CC BY
440
УДК 622
Д. Л. Рахманкулов, С. Ю. Шавшукова, И. Н. Вихарева, Р. Р. Чанышев
Применение микроволнового излучения для извлечения металлов из промышленных отходов
НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов Уфимского государственного нефтяного технического университета 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 75; тел. (347)2431712
В развитии работ по применению энергии микроволн в процессах горно-рудной промышленности проанализированы технологии извлечения металлов из отвалов и шламов с использованием микроволнового излучения.
Ключевые слова: микроволновая энергия, СВЧ технология, магнетрон, упорное золото.
В последние годы в связи с тем, что большая часть человечества осознала факт истощения ископаемых природных ресурсов, возникла необходимость разработки новых технологий, преследующих две основные цели. Во-первых, это строгая экономия природного сырья, во-вторых, решение экологической проблемы накопления отходов промышленного производства.
Ежегодно в мире из недр земли извлекается от нескольких тысяч тонн золота, урана, вольфрама, кобальта, более 1 млрд т железной руды, угля и нефти. Специалисты рассчитали, что железной руды мировому сообществу должно хватить на ближайшие 150 лет, никеля — на 100, алюминия — на 60—70, меди — на 60, промышленных запасов урана — примерно на 40 лет 1 2 .
Известно, что при добыче цветных металлов из руд в концентрат удается перевести только 70—80 % содержащегося в руде металла, потери металлов при переделе составляют 5—7 %. Таким образом, большая часть ценных металлов уходит в отвал, кроме того, наносится большой урон окружающей среде. Следовательно, необходимость решения проблемы извлечения остаточных металлов из отходов и шламов очевидна.
Известны различные технологии извлечения металлов, однако все они не лишены недостатков, одним из которых является опять-таки отрицательное воздействие на окружающую среду. В последние годы все большую популярность приобретают технологии, основанные на использовании в качестве источника энергии микроволнового излучения (МВИ) 3 4. Нагрев воздействием МВИ характеризуется
высокой скоростью, большой эффективностью, отсутствием затрат на топливо и вредных выбросов, а также широким диапазоном применения в различных отраслях промышленности 5.
Остановимся на некоторых технологиях извлечения металлов с использованием электромагнитного излучения.
Российские изобретатели разработали новую технологию обогащения руд, использующую особое физическое явление — скин-эффект, основанную на поглощении электромагнитного поля поверхностным слоем руды. Суть технологии состоит в том, что на поверхность породы направляют короткий (в десятитысячные доли секунды) импульс мощного СВЧ поля, который мгновенно нагревает поверхность раздела «руда — порода» до температуры в несколько сотен градусов. При нагревании руда и пустая порода расширяются по-разному, на границе этих материалов возникает сильное механическое напряжение. В результате совокупности происходящих в руде результате микроволнового воздействия процессов появляются микротрещины, и горная порода расслаивается. В связи с этим, значительно упрощается последующее отделение металлических включений от пустой породы, увеличивается производительность 6 .
Разработаны способы воздействия СВЧ поля с целью извлечении металлов из шламов. Так, в институте «Уралмеханобр» и Уральском государственном техническом университете разработан способ извлечения цинка из доменных и мартеновских шламов на основе нагрева материалов в полях СВЧ. Этим способом удалось извлечь до 85% цинка при наличии в шламе 9—10 % твердого углерода посредством его нагрева до 1200—1220 оС. Однако, упоминается о высоких затратах электроэнергии при осуществлении данного процесса 7.
Известные способы извлечения металлов из руд (окислительный обжиг, автоклавное выщелачивание, бактериальное окисление) позволяют извлекать из коренных руд до 92—97 %
Дата поступления 15.01.08
золота, однако, как уже упоминалось, эти процессы не лишены недостатков 7.
Применение способа СВЧ воздействия не только позволяет увеличить добычу золота из богатых (до 300 г/т) россыпей, но и открывает новые возможности по освоению руд, в которых содержание драгоценных металлов очень мало (5—15 г/т); позволяет перерабатывать промежуточные продукты свинцово-цинково-го, медного, уранового и других руд с содержанием 0.5—3 г/т; вторично перерабатывать хвосты старых разработок, содержащих 1—3 г/т и более золота. Сложность переработки данного вида сырья состоит в том, что частицы золота в нем имеют размер от сотых до десятых долей микрометра и находятся в связанном с другими минералами (пириты и арсенопири-ты) состоянии. При обработке СВЧ импульсом минералы пустой породы нагреваются, происходит растрескивание оболочки, и частицы золота становятся доступными для извлечения.
Исследователи из Индонезийского технологического института обнаружили, что применение СВЧ энергии в течение 50—300 секунд приводит к снижению индекса Бонда, которым характеризуется расход энергии на измельчение руды на 20—35 % 8.
Таким образом, использование энергии микроволн позволяет повысить степень раскрытия оболочки, увеличить извлечение драгоценных металлов, позволяет использовать для добычи упорные и бедные породы, повысить экологичность технологии, снижает энергетические затраты в связи с тем, что при СВЧ обработке не требуется осуществлять тонкий помол перерабатываемой руды, достаточно измельчить руду до 0.5—2 мм.
Первые работы по извлечению упорного золота производились на образцах концентратов золотоносной руды из Онтарио. Для облучения использовались 6 магнетронов мощностью 1 кВт каждый. При облучении СВЧ импульсами минералы пирита и арсенопирита разлагались с выделением паров SO2 и As2O3. Время обработки руды составляло 13—16 мин при 420 оС, вместо 2—2.5 ч при обычном обжиге при 550 оС с выходом золота 98% 9.
Разработки исследовательской фирмы EMR Microwave Technology Corp. 10 подтверждают снижение расходов на подготовку упорных пород к цианированию при использовании СВЧ обработки. Так, при обработке 200 т концентрата в день СВЧ полем расходы составляют $3.84 млн, при обычном обжиге — $6.9 млн, при окислении под высоким давлением — $26.5 млн, бактериальном окислении —
$3.0—3.7 млн. Кроме того, если из необработанных карбонатных руд методом цианирования извлекается только 5% металла, то из обработанных СВЧ полем выход повышается до 83%. Из мексиканской золотоносной руды (гетит, кальцит, кварц, ярозит) методом циа-нидного выщелачивания извлекается 50% золота, а после СВЧ обработки золото извлекается на 100%. Специалистами компании EMR Microwave Technology Corp. создана опытная установка, в состав которой входят два СВЧ реактора и один СВЧ генератор мощностью 75 кВт, используемая в основном для окисления пиритовых и арсенопиритовых концентратов. Производительность установки составляет 5—10 т/сут. Расход электроэнергии — около 3 кВт • ч/т.
Результаты научных исследований показали 10, что реальная прочность большинства минералов на 2—3 порядка меньше теоретической прочности, и более 99% энергии, затрачиваемой на измельчении пород, тратится «впустую», и только 1% — на само разрушение. Поэтому первостепенной задачей СВЧ воздействия является фокусировка необходимого количества энергии в оптимальном режиме СВЧ резонанса, что приводит к разрушению руды с минимальными затратами энергии.
Как видно из результатов исследований, опубликованных различными специалистами, вопрос энергозатрат является ключевым при выборе способа измельчения руды до класса крупности, при котором происходит раскрытие полезного компонента. Результаты исследований по разрушению и окислению упорных руд воздействием СВЧ поля, проведенные в Навоийском горно-металлургическом комбинате приведены в таблице 11. Образцы месторождений Мурунтау и Кокпатас испытывали на СВЧ стенде. При облучении наблюдалось неравномерное поглощение энергии, максимум поглощения наступал через 1—1.5 мин облучения, затем наблюдалось резкое снижение поглощения. После окончания обработки образцы представляли собой рыхлые образования и легко разрушались в руках. Расход электроэнергии на разрушение образцов составил 1.6 Вт.
Учеными Института комплексного освоения недр РАН 12 теоретически и экспериментально обоснован механизм селективной дезинтеграции и вскрытия наночастиц благородных металлов, доказана эффективность вскрытия упорной породы, обусловленная созданием каналов пробоя в сульфидной матрице, различным механизмом термического
Таблица
Результаты воздействия СВЧ поля на образцы руды месторождения Мурунтау
Наименование Время облу- Температура Диаметр образца Крупность разрушенного образца, мм
образца чения, мин образца, °С до облучения, мм
Пирит 3 800 75 0.2
Кварц 5 440 42 1.2
Гематит 3 750 122 5.7
Кальцит 3 400 64 4.0
Кварц + кальцит 3 640 73 1.0
Гематит + лимонит + гипс 3 600 85 3.6
Гематит + кварц 5 730 112 2.0
Кварц + пирит + гематит 3 620 141 3.8
Лимонит +гипс 3 680 33 2.1
Кварц 3 620 89 4.2
Пирит + гематит 3 860 54 0.3
Пирит + кварц 3 710 78 0.4
нагрева минералов полупроводников, диэлектриков и металлов и поверхностным скин-эффектом.
Совместно с ООО «Фон» 13 создана модульная установка, обеспечивающая обработку влажных продуктов обогащения (пески гидроциклона, классификатора). Производительность установки — 50 кг/ч. Разработана техническая документация на установку производительностью до 10 т/ч.
В работах по исследованию воздействия мощных СВЧ импульсов на извлечение золота из золотосодержащих сульфидов ИПКОН РАН совместно с ИРЭ РАН и ЦНИГРИ экспериментально изучен технологический процесс вскрытия при воздействии мощных электромагнитных импульсов высокой напряженности на минеральные комплексы. Проведены испытания на различных продуктах обогащения, содержащих благородные металлы. Установлена возможность повышения извлечения благородных металлов в процессах обогащения комплексных руд и цианирования золота на 5-30 %.
Механизм наносекундного пробоя неоднородных сред типа руды изучали в Институте электрофизики УО РАН совместно с Институтом горного дела УО РАН (г. Екатеринбург) 14. После обработки породы электрическими импульсами извлекаемость золота цианированием возросла на 70%, изменилась огранка частиц. При этом в воде пульпы оказались растворенными содержащиеся в породе медь (0.8 г/л), цинк (1 г/л) и железо (2 г/л).
Авторы 15 провели теоретические и экспе-риментальне исследованиями кинетики растворения «мелкого» (удельная поверхность
> 5 • 105 м-1) золота и установили, что применение энергии СВЧ позволяет интенсифицировать процесс выщелачивания золота путем срыва диффузного слоя (слоя растворителя перенасыщенного ионами золота) с поверхности металла. Авторы 15 изучили механизм процесса, заключающийся в переводе мелкого золота в ионное состояние и дальнейшей его сорбции, например, активированным углем. При этом требуется предварительная очистка фильтрацией многофазной системы от мешающих твердых частиц.
Оборудование для СВЧ обработки в горном деле имеет свои особенности, обусловленные многотоннажным производством, тяжелыми условиями работы оборудования, требованиями минимальных энергозатрат и большого срока службы оборудования. Необходимость постоянного согласования СВЧ генератора с нагрузкой позволяет использовать только непрерывный режим работы. При действии СВЧ энергии диэлектрические параметры горных пород сильно изменяются с ростом температуры, что приводит к изменению входного комплексного сопротивления камеры, являющегося нагрузкой генератора, и как следствие, к недопустимому рассогласованию СВЧ тракта.
Наиболее экономичное осуществление процесса можно достичь, просыпая дробленую породу через активную зону рабочей камеры. При этом генератор работает в непрерывном режиме, создавая импульсное воздействие на проходящую породу.
Подходящий размер кусочков породы -в пределах 1-20 мм. Рабочие камеры могут быть открытыми, резонаторными, волновод-ными, коаксиальными, полосковыми, а при
использовании метрового диапазона — индукционными.
Установка для СВЧ разупрочнения горных пород включает: генератор СВЧ, линию передачи, рабочую камеру, системы загрузки; а также необходимые согласующие и подстро-ечные элементы СВЧ тракта, элементы защиты СВЧ деталей от разрушающего и загрязняющего воздействия горной породы, элементы
15
защиты персонала от паразитного излучения 1. Экранирование СВЧ поля в местах загрузки и выгрузки породы осуществляется ее прохождением через запредельные волноводы или
16
специальные окна с металлической спиралью 16, введением в загрузочные патрубки пазов глубиной в четверть длины волны 17 и т. д. В вол-новодной рабочей камере ставят дополнительные элементы, улучшающие согласование СВЧ генератора с нагрузкой и концентрирующие СВЧ поле на обрабатываемом материале 18. При необходимости облучение породы сочетают с ее механической обработкой в дробилках, мельницах, а также бурами или резцами.
Использование СВЧ генераторов мощностью 100—1000 кВт в непрерывном режиме и до гигаватт в импульсном улучшает эффективность обработки горных пород и уменьшает затраты на их обработку.
Таким образом, внедрение СВЧ технологий позволит осуществить комплексную переработку упорных золотосодержащих руд, другого техногенного сырья, тем самым позволит улучшить экологическую обстановку в районах недропользования.
Литература
1. 2.
3.
4.
5. СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности. / Под. ред. Э. Окресса.- М.: Мир, 1971.- Т. 2.- 272 с.
6. Новая технология обогащения руды. http:// www.innovyar.ru/Industry/NewTechno/ ObogachenRuda_NewTechno.php
7. Маламуд С. Г., Колесник В. Г., Юрьев Б. П. Разработка способа окускования доменных шламов и мартеновских пылей с извлечением цинка при нагреве в полях СВЧ // Сталь.-2000.- № 1.- С. 3.
8. Петров В. М. Новые применения радиоэлектроники: разупрочнение горных пород мощным электромагнитным полем СВЧ // Радиоэлектроника и Телекоммуникации.- 2002.- № 4.
9. Хван А. Б. Применение СВЧ энергии в технологии переработки золотосодержащих руд // http://www.minproc.ru/2003.
10. Haque K. E. Microwave irradiation pretreatment of a refractory gold concentrate. Proc. of the Internet // Symposium on gold metallurgy. Winnipeg, Canada, 1987.- Р. 327.
11. Murray G. Microwave to slash refractory gold costs? // Mining Magazine.- 1998.- 178.-№ 4.- Р. 276.
12. Чантурия В. А. и др. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов // Доклады РАН.-
1999.- 366.- № 5.- С. 680-683.
13. Технологические схемы обогащения и переработки минерального сырья: Материалы Международного совещания «Современные методы оценки технологических свойств труднообогати-мого и нетрадиционного минерального сырья благородных металлов и алмазов и прогрессивные технологии их переработки. Плаксинские чтения».- М.: Альтекс, 2004.- С. 10.
14. Котов Ю. А., Месяц Г. А. и др. Комплексная переработка пиритовых отходов горно-обогатительных комбинатов наносекундными импульсными воздействиями // Доклады РАН.-
2000.- 372.- № 5.- С. 654.
15. Отчет института горного дела «Физические и химические процессы разделения, концентрации и переработки минералов» // Электронный научно-информационный журнал «Вестник ОГГГГН РАН».- 2001.- № 1(16).- С. 93.
16. Авт. св. СССР № 1123118. Окно для загрузки и разгрузки СВЧ камеры нагрева / Шмырев В. В., Молохов М. Н. кл. Н05В 6/64, 1976.
17. Авт. св. СССР № 1592958. Устройство для СВЧ обработки сыпучих материалов / Москалев А. Н. и др. кл. Н05В 6/64, 1988.
18. Авт. св. СССР № 1582364. Устройство для СВЧ термообработки диэлектрических материалов с высоким темпом нагрева / Проценко В. Ф., Гончаренко В. М. кл. Н05В 6/78, 1988.
Минеральные ресурсы. http://lib.com.ru/ Print_Geograf/Index6.html
Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю., Има-шев Б. У., Латыпова Ф. Н. Развитие работ по альтернативным источникам энергии, органического топлива и углеводородов в целях экономии нефтяного сырья // Баш. хим. ж.— 2005.— Т. 12, №4.- С. 5.
Рахманкулов Д. Л., Бикбулатов И. Х., Шула-ев Н. С., Шавшукова С. Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов.- М.: Химия, 2003.- 220 с. Даминев Р. Р., Бикбулатов И. Х., Шулаев Н. С., Рахманкулов Д. Л.. Гетерогенно-каталитичес-кие промышленные процессы под действием электромагнитного излучения СВЧ диапазона.-М.: Химия, 2006.- 134 с.
