CC BY
112
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И ОТХОДОВ
УДК 622.7'17-9:658.511
Медяник Н.Л., Калугина Н.Л., Варламова И.А., Строкань А.М.
МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ РЕСУРСОВОСПРОИЗВОДЯЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННОГО ГИДРОМИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
При добыче и переработке руд медно-колчеданных месторождений Южного Урала образуются значительные, достигающие 4-106м3/сут, объёмы минерализованных подотвальных, рудничных, карьерных, шахтных и сточных вод, характеризующихся аномально высоким содержанием ценных компонентов, приоритетными из которых являются цинк (от 220-653 до 9734 мг/дм3), медь (П) (от 75-644 до 1884 мг/дм3), марганец (от 25-187 до 960 мг/дм3) и железо (II, III) (от 308-760 до 18560 мг/дм3). Эти воды, безусловно, оказывают сильное экотоксичное воздействие на подземные и поверхностные водные системы районов недропользования [1].
В формировании состава такого вида техногенного гидроминерального сырья, как подотвальные, рудничные, карьерные и шахтные воды главная роль принадлежит процессам окисления и гидролиза минералов, поэтому основными компонентами этих вод являются сульфаты и хлориды тяжелых металлов (меди, цинка, марганца, железа и др.). Вынос рудничными водами значительных количеств ценных химических элементов продолжается и после завершения эксплуатации месторождения в течение десятков и даже сотен лет.
В работах отечественных и зарубежных исследователей доказано, что техногенное гидроминеральное сырьё относится к конкурентоспособным перспективным минеральным ресурсам, переработка которых с использованием инновационных технологий позволит получить значительный технико-экономический и экологический эффекты, что соответствует новому уровню требований, предъявляемых к современному горнообогатительному производству. Однако проблема извлечения и селективного разделения металлов, присутствующих в техногенных водах, до конца не решена и весьма актуальна. Методология создания ресурсовоспроизводящих технологий переработки техногенного гидроминерального сырья не разработана.
На основании проведенного анализа современно -го состояния проблемы извлечения и селективного разделения металлов из техногенного гидр о минерального сырья можно сделать вывод о том, что одним из перспективных методов глубокой переработки металлсодержащих вод является флотация. Метод характеризуется высокой производительностью, эффективностью, экономичностью и простотой техноло-
гических операций. Флотация может применяться как в качестве основной операции при переработке техногенных вод, так и в сочетании с другими методами -цементацией, гальвано коагуляцией, экстракцией и химическим осаждением [2].
Очевидным является тот факт, что создание ресурсовоспроизводящих технологий переработки техногенного гидроминерального сырья невозможно без предварительно проведенных фундаментальных исследований квантово-химических, физико-химических и технологических свойств как самих извлекаемых ценных компонентов (тяжелых металлов), так и извлекающих агентов (осадителей, реагентов-собирателей, пенообразователей, окислителей и т.п.) без изучения механизма процессов извлечения (осаждения, коагуляции, флокуляции, окисления, флотации и электрофлотации), без управления эффективностью процесса извлечения с помощью направленного выбора реагентов-собирателей, т.е. без разработки методологии создания ресурсовоспроизводящих технологий.
Разработанная нами методология создания ресурсовоспроизводящих технологий переработки гидроминерального сырья, образующегося в процессе деятельности горно-обогатительных комбинатов, состоит из четырёх взаимосвязанных уровней: информационно-аналитического, инструментального, технологического и эколого-экономического. Она отражает многоступенчатую со подчиненность и взаимосвязь научных обобщений различных этапов, объектов и методов исследований.
Важной особенностью методологии является использование принципа «струкгура-свойство/акгив-ность-свойство» при создании ресурсовоспроизводящих технологий переработки гидр о минерально го сырья. Принцип «струкгура-свойство/акгивность-свойст-во» относительно флотационных систем можно сформулировать следующим образом: молекулярные структуры соединений реагентов должны содержать активные реакционные центры и проявлять определённые свойства по отношению к извлекаемым ценным компонентам, которые, в свою очередь, имеют структуру и обладают свойствами, усиливающими избирательное воздействие применяемых реагентов во флотационных системах
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2011. № 1
Блок-схема методологии создания ресурсовоспроизводящих комплексных технологий переработки тдроминерального сырья
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И ОТХОДОВ
Информационно-аналитический уровень предлагаемой методологии включает в себя получение фундаментальных представлений о важнейших направлениях ресурсо-экологической политики в области управления гидротехногенным сырьем. Он состоит из шести информативных блоков (см. рисунок). Анализ состава гидр о минеральных ресурсов позволяет выявить приоритетные компоненты и сформулировать цели и задачи исследования по их селективному извлечению. Дальнейший анализ научно-технической и патентной литературы приводит к получению информации о методах проведения исследования, о способах и механизмах извлечения приоритетных ком -понентов из данного вида гидроминерального сырья, о требованиях к качеству продуктов его переработки. На основании комплекса полученной информации проводится корректировка целей и задач выполняемого исследования и выявляется возможность использования известных технологических решений для извлечения приоритетных компонентов из данного вида гидроминерального сырья.
Если возможность использования известных технологических решений для селективного извлечения приоритетных
да
то
компонентов установлена дальнейшие исследования перемещаются на технологический уровень в блок Апробация и внедрение тех-
нологических решении . Если возможность использования известных технологических решений для селективного извлечения приоритетных компонентов не установлена нет , то дальнейшее исследование целе-сообразно проводить на следующем уровне методологии - инструментальном.
Исследования на инструментальном уровне методологии основаны на принципе «структура-свойст-во/акгивность-свойство» и включают комплекс современных методов количественного анализа, гарантирующих надежность и достоверность полученных результатов, а также методов квантово-химического и фрактального моделирования, позволяющих научно обосновать способы переработки данного вида гидроминеральных ресурсов и образующихся вторичных продуктов.
На этом же уровне методологии формируется научное обоснование комплекса способов переработки данного вида гидроминерального сырья, являющихся основой для создания ресурсовоспроизводящей комплексной технологии извлечения приоритетных ком -понентов из данного вида гидроминерального сырья. Этот уровень включает в себя шесть ведущих блоков:
1. Блок физико-химических и квантово-химических исследований извлекаемых компонентов и продуктов переработки гидроминерального сырья, направленных на получение информации о функциональных свойствах
- субстратов-коллигендов (о формах их нахождения в перерабатываемом техногенном гидроминеральном сырье, их специфических химических и технологических свойствах);
- сублатов флотационных систем (об их структурно-химическом составе и возможности их дальнейшей переработки в качестве кондици-онных товарных продуктов);
- кондиционных товарных продуктов (об их компонентном и гранулометрическом составе, о реологических свойствах, определяющих направления их дальнейшего использования).
Результаты этих исследований являются основой как для выбора комплекса методов переработки данного вида гидр о минеральных ресурсов и способов реутилизации полученных вторичных продуктов, так и для корректировки целей и задач исследования.
2. Блок изучения химии процесса образования гидролитических осадков с целью выяснения условий селективного выделения приоритетных компонентов из данного вида гидроминеральных ресурсов методами кислотно-основного или окислительно-восстановительного химического осаждения (в зависимости от природы извлекаемого компонента).
Результаты исследований, полученные в данном блоке, являются также базой для дальнейшего последовательного рассмотрения физико-химических аспектов коагуляции, элекгрофлотации и флокуляции образующейся твердой дисперсной фазы и проведения оценки ее фрактального состава. Кроме того, прослеживается явная соподчиненность и взаимосвязь блока 2 с блоком 5 «Изучение особенностей флотационного извлечения приоритетных компонентов».
3. Блок исследования физико-химических аспектов электрокоагуляции, коагуляции и флокуляции, таких как кинетика процессов, порядок введения реагентов, их массовые соотношения, взаимное влияние компонентов матрицы технологических растворов, оценка коагулирующего и флокулирующего эффектов при различных значениях pH в процессе нейтрализации, а также влияние плотности тока, подаваемого на электроды в случае электрокоагуляции, ориентирован на создание условий получения осадков, пригодных для дальнейшей реутилизации.
Анализ результатов исследований, проведенных в блоках 2, 3 инструментального уровня, используется при разработке ресурсовоспроизводящей комплексной технологии переработки гидротехногенного сырья.
4. Блок оценки фрактального состава твердой фазы - продукта химического осаждения - на основании фрактальных моделей, полученных с помощью разработанной программы «8Ыат», позволяет на технологическом уровне выбрать направление реутилизации полученныхвторичных продуктов.
5. Блок изучения особенностей флотационного извлечения приоритетных компонентов из данного вида гидроминерального сырья - либо с использованием реагентов-окислителей и последующей электрофлотацией , либо с подобранными реагентами-собирателями при ионной флотации.
6. Блок выбора перспективных реагентов-собирателей для извлечения приоритетных компонентов методом ионной флотации на основе квантовохимического поджда является одним из важнейших, так как способствует эффективному управлению флотационным процессом с помощью направленного выбора реагентов-собирателей с заранее заданными свойствами, через реализацию принципа «струкгура-свойство/активность-свойство». Состав и свойства
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ И ОТХОДОВ
подобранного реагента-собирателя должны соответствовать определенному набору молекулярных дескрипторов, что обеспечивает его высокую эффективность и селективность в процессе ионной флотации. Кроме того, реагент-собиратель должен обладать определёнными функциональными свойствами (эргономическими, эксплуатационными, коммерческими).
Результаты исследований, выполненных в данном блоке, используются на технологическом уровне при синтезе или подборе эффективных реагентов-собирателей, используемых в созданной комплексной ресурсовоспроизводящей технологии.
Основная функция технологического уровня - разработка того или иного вида комплексной ресурсовоспроизводящей технологии извлечения приоритетных компонентов из данного гидроминерального сырья на основании результатов, полученных на информационно-аналитическом и инструментальном уровнях
Если на инструментальном уровне установлено, что условия для эффективного извлечения ценных компонентов достигаются в процессе нейтрализации техногенных кислых вод, то перспективна разработка ресурсовоспроизводящей комплексной технологии с извлечением субстрата-коллигенда методом ионной флотации с использованием реагентов-собирателей, структура которых должна обладать высокими значениями основных дескрипторов индекса реакционной способности - абсолютной жёсткости, химического потенциала, глобальной и локальной электрофильно-сти активных центров комплексообразования, высокой энергией стабилизации полем лигандов и др. [3]. При этом оставшиеся в твердой фазе компоненты (вторичные продукты переработки) реализуются в конечном итоге в закладочные строительные смеси.
Если на инструментальном уровне установлено, что условия для эффективного извлечения ценных компонентов достигаются в процессе окислительновосстановительного осаждения, то перспективна разработка ресурсовоспроизводящей комплексной технологии с извлечением субстрата-коллигенда методом электрофлотации.
Основными компонентами структуры технологического уровня являются два вида комплексных технологий переработки техногенных гидроминеральных ресурсов - на основе ионной флотации и на основе электрофлотации.
Разработка комплексной технологии на основе ионной флэтации включает два взаимосвязанных блока для проведения селективной ионной флотации: Блок синтеза эффективных реагентов-собирателей [4] и связанный с ним Блок разработки ТУ на реагенты-собиратели, к которому переждят после положительных результатов апробации и внедрения технологическихрешений.
Эффективная реализация электрохимических методов в промышленных условиях невозможна без организации энергосберегающих мероприятий, в том числе совершен -ствования конструкционных элементов и подбора оптимального материала электродов аппарата с целью интенсификации процесса. Вот почему на технологическом уровне при создании комплексной технологии на основе электрофлотации использован Блок разработки
конструкции и подбора материала электродов [5].
Центральным блоком технологического уровня является Блок апробации и внедрения разработанных технологических решений.
Реализация разработанных технологических решений приведет в дальнейшем к необходимости разработки ТУ на вторичные про/укгы ионной флотации и электрофлотации с целью их реутилизации, к разработке способов регенерации флотационных реагентов и возврата очищенной воды в оборотное водоснабжение или сброса ее нарельеф. Поэтому технологическийуровгпъ разработанной методологии включает такие блоки, как:
- Блок разработки ТУ на вторичные продукты;
- Блок реутилизации полученных вторичных продуктов;
- Блок возврата воды в оборотное водоснабжение или сброса ее на рельеф.
Для подтверждения экономической и экологической обоснованности разработанных технологических решений на эколого-экономическом уровне проводятся:
Технико-экономическая оценка эффективности разработанной ресурсовоспроизводящей комплексной технологии извлечения приоритетных компонентов из данного вида гидроминеральныхресурсов.
Экономический расчет предотвращенного экологического ущерба.
Расчет экономического эффекта от реутилизации вторичных продуктов.
Предложенная авторами многоуровневая методология прошла успешную апробацию в условиях горно-обогатительных предприятий медного комплекса Уральского региона.
Разработанный авторами методологический под-жд позволяет создавать новые научно обоснованные экологически безопасные комплексные ресурсосберегающие технологии переработки гидроминерального сырья, оптимизировать и интенсифицировать технологические процессы на горно-обогатительных предприятиях, повышая их экономическую эффективность и конкурентоспособность.
Список литературы
1. Медяник Н.Л., Гиревая Х.Я. Извлечение ионов меди из сточных вод с помощью осадитепей-восстановителей // Вестник МПУ им. Г.И. Носова. 2007. № 1. С. 113-114.
2. Вьбор высокоэффективных реагентов для флотационного извпе-ченияионов меди (II) и цинка из техногенных тдроминерапьных ресурсов / МедяшкН.Л. ВарпамсваИА, КапутнаН.Л., ГиреваяХЯ. // Вестник Иркутского гос. техн ун-та 2010. № 3(43). С. 91-96.
3. Медяник Н.Л. Количественная оценка активности собирателей для флотационного извлечения катионов цветных метал -лов из техногенных рудничных вод // Обогащение полезных ископаемых: сб. науч. трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка - 2009» / под общ. ред. В.М. Аедскина. М.: Горная книга, 2009. № 0814. С. 210-215.
4. Паг. 2359920 РФ. Способ очистки сточных вод от ионовтяжё-лых металлов / Медяник Н.Л., Шадрунова И.В., Гиревая Х.Я., СтроканьА.М. (РФ).
5. Паг. на полезную модель 97123 РФ. Аппарат для электрски-мической очистки водных растворов / МедяникН.Л., Мишури-на O.A. (РФ).
Bibliography
1. Medyanik N.L., Girewaya H.Y. Copper ions recovery out of waste water using precipitating - reducing agent // Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. 2007. № 1. P. 113-114.
2. Selection of high-performance agents for flotation recovery of copper (If) and zinc ions out of industrial hydro mineral resources / Medyanik N.L., Varlamova I.A., Kalugina H.L., Girewaya H.Y. // Bulletin of Irkutsk state technical university. 2010. № 3 (43). P. 91-96.
3. Medyanik N.L. Quantitative assessment of precipitators activity for
flotation recovery of non-ferrous metals cations out of mine waste waters // Mineral dressing: Collection of scientific papers presented at the symposium «Miner Week - 2009» / Under the editorship of V.M. Avdohin. M.: Mining Book. 2009. № 0814. P. 210-215.
4. Patent 2359920 of the Russian Federation. The Way of Waste Water Refining of Ions of Heavy Metals / Medyanik N.L., Shad-runova I.V., Girewaya H.Y., Strokan A.M.
5. The patent for useful model 97123 of the Russian Federation. Device for electrochemical clearing of water solutions / Medyanik N.L., Mishurina O.A.
УДК 622.271.75: 622:882
Мельников И.Т., КутлубаевИ.М., СуровА.И., Мельников И.И., Васильев К.П.,
Плотников Д.П., Шевцов Н. С.
РАЗРАБОТКАМЕТОДИКИОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАМЫВНЫХ ХВОСТОХРАНИЛИЩ И ОТВАЛОВ ВСКРЫШИ
К концу прошлого века на каждого жителя планеты ежегодно приходилось 45 т разнообразного сырья, из которого не более 2% преврашдется в полезный продукт, а остальное возврашдются окружающей природе в виде отвалов вмещающих пород, шлаков металлургического производства, золохранилищ, шламо- и хвосто хранилищ, отждов химической промышленности. Формируются так называемые горнотехнические техногенные сооружения, для размещения которых ежегодно безвозвратно отторгаются миллионы гектаров земель [1].
Динамика работы 15 железорудных ГОКов России, Украины и Казахстана с годовой производительностью по сырой руде более 10 млн. т в период с 1970 по 2009 годы приведена на рис. 1. Период с 1990 по 2000 годы характеризуется переждом от плановой экономики к рыночной, переделом собственности и падением обьё-
мов добычи железной руды. Планируеммые во второй декаде III тысячелетия ввод в эксплуатацию Приосколь-ского месторождения, увеличение производственных мощностей Качкаканарского, Бакальского, Лебединского и освоенияе месторождений Чинейской железорудной провинции Забайкалья (Этырко и Магнитное) позволи прогнозировать годовой объём добычи сырой руды к 2020 году на предприятиях СНГ до 450-500 млн т, товарной руды 150-170 млнт, выжд хвостов обогащения до 300-330 млнт. Начавшийся подъём экономики был прерван мировым финансовым кризисом, который разразился в конце 2008 года и приостановил реализацию многих проектов. В 2009 году произошлэ снижение объёмов добычи железной руды - основы металлургического сектора экономики, уменьшение инвестиций в создание наукоградов и проведение достойной социальной политики (см. рис. 1).
К 2020 году можно прогнозировать увеличение объёмов добычи сырой руды до 400 млн т в год выход хвостов до 250 млн т и товарной руды до 140-150 млнт. Динамика развития железорудной горнодобывающей промышленности, несмотря на влияние макроэкономических факторов, позволяет предполагать, что ежегодная интенсивность прироста добычи сырой руды, выхода хвостов и получения концентрата будет составлять соответственно более 3, 2 и 1 млн т.
В настоящее же время среднее содержание железа в добываемом сырье на большинстве горно-обогатительных комбинатах (ГОКах) колеблется в пределах 16-45%, а содержание железа в товарной руде возрастает и на
Рис. 1. Динамика добычи сырой железной руды, выхода товарной руды и хвостов на ГОКах России, Украины и Казахстана
