Использование физико-технических геотехнологий для повышения эффективности переработки сырья Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Ф.Ф. Борисков, В.М. Алсничсв, 2013

УДК 622.73 + 621.373 + 537.52

Ф.Ф. Борисков, В.М. Аленичев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ГЕО ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ

Использование электрогидравлических (ЭГ) уларов длительностью 10 наносекунд повышает извлечение золота цианидом из хвостов обогащения медно-колчеданных руд 17 до 87 %. Увеличение мощности ЭГ ударов с 0,1 до 0,3 ГВт изменяет сульфатный тип разложения сульфидов на сероводородный.

Ключевые слова: электрические импульсы, электрогидравлический удар, длительность 10 нс, переработка отходов, сульфатное и сероводородное разложение сульфидов.

За последние 20 лет содержание железа, золота, цветных металлов и других ценных компонентов в рудах России уменьшилось до 1,25 — 1,50 раз, а доля труднообогатимых разновидностей руд и угля повысилась — с 15 до 40 % [1]. Значительная глубина разработки руд и снижение качества руд приводят к повышению объемов добычи и переработки сырья, увеличению затрат энергии и капитальных вложений. Отработка разведанных запасов компенсируется освоением минерального сырья с низким содержанием ценных компонентов. Так, медно-порфировые рудные тела выделяются по бортовому содержанию меди 0,3 % в вулканитах Михеевского месторождения (Южный Урал), из отвальных и лежалых хвостов обогащения сульфидсодержащей железной руды Высокогорского ГОКа (Средний Урал) с массовой долей меди 0,20 — 0,25 % производится медный концентрат с содержанием Си до 25 %.

Экологическая ситуация в промышленных регионах страны усложняется при освоении бедных руд в связи с необходимостью отчуждения значительных территорий Земли под размещение возрастающих объемов экологически опасных отходов горно-перерабатывающего производства.

Для повышения эффективности использования георесурсов широко применяется модернизация процессов добычи, транспортировки, обогащения и переработки сырья. Анализ вышеперечисленных стадий освоения геоесуросов показывает, что наиболее наукоемкими и восприимчивыми к новейшим достижениям фундаментальных наук являются переделы обогащения и переработки сырья, например, применение мощных наносекундных электрических импульсов в процессах переработки минерального сырья. Импульсы вырабатываются новым полупроводниковым генератором (ПГ), созданном в 1993 г. в Институте электрофизики (ИЭФ) УрО РАН на базе открытия эффекта быстрого обрыва тока в полупроводниках [2, 3].

Устройство, основанное на применении ПГ и генерирующее электрические импульсы наносекундного диапазона длительности t = 10 нс, напряжением до 250 кВ и частотой до 10 кГц, было использовано для раскрытия тонких включений и последующего извлечения ценных минералов (золота, сульфидов меди) 282

из отходов (хвостов) обогащения медно-колчеданных руд. При выщелачивании хвостов Учалинского горно-обогатительного комбината извлечение золота повысилось с 14 до 87 % [4, 5, 6]. При анализе зависимостей, характеризующих режимы импульсных методов:

N = еи / Ь (1)

Е = пи N ^ (2)

при t ^ 0 N ^ да, Е^ 0, (3)

где N, еи и пи — мощность, энергия и число пи импульсов,

установлено, что снижение t:

- повышает мощность импульсов: N ^ да при t ^ 0 (1, 3);

- уменьшает затраты энергии: Е^ 0 при t ^ 0 (2, 3).

изменением величины t производится также корректировка еи применительно к технологическим характеристикам ПГ. Снижение длительности импульсов приводит к повышению мощности, эффективности дезинтеграции, уменьшению длительности обработки сырья и числа импульсов. Зависимости (1, 2 и 3) являются основой оптимизации параметров и энергосбережения при использовании импульсных методов.

Электрические импульсы используются для обработки сырья, в основном, в воде для формирования электрогидравлических (ЭГ) ударов, возникающих в ней при электрическом пробое [7], или непосредственным воздействием плазмы электрического разряда на сырье в воздухе — плазменной обработкой (ПО) [8, 9]. Электрогидравлический удар оказывает объемное воздействие на пульпу, а плазменная обработка — на верхний сухой слой сырья с экранированием его нижних слоев от воздействия электрических разрядов.

Энергосберегающий принцип и повышение эффективности освоения георесурсов при использовании ПГ реализуются также закономерностью, характеризующей основные механические свойства минералов и горных пород:

оПрр < (5 ч 20) оПрс, (4)

где оПрР и оПрс — пределы прочности на растяжение и сжатие [10].

При ЭГ обработке ударная волна, распространяющаяся через сырье, приводит к возникновению в нем сжимающих напряжений ос. После прохождения волны сжатия в сырье развиваются деформации растяжения оР, генерируемые силами упругости минералов. Контрастность изменения ос на оР в сырье возрастает при использовании коротких (~ 10 нс) электрических импульсов, характеризующихся высокой крутизной волны ос, обеспечивающей резкую смену ос на оР в минералах.

Развитие в сростках разных минералов оР под после прохождения через них крутого фронта ос повышает вероятность разрушения сырья деформацией оР по межзерновым границам, прочность сцепления в которых ослаблена природными и наведенными импульсной обработкой дефектами (контакты зерен разной прочности, индукционные грани, включения, дислокации, микротрещины). Повышенная концентрация природных и техногенных дефектов в виде дислокаций и микротрещин, возникающая под воздействием энергосберегающей деформации ор, способствует образованию магистральных макротрещин

отрыва по контактам зерен, что снижает расход энергии на дезинтеграцию сырья и повышает селективность раскрытия минералов.

Моделью дезинтеграции частицы под влиянием энергии, накопленной частицей в процессе сжатия, служит саморазрушение батавских слезок (капель переохлажденного стекла) в пыль [11], так как прочность стекла также подчиняется зависимости (4). Зависимость (4) используется в производстве подшипников для разбраковки шариков, осуществляемой их сжатием близким к пределу упругости. При резком сбросе нагрузки шарики с дефектами разрушаются, шарики без дефектов остаются целыми.

В настоящее время накоплено на Урале более 230 млн. т. пиритных хвостов обогащения колчеданных руд с массовой долей золота 1,0 — 2,5 г/т [12]. Золото с преобладающим размером частиц менее 10-5 м связано преимущественно с пиритом (главный минерал колчеданных руд). Потери золота превышают 50 % с отвальными хвостами и пиритным концентратом. Сульфидсодер-жащие продукты (хвосты, забалансовые руды) являются упорным — трудно обогащаемым золотосодержащим сырьем. Для их переработки требуются большие затраты энергии (до 60 кВт-ч/т), обусловленные необходимостью тонкого измельчение сырья для выделения включений золота из сульфидов и их аналогов (арсенопирит и т. д.) в свободное (раскрытое) состояние [13].

Влияние наносекундной ЭГ обработки золотосодержащих лежалых хвостов УГОКа на процессы раскрытия и цианидного выщелачивания золота исследовалось иЭФ и институтом горного дела (иГД) УрО РАН (г. Екатеринбург) [14].

Навески хвостов массой 0,5 кг с содержанием золота 2,2 г / т смешивались с водой при соотношении Т: Ж = 1: 1 и обрабатывались импульсами t = 10 нс, еи = 1 Дж, пи от 0 до 15^106 на тонну. С увеличением числа импульсов повышается извлечение золота в раствор с 17,0 до 87,1 %. Наносекундная ЭГ обработка лежалых хвостов УГОКа существенно повышает извлечение золота (табл. 1).

Мощность импульсов влияет на поведение водорастворимых форм меди и цинка в пульпе хвостов. При N = 0,1 ГВт (еи = 1 Дж = 1 Вт • с = 2,78 • 10-7 кВт-ч) повышается содержание металлов в водной фазе пульпы (рис. 1 а) за счет окисления сульфидной серы до сульфатной:

Таблица 1

Повышение извлечения золота в цнанндный раствор при увеличении расхода электрогидравлических импульсов

Хвосты УГОКа, навеска 500 г, класс крупностью — 74 мкм 90 %,

массовая доля золота 2,2 г/т, энергия импульсов 1 Дж

Число импульсов /т, 106 Извлечение золота Затраты энергии на ЭГ обработку

в раствор, % хвостов, кВт-ч / т

— 17,0 0,0

3 37,3 0,8

6 50,9 1,7

9 70,9 2,5

12 81,2 3,3

15 87,1 4,2

Изменение разложения

Рис. 1. химизма сульфидов в зависимость от мощности электрогидравлических импульсов при увеличении расхода от 0 до 15 • 106 /т: а — (Н = 0,1 ГВт) — сульфатный, б — (Н = 0,3 ГВт) — сероводородный тип, 12 и 12 -

медь, 21 и 22 — цинк

Б2 — - 8 е

Б'

6+

(5)

с образованием сульфата железа и серной кислоты, например, за счет пирита: РеБ2 + импульс 0,1 ГВт + 2О3 + О2 ^ РеБ04 + Н2 БО4. (6)

По аналогии с (6) образуются сульфаты меди и цинка.

При увеличении мощности ЭГ воздействия до 0,3 ГВт (еИ = 3 Дж) было установлено снижение концентрации металлов в водной фазе пульпы (рис. 1 б).

При разгрузке пульпы, обработанной ЭГ импульсами N = 0,3 ГВт, органо-лептически, был обнаружен неприятный запах, характерный для сернистых соединений водорода с общей формулой Н2Бх [15], образующихся за счет разложения сульфидов металлов по сероводородному типу. За счет простых сульфидов, например, сфалерита образуется сероводород и оксид цинка:

7пБ + Н2О + импульс 0,3 ГВт ^ 7пО| + Н2БТ, (7)

при разложении пирита (дисульфида железа) — двусернистый водород Н2Б2 и оксид железа:

РеБ2 + Н2О импульс 0,3 ГВт ^ РеО | + Н2Б2Т. (8)

Сернистые соединения водорода диссоциируют в воде с образованием сульфид-аионов Б2-, Б2- 2, ... Б х. При реакции Б2-, Б2- 2, . Б2-х. с ионами металлов, находящихся в пульпе, образуются вторичные сульфиды и полисульфиды (МеБ, МеБ2, ... МеБх), которые выпадают в осадок ввиду низкой растворимости в воде:

Б2 — + Ме2+ ^ МеБ|, (9)

что приводит к снижению массовой доли водорастворимых форм металлов в пульпе.

Таким образом, ЭГ обработка пульпы пиритных хвостов электрическими импульсами мощностью N = 0,1 и N = 0,3 ГВт выявила разный химизм разложения сульфидов:

- при N = 0,1 ГВт концентрация водорастворимых форм металлов в пульпе повышается для меди с 270 до 310 и цинка — с 160 до 380 мг/л за счет интенсификации окисления сульфидов (сульфатный тип разложения сульфидов);

- при N = 0,3 ГВт концентрация водорастворимых форм металлов в пульпе снижается для меди (с 700 до 0,1 мг/л) и цинка (с 1400 до 90 мг/л) за счет осаждения катионов Ои2+ и 7п2+ анионами Б2- и Б2-2. Последние образуются при диссоциации в воде сернистых соединений водорода, возникающих при разложении сульфидов на И2Бх и оксиды металлов (МеО).

Различная мощность электрических импульсов влияет на тип разложения сульфидов. Технологические возможности наносекундных импульсных методов значительно расширяются. Это позволяют оптимизировать гидрометаллургическую переработку сульфидного сырья за счет рационального распределения продуктов в твердой, жидкой и газовой фазах согласно формулам (6, 7, 8 и 9).

Продуктами сульфатного типа разложения сульфидов являются водорастворимые сульфаты железа, меди, цинка и т.д. Медь из сульфатных растворов селективно извлекается осаждением на железный скрап, цинк — гидросульфидом натрия, другие металлы — изменением рН среды раствора, ионной флотацией и т.д.

использование сероводородного типа разложения сульфидов обеспечивает также выделение из растворов осадка оксидов и гидроксидов фильтрованием с последующим выщелачиванием и селективным извлечением металлов в самостоятельные продукты гидрометаллургическими методами. Переработка газов И2Б и И2Б2 осуществляется окислением их с получением серы или сернистого газа.

1. Чантурия В.А. Перспективы устойчивого развития горноперерабатывающей индустрии России // Прогрессивные технологии комплексной переработки минерального сырья / Под ред. В.А. Чантурия. — М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2008. — 283 с.

2. Твердотельный прерыватель тока для генерирования мощных наносекундных импульсов / Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н и др. // ДАН. — 1993. — т. 330. — №

3. — С. 315—317.

3. SOS-эффект: наносекундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках / Дарзнек С.А., Котов Ю.А., Месяц Г.А. и др. // ДАН. — 1994. — т. 334. — № 3. — С. 304-306.

4. Nanosecond-discharge-assisted selective separation of fine inclusion not involved in impurity lattice / Filatov A.L., Kotov Y.A., Ko-rezhnevsci S.R., Motovilov V.A., Jakovlev V.L., Korykin B.M., Boriskov F.F.// Materials 11 IEEE International Pulse Power Conference (USA, Maryland, 1997, June 29 — July 2). —

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Baltimore: S.n., 1997. — Vol. 2. — P. 1103 — 1105.

5. Комплексная переработка пиритовых отходов горно-обогатительных комбинатов наносекундными импульсными воздействиями / Ю.А. Котов, Г.А. Месяц, А.Ё. Филатов, Б.М. Корюкин, Ф.Ф. Борисков и др. // ДАН. — 2000. — т. 372. — № 5. — С. 654656.

6. Патент РФ № 2150326, 7 В 02 С 19/18. Способ и установка для селективного раскрытия тонких включений из твердого материала / Ю.А. Котов, С.Р. Корже-невский, В. А. Мотовилов, А.Ё. Филатов, Б.М. Корюкин, Ф.Ф. Борисков; заявитель и патентообладатель Институт электрофизики УрО РАН //№ 98117879 /03, заявл. 1998, опубл. 2000. — БИ. — № 16. — С. 269.

7. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект // М. — Ё.: Машгиз, 1955. — 52 с.

8. Селективное разрушение минералов / В.И. Ревнивцев, Г.В. Гапонов, Ё.П. Заро-гатский и др. // М.: Недра, 1988. — 286 с.

9. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощнык электромагнитных импульсов / Чантурия В.А., Гуляев Ю.В., Лунин В.Д. и др. // ДАН. — 1999. — Т. 366. — № 5. — С. 680-683.

10. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород: Справочное пособие / Протодьяконов М.М., Тедер Р.И., Ильницкая Е.И. и др. — М.: Недра, 1981. — 240 с.

11. Брокгауз и Эфрон. Малый энциклопедический словарь. — С. 47. — Порядковый номер № 936.

12. Чантурия В.А.,Чаплыгин H.H., Ви-гдергауз В.Е. Ресурсосберегающие технологии переработки минерального сырья и охрана окружающей среды // Прогрессивные

технологии комплексной переработки минерального сырья / Под ред. В.А. Чантурия. — М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2008. — 283 с.

13. Наночастицы в процессах разрушения и вскрытия геоматериалов / В. А. Чантурия, К.Н. Трубецкой, С.Д. Викторов и др. // М. — 2006. — 216 с.

14. Борисков Ф.Ф. Интенсификация процессов переработки минерального сырья воздействием наносекундных импульсов гидравлических ударов // М.: Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2008. — № 7. — С. 257— 264.

15. Некрасов Б. В. Учебник общей химии. — М.: Химия. — 1981. — 400 с. ГГТТ?

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Борисков Федор Федорович. — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник,

Аленичев Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор, действительный член АГН, главный научный сотрудник, [email protected], Институт горного дела Уральского отделения РАН.

ГОРНАЯ КНИГА -

Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород

Ю.О. Кузьмин, В.С. Жуков 2012 год 264 с.

ISBN: 978-5-98672-327-3

UDK: 551.24: 551.243:550.342: 553:.98:622.1:622.83

Обосновано существование нового класса современных геодинамических процессов в зонах разломов — параметрически индуцированных суперинтенсивных деформаций (СД) земной поверхности. Показано, что наличие СД-процессов в платформенных, асейсмичных регионах диктует необходимость перехода от понятия «активный разлом» к понятию «опасный разлом» и радикальной коррекции нормативов, регламентирующих эколого-промышленную безопасность. Впервые проведено лабораторное моделирование деформационных процессов в условиях искусственно созданного «геодинамического полигона» на образцах горных пород. Получена уникальная информация о динамике физических свойств горных пород в условиях длительно действующих (порядка 1 года) квазистатических нагрузок. Осуществлены эксперименты, имитирующие процесс разработки месторождений нефти или газа.

1

L

г1

S

htTVt-f

— да А»*«

Ы ОЖИМШШ

¡2 тщшлмим,

и влтлшш

ФИЧИЧКСКИХ

спопгт

imrwx 1имчи1