2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University RJTNNI pmi-15852 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15852 Геотехнология и инженерная геология Geotechnical Engineering and Engineering Geology Improvement of concentrate quality in flotation of low-rank coal Повышение качества концентрата во флотационном обогащении низкосортного угля Kondratev Sergei A. Кондратьев С. А. Kondratev Sergei A. bagrowa@bk.ru 0000-0002-8245-2259 Институт горного дела им. Н.А.Чинакала СО РАН (Новосибирск, Россия) Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences (Novosibirsk, Russia) Khamzina Tatyana A. Хамзина Т. А. Khamzina Tatyana A. bagrowa@bk.ru 0000-0002-1281-9801 Институт горного дела им. Н.А.Чинакала СО РАН (Новосибирск, Россия) Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences (Novosibirsk, Russia) 01 09 2023 2024 265 65 77 17 05 2022 03 04 2023 29 02 2024 © 2023 С. А. Кондратьев, Т. А. Хамзина © 2023 Sergei A. Kondratev, Tatyana A. Khamzina 2023 С. А. Кондратьев, Т. А. Хамзина Sergei A. Kondratev, Tatyana A. Khamzina Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15852

Доля углей высоких стадий метаморфизма с низким содержанием золы, влаги и серы в общей массе добываемых углей незначительна. Основная часть добываемых углей сравнительно низкого качества (бурые, каменные: длиннопламенные и газовые). В условиях возрастания требований к экологической чистоте угольной продукции их эффективное использование возможно только при улучшении технологических свойств. Рассмотрен вопрос повышения показателей флотационного обогащения низкосортного угля на основе механизма работы физически сорбированного собирателя в элементарном акте флотации. Раскрыты причины повышения выхода концентрата с сохранением низкого содержания золы в результате применения сочетания собирателей с отличающимися физическими свойствами. Показано, что поверхностная активность по отношению к границе раздела «газ – жидкость» и плотность сорбции гетерополярного реагента определяют его собирательные свойства. На основе зависимости извлечения от поверхностной активности установлена связь между собирательной активностью химического соединения и строением его молекул. Применение композиции собирателей с отличающимися значениями поверхностной активности открывает возможность изменения ее собирательных и селективных свойств. Механизм работы физически сорбированного собирателя может быть базой для разработки рекомендаций по изменению извлечения и зольности концентрата, выбору оптимальных соотношений поверхностных активностей по отношению к границе раздела «газ – жидкость» собирателей, содержащихся в композиции.

Percentage of high-rank coal with low content of ash, moisture, and sulfur in total coal production output is low. Most of the produced coal has a low quality (lignite, bituminous coal: long-flame and fiery). Under increasing requirements for ecological cleanness of coal, the efficient use of coal products is only possible after improvement of their processing properties. The authors discuss the enhancement of flotation efficiency of low-rank coal using the mechanism of physisorption of a collecting agent in particle – bubble attachment. It is explained why the yield of concentrate with low ash content increases as a result of combination of collectors having different physical properties. It is shown that the surface activity of a heteropolar agent relative to the gas – liquid interface and the adsorption density of the agent govern its collecting properties. Based on the recovery – surface activity relationship, the correlation is found between the collecting activity of a chemical compound and the structure of its molecules. The combination of the collectors with different surface activity enables adjusting collectability and selectivity of the blend. The physisorption mechanism of collectors can be a framework for developing recommendations on modification of concentrate yield and ash content, and on selection of optimized ratios of surface activities of miscible collectors relative to the gas – liquid interface.

 Ключевые слова флотация уголь выход концентрата содержание золы поверхностная активность реагента селективность извлечения Keywords flotation coal concentrate yield ash content agent surface activity extraction selectivity Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-27-00084. The study was supported by the Russian Science Foundation, Grant N 22-27-00084. Линев Б.И. Теоретическое обоснование и разработка рациональных технологий обогащения угольных топлив на основе энергетического подхода: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2003. 48 с. Linev B.I. Theoretical justification and development of rational processing technologies for coal-based fuels using an energy approach: Avtoref. dis. ... d-ra tekhn. nauk. M.: Izd-vo Moskovskogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, 2003, p. 48 (in Russian). Quanzhi Tian, Yi Zhang, Guosheng Li, Yongtian Wang. Application of Carboxylic Acid in Low-Rank Coal Flotation // International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2019. Vol. 39. Iss. 1. P. 44-53. DOI: 10.1080/19392699.2017.1297299 Quanzhi Tian, Yi Zhang, Guosheng Li, Yongtian Wang. Application of carboxylic acid in low-rank coal flotation. International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2019. Vol. 39. Iss. 1, p. 44-53. DOI: 10.1080/19392699.2017.1297299 Baofeng Wen, Wencheng Xia, Sokolovic J.M. Recent advances in effective collectors for enhancing the flotation of low rank/oxidized coals // Powder Technology. 2017. Vol. 319. P. 1-11. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.06.030 Baofeng Wen, Wencheng Xia, Sokolovic J.M. Recent advances in effective collectors for enhancing the flotation of low rank/oxidized coals. Powder Technology. 2017. Vol. 319, p. 1-11. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.06.030 Bao Li, Jianying Guo, Shengyu Liu et al. Molecular insight into the mechanism of benzene ring in nonionic surfactants on low-rank coal floatability // Journal of Molecular Liquids. 2020. Vol. 302. № 112563. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.112563 Bao Li, Jianying Guo, Shengyu Liu et al. Molecular insight into the mechanism of benzene ring in nonionic surfactants on low-rank coal floatability. Journal of Molecular Liquids. 2020. Vol. 302. N 112563. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.112563 Akdemir Ü., Sönmez İ. Investigation of coal and ash recovery and entrainment in flotation // Fuel Processing Technology. 2003. Vol. 82. Iss. 1. P. 1-9. DOI: 10.1016/S0378-3820(02)00248-5 Akdemir Ü., Sönmez İ. Investigation of coal and ash recovery and entrainment in flotation. Fuel Processing Technology. 2003. Vol. 82. Iss. 1, p. 1-9. DOI: 10.1016/S0378-3820(02)00248-5 Jena M.S., Biswal S.K., Rudramuniyappa M.V. Study on flotation characteristics of oxidised Indian high ash sub-bituminous coal // International Journal of Mineral Processing. 2008. Vol. 87. Iss. 1-2. P. 42-50. DOI: 10.1016/j.minpro.2008.01.004 Jena M.S., Biswal S.K., Rudramuniyappa M.V. Study on flotation characteristics of oxidised Indian high ash sub-bituminous coal. International Journal of Mineral Processing. 2008. Vol. 87. Iss. 1-2, p. 42-50. DOI: 10.1016/j.minpro.2008.01.004 Temel H.A., Majumder A.K. Investigation of the effectiveness of desliming and flotation in cleaning Malatya-Arguvan lignite // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2016. Vol. 38. № 8. P. 1048-1054. DOI: 10.1080/15567036.2015.1120819 Temel H.A., Majumder A.K. Investigation of the effectiveness of desliming and flotation in cleaning Malatya-Arguvan lignite. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2016. Vol. 38. N 8, p. 1048-1054. DOI: 10.1080/15567036.2015.1120819 Wencheng Xia, Chao Ni., Guangyuan Xie. Effective flotation of lignite using a mixture of dodecane and 4-dodecylphenol (DDP) as collector // International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2016. Vol. 36. Iss. 5. P. 262-271. DOI: 10.1080/19392699.2015.1113956 Wencheng Xia, Chao Ni., Guangyuan Xie. Effective flotation of lignite using a mixture of dodecane and 4-dodecylphenol (DDP) as collector. International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2016. Vol. 36. Iss. 5, p. 262-271. DOI: 10.1080/19392699.2015.1113956 Kadagala M.R., Nikkam S., Tripathy S.K. A review on flotation of coal using mixed reagent systems // Minerals Engineering. 2021. Vol. 173. № 107217. DOI: 10.1016/j.mineng.2021.107217 Kadagala M.R., Nikkam S., Tripathy S.K. A review on flotation of coal using mixed reagent systems. Minerals Engineering. 2021. Vol. 173. N 107217. DOI: 10.1016/j.mineng.2021.107217 Dey S. Enhancement in hydrophobicity of low rank coal by surfactants – A critical overview // Fuel Processing Technology. 2012. Vol. 94. Iss. 1. P. 151-158. DOI: 10.1016/j.fuproc.2011.10.021 Dey S. Enhancement in hydrophobicity of low rank coal by surfactants – A critical overview. Fuel Processing Technology. 2012. Vol. 94. Iss. 1, p. 151-158. DOI: 10.1016/j.fuproc.2011.10.021 Jia R., Harris G.H., Fuerstenau D.W. Chemical Reagents for Enhanced Coal Flotation // Coal Preparation. 2002. Vol. 22. Iss. 3. P. 123-149. DOI: 10.1080/07349340213847 Jia R., Harris G.H., Fuerstenau D.W. Chemical reagents for enhanced coal flotation. Coal Preparation. 2002. Vol. 22. Iss. 3, p. 123-149. DOI: 10.1080/07349340213847 Cebeci Y. The investigation of the floatability improvement of Yozgat Ayrıdam lignite using various collectors // Fuel. 2002. Vol. 81. Iss. 3. P. 281-289. DOI: 10.1016/S0016-2361(01)00165-X Cebeci Y. The investigation of the floatability improvement of Yozgat Ayrıdam lignite using various collectors. Fuel. 2002. Vol. 81. Iss. 3, p. 281-289. DOI: 10.1016/S0016-2361(01)00165-X Zechen Liu, Yinfei Liao, Maoyan An et al. Enhancing low-rank coal flotation using a mixture of dodecane and n-valeraldehyde as a collector // Physicochemical Problems of Mineral Processing. 2019. Vol. 55 (1). P. 49-57. DOI: 10.5277/ppmp18109 Zechen Liu, Yinfei Liao, Maoyan An et al. Enhancing low-rank coal flotation using a mixture of dodecane and n-valeraldehyde as a collector. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 2019. Vol. 55 (1), p. 49-57. DOI: 10.5277/ppmp18109 Кубак Д.А., Петухов В.Н., Семенов Д.Г. Исследование влияния группового химического состава комплексных реагентов на эффективность флотации углей // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2013. № 4 (44). С. 5-10. Kubak D.A., Petuсhov V.N., Semenov D.G. The investigation of the effect of complex reagents sectional chemical composition on coal flotation efficiency. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2013. N 4 (44), p. 5-10 (in Russian). Абрамов А.А. Требования к выбору и конструированию селективных реагентов-собирателей. Часть 2. Требования к физико-химическим свойствам селективного собирателя (В порядке обсуждения) // Цветные металлы. 2012. № 5. С. 14-17. Abramov A.A. Requirements to the choice and designing of selective reagents-collectors. Part 2. Requirements to physical-chemical properties of selective reagents-collectors. Tsvetnye Metally. 2012. N 5, p. 14-17 (in Russian). Miller J.D., Wang X., Li M. Bench Scale Flotation of Sedimentary Phosphate Rock with Hydroxamic Acid Collectors // Beneficiation of Phosphates: Advances in Research and Practice. Englewood: Society for Mining, Metallurgy & Exploration, 2002. P. 93-101. Miller J.D., Wang X., Li M. Bench Scale Flotation of Sedimentary Phosphate Rock with Hydroxamic Acid Collectors. Beneficiation of Phosphates: Advances in Research and Practice. Englewood: Society for Mining, Metallurgy & Exploration, 2002, p. 93-101. Patent № US6341697B1. Selective flotation of phosphate minerals with hydroxamate collectors / J.D. Miller, Xuming Wang, Minhua Li. Publ. 29.01.2002. Miller J.D., Xuming Wang, Minhua Li. Patent N US6341697B1. Selective flotation of phosphate minerals with hydroxamate collectors. Publ. 29.01.2002. Xuming Wang, Nguyen A.V., Miller J.D. Selective attachment and spreading of hydroxamic acid-alcohol collector mixtures in phosphate flotation // International Journal of Mineral Processing. 2006. Vol. 78. Iss. 2. P. 122-130. DOI: 10.1016/j.minpro.2005.09.005 Xuming Wang, Nguyen A.V., Miller J.D. Selective attachment and spreading of hydroxamic acid-alcohol collector mixtures in phosphate flotation. International Journal of Mineral Processing. 2006. Vol. 78. Iss. 2, p. 122-130. DOI: 10.1016/j.minpro.2005.09.005 Александрова Т.Н., Элбендари А.М. Повышение эффективности переработки фосфатных руд флотационным методом // Записки Горного института. 2021. Т. 248. С. 260-271. DOI: 10.31897/PMI.2021.2.10 Aleksandrova T.N., Elbendari A.M. Increasing the efficiency of phosphate ore processing using flotation method. Journal of Mining Institute. 2021. Vol. 248, p. 260-271. DOI: 10.31897/PMI.2021.2.10 Кондратьев С.А., Семьянова Д.В. Связь структуры углеводородного радикала флотационного реагента с его собирательными свойствами // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018. № 6. С. 161-172. DOI: 10.15372/FTPRPI20180616 Kondratev S.A., Semyanova D.V. Relation between Hydrocarbon Radical Structure and Collecting Abilities of Flotation Agent. Journal of Mining Science. 2018. Vol. 54. N 6, p. 1024-1034. DOI: 10.1134/S1062739118065180 Кондратьев С.А. Подходы к выбору флотационных реагентов-собирателей // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2022. № 5. С. 109-124. DOI: 10.15372/FTPRPI20220511 Kondratev S.A. Selecting collecting agents for flotation. Journal of Mining Science. 2022. N 5, p. 109-124 (in Russian). DOI: 10.15372/FTPRPI20220511 Кондратьев С.А. Собирательная сила и избирательность флотационного реагента // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021. № 3. С. 133-147. DOI: 10.15372/FTPRPI20210313 Kondratev S.A. Collectability and Selectivity of Flotation Agent. Journal of Mining Science. 2021. Vol. 57. N 3, p. 480-492. DOI: 10.1134/S1062739121030133 Seongsoo Han, Nguyen A.V., Kwanho Kim et al. Quantitative Analysis of Attachment Time of Air Bubbles to Solid Surfaces in Water // Langmuir. 2021. Vol. 37. Iss. 2. P. 616-626. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02773 Seongsoo Han, Nguyen A.V., Kwanho Kim et al. Quantitative Analysis of Attachment Time of Air Bubbles to Solid Surfaces in Water. Langmuir. 2021. Vol. 37. Iss. 2, p. 616-626. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02773 Lijuan Sun, Yaowen Xing, Haichang Yang et al. A New Experimental Approach to Evaluate Coal Particles Floatability: Bubble-Particle Attachment and Detachment Kinetics // ACS Omega. 2020. Vol. 5. Iss. 27. P. 16733-16738. DOI: 10.1021/acsomega.0c01630 Lijuan Sun, Yaowen Xing, Haichang Yang et al. A New Experimental Approach to Evaluate Coal Particles Floatability: Bubble-Particle Attachment and Detachment Kinetics. ACS Omega. 2020. Vol. 5. Iss. 27, p. 16733-16738. DOI: 10.1021/acsomega.0c01630 Kondratyev S.A., Semyanova D.V. A revisit of selection the efficiency criterion for flotation reagents of fatty acids class // Eurasian Mining. 2017. № 1. P. 24-29. DOI: 10.17580/em.2017.01.07 Kondratyev S.A., Semyanova D.V. A revisit of selection the efficiency criterion for flotation reagents of fatty acids class. Eurasian Mining. 2017. N 1, p. 24-29. DOI: 10.17580/em.2017.01.07 Лавриненко А.А., Свечникова Н.Ю. Исследование квантово-химических параметров углеводородов при выборе реагентов для флотации углей // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2008. № 1 (21). С. 85-87. Lavrinenko A.A., Svechnikova N.Y. The research of quantum-chemical characteristics in selection of coals flotation reagents. Vestnik Magnitogorsk State Technical University named after G.I.Nosov. 2008. N 1 (21), p. 85-87 (in Russian). Чупрова Л.В. Изучение механизма действия реагентов при флотационном обогащении угольных шламов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 11. Ч. 5. С. 939-942. Chuprova L.V. Studying of the mechanism of effect of reagents at floatation enrichment of coal slimes. International Journal of Applied and Fundamental Research. 2016. N 11. Part 5, p. 939-942 (in Russian). Ozdemir O., Karaguzel C., Nguyen A.V. et al. Contact angle and bubble attachment studies in the flotation of trona and other soluble carbonate salts // Minerals Engineering. 2009. Vol. 22. Iss. 2. P. 168-175. DOI: 10.1016/j.mineng.2008.06.001 Ozdemir O., Karaguzel C., Nguyen A.V. et al. Contact angle and bubble attachment studies in the flotation of trona and other soluble carbonate salts. Minerals Engineering. 2009. Vol. 22. Iss. 2, p. 168-175. DOI: 10.1016/j.mineng.2008.06.001 Xiahui Gui, Yaowen Xing, Tingxia Wang et al. Intensification mechanism of oxidized coal flotation by using oxygen-containing collector α-furanacrylic acid // Powder Technology. 2017. Vol. 305. P. 109-116. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.09.058 Xiahui Gui, Yaowen Xing, Tingxia Wang et al. Intensification mechanism of oxidized coal flotation by using oxygen-containing collector α-furanacrylic acid. Powder Technology. 2017. Vol. 305, p. 109-116. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.09.058 Петухов В.Н., Скоробогатова А.А., Ильясова А.З. Исследование флотационной активности реагентов-собирателей различного группового химического состава при флотации углей // Теория и технология металлургического производства. 2017. № 1 (20). С. 16-19. Petukhov V.N., Skorobogatova A.A., Ilyasova A.Z. Development reagent conditions of coal flotation using reagents-collectors of different chemical composition. The Theory and Process Engineering of Metallurgical Production. 2017. Vol. 20. N 1, p. 16-19 (in Russian). Кондратьев С.А. Физическая форма сорбции реагента и ее назначение во флотации. Новосибирск: Наука, 2018. 182 c. Kondratev S.A. Physisorption and its purpose in flotation. Novosibirsk: Nauka, 2018, p. 182 (in Russian). Осина Н.Ю., Горохов А.В., Лахтин С.В. Исследование влияния группового химического состава реагентов собирателей на эффективность флотации каменных углей // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № 2. С. 393-396. Osina N.Yu., Gorokhov A.V., Lakhtin S.V. Investigation of the influence of the group chemical composition of agents collectors on the efficiency of bituminous coal flotation. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten. 2006. N 2, p. 393-396 (in Russian). Yinfei Liao, Xiaodong Hao, Maoyan An et al. Enhancing low-rank coal flotation using mixed collector of dodecane and oleic acid: Effect of droplet dispersion and its interaction with coal particle // Fuel. 2020. Vol. 280. № 118634. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.118634 Yinfei Liao, Xiaodong Hao, Maoyan An et al. Enhancing low-rank coal flotation using mixed collector of dodecane and oleic acid: Effect of droplet dispersion and its interaction with coal particle. Fuel. 2020. Vol. 280. N 118634. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.118634 Wencheng Xia, Jianguo Yang. Enhancement in Flotation of Oxidized Coal by Oxidized Diesel Oil and Grinding Pretreatment // International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2013. Vol. 33. Iss. 6. P. 257-265. DOI: 10.1080/19392699.2013.816300 Wencheng Xia, Jianguo Yang. Enhancement in flotation of oxidized coal by oxidized diesel oil and grinding pretreatment. International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2013. Vol. 33. Iss. 6, p. 257-265. DOI: 10.1080/19392699.2013.816300 Ceylan K., Küçük M.Z. Effectiveness of the dense medium and the froth flotation methods in cleaning some Turkish lignites // Energy Conversion and Management. 2004. Vol. 45. Iss. 9-10. P. 1407-1418. DOI: 10.1016/j.enconman.2003.09.011 Ceylan K., Küçük M.Z. Effectiveness of the dense medium and the froth flotation methods in cleaning some Turkish lignites. Energy Conversion and Management. 2004. Vol. 45. Iss. 9-10, p. 1407-1418. DOI: 10.1016/j.enconman.2003.09.011 Dube R., Honaker R. Improving the flotation performance of an oxidized bituminous coal source // Minerals Engineering. 2019. Vol. 142. № 105937. DOI: 10.1016/j.mineng.2019.105937 Dube R., Honaker R. Improving the flotation performance of an oxidized bituminous coal source. Minerals Engineering. 2019. Vol. 142. N 105937. DOI: 10.1016/j.mineng.2019.105937 Кондратьев С.А., Ростовцев В.И., Бочкарев Г.Р. и др. Научное обоснование и разработка инновационных технологий комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2014. № 5. С. 187-202. Kondratev S.A., Rostovtsev V.I., Bochkarev G.R. et al. Justification and development of innovative technologies for integrated processing of complex ore and mine waste. Journal of Mining Science. 2014. Vol. 50. N 5, p. 959-973. DOI: 10.1134/S1062739114050160 Александрова Т.Н., Кусков В.Б., Афанасова А.В., Кузнецов В.В. Совершенствование технологии флотационного обогащения тонких классов коксующихся углей // Обогащение руд. 2021. № 3. С. 9-13. DOI: 10.17580/or.2021.03.02 Alexandrova T.N., Kuskov V.B., Afanasova A.V., Kuznetsov V.V. Improvement of the fine coking coal flotation technology. Obogashchenie rud. 2021. N 3, p. 9-13 (in Russian). DOI: 10.17580/or.2021.03.02 Rui Zhang, Yangchao Xia, Fangyu Guo et al. Effect of microemulsion on low-rank coal flotation by mixing DTAB and diesel oil // Fuel. 2020. Vol. 260. № 116321. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.116321 Rui Zhang, Yangchao Xia, Fangyu Guo et al. Effect of microemulsion on low-rank coal flotation by mixing DTAB and diesel oil. Fuel. 2020. Vol. 260. N 116321. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.116321 Rosen M.J. Reduction of Surface and Interfacial Tension by Surfactants // Surfactants and Interfacial Phenomena. Hoboken: John Wiley & Sons, 2004. P. 208-242. DOI: 10.1002/0471670561.ch5 Rosen M.J. Reduction of Surface and Interfacial Tension by Surfactants. Surfactants and Interfacial Phenomena. Hoboken: John Wiley & Sons, 2004, p. 208-242. DOI: 10.1002/0471670561.ch5