INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL.

The study aimed to examine the electrokinetic and rheological properties of composite water-coal fuel (CWCF) based on anthracite and P-grade coal in the presence of clay minerals. The influence of clay mineral additives on the electrokinetic and rheological properties of CWCF was studied. The clay...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2023
Автори:	Klishchenko, Roman, Kornienko, Ivan, Shkutkova, Olena
Формат:	Стаття
Мова:	Англійська
Опубліковано:	V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2023
Онлайн доступ:	https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/613
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Ukrainian Chemistry Journal
Завантажити файл:

Репозитарії

Ukrainian Chemistry Journal

_version_	1871466003642187776
author	Klishchenko, Roman Kornienko, Ivan Shkutkova, Olena
author_facet	Klishchenko, Roman Kornienko, Ivan Shkutkova, Olena
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Roman Klishchenko", "institution": "A.V. Dumansky Institute of Colloidand Water Chemistryof NAS ofUkraine, 42 AkademikaVernadskohoBlvd., 03142 Kyiv" }, { "author": "Ivan Kornienko", "institution": "A.V. Dumansky Institute of Colloidand Water Chemistry of NAS of Ukraine, 42 Akademika Vernadskoho Blvd., 03142 Kyiv" }, { "author": "Olena Shkutkova", "institution": "A.V. Dumansky Institute of Colloidand Water Chemistry of NAS of Ukraine, 42 Akademika Vernadskoho Blvd., 03142 Kyiv" } ]
author_sort	Klishchenko, Roman
baseUrl_str	https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-22T08:23:53Z
description	The study aimed to examine the electrokinetic and rheological properties of composite water-coal fuel (CWCF) based on anthracite and P-grade coal in the presence of clay minerals. The influence of clay mineral additives on the electrokinetic and rheological properties of CWCF was studied. The clay minerals used were montmorillonite, illite, and kaolinite from Ukrainian deposits. The fuel was prepared based on P-grade coal and anthracite. The share of the solid phase (coal) in the suspensions was 62 %. According to the particle size distribution, the bulk of the coal has a size of 30–110 μm with a bimodal distribution. To obtain the CWCF, the coal powder was homogenized with the dispersion medium by wet grinding in a ball mill for 20–25 minutes. The dispersion medium was distilled water. Wet grinding was carried out until particles &lt; 0.25 mm in size were obtained. We obtained a CWCF with a concentration of 62% of the solid phase of coal. Additions of chemicals were not practiced to study the effect of clay minerals in a pure experiment. Clay minerals were added at a concentration of 0.5–3 % by weight of the CWCFs. Their rheological data were measured using a Rheotest-2 rheometer at a temperature of 20&nbsp;ºC and the shear-stress/shear-rate data for the CWCF covered a range of 0.1 to 470 s-1. &nbsp;The sedimentation stability of St was studied at the time of stratification of the CWCF sample in a measuring cylinder. After preparation, a 10-mL sample of the CWCF was placed in a 25-mL glass cylinder. St is equal to the time of the beginning of the suspension stratification in days. It was established that ξ - the potential of CWCF particles with the addition of clay minerals shifts to the negative region and reaches&nbsp;– 45–50 mV at pH&gt;8. Montmorillonite was found to be most effective additive for controlling the properties of the CWCF. Systems with clay mineral additives demonstrate a pseudoplastic type of flow in the range of shear rates γ 0–100 s-1 and a Newtonian type of flow at higher γ. According to their effect on the increase in apparent viscosity, clay minerals are arranged in the following order: kaolinite, illite, and montmorillonite. The thixotropic properties of the studied systems provide complete restoration of the properties of the CWCF when the shear rate is reduced to 0–40 s-1. Sedimentation stability in the presence of illite and montmorillonite additives reaches 8–14 days. In contrast to illite and montmorillonite, kaolinite has a very weak effect on the properties of CWCF.
doi_str_mv	10.33609/2708-129X.89.11.2023.35-50
first_indexed	2025-09-24T17:43:54Z
format	Article
fulltext	35 УДК 544.77 doi: 10.33609/2708-129X.89.11.2023.35-50 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА Р. Є. Кліщенко, І. В. Корнієнко, О. В. Шкуткова Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського НАН України, Київ, бульв. Акад. Вернадського, 42, м. Київ 03680, Україна email: pakhartikhhv34@gmail.com Вивчено вплив добавок глинистих мінералів на електрокінетичні та реологічні властивості композиційного водовугільного палива (КВП). Як глинисті мінерали ви- користовували монтморилоніт, гідрослюду та каолініт родовищ України. КВП готува- ли на основі вугілля марки П та антрациту. Частка твердої фази (вугілля) у суспензіях складала 62 %. За гранулометричним складом основна частина вугілля має розміри від 30–110 мкм із бімодальним характером розподілу. Глинисті мінерали вводили у кон- центраціях від 0,5 до 3,0 %. Встановлено що ξ-потенціал частинок КВП при додаванні глинистих мінералів змі- щується у від’ємну область і за абсолютною величиною сягає 45–50 мВ при рН> 8. Най- більш ефективною добавкою для регулювання властивостей КВП виявився монтмори- лоніт. Системи з добавками глинистих мінералів демонструють псевдопластичний тип течії у діапазоні швидкостей зсуву γ 0–100 с-1 та ньютонівський тип течії при вищих γ. За впливом на підвищення структурної в’язкості глинисті мінерали розташовують- ся у ряд: каолініт гідрослюда, монтморилоніт. Тиксотропні властивості досліджених систем забезпечують повне відновлення властивостей КВП при зменшенні швидко- сті зсуву до 0–40 с-1. Седиментаційна стійкість за присутності добавок гідрослюди та монтморилоніту досягає 8–14 діб. На відміну від гідрослюди та монтморилоніту каолі- ніт виявляє дуже слабкий ефект на властивості КВП. Ключові слова: композиційне водовугільне паливо, антрацит, вугілля марки П, монтморилоніт, гідрослюда, каолініт. ВСТУП. У зв'язку з напруженою ситуа- цією в енергетичній галузі України, дефі- цитністю та високою вартістю традицій- них енергоресурсів – нафти та газу, велике значення має розроблення альтернативних палив. Зокрема, композиційне водовугіль не паливо (КВП) є перспективним як аль- тернативне джерело енергії, подібне до біодизелю, біоетанолу тощо, завдяки сво- їй здатності замінити мазут у низці про- мислових застосувань [1, 2]. КВП можна використовувати як у стаціонарних, так і 36 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВАФІЗИЧНА ХІМІЯ у мобільних енергогенеруючих пристро- ях, зокрема у дизельних двигунах [3]. КВП є концентрованою суспензією вугілля у рідкій фазі, причому середовищем може слугувати не тільки вода, а й вторинні ор- гановмісні техногенні відходи [4–6]. Але просте диспергування вугілля у воді не дає стійких суспензій. Через гідрофобність поверхні неполярного вугілля його час- тинки у суспензії швидко коагулюють та осаджуються в результаті гравітаційних та міжмолекулярних (Ван-дер-Ваальсо- вих) взаємодій. КВП розпадається на дві фази і стає непридатною до застосування. Для створення стабільних КВП із підви- щеною концентрацією вугілля запропоно- вано багато фізичних і хімічних методів, які інгібують взаємодію між частинками вугілля. До поширених фізичних методів відносять мікрохвильове оброблення [7] та ультразвукове випромінювання [8, 9]. Хімічними способами є введення до скла- ду КВП добавок хімічних реагентів дис- пергаторів, стабілізаторів та емульгаторів (для композиційних суспензій), які ефек- тивно модифікують поверхневі власти- вості вугілля [1, 10, 11]. Однак для антра- циту з його високою порівняно з іншими сортами вугілля густиною та зумовленою цим схильністю до седиментації, їхня дія часто є недостатньою. Тим часом антрацит та вугілля марки П (пісне, напівантрацит) як найкалорійніші види енергетичного ву- гілля є найбільш перспективними напов- нювачами КВП. Для забезпечення високих енергетичних показників КВП бажано до- сягати якомога вищого вмісту твердої фази у КВП. Але збільшення частки вугілля при- зводить до зростання в’язкості суспензій- ного палива, втрати однорідності, колоїд- ної стабільності та погіршує експлуатацій- ні характеристики КВП. Глинисті мінерали (монтморилоніт, гід- рослюда, каолініт) у водних середовищах схильні до самодиспергування з формуван- ням 3-D-гелеподібної структури. Тому їх широко застосовують у виробництві фарб, пластмас, у косметиці як структуроутво- рюючі пластифікуючи добавки. В Україні є великі поклади глинистих мінералів (Да- шуківське родовище бентонітових глин, Глуховецьке та Просянівське родовища ка- оліну). Тому цікавим є дослідження впливу добавок глинистих мінералів на структу- роутворення та стабільність КВП на основі антрациту та вугілля марки П. Метою роботи було дослідження елек- трокінетичних та структурно-реологічних властивостей КВП на основі антрациту та вугілля марки П за присутності глинистих мінералів: монтморилоніту, гідрослюди та каолініту. ЕКСПЕРИМЕНТ І ОБГОВОРЕННЯ РЕ- ЗУЛЬТАТІВ. Як об’єкт дослідження вико- ристовували КВП на основі антрациту та вугілля марки П родовищ України зі вміс- том твердої фази 62 %. мас. Вихідне вугілля мололи на валковому млині та фракціону- вали на ситах СЛМ 200 для сепарації час- тинок < 200 мкм. Технічний та елементний аналіз зразків вугілля наведено в табл.1. Структурно-сорбційні характеристики мезопор (2–50 нм) вугілля було визначено методом DFT за даними низькотемператур- ної адсорбції N2 (77 К) на аналізаторі пито- мої поверхні Quantachrome Autsorb із на- ступним обробленням даних програмним забезпеченням Quantachrome Іnstruments. v. 3.0. 37https://ucj.org.ua Р. Є. Кліщенко, І. В. Корнієнко, О. В. Шкуткова УХЖ № 11 / ТОМ 89 Таблиця 1 Технічний та елементний аналіз вугілля марки П та антрациту А для приготування КВП Table 1. Technical and elemental analysis of P-grade coal and A-grade anthracite for the preparation of CWCF. Вугілля Технічний аналіз, мас.% Елементний аналіз, мас.% на повітряно сухий стан (daf) Вологість W a, % Зольність Ad, % Леткі речовини V daf,% C H N O S П 9,1 25,0 14,9 88,5 3,8 0,67 5,33 1,7 А 4,0 11,7 3,8 95,7 2,3 0,4 1,1 0,5 Таблиця 2 Структурно-сорбційні характеристики, отримані методом DFT з аналізу адсорбції N2: густина (ρ), питома поверхня (Sпит), об’єм пор (Vpore) та діаметр пор (dpore) та кількість по- верхневих функціональних груп вугілля Table 2. Structural and sorption characteristics obtained by DFT from the analysis of N2 adsorption: specific gravity (ρ), specific surface area (Ss), pore volume (Vpore), and pore diameter (dpore), and the number of surface functional groups of coal. Марка вугілля ρ, г/см3 Sп, м2/г Vpore, см3/г dpore, нм COOH-, мг-екв/г OH-, мг-екв/г >C=O, мг-екв/г П 1,32 4,35 0,0051 17,67 0,036 0,015 0,030 А 1,76 2,47 0,0025 14,52 0,025 0,011 0,018 Кількість поверхневих функціональних груп визначено титруванням за Боемом 0,05 М. NaOH, Na2CO3 і NaHCO3 [12]. Не- органічну складову антрациту за даними рентгенофазового аналізу (дифрактометр «ДРОН 2.0» із фільтрованим Со-випромі- нюванням) представлено кварцом та піри- том. Неорганічну складову вугілля марки П представлено кварцом, польовими шпата- ми та каолінітом. Як глинисті мінерали використовували монтморилоніт Черкаського [(Ca0,12Na0,03K0,03)0,18(Al1,39Mg0,13Fe0,44 3+)1,96 . .[(Si3,88 .Al0,12)4,0O10] .(OH)2 .2,6H2O], гідрослюду [(K0,75(H3O)0,25)Al2(Si3Al)O10((H2O)0,.75(OH)0,25)2] Закарпатського та каолініт Просянівского [Ca0,05(Na,K)0,01] . .(Al3,87Fe0,08 3+Mg0,05)(Si3,99Al0,01)O10(OH)8] родовищ. 38 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВАФІЗИЧНА ХІМІЯ Глинисті мінерали очищували від до- мішок польових шпатів, кварцу, цеолітів наступним чином: попередньо подрібне- ну на шматки породу засипали в сулію з дистильованою водою у співвідношенні 1 : 100, ретельно перемішували і відсто- ювали упродовж 4–24 годин залежно від природи мінералу. Після відстоювання воду з неосілими частинками зливали. Для кращого осадження до суспензії додавали 1М розчин MgCl2. Осад центрифугували 10–45 хв залежно від природи мінералу зі швидкістю обертання 6000–7000 хв-1. Піс- ля осадження мінералу осад переносили в керамічні чашки та висушували за 80 ºС до повного висихання. Висушені зразки роз- тирали у фарфоровій ступці і просіювали крізь сито до отримання фракції < 0,25 мм. Для отримання КВП проводили гомо- генізацію порошку вугілля з дисперсійним середовищем способом мокрого помелу у кульовому млині тривалістю 20–25 хви- лин. Дисперсійним середовищем слугувала дистильована вода. Мокрий помел вели до одержання частинок розміром < 0,25 мм. Одержували КВП із концентрацією 62% твердої фази вугілля. Глинисті мінерали вводили у концентрації 0,5–3 % від маси КВП. Добавки хімічних реагентів не прак- тикували для вивчення впливу глинистих мінералів в умовах чистого експерименту. Гранулометричний склад вугілля піс- ля помелу визначали на приладі і за мето- дикою SOPAT [13]. Визначення величини ξ-потенціалу проводили на установці і за методикою, описаною у [14]. Ефективна в’язкість ή зразків вимірю- вали на приладі Rheotest-2 за t = 20 ºС. Діа- пазон виміру величин/швидкостей зсуву γ було обмежено значеннями 1–470 с-1 . Седиментаційну стійкість St вивчали за часом розшарування проби КВП у мірному циліндрі. Після приготування пробу КВП об’ємом 10 мл вміщували у скляний ци- ліндр ємністю 25 мл. St дорівнює часу по- чатку стратифікації суспензії у добах. Для ефективного використання КВП як палива важливим для його теплотвор- ної здатності є отримання максимального вмісту вугілля. Цієї мети можна досягти шляхом зміни як фізичних, так і хімічних властивостей, котрі визначають реологічну поведінку висококонцентрованих суспен- зій. Серед цих параметрів важливу роль відіграє гранулометричний склад. Відомо, що для досягнення максимальної упаковки частинок у суспензії слід застосовувати бі- та полімодальні розподіли частинок [15]. Гранулометричний склад антрациту та ву- гілля П наведено на рис. 1. Розподіл частинок за розміром обох різновидів вугілля приблизно однаковий. Основна частина має розміри в інтервалі 30–110 мкм. Два максимуми спостерігає- мо у діапазонах ~ 50 та 100 мкм. Отрима- ні дисперсні системи дають змогу досягти бімодального розподілу частинок диспер- сної фази, найбільш бажаного для макси- мального пакування частинок дисперсної фази КВП. Для глинистих мінералів гра- нулометричний вклад не було досліджено, оскільки через самодиспергування їхніх частинок у H2O їхній гранулометричний склад у сухому вигляді не відповідає розпо- ділу частинок у дисперсійному середовищі. Монтморилоніт та у меншій мірі каолініт та гідрослюди досить легко диспергуються до елементарних пакетів товщиною декіль- ка нм. 39https://ucj.org.ua Р. Є. Кліщенко, І. В. Корнієнко, О. В. Шкуткова УХЖ № 11 / ТОМ 89 Рис. 1. Гранулометричний склад антрациту (чорні стовпчики) та вугілля П (сірі стовпчики) Fig. 1. Particle size distribution of anthracite (black bars) and P coal (gray bars). Рис. 1. Гранулометричний склад антрациту (чорні стовпчики) та вугілля П (сірі стовпчики) Fig. 1. Particle size distribution of anthracite (black bars) and P coal (gray bars). Розподіл частинок за розміром обох різновидів вугілля приблизно однаковий. Основна частина має розміри в інтервалі 30–110 мкм. Два максимуми спостерігаємо у діапазонах ~ 50 та 100 мкм. Отримані дисперсні системи дають змогу досягти бімодального розподілу частинок дисперсної фази, найбільш бажаного для максимального пакування частинок дисперсної фази КВП. Для глинистих мінералів гранулометричний вклад не було досліджено, оскільки через самодиспергування їхніх частинок у H2O їхній гранулометричний склад у сухому вигляді не відповідає розподілу частинок у дисперсійному середовищі. Монтморилоніт та у меншій мірі каолініт та гідрослюди досить легко диспергуються до елементарних пакетів товщиною декілька нм. Одним з основних факторів стабільності ліофобних колоїдних систем є електростатичне відштовхування однойменно заряджених частинок дисперсної фази. У багатокомпонентних органо-мінеральних системах поверхневий заряд є результатом як дисоціації поверхневих груп твердої фази, так і адсорбції на її поверхні компонентів розчину. Для кількісної оцінки впливу іонно- електростатичного фактора стабільності застосовують визначення ξ-потенціалу. Поверхня вугілля має мозаїчну структуру і складається з областей з різною полярністю (гідрофільністю та гідрофобністю). Найбільш метаморфізовані антрацит та вугілля П характеризуються відносно однорідною поверхнею, яка переважно складається з поліконденсованих ароматичних структур із невеликим порівняно з менш метаморфізованим вугіллям числом функціональних груп. Тому найбільший вклад у електростатичну взаємодію реалізують в основному за рахунок дисоціації активних поверхневих груп високополярних мінеральних включень. Присутність високодисперсних глинистих мінералів може суттєво змінювати електроповерхневі властивості 0 0,05 0,1 11 24 38 51 64 78 91 104 117 131 144 157 171 Ві дн ос ни й вм іст , Δ Q 0 ефективний діаметр, dF,max, м·10-6 Одним з основних факторів стабільності ліофобних колоїдних систем є електроста- тичне відштовхування однойменно заря- джених частинок дисперсної фази. У бага- токомпонентних органо-мінеральних си- стемах поверхневий заряд є результатом як дисоціації поверхневих груп твердої фази, так і адсорбції на її поверхні компонентів розчину. Для кількісної оцінки впливу іон- но-електростатичного фактора стабільнос- ті застосовують визначення ξ-потенціалу. Поверхня вугілля має мозаїчну струк- туру і складається з областей з різною по- лярністю (гідрофільністю та гідрофобні- стю). Найбільш метаморфізовані антрацит та вугілля П характеризуються відносно однорідною поверхнею, яка переважно складається з поліконденсованих арома- тичних структур із невеликим порівняно з менш метаморфізованим вугіллям числом функціональних груп. Тому найбільший вклад у електростатичну взаємодію реалі- зують в основному за рахунок дисоціації активних поверхневих груп високополяр- них мінеральних включень. Присутність високодисперсних глинистих мінералів може суттєво змінювати електроповерх- неві властивості вугілля. Поверхня глин містить значно більше активних центрів, які активно формують поверхневий за- ряд: гідроксильні кислі SiOH- та основні AlOH-, FeOH-, MgOH-, обмінні катіони, поверхневі атоми оксигену та гідроксилу. Їхній вплив на ξ-потенціал залежить від рН дисперсійного середовища (рис. 2). У силь- нокислому середовищі заряд поверхні час- тинок КВП позитивний через адсорбцію Н + -іонів з дисперсійного середовища. Ос- новні потенціалотворюючі групи пов’язані з інклюзіями мінералів на поверхні частинок високометаморфізованого вугілля. Деякий вклад додає також дисоціація карбоксиль- них, лактонних та фенольних груп окисне- ної поверхні вугілля. При рН вище 3,5–4,5 40 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВАФІЗИЧНА ХІМІЯ (ізоелетрична точка) заряд поверхні ан- трациту та вугілля П стає негативним. Але абсолютні значення ξ-потенціалу не пере- вищують 10–15 мВ (Рис. 2). За присутно- сті добавок глинистих мінералів значення ξ-потенціалу стають більш від’ємними. Найсильнішу дію чинять добавки монт- морилоніту, що корелює з його найвищою схильністю до самодиспергування у водних розчинах та обмінною ємністю. Елемен- тарні пакети монтморилоніту розміром 10-8–10-7 м із розвиненою гідратованою по- верхнею оточують більш розмірні частин- ки вугілля і визначають електроповерхневі властивості комбінованої структури. Рис. 2. Зміни ξ-потенціалу для різних систем залежно від рН дисперсійного середовища: ● – без додавання глинистих мінералів; ○ – +1% каолініту; ▲ – +1% гідрослюди; □ – +1% монтморилоніту Fig. 2. Changes in ξ-potential for different systems depending on the pH of the dispersion medium: ● – without the addition of clay minerals; ○ – +1% kaolinite; ▲ – +1% illite; □ – +1% montmorillonite. вугілля. Поверхня глин містить значно більше активних центрів, які активно формують поверхневий заряд: гідроксильні кислі SiOH- та основні AlOH-, FeOH-, MgOH-, обмінні катіони, поверхневі атоми оксигену та гідроксилу. Їхній вплив на ξ-потенціал залежить від рН дисперсійного середовища (рис. 2). У сильнокислому середовищі заряд поверхні частинок КВП позитивний через адсорбцію Н + -іонів з дисперсійного середовища. Основні потенціалотворюючі групи пов’язані з інклюзіями мінералів на поверхні частинок високометаморфізованого вугілля. Деякий вклад додає також дисоціація карбоксильних, лактонних та фенольних груп окисненої поверхні вугілля. При рН вище 3,5–4,5 (ізоелетрична точка) заряд поверхні антрациту та вугілля П стає негативним. Але абсолютні значення ξ-потенціалу не перевищують 10–15 мВ (Рис. 2). За присутності добавок глинистих мінералів значення ξ-потенціалу стають більш від’ємними. Найсильнішу дію чинять добавки монтморилоніту, що корелює з його найвищою схильністю до самодиспергування у водних розчинах та обмінною ємністю. Елементарні пакети монтморилоніту розміром 10-8–10-7 м із розвиненою гідратованою поверхнею оточують більш розмірні частинки вугілля і визначають електроповерхневі властивості комбінованої структури. Рис. 2. Зміни ξ-потенціалу для різних систем залежно від рН дисперсійного середовища: ● – без додавання глинистих мінералів; ○ – +1% каолініту; ▲ – +1% гідрослюди; □ – +1% монтморилоніту Fig. 2. Changes in ξ-potential for different systems depending on the pH of the dispersion medium: ● – without the addition of clay minerals; ○ – +1% kaolinite; ▲ – +1% illite; □ – +1% montmorillonite. Гідрослюда та каолініт чинять аналогічний, але значно помірніший вплив через меншу схильність до самодиспергування. Для частинок глинистих мінералів притаманний анізотропний характер розподілу заряду. Базальні грані мають негативний заряд у всьому діапазоні рН, водночас бокові грані заряджені -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 2 2,9 3,4 4 5,5 7 8,7 10 ξ, мВ рН A -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 2 2,9 3,4 4 5,5 7 8,7 10 ξ, мВ рН П Гідрослюда та каолініт чинять аналогіч- ний, але значно помірніший вплив через меншу схильність до самодиспергування. Для частинок глинистих мінералів прита- манний анізотропний характер розподілу заряду. Базальні грані мають негативний заряд у всьому діапазоні рН, водночас бо- кові грані заряджені позитивно у кислих середовищах та змінюють знак заряду за нейтральних та лужних значень рН. Тому їх розглядають як анізотропні наночастин- ки. Враховуючи цю особливість глинистих мінералів, можна зауважити, що сумарна поверхня глинистих мінералів на порядок більша і кожна частинка вугілля у розчині контактує щонайменше з кількома частин- ками глинистого мінералу. Їхні розміри на 1–2 порядки менші, ніж розміри частинок вугілля, тому навіть за досить низької по- рівняно з вугіллям концентрації глин їхні частинки переважно і визначають сумар- ний поверхневий заряд. Крім того, зро- стають і абсолютні значення ξ-потенціалу. У лужному середовищі при рН>8 для КВП 41https://ucj.org.ua Р. Є. Кліщенко, І. В. Корнієнко, О. В. Шкуткова УХЖ № 11 / ТОМ 89 модифікованих монтморилонітом він дося- гає 40–50 мВ (рис. 2.). Такі величини ξ-по- тенціалу можуть бути достатніми для ста- білізації частинок вугілля розміром до 50– 60 мкм. Але оскільки у КВП наявні і більш розмірні фракції, іонно-електростатичне відштовхування може бути не достатнім для надійної стабілізації отриманих зраз- ків КВП. Зазвичай якщо ξ-потенціал частинок пе- ревищує 25–30 мВ, то їхню поверхню від- носять до сильно зарядженої, і системи, що містять такі частинки, як правило, є агре- гативно стійкими. Однак це справедливо для систем із частинками, густина яких не дуже відрізняється від густини розчину та з розмірами > 1 мкм. Для більших частинок стабільність визначається не тільки конку- ренцією теплових (броунівським рухом) та електростатичних сил, а й гравітаційним фактором [16]. Седиментація великих час- тинок викликає втрату агрегативної та се- диментаційної стабільності менших части- нок. Крім того, у концентрованих диспер- сних системах із субмікронниим частинка- ми відбувається взаємне перекривання та деформація подвійного електричного шару (ПЕШ). Як було зазначено в [17], збіль- шення об'ємної частки дисперсної фази призводить до послаблення як електроста- тичної взаємодії, так і сил Ван-дер-Вааль- са, що призводить до зниження стійкості дисперсії. Для слабко заряджених частинок товщина дифузної частини ПЕШ зазвичай менша, ніж їхній радіус та збільшується при зростанні ξ-потенціалу. Але для висококон- центрованих систем, де ПЕШ різних части- нок перекриваються, це, як правило, не ви- значає поведінку систем [16]. Для частинок мікронних та субмікронних розмірів, де довжина ПЕШ перевищує розмір частинки, моделі, які базуються на наближенні тонко- го ПЕШ, не можуть забезпечити відповід- ність теоретичних та експериментальних результатів та передбачити реологічну по- ведінку КВП. Для стабілізації таких систем слід вводити добавки реагентів та емпі- рично вивчати особливості седиментації. Глинисті мінерали, фіксуючись на поверх- ні частинок вугілля за рахунок контактних взаємодій, модифікують поверхневий за- ряд, підсилюючи електростатичне відштов- хування. Ліофілізація поверхні частинок дисперсної фази забезпечує нечутливість КВП до стискання ПЕШ та коагуляції внас- лідок втрати поверхневого заряду. З іншого боку, 3-D-просторові структури, до форму- вання яких схильні частинки глин, забезпе- чують додаткову структурну стабілізацію. Для КВП із сильно розвиненою поверх- нею та високою концентрацією дисперсної фази є характерним утворення просторо- вих коагуляційних структур, які й визна- чають реологічні властивості суспензій КВП. Їхнє формування супроводжується зростанням ентропії та прагненням систе- ми до мінімізації міжфазної енергії Гіббса. Оскільки ці процеси визначають стабіль- ність та плинність системи під навантажен- ням, було досліджено реологічні властиво- сті КВП із добавками глинистих мінералів. Реологічні властивості суспензій антра- циту та вугілля марки П, модифікованих глинистими мінералами, наведено на рис. 3. Системи демонструють псевдопластичний тип течії, хоча чисті суспензії глинистих мі- нералів, зокрема монтморилоніту, є дила- тантними [18] . На кривих плинності мож- на виділити два участки. На першому, ко- трий відповідає швидкості зсуву γ <100 с-1, 42 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВАФІЗИЧНА ХІМІЯ спостерігається утворення псевдопластич ної структури, зумовленої високою кон- центрацією дисперсної фази у системі. На цій стадії формуються міжчастинкові контакти, котрі забезпечують зростання структурної в’язкості. Якщо орієнтуватися на принципи теорії ДЛФО, то коагуляційні контакти у такій концентрованій суспензії формуються у дальньому енергетичному мінімумі і є оборотними. Рис. 3. Криві плинності (верхній ряд) та ефективної в’язкості ( нижній ряд) КВП (Ст = 62%) із додаванням 1% глинистих мінералів: ● – без додавання глинистих мінера- лів; ○ – +1% каолініту; ▲ – +1% гідрослюди; □ – +1% монтморилоніту. Fig. 3. Flow curves (top row) and apparent viscosity (bottom row) of the CWCF (C = 62%) with the addition of 1% clay minerals: ● – without the addition of clay minerals; ○ – +1% kaolinite; ▲ – +1% illite; □ – +1% montmorillonite. формування супроводжується зростанням ентропії та прагненням системи до мінімізації міжфазної енергії Гіббса. Оскільки ці процеси визначають стабільність та плинність системи під навантаженням, було досліджено реологічні властивості КВП із добавками глинистих мінералів. Реологічні властивості суспензій антрациту та вугілля марки П, модифікованих глинистими мінералами, наведено на рис. 3. Системи демонструють псевдопластичний тип течії, хоча чисті суспензії глинистих мінералів, зокрема монтморилоніту, є дилатантними [18] . На кривих плинності можна виділити два участки. На першому, котрий відповідає швидкості зсуву γ <100 с-1, спостерігається утворення псевдопластичної структури, зумовленої високою концентрацією дисперсної фази у системі. На цій стадії формуються міжчастинкові контакти, котрі забезпечують зростання структурної в’язкості. Якщо орієнтуватися на принципи теорії ДЛФО, то коагуляційні контакти у такій концентрованій суспензії формуються у дальньому енергетичному мінімумі і є оборотними. Рис. 3. Криві плинності (верхній ряд) та ефективної в’язкості ( нижній ряд) КВП (Ст = 62%) із додаванням 1% глинистих мінералів: ● – без додавання глинистих мінералів; ○ – +1% каолініту; ▲ – +1% гідрослюди; □ – +1% монтморилоніту. 0 25 50 75 100 0 50 100 150 200 A γ, c-1 τ,Па 0 25 50 75 100 0 50 100 150 200 П γ, c-1 τ,Па 0 2 4 6 8 10 0 20 40 60 A τ,Па ή, Па·с 0 2 4 6 8 10 12 14 0 20 40 60 П τ,Па ή, Па·с формування супроводжується зростанням ентропії та прагненням системи до мінімізації міжфазної енергії Гіббса. Оскільки ці процеси визначають стабільність та плинність системи під навантаженням, було досліджено реологічні властивості КВП із добавками глинистих мінералів. Реологічні властивості суспензій антрациту та вугілля марки П, модифікованих глинистими мінералами, наведено на рис. 3. Системи демонструють псевдопластичний тип течії, хоча чисті суспензії глинистих мінералів, зокрема монтморилоніту, є дилатантними [18] . На кривих плинності можна виділити два участки. На першому, котрий відповідає швидкості зсуву γ <100 с-1, спостерігається утворення псевдопластичної структури, зумовленої високою концентрацією дисперсної фази у системі. На цій стадії формуються міжчастинкові контакти, котрі забезпечують зростання структурної в’язкості. Якщо орієнтуватися на принципи теорії ДЛФО, то коагуляційні контакти у такій концентрованій суспензії формуються у дальньому енергетичному мінімумі і є оборотними. Рис. 3. Криві плинності (верхній ряд) та ефективної в’язкості ( нижній ряд) КВП (Ст = 62%) із додаванням 1% глинистих мінералів: ● – без додавання глинистих мінералів; ○ – +1% каолініту; ▲ – +1% гідрослюди; □ – +1% монтморилоніту. 0 25 50 75 100 0 50 100 150 200 A γ, c-1 τ,Па 0 25 50 75 100 0 50 100 150 200 П γ, c-1 τ,Па 0 2 4 6 8 10 0 20 40 60 A τ,Па ή, Па·с 0 2 4 6 8 10 12 14 0 20 40 60 П τ,Па ή, Па·с 43https://ucj.org.ua Р. Є. Кліщенко, І. В. Корнієнко, О. В. Шкуткова УХЖ № 11 / ТОМ 89 Для незворотної коагуляції у ближньо- му енергетичному мінімумі частинкам слід подолати проміжний енергетичний бар’єр, зумовлений електростатичним відштовху- ванням, а за наявності домішок глинистих мінералів здолати і структурно-механічні перешкоди, пов’язані з 3-D- структуровані- стю суспензії. За невисоких γ частинки ру- хаються невпорядковано і чинять значний опір плину. Зростання γ призводить до орі- єнтації кінетичних одиниць за напрямом плину (рис. 4). Відбувається поступове зменшення ефективної в’язкості ή за рахунок як орі- єнтації за потоком, так і через розрив між- частинкових контактів. При досягненні γ > 100 с-1 у всіх системах відбувається пе- рехід до ньютонівського типу течії. Частин- ки суспензії за великої швидкості зсуву орі- єнтуються за потоком, але оскільки ή май- же не знижується, то сформовані контакти практично не руйнуються. Відбувається динамічна рівновага між новоутвореними контактами та старими за рахунок високої концентрації дисперсної фази, котра не дає частинкам розійтися на значну відстань. Цьому заважає як тиск частинок одна на одну завдяки тісному розташуванню, так і інтенсифікація формування контакт них взаємодій, підсилених участю розгалу- женої поверхні як вугілля, так і частинок глини. Рис. 4. Схема взаємодії частинок вугілля з частинками глинистих мінералів за низьких та високих напруг зсуву Fig. 4. Scheme of the interaction of coal particles with clay mineral particles at low and high shear stresses. Fig. 3. Flow curves (top row) and apparent viscosity (bottom row) of the CWCF (C = 62%) with the addition of 1% clay minerals: ● – without the addition of clay minerals; ○ – +1% kaolinite; ▲ – +1% illite; □ – +1% montmorillonite. Для незворотної коагуляції у ближньому енергетичному мінімумі частинкам слід подолати проміжний енергетичний бар’єр, зумовлений електростатичним відштовхуванням, а за наявності домішок глинистих мінералів здолати і структурно-механічні перешкоди, пов’язані з 3-D- структурованістю суспензії. За невисоких γ частинки рухаються невпорядковано і чинять значний опір плину. Зростання γ призводить до орієнтації кінетичних одиниць за напрямом плину (рис. 4). Відбувається поступове зменшення ефективної в’язкості ή за рахунок як орієнтації за потоком, так і через розрив міжчастинкових контактів. При досягненні γ > 100 с-1 у всіх системах відбувається перехід до ньютонівського типу течії. Частинки суспензії за великої швидкості зсуву орієнтуються за потоком, але оскільки ή майже не знижується, то сформовані контакти практично не руйнуються. Відбувається динамічна рівновага між новоутвореними контактами та старими за рахунок високої концентрації дисперсної фази, котра не дає частинкам розійтися на значну відстань. Цьому заважає як тиск частинок одна на одну завдяки тісному розташуванню, так і інтенсифікація формування контактних взаємодій, підсилених участю розгалуженої поверхні як вугілля, так і частинок глини. Рис. 4. Схема взаємодії частинок вугілля з частинками глинистих мінералів за низьких та високих напруг зсуву Fig. 4. Scheme of the interaction of coal particles with clay mineral particles at low and high shear stresses. Найбільш активно це відбувається за присутності монтморилоніту. Особливості кристалічної будови монтморилоніту, що зумовлює його схильність до диспергування пакетів і значного збільшення міжплощинних відстаней при контакті з водою, визначає участь усієї поверхні мінералу в утворенні коагуляційної структури. Розвинена поверхня і велике число контактів в одиниці об'єму сприяють досягненню максимальної міцності структури за порівняно невисоких концентрацій твердої фази в суспензії. Найбільш активно це відбувається за присутності монтморилоніту. Особливості кристалічної будови монтморилоніту, що зумовлює його схильність до диспергуван- ня пакетів і значного збільшення міжпло- щинних відстаней при контакті з водою, визначає участь усієї поверхні мінералу в утворенні коагуляційної структури. Розви- нена поверхня і велике число контактів в одиниці об'єму сприяють досягненню мак- симальної міцності структури за порівняно невисоких концентрацій твердої фази в су- спензії. Подібним чином, але значно пасив- ніше поводить себе і гідрослюда, оскільки як і монтморилоніт вона схильна до само- розпускання у воді. Додавання каолініту не призводить до помітного впливу на ή. Така реологічна поведінка, вочевидь, зумовлена 44 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВАФІЗИЧНА ХІМІЯ високою рухливістю частинок каолініту, що мають пластинчасту форму і слабку по- верхневу активність. Рівномірно розподі- ляючись в об’ємі суспензії, вони утворюють структуру з маломіцними коагуляційними контактами. Величина початкової концент рації структуроутворення (Сн) мінімальна в суспензії монтморилоніту: Сн=15,7%. Для гідрослюди, каолініту, вугілля П та А вона, відповідно, дорівнює: 23,3; 40,6; 48,4 і 58,2%. Гідрофільні частинки глинистих міне- ралів, що мають невеликий розмір, розта- шовуються між органічними частинками і внаслідок гідрофобно-гідрофільної взаємо- дії формується стійка коагуляційна струк- тура, у якій чергуються гідрофобні (орга- нічні) і гідрофільні (глинисті) ділянки. Існує декілька найчастіше вживаних реологічних моделей для опису КВП [19]. Криві для досліджених систем із дода- ванням глинистих мінералів задовільно апроксимуються рівнянням Освальда – Де Віля: τ = Кγn ( I ) , де: τ – напруга зсуву; К – коефіцієнт струк- турованості; γ – швидкість зсуву; n – індекс плину (n <1 для псевдопластичних струк- тур; n = 1 для ньютонівських структур; n < 1 для дилатантних структур). Для усіх досліджених кривих n < 1, що характеризує дані КВП як псевдопластичні. Для багатьох псевдопластичних струк- тур характерним є відновлення початкової структури при знятті високих навантажень та у стані спокою. Це явище тиксотропії ха- рактеризується гістерезисом кривих плин- ності і є бажаним для КВП, оскільки дозво- ляє забезпечити стабільність його власти- востей за тривалого зберігання. На рис 5. наведено криві плинності за поступового підвищення та наступного зниження γ для КСП із додаванням 1% монтморилоніту. Рис. 5. Криві плинності КВП (Ст = 62%) із додаванням 1% монтморилоніту (неперервна крива – зростання γ, пунктирна крива – спадання γ) Fig. 5. Flow curves of the CWCF (W=62%) with the addition of 1% montmorillonite (continuous curve – increase of γ, dashed curve – decrease of γ). Подібним чином, але значно пасивніше поводить себе і гідрослюда, оскільки як і монтморилоніт вона схильна до саморозпускання у воді. Додавання каолініту не призводить до помітного впливу на ή. Така реологічна поведінка, вочевидь, зумовлена високою рухливістю частинок каолініту, що мають пластинчасту форму і слабку поверхневу активність. Рівномірно розподіляючись в об’ємі суспензії, вони утворюють структуру з маломіцними коагуляційними контактами. Величина початкової концентрації структуроутворення (Сн) мінімальна в суспензії монтморилоніту: Сн=15,7%. Для гідрослюди, каолініту, вугілля П та А вона, відповідно, дорівнює: 23,3; 40,6; 48,4 і 58,2%. Гідрофільні частинки глинистих мінералів, що мають невеликий розмір, розташовуються між органічними частинками і внаслідок гідрофобно- гідрофільної взаємодії формується стійка коагуляційна структура, у якій чергуються гідрофобні (органічні) і гідрофільні (глинисті) ділянки. Існує декілька найчастіше вживаних реологічних моделей для опису КВП [19]. Криві для досліджених систем із додаванням глинистих мінералів задовільно апроксимуються рівнянням Освальда – Де Віля: 𝜏𝜏 = 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑛𝑛 ( I ) , де: τ – напруга зсуву; К – коефіцієнт структурованості; γ – швидкість зсуву; n – індекс плину (n <1 для псевдопластичних структур; n = 1 для ньютонівських структур; n < 1 для дилатантних структур). Для усіх досліджених кривих n < 1, що характеризує дані КВП як псевдопластичні. Для багатьох псевдопластичних структур характерним є відновлення початкової структури при знятті високих навантажень та у стані спокою. Це явище тиксотропії характеризується гістерезисом кривих плинності і є бажаним для КВП, оскільки дозволяє забезпечити стабільність його властивостей за тривалого зберігання. На рис 5. наведено криві плинності за поступового підвищення та наступного зниження γ для КСП із додаванням 1% монтморилоніту. Рис. 5. Криві плинності КВП (Ст = 62%) із додаванням 1% монтморилоніту (неперервна крива – зростання γ, пунктирна крива – спадання γ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 100 200 300 400 500 τ,Па γ, c-1 А 0 10 20 30 40 50 60 70 0 100 200 300 400 500 τ,Па γ, c-1 П 45https://ucj.org.ua Р. Є. Кліщенко, І. В. Корнієнко, О. В. Шкуткова УХЖ № 11 / ТОМ 89 Як видно з кривих (рис. 5), спостеріга- ємо досить значний гістерезис, тобто при спаданні γ структура відновлюється досить повільно і відновлюється за досить низь- ких γ. Можливо, релаксація та відновлення взаємного розташування глинистих та ву- гільних частинок у зв’язку з різною приро- дою їхньої поверхні є досить інертним про- цесом. У стані спокою властивості дослідже- них КВП повністю відновлюється, тобто всі вони є тиксотропними. З практичної точки зору це означає, що КВП, модифіковані гли- нистими мінералами, не схильні до незво- ротної втрати колоїдної стабільності та від- новлюють експлуатаційні властивості після зняття навантажень. Це є перевагою при транспортуванні та зберіганні таких КВП. Седиментаційна стійкість є одним із найважливіших параметрів якості КВП. Додавання монтморилоніту та, в меншій мірі, гідрослюди покращує цей показник. Каолініт не виявив помітної ефективності у наших дослідах (табл. 3). Таблиця 3 Вплив глинистих мінералів на седиментаційну стійкість КВП (Ст = 62%) на основі ву- гілля марок П та A Table 3. Influence of clay minerals on the sedimentation stability of the CWCF (C = 62%) based on P and A coals. Мінерал Концентрація мінералів у суспензії, % (мас.) St, доби Вугілля А Вугілля П Монтморилоніт 0,5 1 2 1,0 2 3 1,5 4 5 2 6 10 3 8 >14 Гідрослюда 0,5 0,5 1,5 1,0 1 2 1,5 1,5 4 2 3 4 3 3 4 Каолініт 0,5 0,25 0,5 1,0 0,25 0,5 1,5 0,5 0,5 2 0,5 0,5 3 0,5 0,5 46 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВАФІЗИЧНА ХІМІЯ Всі ці феномени пояснюються вищенаве- деними механізмами формування 3-D-коа- гуляційних структур та різною активністю глинистих мінералів у цих процесах. Для вугілля марки П St є дещо вищою, що, мож- ливо, пов’язано як із більшою чисельністю поверхневих груп, так і з його меншою гус- тиною. ВИСНОВКИ. Глинисті мінерали при вве- денні їх до КВП сприяють структуроутво- ренню суспензії. Завдяки колоїдно-хіміч- ним особливостям, що відрізняються від властивостей вугільної фракції, глинисті частинки сприяють утворенню у вугільних суспензіях 3-D-структурної сітки. Вони ви- ступають як стабілізатори вугільних час- тинок. Таким чином за допомогою добавок глинистих мінералів можна регулювати ре- ологічні параметри КВП. Найбільш ефек- тивною добавкою для регулювання власти- востей КВП виявився монтморилоніт. Встановлено що ξ-потенціал частинок КВП при додаванні глинистих мінералів зміщується у від’ємну область і за абсолют- ною величиною досягає 45–50 мВ при рН> 8. Системи з добавками глинистих мінера- лів демонструють псевдопластичний тип течії у діапазоні швидкостей зсуву γ 0–100 с-1 та ньютонівський тип течії при вищих γ. За впливом на підвищення структурної в’язкості глинисті мінерали розташовують- ся у ряд: каолініт гідрослюда, монтморило- ніт. Тиксотропні властивості досліджених систем забезпечують повне відновлення властивостей КВП при зменшенні швидко- сті зсуву до 0–40 с-1. Седиментаційна стій- кість за присутності добавок гідрослюди та монтморилоніту досягає 8–14 діб. На відміну від гідрослюди та монтморилоні- ту каолініт виявляє дуже слабкий ефект на властивості КВП. Роботу виконано в межах держбю- джетної теми «Дослідження впливу фізико-хімічних факторів на проце- си структуроутворення у компози- ційних карбонвмісних дисперсних системах», державний реєстрацій- ний номер: 0122U000179. INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL. Roman E. Klishchenko, Ivan V. Kornienko, Olena V. Shkutkova A.V. Dumansky Institute of Colloid and Water Chemistry of NAS of Ukraine, 42 Akademika Vernadskoho Blvd., 03142 Kyiv email: pakhartikhhv34@gmail.com The study aimed to examine the electroki- netic and rheological properties of composite water-coal fuel (CWCF) based on anthracite and P-grade coal in the presence of clay mi nerals. The influence of clay mineral additives on the electrokinetic and rheological properties of CWCF was studied. The clay minerals used were montmorillonite, illite, and kaolinite from Ukrainian deposits. The fuel was pre- pared based on P-grade coal and anthracite. The share of the solid phase (coal) in the sus- pensions was 62 %. According to the particle size distribution, the bulk of the coal has a size of 30–110 μm with a bimodal distribution. To 47https://ucj.org.ua Р. Є. Кліщенко, І. В. Корнієнко, О. В. Шкуткова УХЖ № 11 / ТОМ 89 obtain the CWCF, the coal powder was ho- mogenized with the dispersion medium by wet grinding in a ball mill for 20–25 minutes. The dispersion medium was distilled water. Wet grinding was carried out until particles < 0.25 mm in size were obtained. We obtained a CWCF with a concentration of 62% of the so lid phase of coal. Additions of chemicals were not practiced to study the effect of clay mine rals in a pure experiment. Clay minerals were added at a concentration of 0.5–3 % by weight of the CWCFs. Their rheological data were measured us- ing a Rheotest-2 rheometer at a temperature of 20 ºC and the shear-stress/shear-rate data for the CWCF covered a range of 0.1 to 470 s-1. The sedimentation stability of St was stu died at the time of stratification of the CWCF sample in a measuring cylinder. After prepara- tion, a 10-mL sample of the CWCF was placed in a 25-mL glass cylinder. St is equal to the time of the beginning of the suspension strati- fication in days. It was established that ξ - the potential of CWCF particles with the addition of clay minerals shifts to the negative region and reaches – 45–50 mV at pH>8. Montmoril- lonite was found to be most effective additive for controlling the properties of the CWCF. Systems with clay mineral additives demon- strate a pseudoplastic type of flow in the range of shear rates γ 0–100 s-1 and a Newtonian type of flow at higher γ. According to their effect on the increase in apparent viscosity, clay minerals are arranged in the following order: kaolinite, illite, and montmorillonite. The thixotropic properties of the studied systems provide com- plete restoration of the properties of the CWCF when the shear rate is reduced to 0–40 s-1. Sedi- mentation stability in the presence of illite and montmorillonite additives reaches 8–14 days. In contrast to illite and montmorillonite, kao- linite has a very weak effect on the properties of CWCF. Key words: composite water-coal fuel, an- thracite, P-grade coal, montmorillonite, illite, kaolinite. ЛІТЕРАТУРА 1. Hu Shunxuan, Liu Liming, Yang Xin, Li Jun- guo, Zhou Baonan, Wu Changning, Li Weng and Li Ke. Influence of different dispersants on rheological behaviors of coal water slurry pre- pared from a low quality coal. RSC Advances, 2019. 9. pp. 32911. doi.org/10.1039/C4RA12595A 2. Meng Zhuoyue, Yang Zhiyuan, Yin Zhiqiang, Li Yinyan, Song Xiaoyu, Zhao Jingjing, Wu Wanlon. Powder Technology, 2020. 359. (1). P. 261–267. doi.org/10.1016/j.powtec.2019.09.053 3. Patton R, Steele P, Yu F. Coal vs. Charcoal-fue- led Diesel Engines: A Review. Energy Sources Part A. Recovery Utilization and Environmen- tal Effects, 2020. 32. (4). P. 312–323 doi.org: 10.1080/15567030802612028 4. Makarov AS, Boruk SD, Egurnov AI, Dimit- ryuk TN, Klishchenko RE. Utilization of in- dustrial wastewater in production of coal-wa- ter fuel. J. Water Chem Technol, 2014. 36. P. 180–3. doi./10.3103/S1063455X14040055. 5. Kuznetsov G.V., Romanov D.S., Vershinina K.Yu., Strizhak P.A. Rheological characteris- tics and stability of fuel slurries based on coal processing waste, biomass and used oil. Fuel, 2021. 302. (10). pp. 121203. doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121203 6. Zhang Yuxing, Xu Zhiqiang, Tu Yanan, Wang Jinyu, Li Jie. Study on properties of coal- sludge-slurry prepared by sludge from coal 48 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВАФІЗИЧНА ХІМІЯ chemical industry. Powder Technology, 2020. 366. (15). P. 552–559. doi.org/10.1016/j.powtec.2020.03.005 7. Özbayoğlu G, Depci T, Ataman N. Effect of Microwave Radiation on Coal Flotation Ener- gy Sources Part A. Recovery Utilization and En- vironmental Effects, 2009. 31 (6). P. 492–499. doi.org/10.1080/15567030701531337 8. Guo Zhaobing, Feng Ruo, Zheng Youfei, Fu Xiaoru. Improvement in properties of coal wa- ter slurry by combined use of new additive and ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemis- try, 2007. 14. (5). P. 583–588. doi.org/10.1016/j.ultsonch.2006.12.001. 9. Hossein Ebrahimi, Mohammad Karamoozian. Effect of ultrasonic irradiation on particle size, reagents consumption, and feed ash content in coal flotation. International Journal of Coal Science & Technology, 2020. 6. pp. 00307. doi.org/10.1007/s40789-020-2. 10. Zhang Yan , Hu Shunxuan, Yang Xin, Jiang Fenghao, Wu Changning, Li Junguo, Liu Ke. Performance and mechanism of polyacryla- mide stabilizers in coal water slurry. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineer- ing Aspects, 2021. 630. pp. 127544. doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.127544 11. Zhang WB, Luo J, Huang Y, Zhang C, Du L, Guo J. Synthesis of a novel dispersant with topological structure by using humic acid as raw material and its application in coal water slurry preparation. Fuel, 2020. 262. pp. 116576. doi. 10.1016/j.fuel.2019.116576. 12. Alicia M.Oickle, Sarah L.Goertzen, Katelyn R.Hopper, Yasmin O.Abdalla, HeatherA.An- dreas. Standardization of the Boehm titration: Part II. Method of agitation, effect of filter- ing and dilute titrant. Carbon, 2010. 48. (4). P. 3313–3322. doi: 10.1016/j.carbon.2009.11.050. 13. Макаров A. С., Кліщенко Р. Є., Єгурнов О. І., Корнієнко I. В., Пахар T. A. Реологічні та електрокінетичні властивості компози- ційного водовугільного палива на основі органовмісних стічних вод, стабілізовано- го вуглецевими мікрочастинками. Хімія, фізика та технологія поверхні, 2021. 12. (1). P. 3 2–39. doi.org/10.15407/hftp12.01.032. 14. Mishchuk N., Kornilovich B., Klishchenko R. pH regulation as a method of intensification soil electroremediation. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 2007. 306. (1–3). P.171–179. doi:10.1016/j.colsurfa.2007.03.014 15. Yao Dingsong, Zhao Hui, Chen Zhekun, Liu Haifeng. Preparation of high concentration coal water slurry with good fluidity based on only modified fine particles under bimodal distribution using the second fluid and the se cond particle. Fuel, 2022. 317. (1). pp. 123461. doi.org/10.1016/j.fuel.2022.123461 16. Mishchuk N.A. Theoretical problems of sta- bility of Brownian disperse systems. J. Water Chem. Technol., 2011. 33. (4). P. 353–366. doi.org/10.3103/s1063455x11040011 17. Mishchuk N.A, Sanfeld A. Steinchen A. Inter- particle interactions in concentrate water-oil emulsions. Adv. Colloid Interface Sci., 2004. 112. (1–3). P. 129–157. doi.org/10.1016/j.cis.2004.09.006 18. Kim Kunhwi, Jonny Rutqvist, Jon F. Harring- ton, Elena Tamayo-Mas, Jens T. Birkholzer. Discrete Dilatant Pathway Modeling of Gas Migration Through Compacted Bentonite Clay. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2021. 137. (1). pp. 104569. doi.org/10.1016/j.ijrmms.2020. 19. Mingsong Z., Bing P., Dongjie Y., Hong- ming L., Xueqing Q. Rheological Behavior In- vestigation of Concentrated Coal-Water Sus- pension. J. of Dispersion Sci. and Tech., 2010. 31. P. 838–843. doi.org/10.1080/01932690903333788. 49https://ucj.org.ua Р. Є. Кліщенко, І. В. Корнієнко, О. В. Шкуткова УХЖ № 11 / ТОМ 89 REFERENCES 1. Hu Shunxuan, Liu Liming, Yang Xin, Li Jun- guo, Zhou Baonan, Wu Changning, Li Weng and Li Ke. Influence of different dispersants on rheological behaviors of coal water slurry pre- pared from a low quality coal. RSC Advances. 2019. 9: 32911. doi.org/10.1039/C4RA12595A 2. Meng Zhuoyue, Yang Zhiyuan, Yin Zhiqiang, Li Yinyan, Song Xiaoyu, Zhao Jingjing, Wu Wanlon. Powder Technology. 2020. 359 (1): 261–267. doi.org/10.1016/j.powtec.2019.09.053 3. Patton R., Steele P., Yu F. Coal vs. Charcoal-fue- led Diesel Engines: A Review. Energy Sources Part A. Recovery Utilization and Environmen- tal Effects. 2020. 32. (4): 312–323 doi.org: 10.1080/15567030802612028 4. Makarov A.S., Boruk S.D., Egurnov A.I., Di mitryuk T.N., Klishchenko R.E. Utilization of industrial wastewater in production of coal-water fuel. J. Water Chem Technol. 2014. 36: 180–3. doi./10.3103/S1063455X14040055. 5. Kuznetsov G.V., Romanov D.S., Vershinina K.Yu., Strizhak P.A. Rheological characteris- tics and stability of fuel slurries based on coal processing waste, biomass and used oil. Fuel. 2021. 302. (10): 121203. doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121203 6. Zhang Yuxing, Xu Zhiqiang, Tu Yanan, Wang Jinyu, Li Jie. Study on properties of coal- sludge-slurry prepared by sludge from coal chemical industry. Powder Technology. 2020. 366. (15): 552–559. doi.org/10.1016/j.powtec.2020.03.005 7. Özbayoğlu G, Depci T, Ataman N. Effect of Microwave Radiation on Coal Flotation En- ergy Sources Part A. Recovery Utilization and Environmental Effects. 2009. 31(6): 492–499. doi.org/10.1080/15567030701531337 8. Guo Zhaobing, Feng Ruo, Zheng Youfei, Fu Xiaoru. Improvement in properties of coal wa- ter slurry by combined use of new additive and ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemis- try. 2007. 14 (5): 583–588. doi.org/10.1016/j.ultsonch.2006.12.001. 9. Hossein Ebrahimi, Mohammad Karamoozian. Effect of ultrasonic irradiation on particle size, reagents consumption, and feed ash content in coal flotation. International Journal of Coal Science & Technology. 2020. 6: 00307. doi.org/10.1007/s40789-020-2. 10. Zhang Yan, Hu Shunxuan, Yang Xin, Jiang Fenghao, Wu Changning, Li Junguo, Liu Ke. Performance and mechanism of polyacryla- mide stabilizers in coal water slurry. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineer- ing Aspects. 2021. 630: 127544. doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.127544 11. Zhang WB, Luo J, Huang Y, Zhang C, Du L, Guo J. Synthesis of a novel dispersant with topological structure by using humic acid as raw material and its application in coal water slurry preparation. Fuel. 2020. 262: 116576. doi. 10.1016/j.fuel.2019.116576. 12. Alicia M.Oickle, Sarah L.Goertzen, Katelyn R.Hopper, Yasmin O.Abdalla, HeatherA.An- dreas. Standardization of the Boehm titration: Part II. Method of agitation, effect of filtering and dilute titrant. Carbon. 2010. 48. (4): 3313– 3322. doi: 10.1016/j.carbon.2009.11.050. 13. Makarov A.S., Klishchenko R.E., Egurnov A.I., Kornienko I.V., Pakhar T.A. Rheological and electrokinetic properties of composite coal-aqueous fuel based on organic wastewa- ter stabilized by carbon microparticles. Chem- istry Physics and Technology of Surface. 2021. 12. (1): 32–39 (in Ukrainian). doi.org/10.15407/hftp12.01.032. 14. Mishchuk N., Kornilovich B., Klishchenko R. pH regulation as a method of intensification soil electroremediation. Colloids and Surfaces 50 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023 ВПЛИВ ДОБАВОК ГЛИНИСТИХ МІНЕРАЛІВ НА ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНОГО ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВАФІЗИЧНА ХІМІЯ A: Physicochem. Eng. Aspects. 2007. 306. (1–3): 171–179. doi:10.1016/j.colsurfa.2007.03.014 15. Yao Dingsong, Zhao Hui, Chen Zhekun, Liu Haifeng. Preparation of high concentration coal water slurry with good fluidity based on only modified fine particles under bimodal distribution using the second fluid and the second particle. Fuel. 2022. 317. (1): 123461. doi.org/10.1016/j.fuel.2022.123461 16. Mishchuk N.A. Theoretical problems of sta- bility of Brownian disperse systems. J. Water Chem. Technol. 2011. 33. (4): 353–366. doi.org/10.3103/s1063455x11040011 17. Mishchuk N.A, Sanfeld A. Steinchen A. Inter- particle interactions in concentrate water-oil emulsions. Adv. Colloid Interface Sci. 2004. 112. (1–3): 129–157. doi.org/10.1016/j.cis.2004.09.006 18. Kim Kunhwi, Jonny Rutqvist, Jon F. Harring- ton, Elena Tamayo-Mas, Jens T. Birkholzer. Discrete Dilatant Pathway Modeling of Gas Migration Through Compacted Bentonite Clay. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021. 137. (1): 104569. doi.org/10.1016/j.ijrmms.2020. 19. Mingsong Z., Bing P., Dongjie Y., Hong- ming L., Xueqing Q. Rheological Behavior In- vestigation of Concentrated Coal-Water Sus- pension. J. of Dispersion Sci. and Tech. 2010. 31: 838–843. doi.org/10.1080/01932690903333788. Стаття надійшла 15.11.2023.
id	oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-613
institution	Ukrainian Chemistry Journal
keywords_txt_mv	keywords
language	English
last_indexed	2026-07-23T01:11:01Z
publishDate	2023
publisher	V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
record_format	ojs
resource_txt_mv	ucjorgua/de/6001f2c6c107f83cbfc2402ebc362bde.pdf
spelling	oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-6132026-07-22T08:23:53Z INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL. Klishchenko, Roman Kornienko, Ivan Shkutkova, Olena composite water-coal fuel, anthracite, P-grade coal, montmorillonite, illite, kaolinite. The study aimed to examine the electrokinetic and rheological properties of composite water-coal fuel (CWCF) based on anthracite and P-grade coal in the presence of clay minerals. The influence of clay mineral additives on the electrokinetic and rheological properties of CWCF was studied. The clay minerals used were montmorillonite, illite, and kaolinite from Ukrainian deposits. The fuel was prepared based on P-grade coal and anthracite. The share of the solid phase (coal) in the suspensions was 62 %. According to the particle size distribution, the bulk of the coal has a size of 30–110 μm with a bimodal distribution. To obtain the CWCF, the coal powder was homogenized with the dispersion medium by wet grinding in a ball mill for 20–25 minutes. The dispersion medium was distilled water. Wet grinding was carried out until particles &lt; 0.25 mm in size were obtained. We obtained a CWCF with a concentration of 62% of the solid phase of coal. Additions of chemicals were not practiced to study the effect of clay minerals in a pure experiment. Clay minerals were added at a concentration of 0.5–3 % by weight of the CWCFs. Their rheological data were measured using a Rheotest-2 rheometer at a temperature of 20&nbsp;ºC and the shear-stress/shear-rate data for the CWCF covered a range of 0.1 to 470 s-1. &nbsp;The sedimentation stability of St was studied at the time of stratification of the CWCF sample in a measuring cylinder. After preparation, a 10-mL sample of the CWCF was placed in a 25-mL glass cylinder. St is equal to the time of the beginning of the suspension stratification in days. It was established that ξ - the potential of CWCF particles with the addition of clay minerals shifts to the negative region and reaches&nbsp;– 45–50 mV at pH&gt;8. Montmorillonite was found to be most effective additive for controlling the properties of the CWCF. Systems with clay mineral additives demonstrate a pseudoplastic type of flow in the range of shear rates γ 0–100 s-1 and a Newtonian type of flow at higher γ. According to their effect on the increase in apparent viscosity, clay minerals are arranged in the following order: kaolinite, illite, and montmorillonite. The thixotropic properties of the studied systems provide complete restoration of the properties of the CWCF when the shear rate is reduced to 0–40 s-1. Sedimentation stability in the presence of illite and montmorillonite additives reaches 8–14 days. In contrast to illite and montmorillonite, kaolinite has a very weak effect on the properties of CWCF. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2023-12-29 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/613 10.33609/2708-129X.89.11.2023.35-50 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 89 No. 11 (2023): Ukrainian Chemistry Journal; 35-50 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 89 ##issue.no## 11 (2023): Ukrainian Chemistry Journal; 35-50 Український хімічний журнал; Том 89 № 11 (2023): Український хімічний журнал; 35-50 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/613/308 Copyright (c) 2023 Roman Klishchenko, Ivan Kornienko, Olena Shkutkova https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0
spellingShingle	Klishchenko, Roman Kornienko, Ivan Shkutkova, Olena INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL.
title	INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL.
title_full	INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL.
title_fullStr	INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL.
title_full_unstemmed	INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL.
title_short	INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL.
title_sort	influence of clay mineral additives on the properties of composite water–coal fuel.
topic_facet	composite water-coal fuel anthracite P-grade coal montmorillonite illite kaolinite.
url	https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/613
work_keys_str_mv	AT klishchenkoroman influenceofclaymineraladditivesonthepropertiesofcompositewatercoalfuel AT kornienkoivan influenceofclaymineraladditivesonthepropertiesofcompositewatercoalfuel AT shkutkovaolena influenceofclaymineraladditivesonthepropertiesofcompositewatercoalfuel

INFLUENCE OF CLAY MINERAL ADDITIVES ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE WATER–COAL FUEL.

Репозитарії

Схожі ресурси