CC BY
43
УДК 544.77.052.22
А. В. Артемьев
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕАГЕНТОВ-ФЛОКУЛЯНТОВ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОД ОБОГАТИТЕЛЬНОЙ ФАБРИКИ
Аннотация
Рассмотрена возможность очистки технологических вод предприятия с помощью флокулянтов. Предлагается использование водорастворимых высокомолекулярных соединений. Наиболее эффективными реагентами для подготовки технологических вод апатит-нефелиновой обогатительной фабрики являются анионные флокулянты с большой степенью ионности, такие как AN 934 SH или AN 956 SH.
Ключевые слова:
технологические воды, водоподготовка, флокулянты.
A.V. Artem ev
SELECTION OF OPTIMUM REAGENTS-FLOCULANTS AT THE PREPARATION OF TECHNOLOGICAL WATER OF THE CONCENTRATING FACTORY
Abstract
The possibility of cleaning technological water with the help of flocculants is considered. The use of water-soluble high-molecular compounds is suggested. The most effective reagents for preparation of technological waters of apatite-nepheline concentrating plant are anionic flocculants with a high degree of ionicity, such as AN 934 SH or AN 956 SH.
Keywords:
technological water, water treatment, flocculants.
Рациональное использование водных ресурсов и предотвращение загрязнения естественных водоемов промышленными сточными водами являются важнейшими и наиболее актуальными проблемами практически для всех горно-обогатительных предприятий. Решение этих проблем - применение оборотного водоснабжения. Однако наряду с неоспоримыми преимуществами, внедрение оборотного водоснабжения на обогатительных фабриках имеет ряд проблем, оказывающих отрицательное влияние на технологический процесс. При использовании оборотных вод для флотации апатит-нефелиновых Хибинского массива особую роль играет ионный состав воды. Этот состав определяется реагентами, применяемыми при флотации, растворимостью минералов в технологических процессах и химическими реакциями, происходящими в хвостохранилищах. Например, при внедрении оборотного водоснабжения на АНОФ-2 уже при 45 %-ном водообороте было отмечено накопление ионов SO42-, Са2+, Na+, К+ и их отрицательное влияние на флотацию. Практически это выражалось в снижении селективности действия реагентов-собирателей, снижении скорости флотации, увеличении пенообразования, изменении структуры пены и повышении ее устойчивости, что приводило к существенному снижению технологических показателей флотации и обезвоживания [1].
Установлено, что основными компонентами оборотной воды являются катионы Са2+, Mg2+, Fe2+, К+, Na+ и анионы Cl-, SO42-, СО32-, НСО3-, SiO32-, а также шламы и органические компоненты [1].
Для очистки технологических вод с целью их дальнейшего применения на обогатительных фабриках используют хвостохранилища, где происходит осветление воды под действием гравитационных сил. Однако, для достижения равновесия процессов, протекающих в хвостохранилище, требуется значительное время и объемы пруда отстойника.
В настоящее время большой интерес для горнопромышленных предприятий представляет повышение технологической эффективности и экологической безопасности переработки руд за счет вовлечения в процесс предварительно очищенных технологических вод обогатительной фабрики без сброса их в хвостохранилище. Технологические воды обогатительного производства, которые могут быть использованы в процессе внутрифабричного водооборота (скрубберная вода, слив сгустителя концентрата) характеризуются высоким содержанием взвешенных веществ и водорастворимых солей, оказывающих негативное влияние на флотационный процесс.
Как показала практика работы предприятий, из всех компонентов оборотных вод наибольшее влияние на изменение поверхностных свойств минералов, входящих в состав апатит-нефелиновых руд, оказывают взвешенные вещества и катионы Са2+. Минералогический анализ взвешенных веществ из оборотной воды АНОФ-2 показал [2], что они представлены полевыми шпатами и нефелином (до 40 %), гидрослюдами (до 43%), апатитом (до 6%), эгирином, титаномагнетитом и сфеном (до 15%). Крупность взвешенных веществ, обычно, находится в диапазоне 0,1-300 мкм, т.е. от грубодисперсных до коллоидных частиц. Отрицательное воздействие шламов на процесс флотации заключается в сорбции на себя собирателя, изменении ионного состава пульпы и загрязнении апатитового концентрата за счет механического выноса шламов в пену [3]. Изучение влияния катионов Са2+ на флотацию апатита показало, что они взаимодействуют с мылами жирных кислот с образованием труднорастворимых солей в виде коллоидно-дисперсных образований, снижают ККМ собирателей. При флотации они активируют поверхность минералов, вызывая нарушение селективности процесса, и приводят к ухудшению качества концентрата [4].
Выполненными ранее работами доказано, что предельное значение содержания катионов кальция во флотационной воде не должно превышать 20 мг/л [5]. По опыту работы обогатительных фабрик, перерабатывающих апатит-нефелиновые руды, оптимальное количество взвешенных - до 900 мг/л.
Очевидно, что для вовлечения в процесс слива сгустителя апатитового концентрата и скрубберной воды требуется дополнительная их очистка с целью уменьшить содержание ионов кальция и взвешенных веществ. В настоящей статье рассмотрена возможность очистки технологических вод предприятия с помощью флокулянтов с целью дальнейшего использования этих вод при флотации без длительного отстаивания в хвостохранилище.
Для решения поставленной задачи предлагается использование водорастворимых высокомолекулярных соединений, среди которых наиболее распространенными и универсальными являются полиакриламидные флокулянты. В настоящее время предлагается обширный ассортимент флокулянтов, отличающихся молекулярной массой, природой и количеством ионогенных групп, товарной формой. Изучение закономерностей процессов, протекающих в коллоидно-дисперсной системе под действием флокулянтов,
позволит сделать выбор наиболее эффективного реагента для подготовки технологических фабричных вод к флотации.
Флокулирующую активность исследуемых полимерных реагентов определяли на «модельных» и реальных дисперсных системах. В качестве модельной системы использовали суспензию тонкодисперсных частиц апатитового концентрата с содержанием дисперсной фазы 2%, приготовленной на дистиллированной и оборотной воде. Для приготовления суспензии использовали апатитовый концентрат (крупность минус 0,071 мм), с содержанием Р2О5 39,34 %.
На первом этапе исследований проведена оценка эффективности действия различных органических флокулянтов. Были рассмотрены реагенты фирмы SNF, представляющие собой полиакриламиды высокой молекулярной массы с различной степенью ионности (таблица 1).
Таблица 1 - Характеристика реагентов-флокулянтов
Класс реагентов Наименование Степень ионности Молекулярная масса
Анионные флокулянты AN 956 SH высокая, 50% (13,4-16,1)*106
AN 934 SH высокая, 30 %моль (13,8-16,75) *106
AN 923 SH средняя, 20% (12,2-14,1)*106
AN 910 SH очень низкая,10% (11,6-13,75)*106
Катионные флокулянты FO 4700 SH Высокая,70% (4,9-7,25)*106
FO 4400 SH Средняя,30% (5,0-7,55) *106
FO 4240 SH Низкая,16% (6,2-8,25)*106
Неионогенные флокулянты FA 920 SH - (8,64-11,53)*106
Для изучения влияния степени ионности на флокуляцию тонкодисперсных частиц апатитового концентрата получены концентрационные и кинетические зависимости степени осветления «модельной» суспензии апатитового концентрата в оборотной воде для ряда катионных, анионных и неионогенного флокулянтов. Полученные данные показали, что анионные флокулянты более эффективны по своему действию - для достижения равных показателей по осветлению воды требуются намного меньшие расходы анионного флокулянта. В большей степени преимущество анионного флокулянта проявляется на первых минутах осветления (рисунок 1). Среди анионных флокулянтов большей эффективностью характеризуется реагент AN 956 SH с большей степенью ионности - 50%.
Для более эффективного флокулянта 956 получена зависимость его флокулирующей способности от рН раствора (рисунок 2). Полученные результаты показывают, что с повышением рН степень осветления воды увеличивается и наиболее оптимальное значение равно 11.
Очевидно, что эффективность работы флокулянта зависит от поверхностных свойств твердой фазы дисперсной системы. Основным компонентом твердой фазы «модельной» суспензии является апатит. Известно, что на поверхности апатита в щелочной области рН реализуется следующая схема ионизации поверхностного слоя (рисунок 3).
и , 1
т ^
5 I
I- Ш
ш Р
X ш
-©■ и
т о
95
90
0,2 0,3 0,4
Концентрация реагента, мг/л
чр
к
и н е л
а£
е
-©■ т -А- <->
т °
100 80 60 40 20
10
15
20
25
30
Время осветления, мин
0
5
Рисунок 1 - Концентрационные и кинетические зависимости степени осветления модельной суспензии апатитового концентрата в оборотной воде для ряда катионных, анионных и неионогенного флокулянтов: 1- AN 956 SH - •; 2 - AN 923 SH - □; 3 - FA 920 SH +; 4 - AN 910 SH - х; 5- FO 4400 SH - ■; 6- FO 4700 SH - 7- FO 4240 SH -
о х ш
I*
т
чо ОЧ
ОС
X
О)
т е в с о
100
99,5
99 98,5 98 97,5
9,5
10
10,5
11
11,5
12
12,5
РН
9
Рисунок 2 - Зависимость флоккулирующей способности AN 956 SH от рН раствора
Рисунок 3 - Схема ионизации поверхности апатита в щелочной среде.
При рН больше 9 на поверхности апатита адсорбируются ионы ОН- и СО32- и образуются нерастворимые карбонат и гидроксид кальция с дробными валентностями. На поверхности образуется избыточный отрицательный заряд [6]. Наличие центров Ca - ОН создает предпосылки для благоприятного взаимодействия анионного флокулянта с поверхностью тонкодисперсных частиц апатита. Анионактивный флокулянт закрепляется на поверхности частиц, вытесняя ОН группы по комплексу Са - (ОН-).
Несмотря на то, что анионный флокулянт содержит отрицательно заряженные карбоксильные группы, сколь-либо заметного снижения содержания ионов кальция в воде не происходит. Так, при исходном содержании в одном из исследуемых образцов воды Са2+ 25,1 мг/л, применение флокулянта 956 обеспечивает снижение ионов кальция до 24,5 мг/л.
Известно, что при рН больше 11 из раствора выпадают нерастворимые гидроксиды кальция. Поэтому для снижения содержания ионов кальция, а также учитывая, что оптимальное значение рН для флокуляции равно 11 (рисунок 2), предложено проводить флокуляцию тонкодиспресных частиц после предварительного добавления к суспензии гидроксида натрия. В таблице 2 представлены результаты влияния рН на содержание ионов Са2+ в растворе.
Таблица 2 - Влияние рН на содержание ионов Са2+ в растворе...
Значение pH Са2+
6,25 53,8
9,5 24,9
10 7,55
10,5 3,8
11 2,2
Оценку влияния выбранного флокулянта и способа водоподготовки на реальную дисперсную систему проводили на смеси оборотной, скрубберной воды и слива сгустителя апатитового концентрата, взятых в соотношении 23:40:37 % соответственно. Состав компонентов реальной дисперсной системы по Ca2+ и взвешенным частицам представлен в таблице 3. Снижение ионов кальция добивались добавлением гидроксида натрия до рН=11. Параллельно с реагентом 956 испытали флокулянт 934, также характеризующийся высокой степенью ионности и близкой молекулярной массой. Результаты данных исследований показаны в таблице 4.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы. Наиболее эффективными реагентами для подготовки технологических вод апатит-нефелиновой обогатительной фабрики являются анионные флокулянты с большой степенью ионности, такие как AN 934 SH или AN 956 SH. Предпосылки для благоприятного взаимодействия именно такого типа флокулянтов с поверхностью тонкодисперсных частиц, представленных, в основном, апатитом, создаются за счет поверхностных особенностей данного минерала в щелочной среде.
Таблица 3 - Характеристика слива сгустителя, скрубберной и оборотной вод и смеси на их основе.
Компонент Содержание Ca2+, мг/л Содержание взвешенных веществ, г/л
Слив сгустителя 52,2 27,363
Скрубберная вода 11,7 0,728
Оборотная вода 13,2 0,853
Смешанная вода 27,03 10,63
Таблица 4 - Результаты очистки реальной дисперсной системы с помощью AN 956 SH и AN 934 SH при рН - 11_
Реагент Расход, мг/л рН Содержание взвешенных веществ, г/л
AN 956 0,1 11 0,107
AN 956 0,2 11 0,078
AN 934 0,1 11 0,145
AN 934 0,2 11 0,117
В работе показано, что с помощью флокулянтов возможно снижение содержания основных, негативно влияющих компонентов технологических вод, до значений, не оказывающих влияние на процесс флотации апатит-нефелиновых руд. Технология водоподготовки технологических вод обогатительного производства с помощью флокулянтов оптимального состава обеспечит возможность вовлечения в производственный процесс технологических вод, исключая при этом их сброс в хвостохранилище. Внедрение такой технологии позволит сократить площади, занимаемые отходами производства, тем самым снизит экологическую нагрузку на окружающую среду.
Автор выражает признательность коллективу лаборатории № 29 ГОИ КНЦ РАН за оказанную помощь при проведении данных исследований и лично Митрофановой Г.В. за ценные советы при планировании исследования и рекомендации по оформлению статьи.
Литература
1. Голованов В.Г., Петровский А.А., Брыляков Ю.Е., Внедрение оборотного водоснабжения на АНОФ-2 // Горный журнал. - 1999. - № 9. - С. 48-50.
2. Малинская И.С., Бачева Е.Д. Исследование особенностей селективной флотации апатита в условиях оборотного водоснабжения // Переработка окисленных руд. - М.: Наука, 1985. - С. 205-211
3. Классен В.И., Розанова О.А. Влияние тонких шламов и жидкого стекла на флотацию апатита // Химическая промышленность. - 1953. - № 8. - С. 23-28
4. Голованов Г.А. Флотация кольских апатитсодержащих руд. - М.: Химия, 1976. - 216 с.
5. Гершенкоп А.Ш., Мухина Т.Н., Артемьев А.В. Особенности минералогического состава апатит-нефелиновых руд месторождения Олений ручей и их влияние на показатели обогащения // Обогащение руд, №3, 2014, с. 33-36
6. Алейников Н.А., Герман Т.П. Поверхностные свойства апатита в растворах электролитов // Труды V научно-технической сессии института Механобр. -Ленинград, 1967. - Т.1. - С. 500-510.
Сведения об авторе Артемьев Александр Васильевич,
младший научный сотрудник, Горный институт Кольского научного центра РАН Россия, 184209, Апатиты, ул. Ферсмана, 24. Эл. почта: sashaartemev2009@yandex.ru
