چکیده

یکی از ناخالصی‌های همراه زغالسنگ، گوگرد است که به دو صورت آلی و معدنی وجود دارد. میزان گوگرد بیش از حد مجاز در کنسانتره زغالسنگ سبب تولید کک نامرغوب می‌شود. این کک در کوره های احیا مستقیم ذوب آهن، باعث تولید چدن و فولاد نامرغوب می‌شود. همچنین وجود گوگرد در زغالسنگ های حرارتی موجب تولید گاز دی اکسید گوگرد  می‌شود که اثرات زیست محیطی نامطلوبی دارد. بخش عمده گوگرد معدنی زغالسنگ، پیریت است. در فرآوری زغالسنگ معمولا از فلوتاسیون به منظور جدایش انتخابی و بازیابی زغالسنگ از مواد باطله استفاده می‌شود. در روش فلوتاسیون به منظور حذف پیریت معمولا از سیانید سدیم استفاده می‌شود. به دلیل سمی بودن چندان مورد توجه نیست. در این تحقیق امکان پیریت زدایی از زغالسنگ طبس با استفاده از باکتری تیوباسیلوس فرواکسیدانس و روش فلوتاسیون مورد مطالعه قرار گرفت. در این روش اتصال باکتریایی، خواص سطح پیریت در زغالسنگ را از حالت آبرانی به آبدوستی تغییر می دهد. این تغییر ویژگی سطح، امکان جداسازی پیریت از زغالسنگ را در فلوتاسیون میسر می سازد. آزمایش های بیوفلوتاسیون در سلول فلوتاسیون Denver انجام شد و تأثیر عوامل مختلف از قبیل درصد جامد پالپ، اندازه ذرات زغالسنگ، دانسیته باکتریایی و مدت زمان ماند بر حذف پیریت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با استفاده از این روش، پیریت به میزان متوسط ۶۲ درصد و گوگرد کلی به میزان متوسط ۳۵ درصد کاهش می‌یابد.

مقدمه

زغالسنگ به‌عنوان منبع اصلی انرژی در طول قرن ها پذیرفته شده است. در احتراق زغالسنگ، گوگرد موجود در آن با اکسیژن ترکیب شده و به صورت دی اکسید گوگرد در می‌آید، که باعث آلودگی هوا و باران‌های اسیدی می‌شود و همچنین ارزش حرارتی زغالسنگ را کاهش می‌دهد. دی اکسید گوگرد تولید شده از زغالسنگ را می‌توان بوسیله سیستم‌های گوگردزدایی گازی حذف کرد. عیب این روش، گران بودن آن است. از طرفی وجود گوگرد در زغالسنگ در کوره های احیا مستقیم با آهن واکنش می‌دهد، به طوری که موجب ترد و شکننده شدن فولاد می‌شود. به طور کلی گوگرد در زغالسنگ به دو بخش معدنی و آلی تقسیم بندی می‌شود. پیریت عمده ترین بخش گوگرد معدنی را تشکیل می‌دهد. روش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلفی به منظور کاهش هر یک از بخش های گوگرد معدنی یا آلی موجود در زغالسنگ به کار برده شده‌اند. روش‌های شیمیایی می‌توانند هر دو بخش گوگرد معدنی و آلی را از زغالسنگ حذف کنند اما این روش ها بسیار گران بوده، محصولات پرخطری را تولید کرده و همچنین ساختار زغالسنگ را تحت تأثیر قرار می‌دهند. فلوتاسیون کف یکی از متداولترین روش های فیزیکی به منظور حذف خاکستر و گوگرد پیریتی از زغالسنگ است، در این روش معمولا از واکنش‌گرهایی از قبیل سیانید سدیم به منظور حذف پیریت استفاده می‌کنند. عیب این روش این است که سیانید سدیم، سمی است و مشکلات زیست محیطی ایجاد می‌کند. یکی از راه حل‌هایی که بوسیله محققان برای حذف پیریت در فلوتاسیون پیشنهاد شده است، استفاده از باکتری‌ها است. باکتری تیوباسیلوس فرواکسیدانس (Thiobacillus ferrooxidans) متداولترین باکتری است که به طور گسترده در فرایندهای گوگردزدایی میکروبی از زغالسنگ استفاده شده است. این باکتری اسید دوست و کمولیتوترف از ترکیبات آهن و گوگرد به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کند باکتری تیوباسیلوس فرواکسیدانس می‌تواند به طور انتخابی از میان کانی‌های مختلف به کانی‌های حاوی آهن از قبیل پیریت (FeS_۲) متصل شود و خواص سطح پیریت را از حالت آبرانی به آبدوستی تغییر دهد. این تغییر ویژگی سطح امکان جداسازی پیریت از زغالسنگ را در فلوتاسیون میسر می سازد. بنابراین هدف از این تحقیق حذف گوگرد عمدتاً به صورت پیریتی با اندازه ذرات کمتر از ۱۵۰ میکرون و تراکم‌های متفاوت پالپ برای جلوگیری از شکنندگی فولاد استخراجی است.

نتایج حاصل از آزمایش های فلوتاسیون: 

با توجه به نتایج به دست آمده از آزمایش های فلوتاسیون، مشاهده می‌شود با وجود اینکه در این سری از آزمایش‌ها بجز کف ساز و کلکتور از هیچ ماده شیمیایی دیگری استفاده نشده است اما میزان گوگرد در کنسانتره از میزان آن در خوراک بیشتر شده است. بر اساس تحقیقات انجام شده مشخص شده که گازوئیل تولیدی در شرکت ملی نفت ایران حاوی ۰.۷۴ درصد وزنی گوگرد می باشد که در مقایسه با استانداردهای جهانی آن در سال ۲۰۰۸ (ppmw 10) این مقدار بسیار زیاد است. بنابراین در فلوتاسیون معمولی زغالسنگ نه تنها کاهشی در گوگرد مشاهده نشد بلکه به دلیل استفاده از کلکتور گازوئیل، افزایش حدود ۰.۲ درصدی گوگرد در کنسانتره مشاهده شد. از این‌رو هرچند که در فلوتاسیون زغالسنگ، کلکتور گازوئیل نسبت به سایر کلکتورها کارایی بهتری از خود نشان داده است، اما باید توجه داشت در مواردی که میزان گوگرد موجود در کنسانتره حائز اهمیت است، باید از کلکتور دیگری استفاده کرد. در تحقیقی نفت سفید به عنوان کلکتور و روغن کاج به عنوان کف ساز مقدار سولفور و خاکستر زغال را بیش از کلکتورها و کف سازهای دیگر کاهش داده است، همچنین در این تحقیق سدیم پلی اکریلیک اسید به عنوان کاهنده پیریت بازیافت زغال را بهبود بخشیده است. سولفات آهن III  هم به عنوان یک عامل شیمیایی مناسب برای سولفورزدایی از زغال گزارش شده است.

تأثیر تعداد باکتریهای افزوده شده به سلول فلوتاسیون: 

به منظور بررسی تأثیر میزان تعداد باکتری افزوده شده بر حذف پیریت، سوسپانسیون باکتریایی در دو دانسیته مختلف (۵.۶×۱۰^۷ cells/ml و ۱.۰۵×۱۰^۸ cells/ml آماده و در آزمایش های بیوفلوتاسیون استفاده شد. در این سری از آزمایش ها، شرایط آزمایش فلوتاسیون (درصد جامد ۹% و دانه بندی زیر ۵۰۰ میکرون) اعمال و از زمان برهم‌کنش ۲۰ دقیقه استفاده شد. نتایج نشان می دهد که در دو حالت، شرایط تقریبا مشابه با یکدیگر هستند و در شرایط ۱.۰۵×۱۰^۸ cells/ml، میزان حذف پیریت تنها ۵/۳ درصد بیشتر است. علت این است هنگامی که تعداد سلولها در پالپ افزایش می یابد، تعداد سلولهای متصل به پیریت نیز افزایش پیدا می کند و در نتیجه سطح بیشتری از پیریت، آبدوست شده و احتمال شناور شدن آن کاهش می‌یابد. با وجود این که تعداد باکتریها در آزمایش دوم افزایش یافت اما کاهش قابل ملاحظه ای در راندمان زغالسنگ مشاهده نشد و این بدان معنا بود که با افزوده شدن تعداد باکتریها، آنها کماکان به صورت انتخابی عمل کرده و به ذرات زغالسنگ متصل نشده‌اند و تأثیر منفی بر راندمان نداشته‌اند. بر اساس تحقیقی ۴۵ درصد از گوگرد پیریتی و ۲۰ درصد از کل گرگرد زغال در یک فرایند بیولوژیک با اندازه ذرات تا ۰.۵ میلی متر در ۱۴ روز کاهش یافته است.

تأثیر زمان برهم‌کنش بر چسبندگی باکتری‌ها:

به منظور بررسی تأثیر زمان برهم‌کنش (ماند) بین باکتری و پیریت، آزمایش‌هایی با زمان‌های آماده سازی متفاوت از ۵ تا ۳۰ دقیقه انجام و درصد حذف پیریت در هر آزمایش اندازه گیری شد. این سری از آزمایش ها با در نظر گرفتن دانسیته باکتریایی ۵.۶×۱۰^۷ cells/ml انجام شد. پس از افزودن سوسپانسیون باکتری به پالپ حاوی زغالسنگ، سلول های باکتری به سرعت به پیریت متصل می‌شوند. همان گونه که مشاهده می شود بعد از گذشت زمان ۱۵ دقیقه، تقریبا حداکثر تعداد سلولهای متصل شده به پیریت به دست می آید و بعد از این زمان، درصد حذف پیریت با اختلاف ۰.۵ تا ۱.۵ درصد افزایش یا کاهش می یابد. از این‌رو زمان ۱۵ دقیقه، زمان ماند مناسب به منظور برهم‌کنش و چسبندگی بین باکتری و ذرات پیریت می باشد، زیرا باکتری در این زمان به اندازه کافی فرصت داشته است تا سطح ذرات پیریت را به خوبی بپوشاند و تغییرات خصوصیات سطح آن از آبرانی به آبدوستی به خوبی انجام شده است.

تأثیر درصد جامد پالپ: 

به منظور بررسی تأثیر درصد جامد پالپ، این سری از آزمایش ها با در نظر گرفتن دانسیته باکتریایی ۵.۶×۱۰^۷ cells/ml و زمان برهم‌کنش ۱۵ دقیقه و در سه درصد جامد ۹، ۱۱ و ۱۳ درصد انجام شد. حداکثر میزان پیریت زدایی (۶۱.۶ درصد) در پالپ ۹% جامد و کمترین میزان پیریت زدایی (۴۶.۵ درصد) در پالپ ۱۳% جامد به‌دست آمد. این نتایج نشان می‌دهد که افزایش درصد جامد پالپ احتمالاً به دلیل افزایش اصطکاک و سایشی که بین ذرات ایجاد می‌کند، سبب افزایش تنش های برشی در پالپ و در نتیجه تخریب قسمتی از جداره خارجی باکتری شده و بر فعالیت میکروارگانیزم ها اثر منفی می گذارد.  همچنین در تحقیقی که از کشت خالص باکتری تیوباسیلوس فرواکسیدانس در فروشویی مس استفاده شده است  درصد وزنی جامد ۲۰ درصد گزارش شده است.

تأثیر اندازه ذرات زغالسنگ:

به منظور بررسی تأثیر عامل اندازه ذرات بر حذف پیریت، زغالسنگ به دو بخش دانه درشت (زیر ۵۰۰ میکرون) و دانه ریز (زیر ۱۵۰ میکرون) تقسیم بندی و آزمایش های بیوفلوتاسیون همانند قبل انجام شد. میزان حذف پیریت در ابعاد زیر ۵۰۰ و ۱۵۰ میکرون به ترتیب ۶۱.۶ و ۶۹.۴ درصد می باشد. از آنجایی که زغالسنگ طبس، توزیع پیریتی دانه ریزی دارد، از این‌رو زغال با دانه بندی ریز محتوای ذرات پیریت آزاد بیشتری نسبت به زغال با دانه بندی درشت می باشد. در دانه بندی درشت، بعضی از ذرات پیریت در درون زغالسنگ قرار گرفته و احاطه شده اند. از این‌رو مقادیری از پیریت که قفل‌شدگی زیادی دارند به دلیل اینکه سطح آنها در معرض اتصال باکتریها قرار ندارد، بازداشت نشده و همراه با زغالسنگ به کنسانتره راه یافته اند.

البته باید توجه داشت که در هر دو دانه بندی، بخش زیر ۲۰ میکرون که نرمه خوراک را تشکیل می دهد، از خوراک حذف نشده است. از این جهت مقداری از ذرات ریز پیریت (زیر ۲۰ میکرون) حتی با وجود اینکه اتصال باکتریایی در مورد آنها انجام شده است به دلیل پدیده دنباله روی به کنسانتره راه پیدا می کنند.

دلیل کاهش راندمان زغالسنگ برای دانه بندی درشت این است که در فرایند فلوتاسیون برای شناور کردن ذرات درشت مجموعه ای از حباب ها ذره را محاصره می کنند ولی به دلیل جرم زیاد ذره، حباب ها از قدرت بالابری کافی برخوردار نیستند و به طور کلی با افزایش ابعاد ذرات، قابلیت شناور سازی کاهش می یابد.

نتیجه‌گیری 

کلکتور گازوئیل حاوی ۰.۷۴ درصد گوگرد آلی است که این میزان گوگرد در طی فرایند فلوتاسیون وارد کنسانتره می‌شود.

افزودن بیشتر تعداد باکتری، موجب اتصال بیشتر باکتری‌ها به ذرات پیریت شده و میزان حذف پیریت را افزایش می‌دهد.

با افزایش زمان برهم‌کنش تا ۱۵ دقیقه بین باکتری و پیریت در مرحله آماده سازی، میزان حذف پیریت افزایش پیدا می‌کند.

حداکثر میزان پیریت‌زدایی در پالپ با درصد جامد ۹ درصد به‌دست آمد.

درصد حذف پیریت در دانه‌بندی ریز زغالسنگ، به دلیل افزایش درجه آزادی ذرات پیریت بیشتر بود.

از میان عوامل مورد بررسی (تعداد باکتری‌ها، زمان برهم‌کنش، درصد جامد پالپ و اندازه ذرات زغالسنگ) تأثیر درصد جامد پالپ، چشمگیرتر بود.

انجام آزمایش‌های بیوفلوتاسیون نشان داد که به طور متوسط پیریت به میزان متوسط ۶۲ درصد و گوگرد کلی به میزان متوسط ۳۵ درصد کاهش می‌یابد.

نتایج حاصل نشان داد که استفاده از باکتریهای گوگردی میزان گوگرد زغال را کاهش و بنابراین در واحدهای کاربردی کوچک برای مرغوبیت زغال توصیه می‌شود.

به‌منظور بهینه نمودن بیوفلوتاسیون به صورت کاربردی در صنعت استخراج زغال، استفاده از باکتریهای ترموفیل گوگردی نیز باید مد نظر قرار گیرد.

لینک منبع اصلی : https://cell.ijbio.ir/article_637.html