CC BY
30
© H.H. Орехова, Н.Л. Чалкова, 2012
УДК 622.51
Н.Н. Орехова, Н.П. Чалкова
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦИНКА ИЗ ПОЛОТВАЛЬНЫХ ВОЛ
С точки зрения простоты аппаратурного оформления и эффективности для извлечения из сточных вод ГОКов Южного Урала наиболее приемлемыми методами являются методы гальванокоагуляции и цементации. Проведенные исследования извлечения цинка и меди по двухстадиальным схемам показали наибольшую эффективность извлечения металлов при использовании на второй стадии гальванопары Al-C. Опыты проводились на модельных растворах и пробах шахтных вод, образовавшихся при разработке Учалинского месторождения. Ключевые слова: цементация, гальванокоагуляция, гальванопара, двухстадиальная схема, эффективность извлечения, лабораторный эксперимент, медь, цинк.
Организация безотходной технологии добычи и переработки медно-цинкового сырья требует решения многих задач, в том числе утилизации шахтных и подотвальных вод. Как показано в работах [1, 2] подотвальные и шахтные воды горных предприятий Южного Урала являются ценным ресурсом получения меди и цинка, однако перспективы их промышленной переработки в настоящее время остаются низкими, что связано с отсутствием эффективной технологии.
«Современная научная позиция.....»
при решении «...проблем вторичного использования и переработки отходов горного производства.» состоит в том, что бы «. рассматривать отходы освоения месторождений в качестве новых ресурсов, для поддержания потенциала недр, а также изменения их состояния в целях дальнейшего использования» [3]. В соответствии с данной концепцией технология переработки металлсодержащих техногенных вод должна удовлетворять требованиям:
• экологической чистоты переработки техногенных вод;
• учета временного характера образования высокоминерализованных
сточных вод в соответствии с климатическими условиями района;
• комплексности на основе технологической и экологической обоснованности совместной утилизации отходов: вовлечения в процесс других видов отходов при использовании физико-химических методов (сорбции, цементации, гальванокоагуляции);
• встраиваемости методов извлечения металлов из растворов в существующие схемы очистных сооружений без ущерба эффективности очистки;
• получения нормативно чистой воды и товарного продукта пригодного для дальнейшей переработки в металлургическом переделе и стройин-дустрии.
Применяемые на предприятиях горнорудного комплекса способы не позволяют с высокой степенью эффективности извлекать цветные металлы из гидроминеральных ресурсов. Наиболее распространенными методами очистки сточных вод горнодобывающих предприятий до настоящего момента являются отстаивание, нейтрализация и известкование. Именно эти методы чаще других используются при проектировании очистных соору-
жений на горных предприятиях медной отрасли. Для извлечения цветных металлов рекомендуется применять сорбционные, электрохимические и флотационные методы после предварительного осветления потока. При известковании желательно снижение содержания сульфат-ионов во избежание загипсовывания трубопроводов, сооружений и аппаратов.
К методам, использование которых для подотвальных и шахтных вод не требует предварительного осветления и снижения концентрации сульфат-ионов, относятся цементация и гальванокоагуляция. Технологии на основе этих методов в целом удовлетворяют вышеперечисленным требованиям и, что немаловажно могут интенсифицировать дальнейшие процессы очистки за счёт попутного снижения концентрации сульфатов и привнесения дополнительного железа или алюминия в ионной форме, являющихся коагулирующей добавкой.
Эксперимент
Эксперимент проводили в лаборатории комплексного освоения техногенных месторождений ГОУ ВПО «МГТУ» Нами были разработаны и опробованы в лабораторных условиях три двухстадиальные схемы извлечения цинка и меди из шахтных вод ОАО «Учалинский ГОК» .
На первой стадии проводилась цементация на железной стружке или гальванокоагуляция (рис. 1) с использованием гальванопары Ре-С для извлечения меди с получением в первом случае цементной меди и ферритов меди во втором. Далее после отстаивания и фильтрования вода поступала на вторую стадию для извлечения цинка. и получения цинксодержащего продукта.
Методики эксперимента
Эксперимент проводили на модельных растворах и шахтной воде
Учалинского ГОКа, отобранной на входе в очистные сооружения. Концентрация цинка в пробе в 3 раза превышает концентрацию меди, значение рН среды 3.9. Первая стадия -гальванокоагуляционная обработка в поле гальванопары железо-углерод проводилась в соответствии с ранее изученными закономерностями извлечения меди в течение 5 минут. При реализации цементации на железной стружке время контакта составляло 60 минут. Вторая стадия — гальванокоагуляционная обработка в поле гальванопары железо-углерод или алюминий — углерод в соответствии с ранее изученными закономерностями извлечения цинка проводилась в течение 25 минут при начальном значении рН среды 6,0-6.2. Сливы после цементации и гальванокоагуляции отфильтровывали и определяли остаточные содержания цинка и меди.
Шахтная водя
I
1 стадия извлечения (цементация или гальванокоагуляцня)
I
Фильтрование
Слив на х/а
1 Г 1 г
Осадок на х/а
2 стадия извлечения ( гальвано коагуляция Ре-С или А1-С)
Фильтрование
I I
Слив на х/а Осадок нах/а
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного лвухсталиального извлечения цинка и мели из сточных вод ОАО «УТОК»
Эксперимент проводился в лабораторном барабанном гальванокоагуляторе. Размеры барабана: диаметр 110 мм; длина 350 мм, объем рабочей зоны 200 см3. Для проведения исследований была собрана установка, включающая расходную емкость, устройство для регулирования скорости подачи раствора, накопительную емкость. Барабан выполнен из полипропилена толщиной 4 мм, внутри установлены полки-ворошители длиной 300 мм и шириной 15 мм в количестве 4 штук со сдвигом на 90° относительно друг друга. Аппарат приводится во вращение мотором — редуктором РД-3 со скоростью вращения 4 об/мин.
Носителями элементов гальванопары являлись воронёная стальная стружка и кокс в соотношении 3:1, а так же алюминиевая фольга и кокс при соотношении 1:1.
Обсуждение результатов эксперимента
Результаты изучения закономерностей извлечения меди и цинка подробно рассмотрены в статьях [4,5]. Установлено, что эффективное извлечение меди из однокомпонентных сульфатных растворов с концентрацией меди от 50 до 500 мг/дм3 происходит за короткий промежуток времени: за 1,0 мин. до 50 %, за 2 мин до 92-75 %. При аэрировании исходного раствора уменьшается переход железа в ионорастворённой форме в слив гальванокоагулятора. Предварительная аэрация способствует переходу в осадок, как меди, так и железа.
Наибольшее извлечение меди получено при рН — 2 ... 2,5. В области значений близкой к рН начала образования гидроксида, наблюдается наименее эффективное извлечение меди, с началом образования гидро-ксидных осадков при дальнейшем по-
вышении рН эффективность извлечения меди возрастает.
Установлено, что эффективное удаление цинка при использовании гальванопары железо-углерод происходит при значительно большем времени обработки, чем в случае удаления меди. При 10 минутной обработке снижение концентрации в сливе гальванокоагулятора составляет 50-30 %. Рост концентрации железа не является эквивалентным снижению концентрации цинка, а при увеличении времени обработки до 1 минуты происходит одновременное снижение концентраций ионов металлов в сливе, что является следствием связывания их в нерастворимую форму, и наблюдается рост удельного выхода ферритного осадка. Рост массовой доли цинка в осадке наблюдается до 3 минутной обработки и затем стабилизируется в области 0,9-1,1 %, системе достигается равновесие между переводом железа в жидкую фазу вследствие растворения анода и связывания его в ферриты совместно с цинком.
Хорошие результаты извлечения цинка были получены при обработке модельной воды гальванопарой А1-С. Извлечение цинка на гальванопаре А1-С составляет 85—92 %.
Изучение влияния рН среды в диапазоне значений 2-7,5 в динамических условиях на эффективность извлечения и массовую долю цинка в осадке показало, что смещение рН раствора в более щелочную область значений приводит к увеличению всех изучаемых показателей. Извлечение возрастает с 13,4 до 59 % , содержания цинка — с 0,7 до 4.8 %.
Изучение селективности извлечения меди и цинка проводили на двух-компонентных модельных растворах. При времени обработки 5 минут набольшая контрастность содержания меди и цинка в осадках Рси/Ргп —
Показатели извлечения меди и цинка из шахтных вод ОАО «УГОК»
Вариант Материал Кониентраиия, мг/л Эффектив- Удельная Показатели обогащения
обработки гальва- начальная остаточная ность очи- масса Р, % %
шахтной воды нопары (металл — стки (по стадии), % осадка, г/л
иемента- Си гп Си гп Си гп Си гп Си гп
тор)
Г/к - Г/к Ре-С 60 185 2,5 87,5 95,83 52,7 1,355 4,24 7,2 95,83 52,7
А1-С 2,5 87,5 1,2 2 52 87,71 0,723 0,18 11,83 2,1 45,94
Цемента- (железо) 60 185 5,5 170 90,8 8,11 90,8 8,11
ция- Г/к А1-С 5,5 170 1,8 3,5 66,67 97,94 1,128 0,003 14,8 6,1 89,18
Г/к - Г/к Ре-С 60 185 4,3 105 92,83 43,24 1,141 4,88 7,01 92,83 43,24
Ре-С 4,3 105 1,6 54,2 62,79 48,38 1,242 0,22 4,09 4,5 27,56
4,25 получена при значении рН обрабатываемого раствора 5,5, что может быть следствием присутствия части меди в исходном растворе в гид-роксидной форме. Однако и в кислой среде рН 2,5, для которой характерно наиболее высокое извлечение меди, содержание её в осадке в 3 раза превышает содержание цинка. Изменение соотношений Си/7п в сторону преобладания цинка приводят к снижению селективности извлечения металлов в осадок.
Результаты обработки шахтной воды с концентрацией меди и цинка соответственно 60 и 185 мг/дм3 представлены в таблице.
Механизм гальванокоагуляцион-ного извлечения ионов металлов является неоднозначным и сложным. Он включает соосаждение примесей на образующихся гидроксидах металла и электроосаждением на катоде катионов, процессы изоморфного замещения веществ гидроксида частицами примесей раствора или их внедрением в межузловое пространство, адсорбцией частиц примесей на поверхности вещества гидрокси-да, механического захвата примесей кристаллами осаждающихся гидро-ксидов. Значимым является и «цементационное» осаждение извлекаемого иона на металле-аноде гальванопары:
меди на железе или меди и железа на алюминии.
Из таблицы видно, что для извлечения цинка предпочтительней гальванопара А1-С. Наиболее высокая массовая доля цинка в осадке получена при обработке в поле коротко-замкнутого алюминий содержащего гальванического элемента слива процесса цементации. Суммарное извлечение меди по двум стадиям для всех трёх вариантов практически одинаково 96-97 %. Минимальное извлечение цинка 70,8 % получили при использовании гальванопары Ре-С, что в соответствии с рядом напряжения металлов является закономерным следствием отсутствия в случае железного анода цементационной составляющей сложного механизма перевода ионов цинка в твёрдую фазу.
Применение непосредственно цементации приведёт к переводу ионов железа и цинка в обрабатываемую воду в концентрациях значительно больших, чем исходная концентрация извлекаемого металла. При получении относительно богатых по металлу цементационных продуктов извлечение их из техногенных стоков с эффективностью равной эффективности гальвано-коагуляционного извлечения требу-
ет значительно большего времени обработки.
Выводы
На основе комбинирования процессов цементации и гальванокоагуляции при варьировании материала анода гальванопары достигнуто высокое из-
1. Шадрунова И.В., Волкова H.A., Орехова H.H. Систематизация методов формирования и переработки техногенных медьсодержащих гидроминеральных ресурсов IV Конгресс обогатителей стран СНГ Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет), Москва 28-30 марта 2007 г. — Т. 3. — С. 23—26.
2. Шадрунова И.В., Орехова H.H. Научно-методическое обоснование технологий вовлечения в эксплуатацию техногенных гидроминеральных месторождений и обезвреживания медьсодержащих стоков. Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. — № 1 (21) март 2008 г. — С. 27-30.
3. Чантурия В.А. Прогрессивные технологии комплексной переработки минераль-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
влечение меди и цинка из кислых шахтных вод с получением металлсодержащих продуктов. На основе изученных схем могут быть разработаны ресурсосберегающие технологии переработки гидроминеральных ресурсов горных предприятий медного комплекса.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ного сырья / Под ред. В.А. Чантурия — М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2008. — 19 с.
4. Шадрунова И. В., Глухова А.Ю., Орехова H.H., Дзюбинский Ф.А Гальванокоагу-ляционное извлечение меди: технологические решения. Материалы Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» 21-26 мая 2007. — Екатеринбург. — С. 77-80.
5. Феофанов В.А., Дзюбинский Ф.А., Шадрунова И.В., Орехова H.H. Извлечение меди из техногенных вод методом гальванокоагуляции// Материалы XXIV Международного конгресса по обогащению Китай (Пекин). — С. 3971-3977. Н2Е
Орехова Наталья Николаевна — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected], Чалкова Наталья Леонидовна — аспирант, e-mail: [email protected], Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова.
MINING WORLD-2012 -
H.A. Голубцов («Горная книга»), Т.М. Поччаев (инженер по продажам оборудования Andritz)
