывают гидравлические крупности частиц, а по оси ординат - содержание частиц данной фракции. Фракция, что соответствует максимуму на кривой распределения (гистограмму) называется наиболее вероятной данной фракцией полидисперсной системы (суспензии).
Проще всего седиментационные кривые строить с помощью лабораторных цилиндров (рис. 3.4.) В ванну с проточной водой помещают 5 цилиндров с пробами исследуемой суспензии емкостью 500 см3. С помощью сифона с глубины h отбирают пробы: в первом цилиндре через 5 мин после начала опыта, во втором - через 10 и так далее с интервалом 10 минут. Определяют содержание взвесей в исходной воде (Со) и пробах (Си), и для каждого момента времени ti рассчитывают эффект осаждения
Pi=(Со-Сі) /Со (3.5)
и строят кривую осаждения.
Рис. 3.4. Седиментационный анализ в лабораторных цилиндрах
Более точные результаты можно получить при построении кривых осаждения с помощью торсионных весов. Чашку весов погружают в цилиндр с пробой воды на глубину h и через определенные промежутки времени отмечают показания весов. Подробная методика такого анализа приведена в лабораторном практикуме.
Область применения седиментационного анализа - величина частиц 50-0,1 мкм.
На современном уровне для фракционного анализа используют:
- седиментографы с автоматической регистрацией кривой осаждения,
- фотоэлектрические приборы гранулометрические,
- фотоэлектрические гранулометрические центрифуги,
- счетчик Coulter.
3 Коллоидно-дисперсные и молекулярные примеси
3.1 Свойства коллоидно-дисперсных систем
Коллоидные примеси в воде образуют коллоидно-дисперсные системы (гидрозоля), которые характеризуются оптическими, кинетическими и электрическими свойствами.
Оптические свойства коллоидно-дисперсных систем описаны Фарадеем и Тиндалем. Так как размер коллоидных частиц меньше длины волны видимого (осветляющего) света, то в дисперсной системе наблюдается в зависимости от направления (точки зрения) или поглощения света (в проходящем свете, когда лучи параллельны зрения), или его рассеяния (точка зрения перпендикулярна осветляющем лучу).
Рассеивание может до изменения окраски коллоидно-дисперсной системы (явление опалесценции). Оно широко используется на практике, является основой двух оптических методов исследования гидрозоля - нефелометрии и ультрамикроскопии, с помощью которых проводится определение концентрации и среднего размера частиц в системе. Действие методов основана на сравнении интенсивности света, рассеянного исследуемым раствором, с интенсивностью света, рассеянного дистиллированной водой.
Кинетические свойства коллоидно-дисперсных систем Броун обнаружил, открыв знаменитое броуновское движение. За исключительные малые размеры, а поэтому необычайной легкости веса коллоидные частицы участвуют в диффузии. В результате диффузии сила притяжения частиц нейтрализуется, они движутся хаотично и не оседают. В системе седиментационное равновесие. Такую систему называют седиментационной стойкой.
Электрические свойства коллоидно-дисперсных систем были обнаружены открытием электрокинетических явлений в гидрозолях опытным путем профессором Рейссом (1807). Их появление связано с так называемым двойным электрическим слоем (ПЕШ). ПЕШ возникает на границе раздела фаз в результате специфической адсорбции на поверхности ионов из водного раствора или путем ионизации вещества частицы по ее поверхности (рис. 3.5). Одна часть ПЕШ находится на поверхности частицы и образует адсорбционный слой (слой Гельмгольца) толщиной . Он состоит из так называемых потенциальноопределяющих ионов и некоторой части противоположно заряженных ионов (противоионов). Этот тонкий слой ионов передвигается в воде совместно с частицей. Остальная часть противоионов в дисперсионном среде (воде), где располагается диффузно, образуя диффузный слой толщиной .
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 500; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!