книги из ГПНТБ / Чулаков П.Ч. Теория и практика обеспыливания атмосферы карьеров

Анализ опыта пылеподавления на карьерных авто­ дорогах различными способами позволяет сделать следующие выводы.

Применение воды для снижения запыленности воздуха на автодорогах малоэффективно, особенно при температуре воздуха выше 25° С и низкой относи­ тельной влажности.

Сульфитно-спиртовая барда применима в условиях отсутствия существенных атмосферных осадков. Наиболее отрицательно в этом случае действуют лив­ невые дожди, которые полностью растворяют и размывают ССБ. При использовании ССБ связыва­ ние приносимой после обработки пыли не проис­ ходит.

Возможность применения битумных эмульсий в рассматриваемых целях ограничивается их свойством распада при определенных влажности и температуре атмосферы. Поэтому в летний жаркий период в усло­ виях Средней Азии и Казахстана применять битум­ ные эмульсии нерационально. Кроме того, недостат­ ками использования битумов и их эмульсий являются их вредное влияние на процесс обогащения руды и сложность их приготовления с применением эмуль­ гаторов.

Использование сырой нефти сопряжено с рядом

ской нефти 20—40°С), ухудшаются условия труда вследствие выделения вредных летучих компонентов в виде пара. Добавка к нефти керосина или соляро­ вого топлива в качестве разжижителей еще больше повышает ее пожароопасность и содержание паров вредных углеводородов.

Из опыта применения хлористого кальция следует, что необходимая эффективность достигается при ис­ пользовании его в виде растворов 20—30%-ной кон­ центрации при подавлении пыли на временных авто­ дорогах.

Топочный мазут является наиболее эффективным пылесвязывающим веществом для подавления пыли на постоянных карьерных автодорогах.

100

§ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ НА КАРЬЕРНЫХ АВТОДОРОГАХ

Для подавления пыли на карьерных автодорогах в различных климатических и эксплуатационных усло­ виях испытаны водные растворы хлористого кальция и других гигроскопических солей и органические вяжущие вещества, такие как сульфитно-спиртовая барда, битум, сырая нефть и топочный мазут. Однако ввиду отсутствия хотя бы приближенной теории меха­ низма протекающих при этом процессов пылесвязывающие вещества не нашли широкого применения для подавления пыли на автодорогах.

Свойство гигроскопических солей понижать тем­ пературу замерзания и скорость испарения водных

рах 152]. При растворении солей в воде понижается давление насыщенного пара над растворами. С уве­ личением концентрации раствора упругость пара над раствором уменьшается. Это влияет на температуру замерзания раствора: снижается температура замер­ зания раствора и замедляется его испарение.

При замерзании водного раствора вначале выде­ ляется вода в кристаллическом виде, в результате концентрация раствора увеличивается и соответст­ венно понижается температура замерзания. Испаре­ ние воды также приводит к увеличению концентра­ ции раствора и уменьшению скорости испарения. Процессы эти продолжаются до тех пор, пока тем­ пература не достигнет величины, при которой рас­ твор застывает в сплошную массу, состоящую из льда и твердого растворенного вещества.

Свойство водного раствора гигроскопических со­ лей притягивать влагу из воздуха было использовано

Сущность способа снижения запыленности карьер­ ных автодорог путем применения водных растворов гигроскопических солей заключается в поддержании поверхности дорог в постоянном влажном состоянии за счет поглощения атмосферной влаги. При поливке

10)

поверхности автодорог водными растворами гигро­ скопических солей происходит обмен массы. Коли­ чество обмененной массы, согласно уравнению Даль­ тона для диффузии газов, выражается дифферен­ циальным уравнением

циальное давление водяных паров в окружающем воздухе, н/м2 ; Рр — парциальное давление паров в по­ граничном слое над раствором, н/м2 ; Ри — нормальное

Как видно из формулы (V.2), удельное количество обмененной массы зависит прежде всего от разности

давления пара над растворителем при этой же тем­ пературе.

Согласно закону Рауля понижение давления пара над раствором при данной температуре прямо про­ порционально числу молекул растворенного вещества, содержащемуся в единице объема раствора, и не за­ висит от химического состава этих молекул. Однако при этом концентрация раствора должна быть меньше эвтектической и теплота растворения вещества долж­ на быть ничтожна по сравнению с теплотой испарения растворителя. Таким образом, в зависимости от влагосодержания окружающего воздуха можно пригото­ вить раствор такой концентрации, при которой дав­ ление над ним будет меньше давления водяных паров

пара растворов от химического состава растворенного вещества дает возможность получить универсальные кривые изменения этого давления.

Совмещенные графические зависимости парциаль­

102

пературы, характерные и для других растворов, при­ ведены на рис. 22.

Для изучения процесса взаимодействия различных растворов хлористого кальция с водяными парами окружающей среды и срока эффективного действия этих растворов проведены две серии лабораторных опытов при постоянной относительной влажности воздуха 5 9 ± 2 % и температуре 25±0,5°С (средние

8.00

6.67

5.3"

ПРО

1.61

Рис. 22. Совмещенные кривые парци­ альных давлений водяных паров атмо­ сферного воздуха и растворов хлори­ стого кальция

летние показатели для большинства карьеров Казах­ стана).

При проведении экспериментов постоянство темпе­ ратуры поддерживалось при помощи терморегуля­ тора, приспособленного к термографу, который при повышении температуры воздуха свыше 25° С. отклю­ чал нагревательные приборы, а при понижении тем­ пературы ниже 25° С — включал. Постоянство относи­ тельной влажности регулировалось искусственно из-

103

менением количества испаряющейся влаги. Интенсив­ ность испарения поддерживалась изменением пло­ щади испаряющейся воды.

Первая серия опытов при удельной норме разлива 2 дм3 /м2 длилась 38 суток, вторая серия при удельной

концентрацию раствора и для чистой воды было отве­ дено по четыре сосуда.

В результате обработки данных лабораторных опытов установлено, что при растворах 10- и 20%-ной концентрации хлористого кальция влага с обработан­ ной поверхности испарялась, а при 40- и 50%-ной

104

концентрации влага притягивалась (рис. 23). Чем слабее концентрация раствора, тем интенсивнее про­ исходит потеря влаги. I I наоборот, раствор большей концентрации (50%-ный) притягивает влагу более интенсивно, чем 40%-ный.

В зависимости от концентрации раствора через 5—10 суток наступает устойчивое состояние равно­ весия, при котором потеря или приобретение влаги зависит в основном от влагосодержания воздуха.

Щкг/м)

5

удельной нормы разлива

Затем отношение массы несущего материала с влагой

Из совмещенных кривых парциальных давлений видно, что при относительной влажности воздуха 60% парциальные давления растворов 10- и 20%-ной кон­ центрации выше парциального давления воздушной среды, а 40- и 50%-ной концентрации — ниже. Этим и объясняется тот факт, что в условиях опытов в пер­ вом случае влага терялась, а во втором приобре­ талась

Изменение содержания влаги в несущем мате­ риале с течением времени зависит также от удельной нормы разлива раствора.

На рис. 24 представлена зависимость содержания влаги в несущем материале от концентрации раствора при удельных нормах (разливах) 2 и 3 дм3 /м2 по ис-

105

течении 20 суток. Как видно из графиков, содержание влаги в несущем материале через 20 суток при кон­ центрации ниже 33% становится меньше соответст­ вующей нормы разлива, а при концентрации выше 33% —больше. Это свидетельствует о том, что в усло­ виях опыта парциальное давление в пограничном слое над раствором 33%-ной концентрации соответство­ вало парциальному давлению водяных паров окру-

б.Н/п

0.09

от

ностью и воздушной средой обмена массы не проис­ ходило.

Повышение концентрации раствора хлористого кальция или парциального давления паров раство­ рителя способствует переходу влаги в обработанный слой, понижение — испарению влаги.

Для определения степени смачивания пылинок водными растворами хлористого кальция было изу­ чено изменение поверхностного натяжения и крае­ вого угла смачивания в зависимости от концентрации раствора. Исследования проводились при темпера­ туре 18°С и концентрациях 10, 20, 30, 40 и 50%. Было установлено (рис. 25), что с повышением концентра­ ции раствора хлористого кальция поверхностное на­ тяжение возрастает и для раствора 50%-ной кон­

При изменении краевого угла смачивания имеют значение степень полировки поверхности минералов, размер пузырька и время выдерживания. Шерохова­ тость поверхности и размер пузырька оказывают влияние на «индукционный период» — время, в тече-

106

ние которого пузырек прилипает к минералу. Вели­ чина пузырька воздуха, подводимого под минерал, была при всех случаях одинаковой. Время с момента прилипания пузырька до фотографирования состав­ ляло для двух серий опытов соответственно 20 и 30 сек.

При фотографировании двумя фотоаппаратами че­ рез 20 и 30 сек существенной разницы в измеренных значениях углов не было. Масштаб увеличения изо­ бражения во всех случаях был одинаковым.

Ѳ,граа

90

50

Рис. 26. Зависимость краевого угла сма­ чивания Ѳ от концентрации п раствора хлористого кальция

По обработанным результатам построена зависи­ мость (рис. 26), из которой видно, что смачиваемость водного раствора хлористого кальция находится в прямой зависимости от его концентрации. Краевой угол омачивания раствора хлористого кальция 50%-ной концентрации на кварците в 1,9 раза больше, чем у воды.

Из сопоставления рис. 25 и 26 видно, что харак­ тер зависимости поверхностного натяжения и крае­ вого угла смачивания от концентрации раствора хло­ ристого кальция одинаков: в обоих случаях с воз­ растанием концентрации раствора эффективность смачивания пыли снижается.

Если поверхностные натяжения на границах раз­ делов воздух—твердое смачиваемое тело, твердое тело—жидкость и жидкость—воздух обозначить со­ ответственно оѵг, о™ и ськг, то работа (в эргах), со­ вершаемая системой и приходящаяся на единицу площади, будет равна

107

По условию равновесия требуется, чтобы равно­ действующая сила, лежащая в плоскости твердой по­ верхности, равнялась нулю, т. е.

работы, которую необходимо произвести для того, чтобы смачивалась поверхность твердого тела.

совершаемая для смачивания твердой поверхности, становится равной 2а, т. е. для смачивания пылинок требуется максимум работы. Поэтому, если краевой угол меньше 90°, то поверхность соприкосновения тела

также видно, что с понижением поверхностного натя­ жения жидкости на границе раздела с воздухом уменьшается величина совершаемой работы для сма­

вблизи поверхности непрерывно изменяется, чисто термодинамически установил связь между изменением концентрации раствора вблизи поверхности и пониже­ нием его поверхностного натяжения. Из теории Гиббса вытекает, что изменение концентрации п, определяе­ мое избытком растворенного вещества на единицу площади, в непосредственной близости от границы фаз по абсолютной величине и знаку связано с про­ изводной поверхностного натяжения а по концентра­

где R — универсальная газовая постоянная; Т — абсо­ лютная температура.

108

Из уравнения (V.6) Р. Дюбризай делает вывод, что вещества, оказывающие более значительное влия­ ние на поверхностное натяжение, способны только его понижать. Для тех веществ, которые поверхностное натяжение повышают, п сделалось бы отрицатель­ ным и, следовательно, свободная поверхность должна была бы показывать уменьшение концентрации рас­ творенного вещества относительно массы жидкости. Так как поверхностное натяжение зависит от состава поверхностного слоя жидкости, то действие любых растворимых веществ в смысле повышения поверх­ ностного натяжения не может быть значительным. Поэтому вещества, называемые поверхностно-актив­ ными, должны только понижать поверхностное на­ тяжение.

Установлено, что поверхностно-активные вещества (ПАВ) при очень малых их концентрациях понижают поверхностное натяжение воды на границе с воздухом с 0,0728 до 0,05—0,03 н/м. Кроме того, они обладают способностью в той или иной степени адсорбироваться из водного раствора на твердых поверхностях, в част­ ности на поверхностях кварца и алюмосиликатпых минералов [54].

генные вещества, к которым относятся полиэтпленгликолевые эфиры алкилфенолов. Отсутствие хими­ ческого взаимодействия с тяжелыми металлами и их солями делают эту группу веществ наиболее универ­ сальной и экономически выгодной. К этой группе от­ носятся смачиватели типа ОП и ДБ, разработанные в Научно-исследовательском институте органических полупродуктов и красителей.

С м а ч и в а т е л ь Д Б относится к неионогенным соединениям и является смесью полиэтиленгликольалкилфеноловых эфиров. По внешнему виду смачи­ ватель ДБ представляет собой маслообразную вяз­ кую пасту коричневого цвета со слабым ароматиче­ ским запахом.

При 20° С ДБ смешивается с водой в любых со­ отношениях. Замеченной разницы в растворимости его при более низких температурах не обнаружено. Вели­ чина поверхностного натяжения водных растворов

109