CC BY
18DOI: 10.24411/2619-0761-2018-10028
ПЕРСПЕКТИВЫ БЕЗОТХОДНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ РУД
Дмитрак Юрий Витальевич - доктор технических наук, профессор, ректор, СевероКавказский государственный технологический университет, dmitrak@yandex.ru
Габараев Олег Знаурович - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Горное дело», Северо-Кавказский государственный технологический университет, gabaraev59@mail.ru
Разоренов Юрий Иванович - доктор технических наук, профессор, проректор, ЮжноРоссийский государственный технологический университет, yiri1963@mail.ru
Качурин Николай Михайлович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Тульский государственный университет, ecology tsu tula@ mail.ru
Аннотация: в статье рассмотрена проблема безотходной утилизации хвостов обогащения металлических руд путем разработки технологии безотходного возвращения хвостов в сферу производства. Представлены результаты теоретического и экспериментального обоснования возможности и целесообразности утилизации хвостов переработки металлических руд после извлечения из них оставшихся металлов по механохимической технологии. Сформулирована концепция использования в одном технологическом процессе двух видов энергии: механической и химической. Приведены результаты сравнения показателей базовых вариантов агитационного выщелачивания с вариантами выщелачивания в дезинтеграторе. Даны параметры извлечения металлов серной кислотой в дезинтеграторе. Показано, что обработка в дезинтеграторе вместе с извлечением металлов повышает вяжущие способности изготовленных на основе хвостов бетонов. Сделан вывод, что путем механохимической активации в аппаратах типа дезинтегратор можно извлекать металлы из хвостов обогащения до того значения, которое позволяет использовать их без ограничения по санитарным условиям, что открывает неограниченные возможности производить новые товарные материалы.
Ключевые слова: хвосты обогащения, металлические руды, безотходность, выщелачивание металлов, механохимическая технология, дезинтегратор, товарные материалы.
Введение.
основе хозяйственной
деятельности человека лежит использование природных ресурсов. В России используется всего 8...10 % объема добытого минерального металлического сырья, а остальные теряются, поступая в окружающую среду в виде газообразных, жидких и твердых отходов, загрязняющих окружающую природную среду [1...4].
Экономические и демографические изменения в странах мира увеличивают номенклатуру и объем используемых материалов и побуждают искать новые источники их получения, одним из которых является утилизация отходов производства, хранение которых оказывает негативное влияние на состояние окружающей среды [5.8].
Большая часть отходов горного производства может быть сырьем для изготовления материалов, но этому препят-ст в у ют некоторые их свойства, например, содержание не извлеченных при переработке руд металлов, в том числе, редких, дефицитных и ценных.
Исследования аспектов выщелачивания металлов из некондиционного сырья в России начались более 50 лет назад. В теорию и практику выщелачивания внесли вклад: Лаверов Н.П., Ласкорин Б.Н., Аренс В.Ж., Бубнов В.К. и др. В настоящее время наметилась тенденция расширения области применения технологий извлечения металлов из некондиционного сырья. Так, на крупнейшем уранодобывающем предприятии этой технологией производится более трети годовой добычи металлов.
© ®
Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.
Несмотря на положительный опыт промышленного выщелачивания пока практически только урана, меди, золота, недостаточная изученность процесса препятствует широкому внедрению метода для извлечения теряемых в хвостах металлов.
Цели и задачи. Обоснование новых способов утилизации отходов является одним из приоритетных направлений исследований, целью которых является создание технологических основ направленного изменения свойств отходов горного производства. В последние годы в России разработана и прошла стадию экспериментального и промышленного освоения технология активации минерального сырья в дезинтеграторах, в том числе, в сочетании с химическим выщелачиванием присутствующих в хвостах обогащения металлов.
Методы. Эффективность инновационных технологий в горной практике доказывается общепринятым комплексным методом, включающим анализ состояния проблемы, прогноз вскрываемости руд, расчеты и эксперименты по повышению активности минерального сырья,
эксперименты по переводу металлов раствор и извлечению их из раствора.
Полученные результаты корректируются по данным анализа отечественной и зарубежной практики. Эффективность сочетания возможностей химического обогащения в дезинтеграторах доказывается сопоставлением показателей базового варианта и вариантом выщелачивания в дезинтеграторе по критерию оптимальности в виде показателя извлечения металлов из некондиционного сырья.
Результаты. Одним из новых способов повышения полноты извлечения полезных компонентов из добытых руд является комбинирование в одном технологическом процессе двух видов энергии: механической и химической (рис. 1).
Перспективность сочетания возможностей химического обогащения в дезинтеграторах доказана путем сравнения показателей базовых вариантов с вариантами выщелачивания: инфильтрационным,
агитационным и новых вариантов выщелачивания в дезинтеграторе. Критерием
оц ен ки вариантов является показатель из вл еч ения металлов [9...12]. Извлечение металла адекватно зависит от 4...5 независимых п араметров.
Рис. 1. Схема выщелачивания в дезинтеграторе: 1 - электродвигатели; 2 - рабочий орган;
3 - реагент; 4 - рудный материал;
5 - металлосодержащий раствор;
6 - строительные материалы
Соотношение количества хвостов и выщелачивающего раствора (Ж:Т) влияет на извлечение металлов в раствор по-разному. Если для цинка этот показатель п р акт иче с к и н е изменяется, то для свинца он резко увеличивается. Если для свинца интенсивность извлечения со временем увеличивается, то для цинка она заметно ум е н ь ш ается.
Пара метры извлечения металлов серной ки слот о й в дезинтеграторе существенно различаются. Графики извлечения металлов схож и при большей активности цинка. Г р аф ики извлечения металлов в дезинтеграторе в зависимости от соотношения жидкого и твердого веществ имеют различную направленность, причем более активен свинец.
Результаты выполненных исследований позволяют утверждать, что механическая активация в дезинтеграторе по сравнению с агитационным выщелачиванием:
- увеличивает извлечение из хвостов: по свинцу в 1,4 раза, по цинку в 1,2 раз;
- позволяет достичь одинакового извлечения почти в 2 раза быстрее.
В результате обработки минералов по дезинтеграторной технологии создаются активные рабочие плоскости и ослабляются межмолекулярные связи в частице при
высокой скорости обработки минералов. Свойства материалов изменяются во время физико-химических процессов разделения и концентрирования компонентов минералов. Выщелачивающий раствор запрессовывается в образующиеся при деформации частиц трещины. Условием реализации технологии является возможность создание в минерале электрически неравновесных ослабленных центров.
Прочность смеси на основ
В настоящее время только в хвостохра-нилищах КМА складировано около 1,8 млрд. тонн отходов обогащения с ежегодным увеличением на 60 млн. тонн. Обработка в дезинтеграторе вместе с извлечением металлов повышает вяжущие способности изготовленных на основе хвостов бетонов (табл. 1).
Таблица 1
хвостов после активации
Компоненты смеси, кг/м3 Прочность и коэффициент вариации
возраст, сут
цемент вяжущие хвосты инертные хвосты вода 14 28 90
Активация в шаровой мельнице (тонкость 40%)
40 400 1200 350 0,33 0,40 0,60
80 360 1200 350 0,42 0,60 0,70
120 320 1200 350 0,81 1,00 1,22
180 260 1200 350 1,07 1,25 1,59
Активация в дезинтеграторе (тонкость 40%)
40 400 1200 350 0,61 0,92 1,18
80 370 1200 350 0,90 1,20 1,40
120 320 1200 350 1,20 1,42 1,68
180 260 1200 350 1,64 1,72 2,10
При одинаковом соотношении цемента и хвостовой добавки, количестве воды, тонкости помола добавки прочность активированных в дезинтеграторе хвостов увеличивается на 30...40 %.
При выщелачивании в дезинтеграторе хвостов обогащения угля Российского Донбасса извлечение из растворов выщелачивания в выпаренный и прокаленный продукт составило, мг/л: марганец - 1, никель - 7, кобальт - 2, хром - 4, свинец - 3, цинк - 5 мг/л.
Изменение свойств исходных материалов позволяет создать единую систему ресурсосбережения, а вырученные средства обратить на упрочнение финансового положения (рис. 2).
Объемы утилизации минеральных отходов ограничиваются возможностями традиционных физико-химических
процессов. Предлагаемая технология позволяет широко использовать отходы со снижением нагрузки на окружающую среду, повышением полноты использования природных ресурсов и улучшением финансового состояния предприятий.
Хвосты обогащения
Механохимическая активация
Металлы Строительное сырье Попутные товары
1
Рынок
Рис. 2. Схема получения новых материалов на основе хвостов обогащения
Кроме металлических продуктов выщелачивания хвостов обогащения, товарными продуктами являются: песок для строительной индустрии, низкотемпературного каменного литья и изготовления стекла, иловая фракция и др. [13...16].
Извлечение металлов в товарные продукты в интервале от 60 до 90 % от исходной величины, существенно превышает извлечение при переработке отходов традиционными технологиями (до 45 %). Важным св ойством является возможность извлечения металлов до безопасного по санитарным требованиям уровня.
Феномен выщелачивания металлов из руд позволяет изменять свойства исходных материалов, превращая непригодные для использования и опасные в хранении вещества в сырье для производства товаров.
Результаты исследования подтверждаются значительным объемом экспериментальных исследований по направлению утилизации хвостов обогащения металлических руд и углей [17...20].
Выводы. Руды цветных и черных металлов содержат элементы, которые препятствуют безотходной утилизации металлы и их соединения. Единственной технологией, позволяющей уменьшить содержание металлов до уровня санитарных требований, является выщелачивание в активаторах типа дезинтегратор.
В зависимости от типа и количества участвующих в процессе агентов и условий обработка некондиционных руд и рудных материалов адекватно изменяет их свойства и позволяет производить новые пригодные для использования товары.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Емельяненко Е.А., Горбатова Е.А. Переработка окисленных медных руд, как фактор развития и расширения минерально-сырьевой базы ЗАО "Михеевский ГОК" // Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии (Юшкинские чтения - 2016). Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2016. С. 276-277.
2. Ghorbani Y., Franzidis J.-P., Petersen J. Heap Leaching Technology - Current State, Innovations, and Future Directions: A review // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2016. Vol. 37. No. 2. P. 73-119.
3. Chen T., Lei C., Yan B., Xiao X. Metal recovery from the copper sulfide tailing with leaching and fractional precipitation technology // Hydrometallurgy. 2014. Vol. 147-148. Р.178-182.
4. De Oliveira D. M., Sobral L. G. S., Olson G. J., Olson S. B. Acid leaching of a copper ore by sulphur-oxidizing microorganisms // Hydrometallurgy. 2014. Vol. 147-148. P. 223-227.
5. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a
disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 17. С. 38105-38109.
6 . G olik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engi n eering Research. 2015. Т. 10. № 17. С. 38105-38109.
7. Голик В.И., Полухин О.Н. Природо-охра нные геотехнологии в горном деле. Белгород, 2013. 213 с.
8 . Gol i k V., Komashchenko V., Morkun V., Zaalishvili V. Enhancement of lost ore produc-ti on efficiency by usage of canopies // Metallurgical and Mining Industry. 2015. Т. 7. № 4. С . 3 2 5 -329.
9. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Efremenkov A.B. Recycling of metal ore mill tailings // Applied Mechanics and Materials. 2014. Т. 682. С. 363-368.
10. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Irina G. Improving the effectiveness of explosive breaking on the bade of new methods of borehole charges initiation in quarries // Metallurgical and Mining Industry. 2015. Т. 7. № 7. С. 383-387.
11. Разоренов Ю.И., Голик В.И. Проблемы глубокой утилизации отходов переработки угля // Маркшейдерия и недропользование. 2013. № 4 (66). С. 52-54.
12. Дмитрак Ю.В. Теория движения мелющей загрузки и повышение эффективности оборудования для тонкого измельчения горных пород: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 2000.
13. Дмитрак Ю.В., Вержанский А.П. Тенденции применения оборудования для тонкого измельчения горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000. № 6. С. 184-188.
14. Дмитрак Ю.В., Зиновьева Т.А., Сычёв Н.Н. Использование системы msc. Nastran для оптимизации силовой конструк-ци и в ибрационной мельницы // Горный инф о рмационно-аналитический бюллетень. 2007. № 4. С. 295-299.
15. Дмитрак Ю.В., Шишканов К.А. Разработка вероятностной кинематической модели мелющих тел в помольной камере вибрационной мельницы // Горный и н ф о р ма ц ионно-аналитический бюллетень
(научно-технический журнал). 2010. № 12. С. 302-308.
16. Заалишвили В.Б. Некоторые проблемы практической реализации сейсмического микрорайонирования. Факторы, формирующие интенсивность землетрясения // Геология и геофизика Юга России. 2014. № 3. С. 3-39.
17. Комащенко В.И. Эколого-экономическая целесообразность утилизации горнопромышленных отходов с целью их переработки // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. № 4. С. 23-30.
18. Полухин О.Н., Комащенко В.И., Дребен-штедт К. Потенциал сотрудничества между российским и германским университетами по горно-геологическим специальностям // Горный журнал. 2014. № 8. С. 79-83.
19. Молев М.Д., Занина И.А., Стуженко Н.И. Синтез прогнозной информации в практике оценки эколого-экономического развития региона // Инженерный вестник Дона. 2016. № 2. С.78-88.
20. Качурин Н.М., Стась Г.В., Корчагина Т.В., Змеев М.В. Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2017. С. 170-182.
21. Ляшенко В.И. Природоохранные технологии освоения сложноструктурных месторождений полезных ископаемых // Маркшейдерский вестник. 2015. № 1. C. 10-15.
REFERENCES
1. Emel'yanenko E.A., Gorbatova E.A. Pererabotka okislennyh mednyh rud, kak faktor razvitiya i rasshireniya mineral'no-syr'evoj bazy ZAO "Miheevskij GOK" // Sovremennye prob-lemy teoreticheskoj, eksperimental'noj i pri-kladnoj mineralogii (YUshkinskie chteniya -2016). Syktyvkar: IG Komi NC UrO RAN, 2016. S. 276-277.
2. Ghorbani Y., Franzidis J.-P., Petersen J. Heap Leaching Technology - Current State, Innovations, and Future Directions: A review // Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2016. Vol. 37. No. 2. P. 73-119.
3. Chen T., Lei C., Yan B., Xiao X. Metal recovery from the copper sulfide tailing with
leaching and fractional precipitation technology // Hydrometallurgy. 2014. Vol. 147-148. P.178-182.
4. De Oliveira D. M., Sobral L. G. S., Olson G. J., Olson S. B. Acid leaching of a copper ore by sulphur-oxidizing microorganisms // Hydrometallurgy. 2014. Vol. 147-148. P. 223-227.
5. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. № 17. P. 38105-38109.
6. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. № 17. P. 38105-38109.
7. Golik V.I., Poluhin O.N. Priro-doohrannye geotekhnologii v gornom dele. Belgorod, 2013. 213 s.
8. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Zaalishvili V. Enhancement of lost ore production efficiency by usage of canopies // Metallurgical and Mining Industry. 2015. T. 7. № 4. S. 325-329.
9. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Efremen-kov A.B. Recycling of metal ore mill tailings // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 682. S. 363-368.
10. Golik V., Komashchenko V., Morkun V . , Iri n a G. Improving the effectiveness of explosive breaking on the bade of new methods of borehole charges initiation in quarries // Metallurgical and Mining Industry. 2015. Vol. 7. № 7. P. 383-387.
11. Razorenov Yu.I., Golik V.I. Problemy glubokoj utilizacii othodov pererabotki uglya // Markshejderiya i nedropol'zovanie. 2013. № 4 (66). P. 52-54.
12. Dmitrak Yu.V. Teoriya dvizheniya me-lyushchej zagruzki i povyshenie effektivnosti oborudovaniya dlya tonkogo iz-mel'cheniya gornyh porod: avtoref. dis. ... d-ra tekhn. nauk. M., 2000.
13. Dmitrak Yu.V., Verzhanskij A.P. Tendencii primeneniya oborudovaniya dlya tonkogo izmel'cheniya gornyh porod // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. 2000. № 6. S. 184-188.
14. Dmitrak Yu.V., Zinov'eva T.A., Sychy-ov N.N. Ispol'zovanie sistemy msc. Nastran dlya optimizacii silovoj konstrukcii vibracionnoj mel'nicy // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. 2007. № 4. S. 295-299.
15. Dmitrak Yu.V., SHishkanov K.A. Razrabotka veroyatnostnoj kinematicheskoj modeli melyushchih tel v pomol'noj kamere vibracionnoj mel'nicy // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten' (nauchno-tekhnicheskij zhurnal). 2010. № 12. S. 302-308.
16. Zaalishvili V.B. Nekotorye problemy prakticheskoj realizacii sejsmicheskogo mikrorajonirovaniya. Faktory, formiruyushchie intensivnost' zemletryaseniya // Geologiya i geofizika Yuga Rossii. 2014. № 3. S. 3-39.
17. Komashchenko V.I. Ekologo-ekonomicheskaya celesoobraznost' utilizacii gornopromyshlennyh othodov s cel'yu ih pererabotki // Izvestiya Tul'skogo gosudarstven-nogo universiteta. Nauki o Zemle. 2015. № 4. S. 23-30.
18. Poluhin O.N., Komashchenko V.I., Drebenshtedt K. Potencial sotrudnichestva mezhdu rossij skim i germanskim universitetami po gorno-geologicheskim special'nostyam // Gornyj zhurnal. 2014. № 8. S. 79-83.
19. Molev M.D., Zanina I.A., Stuzhenko N.I. Sintez prognoznoj informacii v praktike ocenki ekologo-ekonomicheskogo razvitiya regiona // Inzhenernyj vestnik Dona. 2016. № 2. S.78-88.
20. Kachurin N.M., Stas' G.V., Korchagina T.V., Zmeev M.V. Geomekhanicheskie i aerogazodinamicheskie posledstviya podrabotki territorij gornyh otvodov shaht Vostochnogo Donbassa // Izvestiya Tul'skogo gosudarstven-nogo universiteta. Nauki o Zemle. Vyp. 1. 2017. S. 170-182.
21. Lyashenko V.I. Prirodoohrannye tekhnologii osvoeniya slozhnostrukturnyh mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh // Markshejderskij vestnik. 2015. № 1. C. 10-15.
PROSPECTS FOR WITHOUT WASTE DISPOSAL OF ORE CONCENTRA TION TAILS
Dmitrak Y. V., Gabaraev OZ, Razorenov Y.I, Kachurin N.M.
Annotation: the article considers the problem of non-waste utilization of tailings for the processing of metal ores by developing a technology for the non-waste return of tailings to the production sphere. The results of theoretical and experimental substantiation of the feasibility and feasibility of utilizing the tailings of metal ore processing after extraction of the remaining metals from them by mechanochemical technology are presented. The concept of the use of two types of energy in one technological process: mechanical and chemical. The results of comparing the indicators of the basic options for agitation leaching with options for leaching in the disintegrator are presented. The parameters for the extraction of metals by sulfuric acid in a disintegrator are given. It is shown that processing in a disintegrator together with the extraction of metals increases the adhesive properties of concrete-based tails. It is concluded that by means of mechanochemical activation in devices such as a disintegrator, it is possible to extract metals from the tailings to the value that allows them to be used without restriction on sanitary conditions, which opens up unlimited possibilities to produce new commodity materials.
Key words: processing tailings, metal ores, waste-free, leaching of metals, mechanochemical technology, disintegrator, commodity materials.
© Дмитрак Ю.В., Габараев О.З., Разоренов Ю.И., Качурин Н.М., 2019
Дмитрак Ю.В., Габараев О.З., Разоренов Ю.И., Качурин Н.М. Перспективы безотходной утилизации хвостов обогащения руд // Вектор ГеоНаук. 2019. Т.2. №3. С. 19-24.
Dmitrak Y.V., Gabaraev O.Z., Razorenov Y.I., Kachurin N.M., 2019. Prospects for without waste disposal of ore concentration tails. Vector of Geosciences. 2(3): 19-24.
