Разработка ресурсосберегающих технологий, позволяющих снизить антропогенное воздействие на окружающую природную среду и сократить потери ценных компонентов, представляет собой актуальную проблему современной промышленности. Одним из перспективных направлений в этой области является очистка сточных вод предприятий горно-обогатительной отрасли.
Современные процессы обогащения полезных ископаемых основаны на использовании значительного количества воды для технологических целей. Помимо этого вода подается на вспомогательные и подсобные операции, используется для гидротранспорта продуктов, а также для охлаждения маслоохладителей и подшипников дробилок, вакуум-насосов, дымососов, растворения флотационных реагентов [8].
В результате производственных процессов на обогатительных фабриках образуются сточные воды сложного химического состава. Они представлены хвостовыми растворами (хвостами) и сливами сгустителей концентратов. Основную часть (60–90 %) стоков на горно-обогатительных фабриках составляют хвостовые растворы флотации, содержащие нерудные компоненты в виде твердых частиц различной крупности, причем содержание твердой фазы в хвостах достигает 20–40 %. Вместе с хвостовыми растворами уносится также значительное количество ценных компонентов, к которым относятся ионы цветных металлов.
Традиционно твердая фаза хвостовой пульпы содержит не только пустую породу, но и в сростках с ней полезные компоненты, которые, как правило, относят к технологическим потерям на стадии переработки руды.
Состав сточных вод предприятий данной промышленной отрасли разнообразен и зависит от природы сырья и технологии обогащения. В таблице представлены средние данные по содержанию основных металлов и анионов в сточных водах свинцово-цинковых обогатительных фабрик [6].
Химический состав сточных вод обогатительных фабрик (полиметаллические руды, содержащие свинец и цинк)
|
Сточная вода |
Концентрация, мг/дм3 |
|||||||||||
|
pH |
Na+ |
Ca2+ |
Mg2+ |
Cu2+ |
Zn2+ |
Pb2+ |
Feобщ |
Cl– |
SO42– |
CO32– |
CN- |
|
|
Слив сгустителя концентрата: свинцового цинкового |
9,3 10,4 |
280 156 |
92 140 |
11 7 |
8 2 |
1,4 2,7 |
3,2 1,1 |
0,30 0,30 |
145 38 |
210 215 |
121 140 |
110 38 |
|
Хвосты |
9,9 |
100 |
104 |
8 |
4 |
2,0 |
0,6 |
0,70 |
80 |
400 |
150 |
110 |
|
Слив хвостохранилища |
8,5 |
150 |
100 |
15 |
0,5 |
0,8 |
0,1 |
0,30 |
75 |
410 |
160 |
5 |
Таким образом, изучение и разработка технологий в области кондиционирования и очистки стоков горно-обогатительной отрасли являются актуальным направлением исследования.
Одним из методов решения данной проблемы является разрядноимпульсная технология.
Электрический взрыв в конденсированных средах представляет собой процесс преобразования энергии электрического поля в механическую работу. Подобный метод превращения энергии характеризуется тем, что в сравнительно малом объеме разрядного канала в течение весьма малого промежутка времени образуется высокая плотность энергии с резким повышением давления и температуры [1].
Высоковольтный импульсный разряд в жидкости сопровождается световым и электромагнитным излучением, формированием ударных, ультразвуковых и звуковых волн широкого диапазона частот, импульсного давления, мощного гидропотока с кавитацией.
При разрядноимпульсной обработке (РИО) воды обнаружено [4], что наряду с процессами диспергирования при определенных энергиях воздействия наблюдается коагуляция мельчайших твердых частиц. Это позволяет предположить целесообразность применения импульсного метода в процессе осветления воды в практике обогащения руд полезных ископаемых.
В многочисленных исследованиях [2, 3, 7] подробно изучено воздействие различных параметров РИО на физико-химические свойства жидкой фазы пульпы, однако, влияние температурного фактора при осветлении стоков с помощью импульсного метода в полной мере не исследовано. В связи с этим изучение данного вопроса представляет научный интерес.
Температура пульпы при флотации в большинстве случаев выдерживается в пределах 15–25 °С. Лишь при флотации некоторых руд или селективной флотации коллективных концентратов пульпу подогревают при предварительном перемешивании или перед флотацией. Влияние температуры на флотацию оценивают в интервале 5–80 °С [5].
В качестве объекта исследования были выбраны сульфидные свинцово-цинковые руды Горевского месторождения. В химическом составе руды преобладают SiO2 (34,44 %) и FeO (29,12 %), в меньшей мере Pb (4,33 %), Zn (3,06 %), MnO (2,47 %), MgO (2,2 %), CaO (1,9 %). Другие соединения присутствуют в незначительных концентрациях.
Исходная руда массой 500 г и крупностью –3 + 0 мм была измельчена до крупности 90 % класса – 0,074 мм в шаровой мельнице. Затем руда была отправлена на флотационное обогащение, схема которого приведена рис. 1.
Для изучения влияния электровзрывного воздействия на кинетику осаждения дисперсных частиц в хвостовых растворах импульсная обработка исследуемых проб осуществлялось с помощью разрядноимпульсной установки. Разрядный технологический блок эффективно преобразует электрическую энергию в другие виды энергии, представляя собой электродную систему подключенных к разрядной стороне блока импульсных конденсаторов. При исследовании влияния температурного фактора на качество осветления сточных вод после РИО варьировалась энергия обработки и температура хвостовых растворов.
Экспериментально подтверждено, что РИО ускоряет процесс коагуляции дисперсных частиц в хвостовых растворах флотации руд, содержащих свинцово-цинковые частицы.
По сравнению с растворами, не подвергавшимися импульсному электрофизическому воздействию, скорость осаждения твердой фазы в обработанных пробах увеличивается в 3 раза.
Рис. 1. Схема коллективной флотации свинцово-цинкового концентрата
При нагревании хвостовых растворов наблюдается дополнительное увеличение скорости седиментации. Как видно из графика, приведенного на рис. 2, при 5-минутном отстаивании в растворе, обработанном удельной энергией 1,6 кДж/дм3 и нагретом до 50 °С, скорость осаждения твердых частиц в 8 раз выше, чем в растворе, который не подвергался импульсной и термической обработке.
Рис. 2. Кинетика осаждения дисперных частиц в хвостовом растворе при различной импульсной и температурной обработке: температура раствора 25 °С: 1 – 1,6 кДж/дм3; 2 – 4,8 кДж/дм3; 3 – 8 кДж/дм3; 4 – без обработки; температура раствора 50 °С: 5 – 1,6 кДж/дм3; 6 – 4,8 кДж/дм3; 7 – 8 кДж/дм3
Таким образом, обработка энергией 1,6 кДж/дм3 с последующим нагревом раствора позволяет достичь максимальной скорости осаждения дисперсных частиц по сравнению с другими режимами импульсной и термической обработки.
Дальнейшее исследование показало, что при увеличении температуры раствора до 70 °С показатели процесса практически не изменяются. По графику, приведенному на рис. 3, видно, что через 5 минут после начала процесса осаждения скорости седиментации растворов при температурах 50 и 70 °С практически выравниваются. С течением времени данная тенденция сохраняется.
Рис. 3. Кинетика осаждения дисперсных частиц в хвостовом растворе при удельной энергии обработки 1,6 кДж/дм3 и нагреве до 50 °С (1) и 70 °С (2)
Полученные результаты свидетельствуют о том, что нагревание обработанных растворов до температуры 50 °С усиливает коагуляцию дисперсных частиц. Однако дальнейшее увеличение температуры представляется нецелесообразным, т.к. снижает показатели процесса седиментации. Это можно объяснить увеличением интенсивности броуновского движения ионов в диффузной части двойного электрического слоя с ростом температуры. В результате чего возрастает эффективная толщина двойного электрического слоя, что вызывает повышение электрокинетического потенциала и устойчивости дисперсной системы.
Таким образом, увеличить скорость осветления флотационных растворов возможно путем их обработки высокоимпульсными разрядами. Оптимальным режимом импульсной обработки хвостовых растворов, содержащих свинцово-цинковые частицы, является электрофизическое воздействие удельной энергией 1,6 кДж/дм3 с последующим нагреванием до 50 °С.
Разрядноимпульсная технология представляет собой перспективный метод безреагентной очистки сточных вод горно-обогатительных предприятий, которая позволяет использовать их для оборотного водоснабжения. Кроме того, импульсная обработка дает возможность извлечь ценные компоненты, которые при использовании традиционных методов теряются со сливом сгустителей.
Рецензенты:
Патрушев В.В., д.т.н., старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник ИХХТ СО РАН, г. Красноярск;
Михайлов А.Г., д.т.н., заведующий лабораторией проблем освоения недр ИХХТ СО РАН, г. Красноярск.
Работа поступила в редакцию 17.10.2013.