Направления совершенствования механохимических процессов при утилизации хвостов обогащения руд

Полный текст

Введение Хорошо освоенные в различных отраслях промышленности дезинтеграторы позволяют обрабатывать материалы крупностью до 2,5 мм со скоростью удара до 250 м/с. В зависимости от свойств материала и режима обработки при их использовании получают тонину порошков от грубого порошка (95% менее 500 мкм) до тонкого порошка (95% менее 20 мкм). Если функции измельчения фаз и перемешивания при приготовлении смесей и суспензий используются довольно широко, то феномен механической активации веществ при интенсивных режимах обработки используется сравнительно редко. Основные области применения дезинтегратора - лабораторные и исследовательские работы, тестирование и подготовка к анализу различных веществ. В середине прошлого столетия Й. Хинт теоретически обосновал и экспериментально доказал феномен изменения состояния вещества в процессе активации большой механической энергией, однако только сейчас он получает осмысление. Феномен активации при обработке в дезинтеграторной установке (ДУ) наблюдается во многих отраслях, что подтверждает корректность метода: · фосфоритную муку растения усваивают в несколько раз лучше, чем муку, измельченную в мельнице; · портландцемент из клинкера обеспечивает одинаковую прочность через 16 дней вместо 28 дней; · производство искусственного камня из силикальцита обходится в 2 раза дешевле при уменьшении расхода энергии на 50%; · активация стекольной смеси и шихты для производства огнеупоров на 20 °С понижает температуру плавления или обжига, в 2 раза увеличивает скорость процесса; · обработка железной руды на 100 °С снижает температуру восстановления металла и на 20% уменьшает затраты времени; · обработка вольфрамовых концентратов на 10% увеличивает степень извлечения металла и на 15-20% скорость гидротермической обработки; · обработка медных и железорудных концентратов совместно с вяжущим до 35% повышает прочность окатышей; · активация воды увеличивает рост растений на 30-40%, животных на 20%, рыб на 45-100%, повышает стойкость растений к экстремальным условиям на 20%, а добавка активированной воды в количестве 10 мл на 1 кг веса животных на 20% увеличивает привес и т.п. В горной практике промышленное использование дезинтегратора осуществлено в 1980-х гг. на месторождении «Шокпак» (Северный Казахстан) МАЭП СССР в цепи закладочного комплекса. Установка ДУ-65 была оборудована четырехи трехрядными роторами с защитным самофутерующимся слоем и двигателями мощностью от 200 до 250 кВт. Установка располагалась на трех уровнях с площадью основания 5-7 м [1]. Сырьем служили гранулированные кислые хвосты Карагандинского металлургического завода. По вяжущей способности эквивалентом 1 кг стандартного цемента М-400 являлось 4 кг активированных хвостов. В условиях 10-летней эксплуатации определено, что активация в ДУ обеспечивала при равных условиях приращение прочности до 30% больше, чем обработка в шаровой мельнице. Выход до после ДУ 55% активного класса с доработкой в вибромельнице до 70% активной фракции позволил свести расход промышленного цемента до 30 кг/м3. Солидный срок использования с закладкой около 100 000 м3 пустот ежегодно позволяет положительно оценить результаты промышленного эксперимента и рекомендовать его как реальную возможность получения многопланового эколого-экономического эффекта. Работами ученых Северо-Кавказской школы экспериментально доказана перспективность комбинирования технологий механической активации в дезинтеграторах и химического выщелачивания [2]. Процесс комбинированной механохимической активации металлосодержащего сырья заключается в том, что в рабочий орган дезинтегратора вместе с сырьем подается выщелачивающий реагент, а извлечение металлов в раствор происходит одновременно с разрушением кристаллов при запрессовке раствора в образующиеся микротрещины. Цель работы Для доказательства эффективности предлагаемой технологии используется комплексный метод исследований, включающий критический анализ существующих представлений и многолетний эксперимент по единой комплексной программе. На основе полученных результатов разрабатываются новые способы интенсификации процесса, защищенные на уровне патентов. 1 2 хвосты [tailings] сырье 100% М + + реагент [100% m raw material + reagent] активированные хвосты 50% 0,076 мм [activated tailings 50% 0.076 mm] раствор 70% М + + активированные хвосты [solution of 70% M + activated tailings] Рис. 1. Аспекты использования дезинтеграторов: 1 - для улучшения качества в составе бетонов; 2 - для извлечения металлов и улучшения качества в составе бетонов [Fig. 1. Aspects of disintegrator use: 1 - for improving quality when used in concrete; 2 - for extraction of metals and improving quality when used in concrete] Экспериментальное исследование с целью определения количественных параметров перевода металлических компонентов в раствор при комбинировании базового варианта агитационного выщелачивания и нового варианта выщелачивания в дезинтеграторе осуществлено на хвостах обогащения цветных и черных металлов и углей с использованием дезинтегратора ДУ-11, изготовленного в Центре прикладной механохимии «Гефест». Продолжительность эксперимента четыре года. Исходное содержание цинка и свинца в хвостах обогащения по 0,05%. Исследованию подлежат два направления использования дезинтеграторов (рис. 1): 1. активация твердых полезных ископаемых для улучшения качества изделий из них; 2. активация твердых металлосодержащих полезных ископаемых и хвостов первичной переработки для улучшения качества изделий из них и извлечения металлов. Полученные результаты При сравнении вариантов механохимического извлечения металлов получены результаты: · выщелачивание в дезинтеграторе с последующим выщелачиванием вне его по сравнению с простым агитационным выщелачиванием увеличивает извлечение: из хвостов обогащения - по свинцу - в 1,4 раза, по цинку - в 1,2 раза, из забалансовой руды - по свинцу - в 1,7 раза, по цинку - в 2,1 раза; · выщелачивание в дезинтеграторе по сравнению с вариантом раздельной активации в дезинтеграторе и выщелачивания увеличивает извлечение примерно на такую же величину, но резко различается временем достижения этого результата. Если при агитационном выщелачивании коэффициент извлечения металлов оценивается величиной 0,40, то извлечение в дезинтеграторе обеспечивает коэффициент: · из хвостов обогащения - по свинцу - 0,56, по цинку - 0,48; · из забалансовой руды - по свинцу - 0,68, по цинку - 0,82; При исходном содержании свинца и цинка в хвостах 0,05% во вторичных хвостах будет содержаться не более 0,025% металлов, что позволяет использовать их для производства некоторых видов товарной продукции строительного назначения. Некондиционное сырье утилизируется полностью, при этом устраняются негативные последствия его хранения. В раствор выщелачивания извлекаются все металлы, содержащиеся в исходной минеральной массе. При решении вопросов извлечения металлов из раствора экономическая эффективность процесса увеличивается многократно, что особенно важно для переработки хвостов комплексных ценных руд. Экспериментально определено, что при переработке хвостов обогащения минералов различных типов - полиметаллов Садона, угля российского Донбасса и железистых кварцитов КМА в раствор извлекается от 50 до 80% ранее теряемых в хвостах металлов. При необходимости путем увеличения циклов переработки со снижением остаточное содержание понижается до норм ПДК. Установленные закономерности механохимического выщелачивания весьма различающихся типов убогого сырья в дезинтеграторах включают в себя: · процесс извлечения металлов управляется путем изменения параметров переработки; · выщелачивание в дезинтеграторе по сравнению с агитационным выщелачиванием вне его обеспечивает равное извлечение металлов на два порядка быстрее; · после извлечения металлов до уровня санитарных требований вторичные хвосты пригодны для изготовления товарной продукции без ограничения. Важные аспекты технологии - увеличение прочности смеси за счет увеличения активных фракций крупностью до 0,076 мм до 50% и повышение однородности и подвижности смесей [3]. В мировой горной практике преобладает мнение, что действенной мерой снижения глобальной опасности хвостов переработки для окружающей среды может быть полная утилизация химически опасных хвостов обогащения металлических руд [4]. В настоящее время этого можно достичь только путем перевода металлических компонентов в раствор выщелачиванием. Развитие этой технологии сдерживается продолжительностью процесса и трудностью контроля полноты извлечения. Новая технология позволяет путем увеличения циклов переработки снижать содержание металла в хвостах до допускаемого уровня. По сравнению с альтернативными вариантами выщелачивания она обеспечивает одинаковое извлечение металлов на два порядка быстрее. Такие возможности недоступны для технологий традиционного обогащения. Естественно, что новая технология нуждается в решении кластера технологических проблем, например, повышении стойкости рабочего органа дезинтегратора, селективизации извлечения металлов и солей из комплексного раствора, нейтрализации маточников и т.п. Решение этих вопросов получит естественное ускорение по мере увеличения области использования механохимической технологии. Совершенствование процессов механохимической активации или выщелачивания в дезинтеграторе нуждается в усилении слагающих его механохимических компонент использование известных в смежных отраслях процессов (таблица). Направления совершенствования процессов выщелачивания металлов [Table. Directions for improvement of metal leaching] Таблица Воздействие [Impact] Цель совершенствования [Purpose of improvement] Способ осуществления [Method of implementation] Механическое: вибрация в процессе выщелачивания [Mechanical: vibration in the process of leaching] Увеличение поверхности реагирования и профилактика слипания частиц [Increasing reacting surface and prevention of clumping of particles] Повышение импульсов вибрации путем сотрясения рабочего органа дезинтегратора [Increasing vibration impact by shaking the working body of disintegrator] Химическое: обработка на стадии подготовки [Chemical: treatment during preparation] Ускорение процесса извлечения металлов в раствор в дезинтеграторе [Acceleration of the process of extracting metal into solution in disintegrator] Предварительная обработка раствором реагентов, улучшающих условия выщелачивания в дезинтеграторе [Pretreatment with solution of reagents that improve leaching conditions in disintegrator] Комбинированное: извлечение упорных компонентов после выщелачивания в дезинтеграторе [Combined: extraction of resistant components after eaching in disintegrator] Увеличение полноты использования сырья путем дополнительного выщелачивания упорных металлов [Increasing fullness of raw materials utilization by additional leaching of resistant metals] Обработка раствором реагентов после выщелачивания [Processing with reagent solution after leaching] Механическое воздействие. Физико-химические и технологические процессы в твердых веществах протекают тем быстрее и полнее, чем больше поверхность участвующего в процессе вещества. Так как тонкий помол дорог и требует больших энергетических затрат, выбирают оптимальные значения тонины помола. Если вещество разрушается, каждая новая открывающаяся поверхность активна. Механическую активацию рассматривают как изменение структуры материала посредством воздействия механических сил, придающих ему новые физические и химические свойства. Диапазон вызванных механической активацией изменений вещества или степень механической активации зависит как от структуры самого материала, так и от величины и вида воздействующих на него механических сил, а в случае периодически действующих сил - также от амплитуды и частоты их колебания. Эффективность диспергирования твердых тел путем приложения механической силы раньше оценивали по изменению гранулометрического состава, а в настоящее время - по увеличению общей поверхности вещества. Эффективность помольных агрегатов тем выше, чем меньше расход энергии на создание новой поверхности. Механическая активация характеризуется как следствие изменений вида и количества дефектов структуры материалов. При продолжающемся процессе обработки часть ранее возникших дефектов исчезает. В таких случаях механическая активация может быть увеличена путем интенсивной обработки. Недостатком механической компоненты процесса выщелачивания является снижение химической активности и снижение эффективности процесса из-за слипания зерен обрабатываемого материала. Для решения этой задачи в процессе дезинтеграции на сырье дополнительно воздействуют вибрацией в горизонтальной плоскости и подбрасыванием с колебаниями от 30 до 1500 Гц при амплитуде горизонтальных колебаний от 2 до 50 мм и амплитуде вертикальных подбрасываний до 30 мм [2]. 1 1 2 Рис. 2. Схема механической компоненты активации процесса выщелачивания: 1 - вибраторы; 2 - виброгасящая основа [Fig. 2. Scheme of mechanical component of leaching process activation: 1 - vibrators; 2 - damping base] Воздействие на обрабатываемый материал вибрацией с подбрасыванием обеспечивает очистку поверхностей зерен от налипания продуктов дезинтеграции и кольматации микротрещин, повышая степень контакта выщелачивающего реагента с сырьем. Полнота извлечения металла из хвостов обогащения влияет на прочность изготовленного на их основе бетона. Прочность бетонов при соединении возможностей химических и механических активаторов при одинаковом соотношении цемента и хвостовой добавки, количестве воды, заполнителя, тонкости помола добавки увеличивается на 30-40%. Дезинтегратор установлен на виброплощадку, состоящую из вибровозбудителя, короба и виброизолирующих опор. Короб, установленный на упругую систему, совершает направленное возвратно-поступательное колебание. Хвосты, поступающие в дезинтегратор вместе с реагентом, дополнительно к основным процессам механохимической активации и выщелачивания совершают еще и поступательное движение с подбрасыванием. В процессе вибрации, контактируя с рабочими поверхностями дезинтегратора, частицы лишаются возможности слипаться между собой и прилипать к рабочим поверхностям, что обеспечивает повышение эффективности комбинированной механохимической активации хвостов. Химическое воздействие. Недостатком механохимической технологии является неполное извлечение металлов в случае переработки упорных руд при недостаточной химической активности последних. Хесс К., Штойнер Е. и Фромм Х. ввели в обиход понятие «механохимии» как разложение карбонатов, хлоридов и других веществ при обычных процессах помола в шаровых и вибромельницах, образование веществ, например, сернистых соединений и силикатов, увеличение растворимости веществ, ускорение химических реакций, усиление каталитических свойств, улучшение физико-технических свойств искусственных камней и полимеров, понижение реагирования. Эти показатели составляют основу и технологии выщелачивания в дезинтеграторе. В отличие от механохимии выщелачивание в дезинтеграторе использует, кроме содержащихся в составе минерала химических элементов, более сильные искусственные реагенты, ускоряющие процесс выщелачивания. Эффективность извлечения металлов из хвостов обогащения увеличивается, если 1 перед подачей сырья в дезинтегратор хвосты в смеси с элементарной серой обработать раствором смеси серной и азотной кислот (рис. 3) [6]. 3 2 Так, хвосты обогащения в виде пульпы при соотношении твердой фазы к жидкой 1:2 измельчают в смеси с элементарной серой в количестве 12% до крупности 100% фракции 0,01 мм. Обработку пульпы смесью кислот осуществляют при массовом соотношении последних 2:1 до доведения водородного показателя рН до значения 1 с дальнейшим его повышением в течение двух часов до значения 3. Рис. 3. Схема химической компоненты активации процесса выщелачивания: 1 - закисленное сырье; 2 - металлосодержащий раствор; 3 - вторичные хвосты [Fig. 3. Scheme of chemical component of leaching process activation: 1 - acidified raw material; 2 - metal-containing solution; 3 - secondary tailings] В выщелачиваемой массе образуются окислители, которые переводят неокисленные упорные минералы металлов в легко вскрываемые формы. При дальнейшем выщелачивании разрушенные предварительной обработкой соединения металлов переходят в растворимые комплексы. Обработка смесью серной и азотной кислот позволяет уменьшить или исключить расход сульфата меди, поскольку роль катализатора окисления выполняет нитрозилсерная кислота. Преимущества технологии заключаются в существенном ускорении процесса выщелачивания и повышении извлечения металлов из упорных неокисленных руд. Дезинтеграторы не только осуществляют механическую активацию веществ. При обработке поликристаллическое сырье разрушается по поверхностям спайности кристаллов, вследствие чего минералы или другие материалы, содержащие фазы различной прочности, измельчаются под действием ударов в различной степени, в том числе и по границе разделов фаз. Поэтому процессы сепарирования фаз из обработанных в дезинтеграторе многофазных веществ при помощи вибрации, воздействия магнитных полей, флотации или других методов значительно упрощаются, а выход целевого продукта существенно увеличивается. Комбинированное воздействие. После выщелачивания в дезинтеграторе сырье укладывают в штабели, кучи или траншеи, обрабатывают раствором серной кислоты, промывают водой и дополнительно выщелачивают серной кислотой с концентрацией 10-30 г/л. Последующее выщелачивание осуществляют раствором сульфидотриоксосульфата натрия с концентрацией 10-20 г/л [7]. Результатом является повышение эффективности извлечения металлов из хвостов обогащения за счет более глубокой проработки механохимически активированных структурных компонентов. Повышается извлечение металлов, и снижается удельный расход реагентов на выщелачивание за счет увеличения продолжительности извлечения полезных компонентов. Возникает синергетический эффект при совмещении извлечения в дезинтеграторе и выщелачивания в штабеле, поскольку активированная в дезинтеграторе масса продолжает отдавать содержащиеся в ней металлы, увеличивая извлечение металлов по сравнению с обоими базовыми способами в отдельности. Эколого-экономическая эффективность интенсификации процессов выщелачивания в дезинтеграторе состоит в том, что при сравнимых затратах из уже извлеченного из недр сырья извлекается большее количество металла за счет утилизации в настоящее время некодиционного по содержанию металлов сырья [8-9]. Это увеличивает минерально-сырьевую базу металлургического производства и упрочняет сырьевую безопасность государства. В процессе механоактивации извлекаются все содержащиеся в хвостах металлы до уровня санитарных требований, после чего вторичные хвосты становятся пригодными для изготовления твердеющей смеси и иной товарной продукции без ограничений по санитарным требованиям, что радикально повышает полноту использования извлекаемых на земную поверхность минеральных ресурсов [10]. При обработке в дезинтеграторе независимо от качества сырья, различий в удельном весе и влажности образуется гомогенная смесь, которая повышает качество изделий из вторичных хвостов, например, твердеющих смесей. Отличия технологии выщелачивания в дезинтеграторе заключаются в следующем: · используется новый вид воздействия на минеральное сырье - большой энергией; · возникает синергетический эффект, создающий возможности для прорывных технологий; · появляется возможность извлекать из хвостов все металлы до фоновых значений; · реализуется возможность ликвидации хранилищ хвостов переработки. Вовлечение в производство колоссальных минеральных ресурсов создает новую сырьевую базу для горной промышленности и избавляет от необходимости вовлечения в эксплуатацию новых месторождений, что особо актуально ввиду дефицита ряда металлов для обеспечения национальной безопасности России. Концепция радикальной утилизации отходов обогащения металлургии наиболее полно отвечает принципам взаимодействия человека и биосферы в интересах устойчивого развития земной цивилизации [11; 12]. Она особенно актуальна для решения проблем диверсификации регионального производства в условиях рыночной системы хозяйствования [13], а также при безотходном использовании ценных природных ресурсов в горнодобывающих регионах, где опасное производство соседствует с идеальными условиями для существования живого вещества [14-16].

Об авторах

Владимир Иванович Голик

Северо-Кавказский государственный технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.i.golik@mail.ru

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры горного дела, Северо-Кавказский государственный технологический университет. Область научных интересов: разработка месторождений полезных ископаемых, способы добычи металлов выщелачиванием, утилизация отходов добычи и переработки минералов с активацией компонентов, подготовка кадров высшей квалификации

Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44

Валерий Борисович Келехсаев

Северо-Кавказский государственный технологический университет

Email: v.i.golik@mail.ru

ассистент кафедры горного дела, Северо-Кавказский государственный технологический университет. Область научных интересов: разработка месторождений полезных ископаемых, способы добычи металлов выщелачиванием

Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44

Юрий Александрович Майстров

Северо-Кавказский государственный технологический университет

Email: v.i.golik@mail.ru

аспирант кафедры горного дела, Северо-Кавказский государственный технологический университет. Область научных интересов: разработка месторождений полезных ископаемых, способы добычи металлов выщелачиванием

Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44

Аслан Сергеевич Олисаев

Северо-Кавказский государственный технологический университет

Email: v.i.golik@mail.ru

аспирант кафедры горного дела, Северо-Кавказский государственный технологический университет. Область научных интересов: разработка месторождений полезных ископаемых, способы добычи металлов выщелачиванием

Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44

Список литературы