CC BY
17
- © В.И. Голик, В.И. Комащенко,
С.Г. Страданченко, С.А. Масленников, 2012
УЛК 504.55.054:662 (470.6)
B.И. Голик, В.И. Комащенко, С.Г. Страданченко,
C.А. Масленников
МЕХАНО-ХИМИКО-АКТИВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ СКАЛЬНЫХ РУЛ*
Описаны механизм и параметры активации процессов извлечения металлов традиционными и новыми технологиями. Раскрыта сущность технологии вскрытия минералов комплексным механо-химико-активационным воздействием. Показано принципиальное отличие этой технологии от традиционной технологии: изменение фазового состояния металла в форме перехода из нерастворимого состояния в растворимое. Приведены сведения об энергии активации воздействием механической энергии высоких порядков в дезинтеграторной установке. Кратко изложены результаты исследований авторов, в частности, извлечение из некондиционного сырья до 80 % ранее омертвленных металлов.
Ключевые слова: активация процессов, извлечение металлов, технологии обогащения, вскрытие минералов, механо-химико-активация, фазовое состояние металла, энергия активации, дезинтегратор, некондиционное сырье.
При решении проблем извлечения металлов из рудных минералов определяющим фактором эффективности технологии является механизм и параметры активации процессов извлечения.
В настоящее время выделяют три направления обогащения:
• традиционная технология с использованием механической и частично химической энергии;
• относительно новая технология с использованием химической энергии;
• новейшая технология с использованием механической и химической энергии в сочетании с энергией активации.
Традиционные способы обогащения полезных ископаемых представляют собой совокупность процессов переработки с разделением минералов
без изменения их химического состава, структуры или агрегатного состояния и различаются кинетикой раскрытия руд, в основе которой лежит разрушение минералов с образованием новой активной поверхности. Основу традиционных обогатительных процессов составляют, базирующиеся на рациональном использовании природных или технологически созданных различий в свойствах минералов, операции разделения и концентрирования компонентов без изменения фазового состояния. Степень раскрытия руд в процессе подготовки изменяется в широких пределах — от 50 до 80 %.
Недостаток традиционной технологии обогащения руд: потеря ценных компонентов в хвостах переработки (рис. 1) [1].
* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Министерства образования и науки Российской Федерации: Государственный контракт № 16.515.11.5039 «Разработка безотходных экологически безопасных способов добычи и переработки руд месторождений Северного Кавказа на основе комбинирования традиционных и инновационных технологий».
Обьдот ралрцпотки
Богатые ['ЯДОП1.К', бедные и
рулы {абилинюпыс руды
Очистная
выемка
Рядоаия
^Сортмровкп
[ (ХхнтцстУе
■ин ^руди
Порол ими отнт_
41
1
X нос I:.:
1ЮОГЩ1Кч11ИЯ
... г:у :м И'АЧ-кии ■
[ОТРЛМП продух г
\весты ъ|стз*ялургы1
Рис. 1. Традиционная схема обогащения металлических руд
Традиционные технологии обогащения позволяют вскрыть для дальнейшего передела не более 70 % добытого минерального сырья, а не подлежащие вскрытию минералы представляют собой сырье для извлечения металлов нетрадициоными технологиями [2].
Выщелачивание металлов из руд имеет перспективы развития при комплексировании возможностей механической и химической компонент в рамках единого процесса.
С учетом этого генеральным критерием эффективности обогащения с использованием химической энергии является разделение минералов на отдельности с размерами, обеспечивающими равномерное и эффективное проникновение выщелачивающих реагентов не только в приповерхностные слои куска, но и вглубь [3].
Основными свойствами технологий выщелачивания металлов являются:
• необходимость дезинтеграции минерального сырья с экономически приемлемыми затратами;
• уменьшение эффективности извлечения металлов из сырья при достижении куском больших или значительно меньших размеров по сравнению с оптимальными для процесса выщелачивания;
• разделение извлеченных из недр минералов на пригодную к выщелачиванию массу и некондиционную массу по химическим свойствам.
Новизну технологии с выщелачиванием составляет вскрытие минеральной отдельности комплексным механо-химико- активаци-онным воздействием.
Принципиальное отличие этой технологии от традиционной технологии состоит в изменении фазового состояния металла: переход из нерастворимого состояния в растворимое.
Увеличение активности реагентов сопровождается ростом производительности и уменьшением продолжительности процесса выщелачивания. Также существенное увеличение скорости выщелачивания (в 2—3 раза) может быть достигнуто повышением температуры раствора на 20-30 %.
Теоретически при увеличении содержания металла от Рх до р2 извлечение металла в раствор в фиксированное время Т1 возрастает:
в;=в,/в „,
где в \ — преобразованное значение содержания металла; в 1 — содержание металла в конкретной г -й точке; в м — содержание металла в минерале.
В случае ламинарного течения жидкости сквозь слой минерала, влияние крупности частиц ^ на
ср
скорость движения жидкости описывается уравнением Гагена-Пуазейля:
я = (в к а э2др т)/(32цлсл), где q — количество жидкости, прошедшее через слой частиц заключенный в пространственной фигуре с се-
чением 1 м ; - площадь эффективного сечения пор на 1 м2 поверхности фильтрования; ёэ — эквивалентный диаметр пор; Т — время просачивания раствора.
Размер пор и удельная поверхность частиц связаны между собой зависимостью:
6 3 = 4е / [5 0 (1 -е)],
где е — пористость слоя материала, численно равная . 50 — удельная поверхность частиц слоя; ¡1 — динамическая вязкость просачивающейся жидкости; Ьсп. — высота слоя осадка; дР — статический напор жидкости в слое.
Количество жидкости, просочившееся сквозь слой обрабатываемого материала за время т на площади Бк
обратно пропорционально квадрату удельной поверхности материала. Сопротивление слоя частиц обрабатываемого материала зависит от удельной поверхности частиц Б0, от площади эффективного сечения пор на 1 м2 поверхности фильтрования, и коэффициента кх, характеризующего соотношение пространств между частицами.
В случае лежалых руд это соотношение характеризуется коэффициентом разрыхления (рис. 2).
Общая удельная поверхность продукта Бо находится суммированием по классам:
5о = иБН5/Щу1/д1+у2/<12+ ....+Уп/<1п), где для N одноразмерных частиц 1-го узкого класса:
5. = 6ё2 N = 6у / 8ё
Пропускная способность слоя определяется наличием мелких минеральных фракций, присутствие которых приводит к закупориванию промежутков между частицами и создает
препятствия для продвижения жидкости. Аналогичен эффект присутствия в руде глины.
Кольматация промежутков между частицами минералов снижает скорость фильтрации:
Ш = А(Nп - пд),
где Ж — скорость фильтрования, отнесенная к 1 м2 поверхности слоя материала; Ып — количество пор; ц
— количество фильтрата; п — число твердых частиц в единице объема суспензии.
Условием реализации процессов является проникновение реагента вглубь частицы и наличие необходимого времени для изменения фазового состояния минерала. Критерием эффективности процесса является растворимость металла или функция концентрации в растворителе активного агента.
Металл растворяется после разрушения кристаллических решеток акцессорных минералов и раскрытия образующих сростков. Наиболее быстро растворение металла протекает в присутствии сильных окислителей: двуокиси марганца, кислорода, окиси железа и меди. Растворение металла, содержащегося в колчедановых породах, происходит под действием сульфата окисленного железа, а выпадение его из таких растворов — при их встрече с сульфидными породами. Наиболее интенсивное окисление пи-ритов и пирротинов протекает при рН = 5,5 и БЬ =0,8В.
В зависимости от показателей рН и ЕЬ среды, выщелачивание развивается по схеме:
52 ^ 50 ^ 82О2~ ^ Бх02у~ ^ Ях02~
4
Успех выщелачивания определяется окислительным потенциалом среды или возможностью перехода определенного количества электронов от до-
0,95
0,90
0,85
1,5 1,6 1,7
Рис. 2. Зависимость скорости движения растворов, м/мин. (ось «у») от разрыхления материала (ось «х»)
нора, которым служит сера к акцептору — атому, принимающему электроны (окислителю).
При взаимодействии сульфидов с кислотами образуются растворимые сульфаты с переводом в раствор меди, цинка, железа и т.д. в форме СиБ04, 2пБ04, РеБ04 и т.д.
При нейтрализации растворов металлы выпадают в осадок:
МеБ04 + №2БОз = МеСОз + №£Б04
МеБ04 + Н2О + №2БОЗ = Ме(0Н)2 +
+ СО2 + №2Б04
При этом в растворе остается сернокислый натрий, который является вяжущим и может быть использован в строительной индустрии.
Существенное увеличение извлечения металлов обеспечивается при использовании нового вида энергии в дополнение к ранее известным компонентам технологии: температура и давление, механическое или химическое диспергирование и катализ.
Эта энергия получила название активация воздействием механической энергии высоких порядков. Рабочим органом возникновения энергии является активатор или дезинтегратор. При активации в дезинтеграторе в веществе аккумулируется энергия. Влияние активации материала на его
активность не остается постоянным после прекращения механической обработки, а убывает во времени по экспоненте.
За счёт механической обработки с перегрузками до четырехсот миллионов ускорений свободного падения в минерале накапливается энергия особого вида. В процессе механической активации система подвергается скачкообразным изменениям нагрузки. В дезинтеграторе достигаются во много раз большие импульсные мощности и частоты, чем при обработке материала в применяемых при традиционной технологии мельницах.
Дезинтегратор — машина для механической переработки хрупких минералов, состоящая из двух вращающихся в противоположные стороны роторов, насаженных на отдельные соосные валы и заключённых в кожух (рис. 3).
Материал в роторе подвергается многократным ударам пальцев, вращающихся со скоростью 500—1000 об/мин во встречных направлениях. Крупность загружаемого в дезинтегратор материала обычно 60—90 мм, а измельчённого продукта до 0,1 мм.
Раскрытие активности крупных частиц и повышение активности до 40 % по сравнению с базовым, определяется по приращению качества извлечения металлов из минерального сырья, полученного в процессе активации [5].
В продуктах дезинтеграторной переработки фракция частиц крупнее 125-400 мкм и фракции менее 5 мкм сравнительно мала. Значения удельных поверхностей одно — и двукратного измельчения в дезинтеграторе различаются в 1,4 раза. Сущность активации в том, что ослабление внутри — и межмолекулярных связей делает минерал склонным к изменениям свойств в течение технологических процессов.
б
Рис. 3. Принципиальная схема дезинтегратора: а — принцип работы; б — силы, действующие в рабочем органе
Результаты проведенных авторами исследований позволили сделать следующие выводы:
1. Комбинированная механо-хи-мико-активационная технология переработки минералов одновременно создает активные рабочие плоскости и ослабляет внутри- и межмолекулярные связи в минеральной частице.
2. Для эффективной реализации технологии обязательна возможность разделения минералов на доступные для проникновения реагентов частицы.
3. Доля выхода из дезинтегратора активного класса частиц (0, 076 мм) к количеству переработанной минеральной массы составляет до 40 %.
4. Технология позволяет производить продукцию не менее чем на 30 % дешевле и с 30-процентной экономией энергии по сравнению с базовой.
Основное отличие механо-химико-актитвационной технологии состоит в том, что в рабочую камеру дезинтегратора подается реагент, извлечение металлов в раствор происходит одновременно с дезинтеграцией минералов, а выщелачивающий раствор запрессовывается в трещины от деформации частиц. Минеральное сырье может также выщелачиваться вне дезинтегратора, после активации.
Условием реализации физико-химических процессов является создание в минерале электрически неравновесных ослабленных центров, в рамках которых развиваются процессы выщелачивания.
Основу физико-химических процессов составляют комбинирование операций разделения и концентрирования скальных минералов и химического воздействия на них. К условию управления количеством и качеством электрической активности возникающих в материалах точечных дефектов добавляется условие достаточности времени для завершения химических реакций растворения металлов. Конструкция дезинтегратора дополняется устройствами для подачи рабочих растворов и приемки их.
Механо-химико-активационное выщелачивание позволяет извлекать из некондиционного сырья до 80 % металлов, а при неоднократном пропуске через установку содержание металлов может быть доведено до допустимого санитарными нормами.
Нами определено, что активация сырья в дезинтеграторе с последующим выщелачиванием вне его по сравнению с агитационным выщелачиванием увеличивает извлечение: из хвостов обогащения — по свинцу — в 1,4 раза, по цинку — в 1,2 раза; из
а
забалансовой руды — по свинцу — в 1,6 раза, по цинку — в 2,0 раза.
Механо-химико-активация в дезинтеграторе одновременно с выщелачиванием по сравнению с вариантом раздельной активации и выщелачивания увеличивает извлечение на величину в первые проценты. Продолжительность агитационного выщелачивания составляет 15 — 60 минут, т.е. на 2 порядка больше времени выщелачивания с одновременной дезинтеграцией, которое составляет первые секунды.
Наибольшее влияние на извлечение металлов в раствор оказывает содержание в выщелачивающем растворе реагента. Далее, в порядке убывания степени влияния, следуют частота вращения роторов дезинтегратора и число циклов пропускания выщелачиваемой пульпы через дезинтегратор или соотношение Ж:Т.
1. Воробьев А.Е., Голик В.И., Лобанов Д.П. Приоритетные пути развития горнодобывающего и перерабатывающего комплекса Северо-Кавказского региона. - Владикавказ. Рухс. 1998. - 360 с.
2. Голик В.И., Страланченко С.Г., Масленников С.А. Экспериментальное обоснование возможности утилизации хвостов обогащения руд цветных металлов. Цветная металлургия. - М., 2011. - №3.
Средние значения содержания свинца и цинка в продуктивных растворах близки к максимальным и практически совпадают:
• при агитационном выщелачивании хвостов и руды;
• при агитационном выщелачивании хвостов или руды, предварительно подвергнутых активации в дезинтеграторе совместно с выщелачивающими растворами;
• при выщелачивании хвостов или руды при активации в ходе многократного пропускания вместе с выщелачивающими растворами через дезинтегратор.
Фазовое состояние металла изменяется под воздействием химической энергии: нерастворимые ранее металлы становятся растворимыми и переходят в раствор в течение времени на два порядка меньшем, чем при простом выщелачивании [4].
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Бубнов В.К., Голик В.И., Капканши-ков A.M. и др. Актуальные вопросы добычи цветных, редких и благородных металлов. -Акмола, 1995. - 601 с.
4. Голик В.И., Алборов И.Д., Цгоев Т.Ф. Охрана окружающей среды утилизацией отходов горного производства. УМО ВУЗов. - Владикавказ. - 2010. -290 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Голик Влалимир Иванович — доктор технических наук, профессор, е-шаИ: v.i.golik@mail.ru, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт,
Масленников Станислав Алексанлрович — кандидат технических наук, доцент, е-шаП: MaslennikovSA@mail.ru,
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
Комашенко Виталий Иванович — доктор технических наук, профессор,
Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина,
Страланченко Сергей Георгиевич — доктор технических наук, профессор, проректор по
заочному и дистанционному образованию, е-шаП: ssg72@mail.ru,
Южно-Российский университет экономики и сервиса.
