Научное обоснование и разработка технологии комплексной переработки и утилизации техногенных медно-цинковых вод горных предприятий

Орехова, Наталья Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Научное обоснование и разработка технологии комплексной переработки и утилизации техногенных медно-цинковых вод горных предприятий
ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Научное обоснование и разработка технологии комплексной переработки и утилизации техногенных медно-цинковых вод горных предприятий"

контрольный!

1--■— Н.;Гп[1^'вах"ру'кс1п^и^ I

/'л/ /?

ОРЕХОВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ II РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ II УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕДНО-ЦИНКОВЫХ ВОД ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 25.00.13 - Обогащение полезных ископаемых Специальность 25.00.36 - Геоэкология (горно-перерабатывающая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

вт —

-з и:0Л 2014

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет»

Научный консультант - профессор, доктор технических наук

Шадрунова Ирина Владимировна

Официальные оппоненты: Самыгин Виктор Дмитриевич

доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский технологический университет МИСиС/ кафедра обогащения руд цветных и редких металлов, профессор

Кузькин Александр Сергеевич доктор технических наук, ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ», главный научный сотрудник.

Александрова Татьяна Николаевна доктор технических наук, ФГБОУ ВПО Национальный минерально-сырьевой университет "Горный"/ кафедра обогащения полезных ископаемых, заведующий кафедрой

Ведущая организация - ОАО «Уралмеханобр» , г. Екатеринбург.

Защита диссертации состоится «30 » сентября 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.074.01 при Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук по адресу: 111020, г. Москва, Крюковский тупик, д. 4; тел./факс 8 (495) 360-89-60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПКОН

РАН и на сайте www.ipkonran.ru.

Автореферат разослан «16» июня 2014 г.

Папичев В.И.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Спецификой технологического процесса добычи колчеданных руд является образование жидких отходов - кислых дебалансных загрязненных вод: дренажных и инфильтрационных - в западной литературе называемых acid mine drainage (AMD). Воды являются основными поставщиками тяжелых металлов в окружающую среду. Экологический ущерб от сброса AMD в поверхностные водотоки бассейна реки Урал оценивается в несколько десятков миллиардов рублей в год. Помимо расходов на возмещение экологического ущерба предприятия несут убытки из-за потери со сбросом части ценных компонентов. Тем не менее, примеры использования кислых металлоносных вод с получением дополнительных продуктов при одновременном снижении экологической нагрузки являются единичными.

Изучение вопроса образования и переработки вод, горных предприятий цветной металлургии с тяжелометальной нагрузкой показало, что в исследование закономерностей формирования вод и геоэкологическую оценку их воздействия внесли значительный вклад отечественные и зарубежные ученые: Емлин Э.Ф., Макаров Д.В., Кузькин В.И., Удачин В.Н., Ferguson K.D., Nordstrom D.K.; в развитие теории и практики обезвреживания и переработки вод: Чантурия В.А., Соложенкин П.М., Феофанов В.А., Халезов Б.Д., Набойченко С.С., Вигдергауз В.Е., Морозов Ю.П., Шадрунова И.В., Медяник Н.Л., Ануфриева С.И., и др. Однако, в литературе недостаточно внимания уделено научно-методологическим основам вовлечения вод в ресурсовозобновляющую переработку, нет стратегии управления жидкими отходами. Отсутствуют подходы к проведению практических мероприятий для экономически целесообразной утилизации металлоносных вод с учётом специфики их образования, разнообразия, а также особенностей организации природно-техногенной системы, производства и технологических процессов. Ограничен выбор методов извлечения металлов из вод, позволяющих получать дополнительные металлсодержащие продукты, отсутствует инструментарий выбора методов.

В современной экологической и экономической ситуации при переработке AMD наиболее целесообразным представляется получение чистой воды и безопасных шламов за счет направленного селективного извлечение ценных компонентов на стадии предочистки потока с получением обогащенного извлекаемым металлом продукта, матрица которого соответствует концентратам обогащения или компонентам шихты плавильных агрегатов. В этой связи наиболее обоснованным представляется применение гальванокоагуляционного метода очистки вод с использованием гальванопары «железо-углерод», что позволяет вовлекать в совместную переработку жидкие и твердые отходы и получать интегративный эколого-экономический эффект.

Развитием теории метода гальванокоагуляции занимались ведущие отечественные и зарубежные ученые: Феофанов В.А., Чантурия В.А., Соложенкин П.М., Лавриненко E.H., Прокопенко В.А., Батоева A.A., Ковалева О.В., Зайцев Е.Д., Рязан-цев A.A., Чернова О.П., Prochaska С.А., Zouboulis A.I. S.Krausz и др. Метод характеризуется простотой технологических операций, индифферентностью к колебаниям качества вод, хорошей сочетаемостью с другими способами очистки и доочистки вод.

Решение проблемы переработки и утилизации техногенных вод горных предприятий (до 40 млн м3/год по Уралу), имеющих высокое содержание меди (101100,0 мг/дм3 до 2700 мг/дм3) и цинка (4,2-3500,0 мг/дм3 до 8200 мг/дм3 ), с извлечением металлов является актуальным и соответствует приоритетному направлению

Концепции долгосрочного социально-экономического развития РФ на период до 2020 года - «экологизация экономики с целью значительного улучшения качества природной среды и экологически конкурентоспособных производств». Это крупномасштабная, сложная и перспективная задача, которую в определённой мере решает представленная работа.

Работа основана на результатах НИОКР, выполненных в Магнитогорском государственном техническом университете по грантам РНП 2.1.2.6594 , РФФИ 10-05-00108а, ФЦП 14.В37.21.1910, РФФИ 13-05-00008-А и хоздоговорным работам с ОАО «Медногорский металлургический комбинат» (г. Медногорск, Оренбургская область), ОАО «Учалинский ГОК» (г. Учалы и Сибай, Башкортостан), ОАО «Свято-гор» (г. Красноуральск, Свердловская область) в 2004-2013 гг. при непосредственном участии автора в качестве ответственного исполнителя и руководителя работ.

Цель работы

Разработка научно-методологических основ рационального и комплексного использования техногенных металлоносных вод горных предприятий, теоретическое обоснование и создание технологий переработки вод с извлечением меди и цинка при одновременном снижении экологической нагрузки на окружающую среду.

Идея работы заключается в установлении границ применимости методов очистки металлоносных вод и извлечения из них металлов для создания технологии переработки и утилизации целенаправленно сформированных для сохранения металлов в технологически извлекаемой форме потоков гидроминеральных ресурсов.

Задачи исследования:

- разработать стратегию управления системой оборота металлоносных вод горных предприятий обеспечивающую рациональность и комплексность их использования с вовлечением потоков в ресурсосберегающую переработку;

- провести теоретический анализ закономерностей формирования металлоносных вод при эксплуатации медно-цинковых колчеданных месторождений Урала, изучить состав, оценить технологические свойства и сырьевую ценность;

- оценить потенциальные возможности и адаптивность методов очистки вод к селективному извлечению меди и цинка;

- изучить зависимость сохранения извлекаемого металла в технологически оптимальной форме от особенностей формирования и хранения вод, разработать рекомендации по рациональному формированию техногенных гидроминеральных потоков на горнорудных предприятиях;

- разработать технологическую классификацию гидроминеральных медьсодержащих техногенных ресурсов и алгоритм выбора метода извлечения меди;

- обосновать параметры селективного извлечения меди и цинка физико-химическим моделированием взаимодействий в системе «гальванопара железо-углерод-металлоносный техногенный поток»;

- вскрыть механизм фазообразования при извлечении меди и цинка из техногенных вод методом гальванокоагуляции (гальванопара «железо-углерод»), изучить закономерности извлечения цветного металла в продукты с наибольшей массовой долей цветного металла без увеличения метальной нагрузки на обработанный поток;

- разработать технологию переработки металлоносной воды с приоритетным содержанием цинка и меди для получения рациональных продуктов, сырья для закладочных смесей, очищенной до норм ПДК воды и оценить эколого-экономическую эффективность применения технологий при переработке металлоносных вод ГОКов.

Объекты исследования:

- модельные кислые сульфатные металлоносные воды;

- шахтные, карьерные и подотвальные воды наиболее крупных предприятий Южного и Среднего Урала - ОАО «Гайский ГОК», ОАО «Учалинский ГОК», ЗАО «Бурибаевский ГОК», ООО «Медногорский медно-серный комбинат», ОАО «Свято-гор»;

- гальванокоагуляционная система: кислые медь- и цинксодержащие сульфатные воды -гальванопара «железо-углерод».

Методы исследования

В работе использованы: теоретический анализ априорной информации, обобщение, термодинамический анализ, физико-химическое моделирование с использованием программного комплекса «Селектор-С», экспериментальные методы, включающие химический, рентгенофазовый, микроскопический (анализатор изображения Минерал С-7), электронно-микроскопический (JEOL JSM-6460 LV) анализы, рН-метрию, лабораторные эксперименты на гальванокоагуляциошгых и сорбционных установках. Измерение контрольных параметров исследуемых процессов проводилось с использованием стандартных и специально разработанных аппаратуры и методик в лабораториях ФГБОУ ВПО «МГТУ», ИОНХ РАН им. Н.С.Курнакова, ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ). Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований и технологическое тестирование выполнялись в укрупненных лабораторных и полупромышленных испытаниях на промышленных площадках Сибайского филиала ОАО «Учалинский ГОК», ОАО «Медногорский медно-серный комбинат», ООО «Святогор». Обработка результатов выполнена с применением методов прикладной математики, математической статистики, программ Microsoft Excel, STATISTICA.

Положения, выносимые на защиту

1. Стратегия управления металлоносными водами горных предприятий, обеспечивающая экологическую безопасность производства, рациональность и комплексность использования жидких отходов, должна предусматривать не только очистку вод до экологических нормативов, но и переработку целенаправленно сформированных потоков металлоносных вод с получением селективных металлсодержащих продуктов, пригодных для рециклинга.

2. Комбинированный критерий, объединяющий три показателя: концентрацию металла, активную реакцию (значение рН) и индекс металла в техногенной воде - позволяет разработать технологическую классификацию для любых видов металлоносных вод горных предприятий.

3. Кислые металлоносные воды медно-цинковых горных предприятий, образуются в результате техногенной трансформации недр, в «зрелой» стадии техногенеза при их локализации являются специфическим гидроминеральным сырьём, содержащим металлы в технологически оптимальной ионной форме, и характеризуются высокой сезонной качественно-количественной изменчивостью при умеренно устойчивом соотношении концентраций меди и цинка.

4. Сохранность в гидроминеральном сырье металлов в технологически оптимальной форме обеспечивает обособленная транспортировка вод, целенаправленное формирование потоков техногенных вод в соответствии с качественно-количественными показателями: рН; концентрацией; соотношением концентраций меди и цинка; преимущественной ионной формой железа и хранение металлоносных вод при аккумуляции не более суток.

5. Получение товарных медь- и цинксодержащих продуктов в процессе гальванокоагуляции (гальванопара железо-углерод) медно-цинковых вод достигается регулировани-

ем содержания кислорода и рН в гальванокоагуляционной системе и обеспечивается: механизмом извлечения меди в твёрдую фазу заключающемся в совместном протекании электрохимических и химических реакций с образованием цементной меди и ферритов меди при участии полигидроксокомплексов железа; механизмом повышения массовой доли цинка в осадке после аэрации заключающемся в образовании оксида цинка в прика-тодной области как продукта гидролиза гидроксида цинка.

6. Двухсгадиальная организация гальванокоагуляционной обработки металлсодержащих вод с применением гальванопары «железо-углерод» в установленных границах технологических параметров (первая стадия: продолжительность обработки 4-6 мин; рН=2,0-3,5; Ре/С =3:1-4:1 и вторая стадия: продолжительность обработки предварительно аэрированной воды 12-15 мин; рН=5,5-6,2; Ре/С =1:1) позволяют получать не комплексные осадки, а селективные товарные медь- и цинксодержащие продукты.

7. Использование в гальванокоагуляционной технологии очистки кислых металлоносных вод горных предприятий железо- и кокссодержащего отхода металлургического передела — медистого клинкера позволяет получить селективные медь- и цинксодержащие продукты, дополнительный экологический эффект за счет уменьшения площадей под складирования этого вида отхода и снизить техногенную нагрузку на биоту в зоне расположения горно-металлургических производств.

Достоверность результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных; использованием сертифицированного оборудования, современных средств и методик проведения исследований, использованием метрологически достоверных и аттестованных методик выполнения измерений. Подтверждается согласованностью данных эксперимента и научных выводов, сопоставимостью результатов физико-химического моделирования и экспериментального факторного анализа; воспроизводимостью результатов лабораторных и промышленных испытаний, положительными результатами промышленной апробации разработанных технологических решений.

Научная новизна

1) Разработана стратегия управления металлоносными водами горных предприятий, обеспечивающая рациональность и комплексность их использования, включающая выбор сценария развития водно-ресурсной системы горнопромышленного узла (ВРС ГПУ) ( места и стадиальности очистки) на основе оценки будущих затрат с учетом влияния техногенных вод на поверхностные водные объекты в соответствии с сезонными изменениями качественно-количественных характеристик природных, техногенных потоков горнопромышленного района.

2) Впервые для селективного выделения меди и цинка в металлсодержащие продукты, утилизируемые подшихтовкой к концентратам обогатительного или в качестве компонента шихты металлургического переделов, при переработке металлоносных вод горных предприятий использован метод гальванокоагуляции с применением гальванопары «железо-углерод».

3) Физико-химическим моделированием в системе СиЗОА, Си(0П)г2п804, 2п(0Н)гРе-С-0гН250гН20 в диапазоне параметров, характерных для рудничных и подотвальных вод, установлены оптимальные области селективного извлечения меди и цинка в продукты с наибольшей из возможных массовой долей соответствующего металла при одновременном связывании железа. Избирательное выделение меди в виде феррита термодинамически наиболее вероятно при рН=2,6-4,1, ЕЬ=0,2-0,5. В и мольном соотношении ГеЮ2=1,0. Выделение цинка происходит при более

высоких значениях рН равновесных растворов 5,2-6,2 и концентрации сульфатов менее 0,045 моль/дм .

4) Выявлены термодинамически наиболее вероятные в гальванокоагуляцион-ной системе СиБ04,Си(ОН)2-2п804,2п(ОИ)гРе-С-02-]1,80гН20 реакции образования ферритов меди и цинка при участии полигидроксокомлексов железа (III).

5) Установлено, что потенциальным регулятором содержания меди в получаемых в процессе гальванокоагуляции осадках и железа в жидкой фазе является содержание кислорода в системе. В соответствии с теоретически обоснованным и подтвержденным рентгенофазовым и микроскопическим исследованиями механизмом перевода меди в твёрдую фазу, заключающемся в параллельном протекании химических и электрохимических реакций в зависимости от количества кислорода преимущественно реализуется механизм цементации или ферритизации меди.

6) Теоретически обоснован механизм образования оксида цинка в прикатодном пространстве гальванокоагуляционной системы в условиях аэрации, заключающийся в переходе гидроксида цинка в оксид через тетрагидроксоцинкат-ион в условиях подщелачивания прикатодного пространства за счет электролиза воды.

7) Предложен подход к разработке технологических классификаций гидроминеральных ресурсов, состоящий в соотнесении качества потока с областью применения метода извлечения металла или очистки в соответствии с комбинированным классификационным признаком, объединяющим три принципа: форма металла в потоке определяется значением рН, рентабельность переработки потока определяется концентрацией металла, селективность извлечения металла определяется соотношением его концентрации с концентрацией конкурирующих к выделению ионов в химическом или физико-химическом процессе.

8) Предложена технология комплексной переработки металлоносных вод, включающая двухстадиальную гальванокоагуляционную предочистку потоков с использованием гальванопары «железо-углерод» с получением селективных медь- и цинксодержащих продуктов, очистку с применением силикагно-карбонатного барьера.

9) Разработана технология совместной переработки подотвальной воды и медистого клинкера, основанная на идее кинетически регулируемого перераспределения меди и цинка между жидкой и твердой фазами за счет интенсифицированных гальваническим взаимодействием частиц магнитной (железосодержащей) и немагнитной (углеродсодержащей) фракций клинкера процессов цементации, ферритизации меди и выщелачивания цинка из твердой фазы кислой подотвальной водой.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, проведении теоретического анализа, разработке стратегии управления металлоносными водами горных предприятий, обосновании методики выбора экологически и экономически оптимального сценария развития водно-ресурсной системы горнопромышленного узла, формулировке методологических принципов, разработке классификаций, алгоритмов, программы для ЭВМ, расширении теоретических представлений о механизмах фазообразования при извлечении меди и цинка из техногенных металлизованных вод методом гальванокоагуляции с использованием гальванопары железо-углерод, разработке экспериментальных установок, непосредственном участии в научных экспериментах, обработке, интерпретации и апробации результатов исследования, разработке ресурсосберегающих технологии, организации и проведении эксперимеггтальных исследований и опытно-промышленных испытаний, анализе и обобщении полученных результатов и обосновании выводов, подготовке публикаций.

Практическая значимость диссертации состоит в разработке для горных

предприятий медно-цинковой подотрасли и внедрении: стратегии, позволяющей управлять оборотом металлоносных вод; подходов, позволяющих разрабатывать частные технологические классификации гидроминеральных ресурсов; классификации, позволяющей формировать технологии переработки медьсодержащих гидроресурсов; рекомендаций, позволяющих сохранять металлы в технологически оптимальной форме для селективного извлечения при формировании потоков; технологий, позволяющих получить при переработке гидроминеральных ресурсов рациональные продукты и очищенную воду, а также совместно перерабатывать подот-вальную воду и медистый клинкер, что обеспечивает значительное снижение экологической нагрузки на окружающую среду и получение интегративного эколого-экономического эффекта.

Реализация результатов исследования:

На основании полученных результатов разработаны и утверждены Уральской горно-металлургической компанией методические рекомендации «Управление техногенными медьсодержащими водопотоками».

Полученные результаты и научные выводы работы были использованы при разработке ресурсовоспроизводящих технологий комплексной переработки техногенных вод медно-цинковых горных предприятий, которые прошли опытные испытания в условиях ОАО «Медногорский медно-серный комбинат» и СФ ОАО «УГОК» на реальных кислых подотвальных водах. Получены положительные результаты.

Основные научные положения и практические решения диссертационной работы использованы при организации учебного процесса по дисциплинам: «Рациональное использование водных ресурсов», «Разработка техногенных месторождений» специальности 130405.65, «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», «Процессы и аппараты очистки сточных вод» специальности 280302.65, при подготовке авторского курса «Физико-химические процессы извлечения полезных компонентов из природных и техногенных вод» подготовки аспирантов по научной специальности 25.00.13 «Обогащение полезных ископаемых».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XXIV Международном конгрессе по обогащению (Китай, Пекин 2008г., Индия, Дели 2012г.); XXIV и XXV Международном Балканском конгрессе по обогащению (Тузла 2011г., Созополь 2013г.); Международном совещании «Плаксинские чтения» (Апатиты 2006г., Владивосток 2008г., Новосибирск 2010г., Пышма 2011г.); VI, VII, IX Конгрессах обогатителей (Москва 2007, 2009, 2013гг.); научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва 2007, 2014гг.); Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах (Санкт-Петербург 2006г.); V Международной научно-технической конференции «Комбинированная геотехнология» (Екатеринбург, 2009г.); Международной научно-практической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (Екатеринбург 2008, 2009, 2013гг.); научном семинаре «Минералогия техногенеза-2008» (Миасс); выставке инновационных технологий (Челябинск 2008г.); научно-технических конференциях МГТУ им. Г.И. Носова (Магнитогорск 2007- 2013гг.).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 44 научные работы, в том числе 1 монография, переводных - 5, в рекомендованных ВАК РФ изданиях - 14, зарегистрирована 1 программа ЭВМ.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 406 страницах машинописного текста, содержит 94 рис., 70 табл., библиографический список из 379 наименований и 7 приложений.

Автор глубоко признателен академику РАН, д-ру техн. наук, проф. В.А. Чанту-рия, д-ру техн. наук, проф. И.В. Шадруновой, д-ру техн. наук А.П. Козлову, канд. техн. наук H.A. Волковой за постоянную поддержку и консультации на протяжении всей работы, канд. техн. наук З.Р. Гиббадуллину, К.В. Булатову, д-ру техн. наук, проф. H.JI. Медяник, сотрудникам кафедр ФХиХТ, Химии и ОПИ за помощь в проведении исследования и интерпретации результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность работы, сформулированы цель исследований, суть научной проблемы и защищаемые положения.

В первой главе сделан обзор теории, практики использования техногенных вод горных предприятий, анализ их экологической опасности. Определены области применения методов очистки вод и извлечения тяжелых металлов. Рассмотрены особенности и закономерности извлечения меди и цинка с использованием метода гальванокоагуляции. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе даны определения понятиям «металлоносные воды», «гидроминеральное сырье» и «гидроминеральное месторождение». Сформулированы методологические подходы к вовлечению техногенных вод в переработку и представлена разработанная стратегия управления металлоносными водами горных предприятий с обоснованием каждого этапа. Представлена разработанная технологическая классификация техногенных гидроресурсов горных предприятий на примере медьсодержащих вод и систематизация металлсодержащих продуктов переработки.

В третьей главе всесторонне охарактеризованы рудничные и подотвальные воды, с точки зрения их экологической опасности и технологической пригодности к ресурсосберегающей переработке. Сделан анализ факторов формирования металлоносных вод, анализ сезонного и многолетнего изменения их качества и количества. Представлены результаты экспериментального изучения сохранности металлов в технологически — оптимальной форме.

В четвертой главе представлены результаты физико-химического моделирования гальванокоагуляционной системы, термодинамическая оценка реакций ферри-тообразования в неравновесных условиях, результаты электронно-микроскопического изучения поверхностных новообразований на частицах гальванопары. Предложена модель фазообразования при извлечении меди и цинка в двух-стадиальном гальванокоагуляционном процессе.

В пятой главе представлены результаты изучения закономерностей извлечения меди и цинка в металлсодержащие осадки методом гальванокоагуляции (гальванопара железо-углерод) с использованием традиционной загрузки железо-кокс и техногенного отхода - медистого клинкера. Представлены результаты изучения влияния аэрации вод на извлечение металлов, их массовую долю в осадках и фазовый состав осадков. Определены рациональные параметры технологических процессов.

В шестой главе подведены итоги опытно-экспериментальной работы, представлены результаты испытаний разработанных технологий, рассчитана технико-экономическая и экологическая эффективность разработанных технологических решений.

Методики выполнения экспериментальной части работы представлены в главах, соответствующих описанию результатов эксперимента.

В приложении к металлоносным водам система управления - это комплекс мероприятий по сбору, транспортировке, переработке, последующему использованию вод, утилизации полученных дополнительных продуктов и отходов с контролем всего процесса. Большое число и высокая сложность сопрягающихся задач требуют в вопросах управления системного подхода. Для координации практических методов, процедур и процессов с производственной, экономической деятельностью предприятий, а так же охраной окружающей среды сформирована стратегия управления металлоносными водами горных предприятий через поэтапное решение промежуточных тактических задач (рис.1).

На первом этапе производится оценка целесообразности вовлечения металлоносных вод в переработку с позиций комплексности, металльной нагрузки и экономической целесообразности переработки по конкретным компонентам. На данном первичном этапе оценки практически невозможно прогнозировать конечные технологические и экономические показатели. Однако можно оперировать достижимым уровнем извлечения металлов, следовательно, размером предотвращенного экологического ущерба и стоимостью дополнительного продукта.

Минимальная эффективная концентрация металла в воде С"^ | для извлечения в рациональный дополнительный продукт может быть найдена из сопоставления результата Р переработки и затрат и по эталонной технологии (технология, которая распространена в отрасли) в соответствии с уравнениями:

РУ6 = С?е + ДУ,(1.1)

ДУ£ = С?е хе(ХР1 (1.2) Сп | = 5э.т/Рул = ^.ТЛЕ; * ( Ц. + Рг)1(1-3)

где 5Э Т — себестоимость переработки по по эталонной технологии, руб./м3; С"е - концентрация металла в потоке, т/м3; р, - плата за сброс 1 тонны ¡-го загрязняющего вещества (руб.); - извлечение ¡-го металла в продукт, доли. ед\ Ц, - цена ¡-го металла, руб/т, А У - снижение платы за ущерб, руб.; Руд - результат реализации ресурсосберегающей переработки металлоносных вод.

В результате определяются наиболее ценные компоненты, извлечение которых целесообразно и выделяются воды, не представляющие ресурсной ценности (С"е < Ст?п 1) подлежащие только комплексной очистке и гидроминеральный ресурс (С"е > для получения металлсодержащих продуктов соответствующих про-

изводственной направленности предприятия.

На следующем этапе с использованием частных технологических классификаций, которые связывают качество потока с методом переработки для конкретного металла и типа вод, осуществляется выбор метода переработки с селективным извлечением металлов.Основной принцип данного этапа - соответствие области применения метода качеству вод и получение совместимых с производственной направленностью предприятия продуктов.

Предварительная оценка целесообразности вовлечения металлоносных вод в ресурсосберегающую переработку

Металлизация Нме/пМе

Доминирование катиона с?7]Гс£*в-+1

Расход вод <?

Потери металла <2 х с"е > м„

Минимальная эффективная концентрация металла рМе. _ ьгтп £ °э.т /[£1*(Ц1 + рд]

Период существования потока с рентабельной концентрацией металла 1 >90сут

Возможность объединения потоков с близкими характеристиками

Выбор метода переработки с селективным извлечением металлов

Соответствие области применения метода очистки вод или извлечения металла параметров: рН; овп, <Ж" : ^Ме*

Соответствие селективному изъятию металла параметров: С?7С»«; [Са,М8]/С,м«, рН, [Р«03+/[Ре]г* ПРЙ/ПРЙ ,

Соответствие качества металлсодержащего продукта требованиям направления утилизации Рмо г ^ Рм. г Состав удовлетворяет направлению утилизации

Индифферентность к колебаниям качества потока

Снижение общей нагрузки по ионным компонентам 1>. 1-1 ¡=1

Выбор экологически и экономически оптимального сценария развития водно-ресурсной системы горнопромышленного узла с вовлечением металлоносны! потоков в ресурсосберегающую переработку

Моделирование водно-ресурсной системы на основании минимизации функции затрат на основе априорной инфор-__мадии_

Определение количества стадий, уточнение методов извлечения и очистки

Адаптация метода

Физико-химическое моделирование Последовательность извлечения Оптимальные области селективного извлечения

Параметрическая оптимизация, обеспечивающая результат по критерию «извлечение-массовая доля металла» в продукте Кинетические закономерности Влияние рН, ЕЬ,Т

Аппаратурное оформление Модульность Выведение и ввод в эксплуатацию

Совместимость с методами очистки и доочистки

Использование твердых отходов

Формирование поток ресу гидроминерального рса

с Ионная форма

компонента в технологически оптимальной форме Ионнаяформа

после смешения потоков

Оптимальная суммарная концентрация металлов, соответствующая области применения метода

Оптимальное соотношение ингредиентов сГ/сГ; [Са,Мд]/С?е, \Fef-

Формирование технологии переработки

Водоотведения потоков обеспечивающее формирование гидроминерального ресурса

Комбинация методов извлечение-очистка-доо чистка

Трансформация схемы извлечение-очистка- о чистка-доочистка доо чистка ^--^

Эколого-экономическая | оценка п Т к 2 < ^ с<?х с?(* х е х Ц) + ^ ду4 + ^ п, 1=1 ¿=1 1=1

Утилизация продуктов |

Подшихтовка к концентратам

Использование в качестве закладки Д.. < ПДК

Сброс воды в водоем М„, < ПДС

Использование воды в технологических процессах

Рисунок 1 - Стратегия управления металлоносными водами горных предприятий

Мме - число металлов, относящихся к микрокомпонентному составу, концентрация которых превышает верхнюю границу концентраций принятую для элементов микрокомпонентного состава; пМе - общее число элементов-металлов, относящихся к микрокомпонентноыу составу; Ч - расход вод, м3/ч; е - извлечение металла в продукт, %: [Л/г], с"',с"е - концентрация металла в природно-техногенной воде, т/м3; М„ - приемлемая производительность по металлсодержащему продукту, т/ч; - минимальная эффективная концентрация металла в воде, т/м1 ; Ц - цена металла^ руб/т; 5ЭТ -себестоимость переработки по эталонной технологии, руб./м3; 7.- затраты на переработку, руб ; ПРМе- произведение растворимости соединения, в которое переходит металл при извлечении; Рме - массовая доля металла в металлсодержащем осадке, %; Р^*,РЦ" ■Рме - массовая доля металла в кондиционном или рентабельном продукте, предельно допустимая или стандартная, %; у- предотвращенный экологический ущерб , руб; л У-сниженке платы за ущерб, руб, п- выгоды (прибыль) от использования оборотной воды на собственные нужды, от использования экологически безопасных осадков в закладке, руб.; ПДК- предельно допустимая концентрация мг/кг; ПДС - предельно допустимый сброс т

Современная консолидация горных и металлургических предприятий глубокого передела делает наиболее целесообразным направленное селективное извлечение ценного компонента с получением продуктов, шихтуемых с концентратами обогащения без изменения их марки или используемых в качестве компонента шихты плавильных агрегатов. Данный подход позволяет вовлекать в переработку металлоносных вод твердые техногенные горно-металлургические отходы и получать интегратив-ные эколого-экономические эффекты. Тем самым реализуя принцип комплексности использования на основе технологической и экологической обоснованности совместной утилизации.

Центральным блоком стратегии является выбор экологически и экономически оптимального сценария развития водно-ресурсной (ВРС) системы горнопромышленного узла (ГПУ) с вовлечением металлоносных потоков в ресурсосберегающую переработку. ВРС ГПУ - это совокупность взаимодействующих элементов: природных водотоков, техногенных потоков, водопользователей и средств транспортировки и управления качеством вод. Оптимальный сценарий развития ВРС заключается в определении экономически целесообразного места расположения очистных сооружений и необходимой стадиальности очистки на основании оценки влияния деба-лансных техногенных вод на поверхностные водные объекты горнопромышленного района.

Оценка проводится с применением потоковой модели программирования, которая строится на законах сохранения масс воды и масс примесей. Система представляется сетью с множеством вершин и дуг (рис. 2 и 3), элементы которой соответствуют фрагментам ВРС ГПУ.

Закон сохранения Бедных иасс

МС'ОЧЧиК.........

иеГЗАЛОМОСНЫХ \ V4!

•«Д

„ ,_ -сброс

дополнительные дугх.эттззжзгещие ^ затраты на ' нтял«'.«нне

металлов и очистку: в"...........

. 31

ь;«)

: (о

ю-

Рисунок 2 - Модель узла ВРС с очисткой сточных вод

Заксн сохранения иасс прниесей

*«* = 2Х«+е и е х

05щая функция затрат при очистке «ей

Шахта Опалы

Сгок с селитебной тегрпторкп.

<Я) ©

—с; диетные сооружения Карьер ---

Молсмно->;онсер1иый комбинат

Рисунок 3 - Граф водно-ресурсной системы Сибайского горнопромышленного узла

Основной критерий - минимизация функции затрат на переработку вод. Затраты могут быть компенсированы прибылью от реализации дополнительного продукта. Обсчет модели производится на основании базы данных о расходах и концентрациях загрязняющих веществ в дугах по месяцам, и функции затрат на очистку в зависимости от массы загрязнения по схемам различной стадиальности.

На следующих этапах проводится формирование потока гидроминерального ресурса по критерию сохранности металлов в технологически оптимальной для селективного извлечения форме; адаптация метода очистки вод к селективному извлечению металла с применением программных комплексов физико-химического моделирования и экспериментального факторного анализа; формируется технология переработки с получением металлсодержащих продуктов на стадии предочистки и последующей очисткой и доочисткой воды до нормативных показателей; переработка техногенных вод с получением дополнительных продуктов, соответствующих производственной направленности предприятия и нормативно очищенной воды; утилизация металлсодержащих продуктов подшихтовкой к концентратам обогатительного или в качестве компонента шихты металлургического передела, шламов и осадков очистки и до-очистки при изготовлении закладки для выработанного пространства.

Подшихтовка металлсодержащих продуктов к концентратам обогащения производится с использованием номограмм, позволяющих определять предельную долю дополнительного продукта в шихте с концентратом при условии сохранения марки концентрата как по основному металлу, так и по примесям.

Экономическая оценка мероприятий, разработанных в результате реализации стратегии, проводится с учетом снижения платы за загрязнение окружающей среды и экономического эффекта от реализации дополнительных металлсодержащих продуктов.

В соответствии с предложенной стратегией разработаны мероприятия и технологии рационального и комплексного использования металлоносных вод горных предприятий, которые прошли успешную апробацию в условиях горно-обогатительных предприятий медного комплекса Уральского региона

Для обеспечения априорного выбора технологии переработки вод обширная информация о методах извлечения металлов из растворов, очистки вод и характеристиках вод нуждается в систематизации с последующей классификацией, связывающей качество потока с методом селективного извлечения металла или комплексной очистки. Задача создания классификации осложняется многотипностью, многоком-понентностью вод и вариативностью соотношения компонентов в водах. Очевидно, что технологическая классификация может быть создана для определенного типа вод, относительно конкретного компонента, подлежащего извлечению.

Анализ существующих классификаций вод, параметров, влияющих на эффективность и рентабельность применения методов переработки вод позволил положить в основу классификации три принципа: форма металла в потоке определяется значением рН, рентабельность определяется концентрацией металла, селективность извлечения металла определяется соотношением его концентрации с концентрацией конкурирующих к выделению ионов в химическом или физико-химическом процессах.

Таким образом, классификационный признак является комбинированным. Код каждого класса Х'} включает указатель преобладающей формы металла X: взвешенная (Р) или растворенная (Н), верхний символ г - показатель группы селективности (индекс металла), нижний символ j - показатель концентрации.

Классификация позволяет при последовательном применении выбрать для исходной и обработанной воды метод извлечения металла для стадий предочистки, очистки, доочистки, и составить полную технологическую цепочку.

На основании данного подхода разработана частная классификация для медьсодержащих сульфатных природно- техногенных вод горных предприятий медно-цинковой подотрасли, в которых основным конкурентом меди при селективном извлечении является цинк.

Используя в качестве классификационного признака форму нахождения меди в воде при соответствующем значении рН, выделили две группы техногенных гидроминеральных ресурсов горнорудных предприятий:

1 группа- сточные воды с преобладанием меди в ионной форме (медь в лабильной форме), к этому классу в зависимости от концентрации меди можно отнести воды со значением активной реакции в интервале рН 1,5 - (5,6...6,2).

2 группа - сточные воды с преобладанием меди в виде коллоидных структур гидроксидов (медь в нелабильной форме), к этому классу в зависимости от концентрации меди можно отнести воды со значением активной реакции в интервале рН (5,6...6,2)-11,5.

Согласно расчетам, концентрация меди над осадком при значениях рН > 6,2 составит менее 5,6 мг/дм3, а минимальная эффективная концентрация меди в потоке составляет 50 мг/дм3, что позволяет выделить три группы вод:

1 группа - воды с концентрацией меди до 5 мг/дм - требуют очистки до норм ПДК и не являются ресурсом меди;

2 группа- 5....50 мг/дм3 - требуют очистки до норм ПДК и могут являться ресурсом меди при достаточных объёмах производства;

3 группа - более 50 мг/дм3 - медьсодержащий гидроминеральный ресурс.

Соотнесение выделенных классов вод и методов очистки проведено в соответствии с областями применения этих методов, которые иллюстрирует диаграмма (рис. 4), составленная на основе априорной информации.

Группы селективности (ССи/С2п) приняты по

рбщ!^ 3 ионный о 5мен

ирнная 'тация

raj: ьванокс ату

2000 2250 2500

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 концентрация меди мг/дм3

Рисунок 4 - Области эффективного применения методов извлечения меди из растворов соотношениям концентраций металлов в реальных потоках, в соответствии с расчетом по произведениям растворимости образующихся малорастворимых соединений и имеющимися в литературе сведениями о влиянии соотношения концентраций на разделение меди и цинка в процессах селективного извлечения металлов и очистки:

1 группа- 0...0,4 — возможно селективное извлечение меди цементацией, экстракцией;

2 группа - 0,4....0,65 - возможно селективное извлечение меди методами предыдущего 1 класса и гальванокоагуляцией, реагентным осаждением, ионным об-

меном, ионной флотацией;

3 группа- больше 0,65 - возможно селективное извлечение меди методами предыдущих 1,2 классов и сорбцией, электродиализом.

В результате варьирования групп каждого показателя, входящего в комбинированный критерий, формируется 18 классов вод. Классы с рН > 6,2, в которых медь, при её наличии, находится преимущественно в виде коллоидных осадков, а, следовательно, может быть извлечена после коагуляции и флокуляции осаждением, объединены (табл.1). Верхнее ограничение концентрации меди 2,5 г/дм3, так как более высокая концентрация характерна для продуктивных растворов промышленного выщелачивания, которые не являются объектами данного исследования.

На основании разработанной классификации составлен алгоритм и написана программа для ЭВМ «Выбор метода извлечения меди из кислых сульфатных техногенных вод горно-металлургических предприятий медно-цинкового комплекса» свидетельство № 2013611707.

Таблица 1 - Технологическая классификация медьсодержащих гидроминеральных _ресурсов (концентрация меди до 2500 мг/дм3)_

код Характеристика техногенного потока Предпочтительное использование техногенного стока Метод утилизации или переработки стока

Р1! рН= 1,5...6,2; Cu2+/Zn2+<0,4;. Ccu < 5 мг/дм3 Возвращение в оборот Нейтрализация щелочных стоков

Р1! рН=1,5...6,2; Cu2+/Zn2+ =0,4 - 0,65 Ccu < 5 мг/дм3 Орошение отвалов Создание геохимических барьеров

Очистка и возвращение в оборот или сброс Гидролитическое осаждение

В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди Ионный обмен (смолы)

Р\ рН= 1,5...6,2; Cu2+/Zn2+ >0,65 Ccu < 5 мг/дм3 В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди при больших расходах Сорбция Ионный обмен (смолы)

Р12 рН= 1,5. ..5,2; Cu2+/Zn2+ < 0,4 Ccu =5...50мг/дм3 В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди в коллективный продукт Гидролитическое осаждение

Р1з рН= 1,5...4,2; Cu2+/Zu2+ < 0,4. Ccu> 50мг/дм3 В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди в коллективный продукт Гидролитическое осаждение

В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди с получением цементата или ферритов меди Цементация Гальвано ко агуля ция

В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди с получением сульфидного осадка Сульфидное осаждение

р1г рН=1,5...5,2; Cu2+/Zn2+ =0,4 - 0,65 Ccu =5...50мг/дм3 В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди с получением товарных слитков или купороса Ионный обмен (смолы) Ионная флотация.

р"з рН=1,5...5,2; Cu2+/Zn2+= 0,4 - 0,65 CCu> 50мг/дм3 В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди с получением ферритов меди и купороса Гальв ано ко агуля ция

рН=1,5...5,2; Cu2+/Zn2+ >0,65 Сси=5...50мг/дм3 В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди с получением ферритов меди, купороса или коллективного продукта Гальвано ко агуля ция Электродиализ Сорбция

PJ3 рН=1,5...5,2; Cu2+/Zn2+ >0,65 Ccu> 50мг/дм3 В качестве медьсодержащего ресурса для извлечения меди с получением цементата , ферритов меди и купороса Цементация Электродиализ Гальв ано ко агуля ция

н pH > 6,2; Очистка потока Осаждение после коагуляции, флокуляции Сорбция Сульфидное осаждение

3. Кислые металлоносные воды медно-цинковых горных предприятий, образуются в результате техногенной трансформации недр, в «зрелой» стадии техноге-неза при их локализации являются специфическим гидроминеральным сырьём, содержащим металлы в технологически оптимальной ионной форме, и характеризуются высокой сезонной качественно-количественной изменчивостью при умеренно устойчивом соотношении концентраций меди и цинка.

Анализ систематических мониторинговых наблюдений позволил определить характерные для шахтных, рудничных и подотвальнных вод доминанты и среднемного-летние показатели макро-, мезо- и микро-компонентного составов, диапазоны концентраций металлов, рН , минерализации, соотношения концентраций меди и цинка, степени загрязненности, преобладающую жесткость.

К металлоносным водам отнесены техногенные воды, в которых концентрации металлов превышают кларковые значения в природных водах той же части литосферы. Характеристика некоторых техногенных потоков представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Характеристика техногенных вод горных предприятий медно-цинковой _подотрасли____

Предприятие Наименование потока Концентрация, мг/дм3 рН БО/' Ж имоль*э кв/дм3 Объём, м3/ч

Си2+ Реобщ

ООО «ммск Медные шлаки« клинкер

Подотвальные 40-1100 20-3500 250-8000 1,9 - 3,2 8450,6 97,5 3,0

Медно-цинково - колчеданные руды

ОАО «УТОК» Шахт. «Учалинское» 0,017-502,5 57,6-1835,5 0,40-995,2 3,55-7,15 1532,4 20,0 275,2

Подотв. «Учалинское» 7,7-234,7 65,3-1200,0 27,4-448,0 2,9-4,4 12573,6 184,8 295,0

Карьерн. «Молодёжное» 0,38 4,5-10,8 11,3 -23,4 5,1-6,7 1350,0 36,8 175,6

Подотв. «Сибайское» 18-350,0 68,1-600,0 50-373,7 3,17-7,9 10793,4 288,0 108,7

ГТОК Рудничн. «Гайс кое» 219 160 785 2,64 5063,4 40,2 156,4

ООО «Свято гор» Подотв. «Тар ньерс кое» 402,5-2082 2156-8680,0 4075-9334 2,21-2,94 102480,4 796,5 10,2

Медно-колчеданные руды

Подотв. «Шемурское» 626,4-1641,0 43,12-620 3126-11545 2,0-2,4 60370,0 298,5 2,8

Карьерн. «Шемурское» 30,12-64,35 1,82-5,24 23,08-124,1 3,61-4,14 880,1 42,3 2,72

БГОК Подотв. «Маканское» 382,0 13,5 197,3 2,87 18069,0 356,2 12,5

Кларк, мг/дм3 в поверхностных водах, Кпв 0,007 0,02 0,04 8,25

Кларк, мг/дм3 в подземных водах зоны гнпергенеза, Кгг 0,0558 0,0414 0,481 76,6

Вблизи окисляющихся рудных проявлений формируются кислые (рН 3,6-4,3), минерализованные сульфатные воды {[БО/'] до 5 г/дм ) поликатионного состава с высокими концентрациями микроэлементов халькофильной группы. Наиболее токсичные и концентрированные по металлам воды продуцируют отвалы слабоминерализованных пород и забалансовых руд. Это экстремально агрессивные, сильнокислые (рН=1,5-3,2) воды с высокими концентрациями меди, железа, цинка, неблагоприятным для переработки соотношением концентраций металлов, ураганными зна-

чениями сульфатной минерализации (/50/'] более 8 г/дм3) и жесткости (более 95 ммоль-экв/дм3).

Расчет по уравнению 1.3, исходя из средней себестоимости наиболее распространенной на горных предприятиях Урала гидролитической очистки кислых вод - 20 руб./м3, извлечения металлов 0,6 доли ед, цен на Си и 2п принятых 50% от цены ЬМЕ и стоимости тонны сброса меди и цинка (в пределах установленных допустимых нормативов сбросов в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 344 в 2003 г. ) в размере соответственно 275481 и 27548,1 руб., коэфициента индексации 2,2, дает на уровне 50мг/дм3 и СД"П - и 350 мг/дм3. Такие концентрации металлов характерны для исследуемых кислых шахтных и подотвальных вод. Следовательно, эти воды, в соответствии с общеизвестным определением ресурса, являются гидроминеральными ресурсами, так как представляют собой техногенные воды, в которых концентрация хотя бы одного из растворенных ценных компонентов превышает наиболее низкую концентрацию экономически целесообразного его извлечения, то есть являются ресурсом не только воды, но и данного компонента

Анализ априорных данных влияния климатических, гидрологических, геологических и техногенных факторов на гидрохимические параметры потоков показал, что главный фактор формирования ионного состава вод — скорость окисления сульфидов. Металльную нагрузку определяет совокупность факторов: интенсивность аэрирования горных выработок; глубина проникновение воздуха к сульфидам, связанная с технологией разработки месторождения; соотношение площадей катодных участков на поверхности сульфидных минералов; наличие коломорфного пирита; заселение микроорганизмами; водоносность контактирующих с рудным телом природных вод и скорость движения воды через метаморфизированные породы. Закисление техногенных рудничных (шахтных и карьерных) вод с повышением концентрации металлов характерно для стадии зрелого техногенеза. Гидроминеральное техногенное месторождение может быть описано как динамически возобновляемые воды, приобретающие свойства техногенного гидроминерального ресурса при прохождении через ограниченные геоструктурными элементами техногенно -изменённые породы, находящиеся в недрах или на поверхности Земли.

Проведенная по графикам распределения среднемесячных показателей качества вод за 10 - 12 лет оценка временных изменений концентраций металлов показала, что для шахтных вод горных предприятий Южного Урала характерно два пика максимумов, которые приходятся на периоды 3-4и9—10 месяцев года с шириной пика в 1 — 2 месяца. Амплитуда колебаний значений концентраций достигает 2-х порядков. Для сезонно-образующихся подотвальных вод Южного и Среднего Урала характерен один пик в мае — августе с шириной пика 2-3 месяца. Амплитуда колебаний значений концентраций достигает 3-х порядков.

Теоретическое распределение Си и Хп по разным формам нахождения в техногенных кислых водах предполагает преимущественное существование меди и цинка в потоках в ионных формах Си2*, Си(ОН] и 2п* (табл. 3).

Мембранным анализом установлено, что в металлоносных водах с рН 2,5 — 4,5 во взвешенной форме находится от 36 до 64 % железа. Для меди и цинка основной формой миграции является растворенная, в которой находится 92,4 -99,5 % металлов.

Таблица 3 — Концентрации (моль/дм3) меди и цинка в техногенных водах в _ ионной и молекулярной формах___

Воды рн Си2+ Си(ОН)+ Си(ОН)2 Тп1* гп(ОН) + гп(ОН)г

Подотв. «Учалинское» 3,3 3,6-10'3 3,26-10'7 6,99-1011 5,2-Ю'3 1,1-Ю"8 3-Ю'9

Шахт. «Учалинское» 4,7 1,04 10"' 2,33-Ш-6 1Д-10-8 2,89-Ю'3 1,5910~7 5-10'9

Подотвальная « Сибайское» 3,3 5,5-10"3 4,9-10"7 1,04-10"10 9,2'103 2-10"8 2,9-10'"

В результате обработки массива данных среднемесячных показателей качества вод Сибайской и Учалинской промплощадок ОАО «УГОК» за 12 и 5 лет, подотвль-ной воды месторождения «Тарньерское» за 6 лет выявлены корреляционные зависимости между отдельными компонентами состава техногенных вод: прямая для пар [гп*]-[$042-]; [2п2+]-[СГ]; [Си2*]-[Б042-]; [Си2+]-[СГ]; обратная для пар [2к2+]-рН; [Си2*]-рН; [Си~]-[Вв]. Значения коэффициентов корреляции г =0,15-0,33 позволяют оценить взаимозависимости ]-[СГ] и [Си2*]-[СГ] как несущественные ; г=0,55-0,70 позволяют оценить взаимозависимости /"¿л2 ]~[8042']; [Си*]-[$042']; [2п2*]-рН; [Си *]-рН; [Си*]-[Вв] как сильные. Отсутствует корреляция между концентрациями цинка и взвешенных веществ. Для шахтных вод коэффициент парной корреляции между концентрациями меди и цинка находится в диапазоне 0,41-0,47, для подотвальных в диапазоне 0,44—0,61, то есть взаимозависимость является умеренной. Очевидно, что постоянное соотношение ионов меди и цинка в потоке играет положительную роль в стабильности технологического процесса селективного выделения этих металлов из вод.

При отведении рудничных и подотвальных вод горных предприятий основной практикой является их смешение и аккумуляция в открытых накопителях с последующей подачей на очистные сооружения. Корреляционный анализ показал, что число пар компонентов со значимой взаимозависимостью в объединенных потоках уменьшается.

Экспериментальное определение изменения содержания металлов в ионной форме при смешении и хранении вод проводили на водах Учалинского месторождения (ОАО «УГОК»), и месторождений «Шемурское» и «Тарньерское» (ООО «Святогор»),

После смешения трех проб вод ОАО «УГОК» в равных объемах в объединенной пробе зафиксировали снижение светопропускания (Б) на 11,2+0,5% относительно подотвальной воды и уменьшение содержания металлов в ионной форме (рис.5а) относительно расчетных средних значений в объединенном потоке: Си* на 33%, 2п*на 24% Реобщ на 28%. При этом рН объединенной пробы оказалась ниже рН начала образования гидроксида меди но соответствовала рН гидратообразования

Смешение близких по качеству подотвальных вод месторождений «Тарньерское» и «Шемурское» в равных объемах не привело к изменению содержания металлов в ионной. При смешении подотвальных вод месторождений «Тарньерское» и

«Шемурское» с карьерной произошло повышение pH на 0,57 ед. (рис. 5 б) и снижение прозрачности на 14,0 0,5% относительно характеристик наиболее кислого потока. Снижение доли металлов в растворенной форме по сравнению с расчетными средними значениями в объединенном потоке составило Си2'- 9,2%, Zn2*- 3,3% и Feo6ui- 16,1% . При этом концентрация Fe (III) в фильтрате уменьшилась на 15,35%, что позволило предположить в качестве основной причины снижения концентрации металлов в ионной форме образование гидроксида железа (III) с последующей адсорбцией на его активной поверхности ионов меди и цинка.

Feooiu

Рисунок 5- Изменение содержания металлов в ионной (I) и взвешенной (II) формах при смешении металлоносных вод: а) воды ОАО «УТОК», б) воды ООО «Святогор» Изучением эффективности сорбции ме-

ди и цинка на свежеобразованном Ре(ОН)3 в кислой среде (рис. 6) установлено, что максимальная степень сорбции ионов Си2~ и достигается за 10 мин. и далее практически не изменяется. В более кислой среде (рН 2,5) сорбция ионов меди и цинка меньше, чем при рН=3.

Эффективность сорбции ионов меди при одних и тех же условиях в 2,6-4,1 раза выше сорбции цинка. Сорбция меди в опытах составила 0,18-0,44 мг/мг. Таким образом, при смешении вод, приводящем к повышению рН относительно наиболее кислого потока из смешиваемых, перевод растворенных Си и ХгС в осадок происходит за счет адсорбции на свежеобразованном гид-

х и

0 100 200 300 концентрация Ре(ОН)3, мг/дм3 Рисунок 6 - Сорбционная способность свежеобразованного гвдроксида Ре 3~ по отношению к ионам цинка (1-3) и меди (4-6) в зависимости от концентрации (1,2, 4, 5 - Си^= 2п2*= 500 мг/дм3; 3,6 -Си^= гп2*=250 мг/дм3) и рН (2,5- рН=3; 1,3,4,6, - рН=2,5)

роксиде железа (Ш).

При хранении подотвальной воды в открытых емкостях уже на вторые сутки наблюдается образование рыхлого осадка коричневого цвета, характерного для гидрок-сидной формы железа (III). Изучение динамики изменения рН раствора и концентрации растворенного в кислом модельном растворе сульфата железа (II) при хранении в открытых емкостях в летний период показало, что рН среды медленно повышается. Снижение концентрации железа составляет при исходной концентрации его в растворе

■ Подотвальная pH 3,32 ВШахтная pH 3,57 Э ВШахтная pH 6,2

■ Подотвальная "Тарньер" pH 2,7 Я Подотвальная "Шемур" pH 2,24 ШКарьерная "Шемур" pH 3,37

■ Объединенная рН2,81

500 и 1000 мг/дм3 за первые сутки соответственно 3,4 и 8,2%, за вторые — 23,4 и 24,75% (рис.7).

Рисунок 7 - Динамика изменения Рисунок 8 - Динамика измене- Рисунок 9 - Динамика измене-рН (1,2) и концентрации железа ния концентрации растворен- ния концентрации растворен-(3,4) в растворе с концентрацией ных металлов в шахтной воде ных металлов в подотвальной железа 1,3- 500 мг/ дм3; 2,4 - воде

1000мг/дм3

В реальных шахтных и подотвальных водах уже через сутки хранения в открытой емкости без существенного изменения рН среды концентрация металлов по сравнению концентрацией металлов в фильтрате свежеотобранной пробы снизилась: Си2' на 7,2%; на 2,5% и Реобщ на 21,4% в шахтной воде (рис. 8); Си2* на 3,0%; 2п~ на 6,3% и Реобщ на 8,8% в подотвальной воде. Наибольшее снижение концентрации меди, цинка и железа в растворе происходит за вторые сутки хранения. Перевод растворенных Си2 и 2п2 в осадок при хранении происходит за счет окисления Ре(П) до Ре(Ш) с последующим образованием гидроксида трехвалентного железа и адсорбции на образующихся коллоидах Ре(Ш) ионов цветных металлов. Таким образом, оба приема: смешение отличающихся по рН кислых вод и хранение вод более суток не обеспечивают сохранность металлов в технологически оптимальной ионной форме, что делает воды менее пригодными для селективного извлечения металлов в технологиях ресурсовоспроизводящей переработки.

5. Получение товарных медь- и цинксодержащих продуктов в процессе гальванокоагуляции (гальванопара железо-углерод) медно-цинковых вод достигается регулированием содержания кислорода и рН в гальванокоагуляционной системе и обеспечивается: механизмом извлечения меди в твёрдую фазу заключающемся в совместном протекании электрохимических и химических реакций с образованием цементной меди и ферритов меди при участии полигидроксоком-плексов железа; механизмом повышения массовой доли цинка в осадке после аэрации заключающемся в образовании оксида цинка в прикатодной области как продукта гидролиза гидроксида цинка.

Анализ областей применения методов очистки показал, что для кислых (рН=1,5 — 4,0) вод с ССи до 1100 мг/дм3 и преобладанием концентрации цинка над концентрацией меди эффективным методом извлечения металлов является гальванокоагуляция. Для получения при переработке вод продуктов с матрицей, позволяющей про-

изводить подшихтовку осадков гальванокоагуляции к концентратам обогащения, выбрана гальванопара «железо-углерод».

Для определения параметрических границ селективного выделения меди в присутствии цинка и образования осадков с наибольшей массовой долей меди, цинка при одновременном связывании железа проведено физико-химическое моделирование с использованием программного комплекса «Селектор-С» методом минимизации свободной энергии в гетерогенной многокомпонентной системе, включающей компоненты гальванопары и модельного стока - CuS04,Cu(0H)rZnS04,Zn(0H)2-Fe-C-02-H2S0f-H20.

Матрица модели: 7 независимых компонентов; 125 зависимых компонентов; 39 твердых фаз; 77 компонентов электролитов. Область моделирования: Cqu = Czn Ю — 2*10"2 моль/дм3, CcJCZn =1:1 или 1:2, Fe/C= 3:1, рН 2-7, Fe/0¡= 0,5-1,5, Fe/Cu=1:1-1:10; общее давление 100 кПа, температура 298 К.

Диапазон концентраций меди и цинка соответствует концентрациям металлов в рудничных и подотвальных водах горных предприятий. Учтены процессы комплек-сообразования, гидролиза, гидратации, электрохимического замещения, диссоциации и полимеризации в растворах.

Определено (рис. 10), что при достижении равновесного состояния системы в окислительных условиях (Fe/02 = 1:1,5) осадки содержат феррит меди CuFeO2, феррит цинка ZnFe204, оксид меди(И) СиО, гидроксосульфат меди Cu4[S04](0H)6 и гематит Fe20¡. При соотношении Fe/02 =1:1 осадки содержат ферриты цинка и меди. В условиях снижения содержания кислорода (Fe/02= 1:0,7) твердая фаза представлена ZnFe204, а также CuFe02 и элементной медью. Параметрами избирательного выделения меди в виде феррита из сульфатных растворов, содержащих 0,01 моль/дм3 меди (II) и 0,01 моль/дм цинка(П), при Fe/O, =1:1 являются рН=2,0 — 6,1, Eh=0,45 — 0,58 В. При этом цинк полностью остается в растворе, а медь осаждается в виде феррита.

Образование ферритных цинксодержащих соединений наиболее вероятно при рН равновесных растворов выше 6,2, Eh=0,57 - 0,60В и [S04~] менее 0,020 моль/дм3. Селективное выделение цинка возможно только после предварительного извлечения меди из раствора.

При увеличении в системе ионов цинка до СсУС2„ =1:2 область рН селективного выделения меди сужается до 2,0 - 4,1, Eh до 0,16 - 0,39 В. Цинк полностью остается в растворе, а медь осаждается в виде CuFe02. Образование ZnFe204 вероятно при рН выше 5,2, Eh=0,57 - 0,60 В и [SO/'J менее 0,045 моль/дм3.

Снижение содержания кислорода в системе (FeZO,= 1:0,7) и рН до 2,5 позволяет повысить долю медьсодержащих соединений в осадках, до 76 - 80 %. В осадках наряду с CuFeOi, присутствует значительное количество элементной меди, а в растворах растет концентрация железа. Повышение содержания кислорода (Fe/Ó2 = 1:1,5) приводит к росту доли ZnFe204 в осадке.

Теоретические массовые доли меди и цинка в селективных осадках в оптимальных областях параметров, составили соответственно 10,67-13,49% и 6,2811,78% в пересчете из фазового состава осадков.

Полученные области рН избирательного выделения металлов в ферритной форме затрагивают область образования гидроксида железа(Ш) и области начала образования гидроксидов меди и цинка. Это указывает на механизм ферритообразо-вание с участием гидроксокомплексов и гидроксидов металлов.

Zn(OH)2 - 0,01, Cu(OH)2 - 0,01, Fe - 0,05, С - 0,015

Zn(OH)2 - 0,02, Cu(OH)2 - 0,01; FeO-0,05; С-0,015

Fe:Q = 1:1,5

Fe:0 = l:l

Fe:Q= 1:0,7

Fe:0= 1:1

ом 0,01 0,0« 0.01 0.0« rA'lwV*'

Рисунок 10 - Значения Eh, pH и равновесные составы жидкой фазы иосадков в системе CuSOj, Cu(0H)2-ZnS0j,Zn(0H)2-Fe-C-02-H2S0fH20 в зависимости от концентрации сульфат-иона и соотношения Fe/Q2

Для более полного представления об образующихся фазах проанализирована поверхность анодных частиц загрузки гальванокоагулятора при 2000-кратном увеличении (микроскоп ШОЪ ^М-6460 ЬУ). Анализ показал, что на поверхности анодных частиц одновременно сосуществуют железоокисные образования, включающие медь и цинк менее 1 % (1), образования цементной меди (2), цинксодержащие ■■■РМЯННП «налеты» (3), купрошпинель (4). (рис. 11).

г ^ НДР ЗдИ Состав новообразований приведен в табли-«ЯЦЩЗкЗГ Щ це 5.

. - щк—^^^щ^ Таблица 5 — Элементный (1 ) и атомарный (2)

+ * - юI акы поверхностных новообразований, %

Рисунок 11-Микрофотография поверхности анодной частицы и спектрограммы поверхностных новообразований Характерной особенностью распределения меди и цинка между поверхностями катодных и анодных частиц является превышение массовой доли цинка над массовой долей меди в поверхностном слое новообразований на катоде в 1,5—2 раза.

Анализ изменения константы скорости извлечения меди при гальванокоагуляции показывает, что она достигает максимума 0,81мин"' в течение пяти минут обработки. Затем её значение падает и через 30 минут обработки уменьшается в шесть раз. Столь значительное изменение скорости во времени свидетельствует о том, что механизм извлечения носит сложный характер и процесс соответствует электрохимической кинетике. Однако в течение 8 минут процесс протекает согласно закономерностям реакции первого порядка (линейная зависимость InC = f (t), К|=0,57), характерной для гетерофазных реакций, в том числе реакции цементации.

Протекание цементации объясняется тем, что в отсутствии гальваноконтакта между полуэлементами гальванопары, на железосодержащей частице с химически, структурно, а, следовательно, и энергетически неоднородной поверхностью образуется множество короткозамкнутых микроскопических гальванических элементов. На анодных участках происходит процесс окисления, железо переходит в раствор в виде ионов Fe2+ (анодный процесс): Fe" - 2е —> Fe"2. На катодных участках ионы меди и ионы водорода восстанавливаются, превращаясь в электронейтральные атомы: Си2'+2е —> Си"; 21Г + 2е —* Н2° т.е. медь (Е=+0,34В) вступает в электрохимическое взаимодействие с железом (Е= -0,44В) по общей реакции: СгГ + Fe = Си" + Fe2+(AGp°298) = -150, 517 кДж/моль.

При использовании гальванопары «железо-углерод» в результате анодного растворения происходит насыщение межэлектродного пространства ионами Fe~~ и как результат их окисления — ионами Fe3+. При концентрации ионов Fe3' 10"J моль/дм^ (порог полимеризации) и выше (что характерно для гальванокоагуляционной системы) процессы гидролиза приводят к образованию полиядерных гидроксокомплек-сов. До значений рН начала гидратообразования с Fe3'в растворе образуются следующие катионы: Fe3*, FeOH2', Fe(OH)2\ [Fe2(OH)3]3\ [Fe,(OH)]f\ [Fe3(OH) J 3+. Расчетом по константам гидролиза установили, что преобладающими ионными

формами Ре(Ш) в растворе являются Ре3* и [Ре3(ОН)]/* (мольная доля - 25-87% при рН=2,5-4,1 для [Ре3"~\= 0,01М). Над образующимся осадком в области значений рН 3—4 возрастает доля катиона РеОН' с 7,0 до 60,0%.

Термодинамический анализ реакций ферритообразования с использованием изотермы химической реакции (таблица 6) показал, что наиболее термодинамически выгодными являются окислительно-восстановительная реакция с участием кислорода, ионов Ре2г, Си2* или и реакции с участием ионов Си или 2п~* и триядерным гидроксокомплексным катионом [Ре3(ОН)].

Таблица 6 - Термодинамический анализ реакций ферритообразования

№ Полуреакция ДА кДж/моль-

рН 2,5 и \Ъх\ 1 = [Си] - 0,001 моль/дм3 Си(П) 2п(Ц) Ре(11)

1 2Ре2+ + Ме2+ + 2Н* + 502" = МеРе204 + Н2СН-2е -1367,0 -1039,4 -

2 2ГРе(ОНЬГ + Ме2"= МеРе2(Э4 + 4ЬГ -334,6 -409,1 -519,4

3 2Ре(ОН)2+ + Ме 2+ + 2Н20 = МеРе204 + 6Н* -179,6 -253,8 -364,4

4 ГРе2(ОН)2Г + Ме2+ + 2 О2" = МеРе204 + 2Н+ -484,4 -491,9 -475,8

5 2[Ре3(ОН)415+ + ЗМе2+ + 402' = ЗМеРе20, + 8Н* -784,1 -806,3 -839,3

6 ГРе2(ОН)412+ + Си(ОН)+ + О2' = СиРе204 + РГ + 2Н20 -179,2

рН 6,2 и \Хп 1- 0,001 моль/дм3

7 гРеОК* + гп2+ + 1 ДО, + 40Н" = гпРе204 + зн2о - -428,06 -

8 2РеОН+ + 7пОН' -Ю2 =7.пРе,04 + Н20+Н" - -373,04 -

9 2Ре2+ + 2п2+ + 202" = 2пРе,0, - -743,28 -

Экспериментальное изучение закономерностей извлечения меди и цинка в процессе гальванокоагуляции проведено на загрузке, представленной сливной стальной стружкой от фрезерования заготовок из стали марки Ст Зпс и доменным коксом.

Кинетические зависимости извлечения металлов из двухкомпонентного сульфатного раствора с рН =2,5 (рис. 12) свидетельствуют, что наблюдается значительная селекция меди в области 2-5 мин. Извлечение цинка в 3 — 4 раза меньше извлечения меди.

В процессе гальванокоагуляции наблюдается рост рН жидкой фазы: за 5 мин контакта раствора гальванопарой с рН 1,5 до 2,96; с рН 4,5 до 4,9.

Результаты изучение влияния рН на остаточную концентрацию меди (рис. 13) и цинка (рис. 14) в растворе подтверждают результаты физико-химического моделирования: эффективное извлечение меди происходит при рН 2,5-3,5, цинка при рН 5-6. Снижение остаточной концентрации металлов в растворе при более высоких значениях рН связано с образования малорастворимых гидроксидов металлов при росте рН. При переработке вод с извлечением металлов необходимо получать продукты с высокой массовой долей извлекаемого металла. Из растворов [Си]=[2п] =500 мг/дм3 при времени гальванокоагуляции 5 минут осадки со значительным преобладанием массовой доли меди над массовой долей цинка (Ро/Ргп = 3,4 - 2,9) получены при рН 2,5 - 3,5. Наиболее высокая массовая доля меди в ферритном осадке при извлечении более 90% составила 13,72% (рис. 15).

Г,аиуйм3

Я 3 10 15 20

Рисунок 12 - Кинетика извлечения металлов из двухкомпонентного раствора: 1,2 - медь; 3,4 - цинк; 1,3 - [Си]/ [гп]=1:2; 2,4 — [Си]![2п]=\: 1

2 80 К 60

' 40

3 |

I 20

к § 0

\ \ \

__ 1г-4-

—■

300

2 ч

■200

Р'ЮО

к \ к

N ин К 1

1,5

2,5

3,5

1,5 2,5 3,5 4,5

5,5 6,5 рН Рисунок 14 - Влияние рН на остаточную концентрацию цинка после 15 мин контакта с гальванопарой «железо-углерод» раствора

-----[2л] =250мг/дм3;

---Рп]= 500мг/д>и3

12 £10 1 8

111

Р"

4.5рН

Рисунок 13 - Влияние рН на остаточную концентрацию меди после 5 мин контакта с гальванопарой «железо-углерод» двухкомпонентного раствора

-----[Си]=[2п]= 250 мг/дм3;

- - - [Си]=[2п]= 500 мг/дм3 Аналогичная зависимость получена и из растворов с концентрацией металлов по 250 мг/дм3. Наиболее высокая массовая доля меди составила 9,6% при рН 2,5,

извлечение меди 90,4%.

Одним из приемов, интенсифицирующих очистку вод методом гальванокоагуляции, является насыщение системы кислородом путем аэрации. Ранее не изучалось влияние аэрации на массовую долю металлов в осадках. В большинстве опытов аэрация приводит к увеличению выхода осадка при снижении массовых долей меди и цинка в нем. Повышение массовой доли цинка в осадке на 0,4-0,7 абс.% наблюдается при предварительной аэрации исходного раствора с рН 5,2-6,2 при продолжительности аэрации (г аэр.) - 20-25 мин, продолжительности гальванокоагуляции (I г/к) - 15-20мин. Для раствора с [7м] =500 мг/дм при I аэр. — 20 мин и I г/к - 15 мин, р7л увеличилась с 6,74 до 7,14 % (рис. 16). Аэрацию проводили в аэра-

ционной колонне через фильтр Шота. Расход воздуха составлял 5 дм3/дм3 в мин.

При сравнении фазовых составов осадков, полученных без предварительной аэрации и с аэрацией модельных растворов в течение 20 минут (табл. 7) установлено, что аэрация способствует переходу цинка в осадок в форме оксида (II). Рентгенофазовым анализом осадков гальванокоагуляционной обработки раствора сульфата цинка фиксируется наличие фаз магнетита Ре304, франкли-нита 2пРе204, гематита Ре203, лепидокро-кига РеООН, гидроксидов цинка и желе-

Рисунок 15 - Влияние рН раствора на массовую долю металлов в осадке

I аэрации, мни

Рисунок 16 - Влияние предварительной аэрации раствора (рН 5,5, /2«7 =500 мг/дм3) на массовую долю цинка в осадке

за(Ш): 2п(ОН)2 и Ре(ОН) 3, вюстита Ре О, цинкита 7пО.

Таблица 7 — Фазовый состав цинксодержащих осадков, полученных при рН _раствора — 5,5, [7п2ч~|-250 мг/дм3, То5г]= 15 мин_

Фазовый состав в порядке убывания количества фаз

без аэрации

№ й/п (а- излучение) Идентифицирован- Формула

1 1,05 1,092 1,101 1,187 1,323 1,485 2,968 2,535 2,093 2,513 2,953 4,39 магнетит Ре304

2 2.386 гидроксид Ре(ОН)3

3 1,734 1,922 2,110 2,384 2,7323,655 смитсонит ХпСОз

4 1,51 1,583 2,108 2,571 2,960 франклинит гпРе204

5 3,651 2,694 2.513 4,435 1,481 1,305 1,256 1,180 1,141 1,011 гематит Ре2Оз

6 6,970 3.085 1,581 2,756 гидроксвд цинка гп(он).

7 4,185 2,694 2,452 2,186 1,480 лепидокрокит РеООН

2,14 2,45 вюстит РеО

9 2,792 2,458 1,905 1,526 1,0901,04 0,908 цинкит гпо

10 3,773 3,340 2,012 2,132 углерод с

с предварительной аэрацией Т,»;п=20 мин

1 2,795 2,5991,910 1,6201,530 1,358 1,090 0,908 0,831 цинкит ¿пО

2 2,102 2,451 вюстит РеО

3 1,092 1,100 1,209 1,187 1,485 2,538 2,953 2,970 2,10 4,882 магнетит Ре304

4 3,651 2,694 2,513 4,435 1,481 1,305 1,256 1,180 1,141 1,011 гематит Ре2Оз

5 2,400 гидроксид железа Ре(ОН)з

6 1,51 1,583 2,108 2,571 2,960 франклинит 2пРе20<

7 6,970 3,085 1,581 2,756 гидроксид железа Ре(ОН)2

8 1,734 1,922 2,110 2,384 2,732 3,655 смитсонит гпСОз

Результаты фазового и микроскопического анализов позволяют предположить образование оксида цинка в прикатодном пространстве. При аэрации наблюдалось повышение рН на 0,4-0,6 ед. и некоторое смещение ЕЬ в окислительную область. Содержание кислорода в исходном растворе, определяемое методом Винклера, возросло в 2 раза. В этих условиях происходит ускорение гидролиза цинка с переходом его в гидроксидную форму, что косвенно подтверждается помутнением раствора после аэрации. Анализ изменения рН растворов в прикатодной области с применением закона Больцмана показал, что при рН исходного раствора 5-6 можно ожидать высокощелочных значений до 12,8. При таком рН термодинамически возможна реакция перехода гидроксида цинка в оксид через тетрагидроксоцинкат-ион по реакциям: гп(0Н)2+201Г= [г^ОН)^' (ОСр°= -64 кДж/молъ); [2п(0Н)4]2~=201Г + Н20 + 2пО (Ввр°= -157,26кДж/моль).

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований предложена модель фазообразования при извлечении меди и цинка в двухстадиаль-ном гальванокоагуляционном процессе (рис. 17).

В модели отражены следующие моменты:

1 — в определенной области значений рН, как известно, преимущественно генерируется определенная ультрадисперсная фаза гидроксидов — оксидов железа; 2 -значение рН дисперсионной среды влияет на форму нахождения катионов железа, меди и цинка, которая определяет фазовый состав продуктов реакций, при этом система стремится к образованию наиболее устойчивой фазы — фазы ферритов (магнетит, франклинит, купрошпинель); 3 — в межэлектродном пространстве существует градиент значений рН; 4 — в любой момент времени в системе с переменным контактом катодной и анодной частиц возможно существование трех элементарных обла-

стей электролита: прианодная область с переходным слоем, прикатодная область с переходным слоем, средняя область; 5 - в любой момент времени в системе существует железосодержащая частица не участвующая в гальваноконтакте; 6 - система

стремится к области нейтральных значений рН среды.

Первая стадия

Прианодная область Средняя область Прикатодная область

в интервале рН 2—3,5

Ре° + Н20 ^ерН)^ +/Г Ре2'+2Ре(ОН)3 2НА+2Н" О, + 4Н'+ 4е - 2НА

Ре(ОН) —ЕеОН * + /Г— 2Ре(ОН),-уРе^},+3 НА 2НА'+ 2е = 2НА + Н,

¥*(ОН)" + 2Н~=Ре(ОН)3 2РеООН —у- РеАз+ НА Ре" + 2Н,0 —*Ре(ОН), +2Н~

ГеОИ' + /V* + Н£> 2Ре(ОН), + Ре (ОН), = РеО, 4НЯ

ч 3ре,0) + 2Н~+ 2е - 2Ре Л, + НА 3!

... я В присутствии меди И

2Ре" + Си" + 2Н' + 5(У- - Сире А, + Н,0+ 2е

Си(ОН)2 + 2 Ре(ОН)3 - СиРеА, + 4НА

Си(ОН), + 2 Ре(ОН),+ 1/20, = Сире А, + ЗНА

2Ре(ОН)' + Си" + 1/20, + ЮН = СиРеА* + ЗНА

[Ре/ОН)4]"+ Си(ОН)" + О2' = СиРеА, + Я*+ 2НА

2/Ре/ОН),Г + ЗСи" + 40" = 3Си ре204 + 8Н' Си" +2е-> Си"

Ре°+Си" -Ре"+Си"^ оЛ+л^ог+л3^ Ре!'+2ре"+4НА -> 2Си'+4Ре"+1/20,+ 7НА~2СиРеА1+14Н'

В присутствии цинка

2Ре" + 1п" + 2Н~ + ¡СУ- = ¿лЛгО, + НА* 2е

| 2ЛО/Г + 2л" + 1/20, + 40Н - Ъ&еА, + ЗНА

Вторая стадия

в интервале рН 5,2—6,2 рПк= рН+ 6,9

Fe + ОН ОН+ е-> РеОН" Ре(ОН)^+Ре^Ре(РеОН^} +ГеОЯ"+ 2е реОН + ОН = Ре(ОН), реОН* +1/20, + НА =ре(ОН)з ре(ОН)з->РеООН +Н¿0 2Ре(0Н),+ ре(ОН)г~ [Ре ¡(НА),] ->Ре А'4 НА 0, + 2НА * 4е - ЮН-

В присутствии иинка

2 2п" + Си' ' + 2Н~ + 5&- - 2п Ре А. + НА*2е

2Ре(ОН), + 2п" +СГ - 2пРе&, + ЗИЛ

О > X 2л" + ОН -2п(ОНУ 2п"+ 20Н - 2п(ОН), ег о Н

и 2РеОН~ + 2л" + 1/20, + 40Н - 2преА. + ЗН,0

2п(0Н),+2Ре(0Н)1 - 2п Ре А, + 4НА 2п(0Н), + 2 Ре (ОН),* 1/20, - 2п Ре /), + ¡Н О

[Ре/ОН)4]г2 + 2п(0Н)' + &-2л реА< + 2 НА + Я*

2Ре" + 7л2* + 2&~ - 2пРеА, 2Ре(0Н), + 2п(0Н)' + 0Н - 2пРеА, + 4НА 2п(0Н),+ 20Н- [2п(0Н)<Г; [2п(0Н).]'-=20Н+ НА + 2пО

2Ре00Н + 2п ОН" + ОН- - ТлРе/О, + 2Н-0

Рисунок 17 - Модель фазообразования при извлечении меди и цинка в двухстадиальном гальванокоагуляционном процессе

6. Двухстадиальная организация гальванокоагуляционной обработки металлсодержащих вод с применением гальванопары «железо-углерод» в установленных границах технологических параметров (первая стадия: продолжительность обработки 4-6 мин; рН=2,0-3,5; Ре/С =3:1-4:1 и вторая стадия: продолжительность обработки предварительно аэрированной воды 12-15 мин; рН=5,5-6,2; Ре/С =1:1) позволяют получать не комплексные осадки, а селективные товарные медь- и цинксодержащие продукты.

По результатам лабораторных исследований отработаны оптимальные режимы двухстадиальной гальванокоагуляционной технологии извлечения меди и цинка с последующей доочисткой воды. Технология включает гальванокоагуляционную

обработку воды с рН 2-3,5 в течение 4-6 минут в поле гальванопары «железный скрап:коке»=3:1 для перевода меди в ферритный осадок. Отстаивание слива с подачей флокулянта Магнафлок М-338 с расходом 0,7 г/м3 в течение 30-45 мин. Подще-лачивание обезмеженной осветленной воды до рН 5,2-6,2, и аэрацию в течение 2025 мин. с расходом воздуха 5м3/м3 в мин. Гальванокоагуляционную обработку подготовленной обезмеженной воды в течение 14-16 мин в поле гальванопары железный скрап:кокс=1:1 для перевода цинка в ферритный осадок. Отстаивание слива с подачей флокулянта Магнафлок М-338 с расходом 1,0 г/м3 в течение 30-45 мин. Фильтрование осветленной воды после второй стадии через двухслойную загрузку цеолит Н=400мм и известняк Н= 700мм со скоростью 3,0-3,4 м/ч.

Разработанная технология прошла апробацию на СФ ОАО «УГОК» и может быть рекомендована для внедрения на горнодобывающих предприятиях, на которых образуются техногенные воды с высоким содержанием меди(П), железа (II, III), цинка. На рисунке 18 приводится технологическая схема и качественно-количественные показатели селективного извлечения меди и цинка из кислых подотвальных вод СФ ОАО «Учалинский ГОК».

В результате переработки получены: ферритный медьсодержащий осадок с Рси=Ю,19% и Р2„=1,97%; ферритный цинксодержащий осадок с Рт=6,78% и Рси=0,11%. Получаемые ферритные продукты шихтуются с кондиционными медными или цинковыми

Кислые подотвальные воды

«т

иг И"

17627 8229

197 п19

9.08 9591

з.м 17,96

Гадьванокоагуляция Ре:С 3:1

85.00 100

1,5103 220.28

тоо ю0.00

зал 18.72

Магнафлок М-338 0.7 г/м

Медьсодержащий осадок

84.18 4.80

414 084 9.092

90.92 4.09

34.86 077

ГалькшокоагуляцияГс:С !:1

Обезвоживание

496.96 8914

6.78 0.ю

8790 277

33.70 0.52

Магнафлок М-338 1,0 гм*

концентратами без изменения качества концентратов в соответствии с ГОСТ. Сили-катно-карбонатный материал загрузки фильтра-сорбера, исчерпавший защитное действие используется как наполнитель при изготовлении закладки выработанного пространства. Фильтрат с рН 8-8,5 подлежит сбросу в реку Карагай-лы через буферный пруд.

Проведенная оценка экономических показателей свидетельствует об эффективности предлагаемой технологии: чистый дисконтированный доход - 21,4 млн.р.; внутренняя ставка доходности 18,9%; - срок окупаемости - 3 года; индекс доходности - 1,15.

Цинксодержащий осадок

80.10 670

14452 3.085

302 1.32

116 0.25

Обезвоживание

/// ///

3.02 132

116 025

Сорбция

80. ю й.ю

ом 0.001

0.00209 000043

0.00080 000008

Отработанный Очищенная

сорбент вода

Рисунок 18 - Технологическая схема переработки подотвальных вод

7. Использование в гальванокоагуляционной технологии очистки кислых металлоносных вод горных предприятий железо- и кокссодержащего отхода металлургического передела - медистого клинкера позволяет получить селективные медь- и цинксодержащие продукты, дополнительный экологический эффект за счет уменьшения площадей под складирования этого вида отхода и снизить техногенную нагрузку на биоту в зоне расположения горнометаллургических производств.

Использование отхода вельцевания цинковых кеков-медистого клинкера в качестве загрузки гальванокоагулятора обосновано: составом - содержит магнетит до 14,5%, металлическое железо 11-14% и коксик 20-35%; содержанием меди и цинка - ниже рентабельного уровня для металлургической переработки; объемами — только на ОАО ММСК заскладировано более 50 тыс. т.; необходимостью удешевления процесса гальванокоагуляции и утилизации клинкера.

Загрузка представляет смесь магнитной (М) и немагнитной (Н) фракций клинкера крупностью -10 +5 мм. В немагнитной фракции находится кокс (рис. 19а), в магнитной фракции находится глобулярное железо (рис. 196). Характеристика фракций представлена в таблице 8.

Таблица 8 - Характеристика загрузки клинке-

11«

"Л'

«|й ашт

ЯМ

Фракция Выход фракций, % Массовая доля,%

Л? Си Тп

Клинкер 100,00 28,65 3,05 2,18

Магнитная 67,10 41,31 4,21 3,03

Немагнитная 32,90 2,82 0,68 1,36

Рисунок 19 - Микрофотографии немагнитной (а) и магнитной (б) частиц загрузки (увел.200)

Результаты факторных экспериментов позволили принять соотношение магнитной и немагнитной фракции в стадии извлечения меди 4:1—3:2 (от 20 до 40% немагнитной фракции) в стадии извлечения цинка - 2:3-1:1 (рис. 20).

Э,%

■ Си

-50

5:0 4:1 3:1 3:2 1:1 2:3 1:4 соотношение фракций

0:5

я ре

Рисунок 20 - Влияние М:Н на эффективность очистки (отрицательная эффективность - повышение концентрации цинка в растворе)

Установлено, что при взаимодействии клинкерной загрузки с подотвальной водой возможно кинетически регулируемое перераспределение ионов меди и цинка между жидкой и твердой фазами гальванокоагуляционной системы за счет интенсифицированных гальваническим взаимодействием процессов селективного перевода меди в твердую фазу цементацией, ферритизацией и выщелачивания цинка из твердой фазы кислотой подотвальной водой.

При времени обработки менее 10-12 мин. в кислом диапазоне значений рН (до 5) наблюдается повышение концентрации цинка в жидкой фазе (рис. 21а). При увеличении рН до 5 (рис. 21а) и (или) времени обработки до 15 мин. цинк переходит в осадок (рис. 216).

э,% 100,00 ВО,00 60,00 40.00 20.00

(20.00) (40.00)

-*—Си

2п

¿л

рН

(20.00)

а) время обработки 5 минут

б) время обработки 15 минут

Рисунок 21 - Влияние рН на эффективность очистки от металлов

В лабораторном эксперименте при гальванокоагуляционной переработке подот-вальных вод с начальной концентрацией металлов мг/дм3: Си(П) - 178,40; 2п(11) - 260,64; Р^оби,-1719,23 и рН=2,8 без подхцелачивания при времени контакта с загрузкой 4—6 минут получены осадки с массовой долей меди 4,4-6,8% (рис.22). Наибольшая массовая доля цинка в осадке 7,44-7,92% получена при переработке подщелоченной до рН 6 обезмеженной воды при времени контакта с загрузкой 15-17,5 мин.

Р,%

25 - — — — н — —

0 - 1- ! 1 1' ! ! Л

3 4

■ рСи, %

* ргп, %

' рРе, %

5 6 7 8 9 10 время,мин

Рисунок 22 - Зависимость массовых долей металлов в осадке от времени обработки

Для получения нормативно очищенной воды после извлечения из неё меди и цинка изучена эффективность известкования и последующего фильтрования через активированный растворами и Ыа2С03 керамический грануллированный магнийсодер-жащий сорбент (КФГМ). Установлено, что предочистка воды гальванокоагуляцией с извлечением меди и цинка

повышает эффективность известкования и позволяет при скорости фильтрования 4 м/ч через слой КФГМ Н= 1500 мм получить концентрации меди, цинка и железа в очищенной воде на уровне ПДКры6 таз.

Отработаны оптимальные режимы двухстадиальной гальванокоагуляционной технологии извлечения меди и цинка с последующей очисткой и доочисткой воды. Переработка по схеме является циклической, с заменой клинкерной загрузки после истощения металлического железа. Практическая апробация комплексной переработки медистого клинкера и подотвальных вод была осуществлена в условиях ООО «Медногорский мед-но-серный комбинат». Схема цепи аппаратов переработки подотвальных вод ООО «ММСК» представлена на рис. 23. Технологическая схема и показатели переработки -на рис. 24.

В результате переработки получены следующие продукты: ферритный медьсодержащий осадок с рСи - 6,2% и р^ - 0,69%, обогащенный медью клинкер с рСи - 7,84% и р^ - 0,34%, цинксодержащий осадок рСи- 1,95% и Ра, - 8,04%, и гидролитические осадки с низкой массовой долей экологически опасных металлов. Результаты переработки подтверждены актом испытаний. Масса клинкера, утилизируемого в процессе переработки, составит 486 т/год. Металлсодержащие осадки утилизируются в шихте медеплавильного агрегата, обедненные по цветным металлам клинкер и гидролитические осадки могут быть использованы в качестве наполнителей в стройиндустрии.

Рисунок 23 - Схема цепи аппаратов переработки подотвальных вод ООО «ММСК» 1 - сборник-усреднитель; 2, 7, - насос; 3, 12 - гальванокоагулятор; 4, 13 - зумпф; 6, 15 - тонкослойный отстойник; 16,18, 22 - емкость для сбора и сгущения осадка, 5, 8 , 14 ,19 - расходный бак и дозатор реагентов; 10 - аэратор; 11 - подача сжатого воздуха от компрессора; 17,23 - камерный фильтр-пресс; 20 - смеситель коридорного типа; 21 - горизонтальный отстойник; 24 - сорбционные фильтры ФС; 25 - емкости регенерационных растворов.

¡31.69

iio.no :.во

Мллофап М-338 0.7г

ОсаОоч itoc.Tr иро.ччшкч сорбент

Рисунок 24 - Технологическая схема переработки и подотвальных вод и медистого клинкера

Оценка полученных показателей свидетельствует об эффективности предлагаемой технологии: — чистый дисконтированный доход - 5,5 млн.руб.; внутренняя ставка доходности — 18,5%; срок окупаемости - 4 года; индекс доходности - 1,23.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований разработаны научно-методологические основы рационального и комплексного использования техногенных металлоносных вод горных предприятий и изложены новые научно обоснованные технологические решения по переработке вод с получением рациональных металлсодержащих продуктов, воды очищенной до экологических нормативов, внедрение которых позволяет решить проблему переработки и утилизации экологически опасного гидроминерального сырья и вносит значительный вклад в развитие страны.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана стратегия управления металлоносными водами горных предприятий, обеспечивающая рациональность и комплексность их использования путем последовательной реализации этапов:

- оценки целесообразности вовлечения металлизованных вод в ресурсосберегающую переработку;

- априорного выбора методов переработки с селективным извлечением металлов и методов комплексной очистки с использованием технологических классификаций гидроминеральных ресурсов;

- выбора сценария развития водно-ресурсной системы горнопромышленного узла (ВРС ГПУ) с определением стадиальности переработки на основе оценки будущих затрат с учетом влияния техногенных вод на поверхностные водные объекты в соответствии с сезонными изменениями качественно-количественных характеристик природных техногенных потоков горнопромышленного района;

- адаптации метода очистки к селективному извлечению металла;

- формирования потока гидроминерального ресурса по критерию сохранности металлов (меди и цинка) в технологически оптимальной для селективного извлечения форме;

- формирования технологии переработки с получением металлсодержащих продуктов на стадии предочистки с последующей очисткой и доочисткой воды до нормативных показателей;

- переработки техногенных вод с получением дополнительных продуктов, соответствующих производственной направленности предприятия, и нормативно очищенной воды;

- утилизации металлсодержащих продуктов подшихтовкой к концентратам обогатительного производства или в качестве шихтовых материалов в металлургическом переделе, использованием шламов и осадков очистки и доочистки при изготовлении закладочной смеси для выработанного пространства.

2. Впервые обобщены и проанализированы с позиций вовлечения в ресурсосберегающую переработку результаты многолетнего изучения металлоносных шахтных и подотвальных вод. Установлена специфика формирования металлоносных вод, доказано, что наиболее существенным отличием металлоносных вод как гидроминерального сырья является высокая степень сезонной изменчивости качественно-количественных показателей и изменения соотношений ингредиентов. Выявлена умеренная прямая корреляционная зависимость между концентрациями меди и цинка в рудничных и подотвальных водах. При рН 2,5-4,5 во взвешенной форме находится от 36 до 64 % железа, медь и цинк на 92,4-99,5 % находятся в ионной форме.

3. Предложен подход к созданию технологических классификаций гидроминеральных ресурсов позволяющий разрабатывать частные классификации относи-

тельно подлежащего извлечению конкретного компонента потока для определенного типа вод в разных отраслях промышленности, заключающийся в использовании комбинированного классификационного признака объединяющего три показателя: концентрацию металла, индекс металла, активную реакцию (значение рН) в техногенном потоке. Разработана технологическая классификация медьсодержащих гидроресурсов и программа для ЭВМ «Выбор метода извлечения меди из кислых сульфатных техногенных вод горно-металлургических предприятий медно-цинкового комплекса» позволяющие сформировать технологические схемы комплексной переработки с получением дополнительных металлсодержащих продуктов и очищенных вод.

4. Установлено влияние смешения рудничных вод с подотвальными, продолжительности хранения вод в открытых емкостных сооружениях на сохранность металлов в технологически-оптимальной для селективного извлечения форме. При смешении вод, приводящем к повышению рН относительно наиболее кислого из смешиваемых потоков перевод растворенных Си* и 2п* в осадок происходит за счет адсорбции на свежеобразованном гидроксиде железа (III). Перевод растворенных Си* и 2п* в осадок при хранении происходит счет окисления Ре (II) до ¥е(Ш) с последующим образованием гидроксида трехвалентного железа и адсорбции на образующихся коллоидах гидроксида Ре(Ш) ионов цветных металлов. Эффективность сорбции ионов меди при рН воды 2,5 и 3,0 на свежеобразованном гидроксиде Ре(III) в 2,6-4,1 раза выше сорбции цинка при равных начальных концентрациях. Разработанные методические рекомендации «Управление техногенными медьсодержащими водопотоками» внедрены на предприятиях УГМК-Холдинг.

5. Впервые использован метод гальванокоагуляции с применением гальванопары «железо-углерод» для селективного выделения меди и цинка в утилизируемые подшихтовкой к концентратам обогатительного или в качестве компонента шихты металлургического переделов металлсодержащие продукты при переработке металлоносных вод горных предприятий. Проведено физико-химическое моделирование взаимосвязей в системе СиБ04,Си(0Н)2-2пБ04,2п(0Н)гРе-С-0гН2Б04-1120 в области параметров, характерных для рудничных и подотвальных вод. Установлены оптимальные области селективного извлечения меди и цинка в продукты с наибольшей массовой долей при одновременном связывании железа. Избирательное выделение меди в виде феррита термодинамически наиболее вероятно при рН = 2,6 — 4,1, ЕЬ = 0,2 - 0,5 В и мольном соотношении Ре/02 = 1,0. Выделение рН равновесных растворов, 5,2 - 6,2 и /50/7 менее 0,045 моль/дм3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены технологические параметры селективного извлечения меди и цинка при максимальной степени концентрации методом гальванокоагуляции с учётом закономерностей фазообразования в условиях аэрации. Экспериментально установлены рациональные параметры извлечения металлов в ферритный осадок гальванокоагуляцией с гальванопарой «железо-углерод»: для извлечения меди рН исходного раствора 2-3,5, время контакта воды с гальванопарой 4-6 минут; для извлечения цинка рН исходного раствора 5,2-6,2, предварительная аэрация в течение 20-25 минут, расход воздуха 5м3/м3 воды в минуту, время контакта воды с гальванопарой 15-20 минут.

6. Теоретически обоснован механизм образования оксида цинка в прикатод-ном пространстве гальванокоагуляционной системы в условиях аэрации, заключающийся в переходе гидроксида цинка в оксид через тетрагидроксоцинкат-ион в условиях подщелачивания прикатодного пространства за счет электролиза воды.

7. Впервые предложена технология комплексной переработки металлоносных вод, включающая двухстадиальную гальванокоагуляционную предочистку потоков с использованием гальванопары «железо-углерод» с получением селективных медь и цинксодержащих продуктов и очистку с применением силикатно-карбонатного двухслойного барьера. Получены ферритные продукты с массовыми долями меди и цинка, позволяющими их рентабельную переработку в металлургическом переделе. Экономические показатели реализации технологии: чистый дисконтированный доход - 21,4 млн.р.; внутренняя ставка доходности - 18,9%; срок окупаемости - 3 года; индекс доходности -1,15 (Протокол тех.совета СФ У ГОК от 31.08.11.).

8. Предложена технология совместной переработки подотвальных вод и медистого клинкера, включающая двухстадиальную гальванокоагуляционную предочистку потоков с получением селективных медь- и цинксодержащих продуктов, очистку известкованием и доочистку с применением керамического грануллирован-ного фильтрующего материала КФГМ. При встраивании блоков двухстадиальной гальванокоагуляции и сорбции в существующую схему очистных сооружений экономические показатели реализации технологии: чистый дисконтированный доход -5,5 млн. руб; внутренняя ставка доходности - 18,5%; срок окупаемости - 4 года; индекс доходности - 1,23 (Акт испытаний ООО «ММСК» от 26.12.13).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

Монография

Орехова Н.Н. Извлечение цветных металлов из гидроминеральных ресуроов: теория и практика [Текст] //ИВ. Шадрунова: Монография,- Магнитогорск, ООО «МиниТип», 2009. -180 а: илл. -ISBN 2-201-15605-3

Статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях по перечню, рекомендованному ВАК РФ

1. Орехова Н.Н. Эколого-экономические аспекты комплексной переработки техногенного гидроминерального сырья /ИВ. Шадрунова/ Горный информационно-аналитический бюллетень. Mining informational and analytical bulletin. №OBl, 2014. -C. 161-179.

2. Орехова ILH. Технология извлечения цинка из рудничных и подотвальных вод /ВА Чатурия., ИВ. Шадрунова, HJI. Чалкова//Обогащение руд Спб.: 2011. -№ 1. - С. 35-39.

3. Орехова Н.Н. Исследование метода гальванокоагуляции для селективного извлечения меди и цинка из растворов //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2009.- T. 14. № 12-C. 202-209.

4. Орехова H.H. Разработка технологической классификации медьсодержащих техногенных вод горных предприятий /МИЗубчук, МПСеропян //Горный информационно-аналитический бюллетень. М: ГОУ ВПО МГТУ, 2008. - № 3. - С. 285-287.

5. Орехова Н.Н. Закономерность формирования медьсодержащих стоков на горных предприятиях /ИВ. Шадрунова, А.С.Самойлова //Горный информационно-аналитический бюллетень. М: ГОУ ВПО МГГУ, 2008. - № 3. - С. 304-311.

6. Орехова Н.Н. Типизация медных шлаков уральского региона, практика и перспективы флотационной переработки на действующих обогатительных фабриках /МН.Сабанова, АЯХавин, ИВ.Шадрунова//Цветные металлы. 2013.-№ 8 (848). -С. 14-19.

7. Орехова Н.Н. Применение клинкера в комплексной технологии переработки техногенных стоков /ГАБикбаева, ЕАКуликова //Горный информационно - аналитический бюллетень. М: ГОУ ВПО МГТУ, 2013. -№ 2(42) - С. 66-71.

8. Орехова Н.Н. Экспериментальное сравнение технологий извлечения меди и цинка из подотвальных вод медно-цинковых горных предприятий //Обеспечение безопасного ведения горных работ и повышения качества получаемой продукции. Препринт. ГИАБ М: ГОУ ВПО МГГУ, 2014.-С. 8-16.

9. Орехова Н.Н. Критерии гальванокоагуляциошюго извлечения и утилизации меди из техногенных вод /В. АФеофанов, Ф АДзюбинский, ИБ.Шадрунова //Горный информационно -аналтический бюллетень. М.: ГОУ ВПОМГТУ, 2006.-Кг 12-С. 149-151.

10. Орехова Н.Н. Научно-методическое обоснование технологий вовлечения в эксплуатацию техногенных гидроминеральных месторождений и обезвреживания медьсодержащих стоков /И.В.Шадрунова //Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008,- № 1.(21) - С. 27 - 30.

11. Орехова Н.Н. Изучение извлечения цинка из модельной воды сорбционными методами и гальванокоагупяцией /НЛЛалкова //Горный информационно - аналитический бюллетень. М.: ГОУ ВПО МГГУ, 2011. -№ 8.-С 136-141.

12. Орехова ILH. Технология селективного извлечения цинка из гидротехногенных георесурсов медноколчеданных месторождений /HJL Чалкова //Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И Носова. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. -№ 3. -С. 55-59.

13. Орехова Н.Н. Исследование технологии извлечения цветных металлов из шахтных и подотаальных вод. /ИВШадрунова //Горный информационно-аналитический бюллетень Mining informational and analytical bulletin. M: ГОУ ВПО МГТУ 2013.-№9 -C.125-134

14. Орехова ННЛехнологические решения извлечения цинка из подотвальных вод /НЛ. Чалкова //Горный информационно-аналитический бюллетень. Mining informational and analytical bulletin. M: ГОУ ВПО МГТУ 20IX-№7 -C.290-294

Программа для ЭВМ.

15. Орехова НН «Выбор метода извлечения меди из кислых сульфатных техногенных вод горно-металлургических предприятий медно-цинкового комплекса» /И.В. Шадрунова, Т.О. Гаврилова //Программа для ЭВМ, свидетельство № 2013611707, зарегистрировано в реестре 31 января 2013г.

Статьи в журналах

16. Орехова НН Ресурсосберегающие технологии переработки техногенных вод горных предприятий /ИВ. Шадрунова, НЛ.Медяник //Чистая вода: проблемы и решения. М - 2011. -№1-2,- С.71-77.

Методические рекомендации

17. Орехова Н.Н. «Управление техногенными медьсодержащими водопотоками» / Глухова А.Н., Волкова Н.А. / ISBN 978-5-8004-0077-9. ООО «МиниТип», 2007,- 20с.

Материалы международных, всероссийских и региональных конференций

18. Орехова КН. Принципы формирования природоохранных и ресурсосберегающих технологий переработай техногенных стоков горных предприятий /ФАДзюбинский, ИВ.Шадрунова //Фундаментальные исследования в технических университетах: материалы X всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы.-Санкг-Пегербург, 2006. — С. 391-392

19. Орехова Н.Н. Гальванокоагуляция - перспективы извлечения меди из техногенных вод /Ф АДзюбинский, ЕВ. Колодежная // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: материалы 3-ей международной научной школы молодых ученых и специалистов. М: ИПКОН РАН, 2006. -С 54-56.

20. Орехова НН Систематизация методов формирования и переработки техногенных медьсодержащих гидроминеральных ресурсов /ИВ. Шадрунова, Н.АВолкова // Сборник материалов IV Конгресса обогапггелей стран СНГ. М.: МИСиС. 2007. - Том 3,- С.23-26.

21. Орехова НН Информационная основа организации работ по извлечению меди из техногенных стоков /ИВ.Шадрунова, НАВолкова // Формирование экологической полигики и ее роль в обеспечении устойчивого развития регионов: Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции. Челябинск 2007 - С. 112-114.

22 Орехова НН Современные проблемы комплексной переработки техногенного гидроминералы гого сырья. Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: материалы 4-ой международной научной школы молодых ученых и специалистов. М: ИПКОН РАН 2007. - С.ЗО -33.

23. Орехова НН Извлечение меди из гидроминеральных георесурсов методом гальванокоагуляции / ФА Дзюбинский //Научные основы практики переработки руд и техногенного сырья: материалы международной научно-технической конференции. - Екатеринбург: 2006. - CJ246-248.

24. Орехова НН Изучение возможности ювлечения меди из медьсодержащих сточных вод методом гальванокоагуляции /1С П. Исауленко //Молодежь. Наука Будущее: сб. тр Магнитогорск 2006,—Вып. 6. —С312—313.

25. Орехова НН Гапьванокоагуляционное извлечение меди: технологические решения //Научные основы практики переработки руд и техногенного сырья: материалы международной научно-технической конференции. -Екатеринбург 2007. - С.77- 80.

26. Орехова НН К вопросу о механизме феррипоации при гальванокоагуляционном извлечении меди //Современные проблемы обогащения и глубокой комплексной переработки минерального сырья: материалы Международного совещания «Плаксинские чтения - 2008». Владивосток Изд-во ТАНЭБЖ, 2008. - Ч. 1. - С.346-348.

27. Орехова НН Специфика применения гальванокоагуляции для извлечения меди из техногенных стоков горных предприятий /ИВ.Шадрунова /Минералогия техногенеза - 2008. Научное издание. Миасс: ИМии УрО РАН 2008. - С. 145-150.

28. Орехова НН Экологические решения комплексной переработай гидроминеральных ресурсов горного производства / ИВ.Шадрунова, АЮ.Глухова, ФА Дзюбинский //Современные методы комплексной переработки руд и нетрадиционного сырья: материалы Меэвдународного совещания «Плаксинские чтения -2008». Апатиты Изд-во ТАНЭБЖ^ 2008. - С.373-374.

29. Orekhova N.N. Copper extraction from technogenic waters a galvanokoagulyatsiya method /VA Feofinov, FADzyubinsky, LV. Shadnmova //Proceedings of XXIV International Mineral Processing Congress, China, Beijing, 2008, -pp 3971 -3977.

30. Орехова НН Физико-химическое моделирование условий селекгавнош извлечения меди и цинка из сульфатных растворов // Инновационные процессы в технологиях комплексной переработки минерального и нетрадиционного сырья: материалы Международного совещания «Плаксинские чтения - 2009». Новосибирск Изд-во СО РАН 2009.- С.255-256.

31. Orekhova N.N. Anthropogenic hydromineral resources recycling prospects of non-ferrous met-alsby mining industry /V.A Chanturiya, LV. Shadrunova, E.V. Kolodehgnaya //Internationaler Kongress Fachmesse Euro-eco 2008: Book of papéis. Hannover Off-set: EAEH 2009 - S.35 -37.

32. Orekhova NX Potential involvement of mining and smelting waste in recycling of amended resources. /LV. Shadrunova //Balkan Mineral Processing Congress Tusla, 14-16.juni 2011: book of papers ■ Tusla:Off-set:Library Dervis Susie, 2011. -2 sv 752-756.

33. Орехова НН Изучение особенностей применения элекгрокоагуляционного метода в схемах очистки шахтных и подотвальных вод /О.Е.Горлова, ИИНемчинов, ТР. Валеев //Научные основы и современные процессы комплексной переработки труднообогатимого минерального сырья: материалы Международного совещания «Плаксинские чтения -2010» Казань: Изд-во ИПКОН РАН - 2010 -С. 444-445.

34. Орехова НН Концептуальные и технологические подходы к ресурсовоспроизводящей переработке гидроминерального техногенного сырья //Научные основы и современные процессы комплексной переработки труднообогатимого минерального сырья: материалы международного совещания «Плаксинские чтения-2010» Казань: Изд-во ИПКОН РАН 2010.-C.431^133.

35. Орехова НН Вовлечение в ресурсосберегающую переработку рудничных и подотвальных вод: концешуальные и технологические подходы //Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр: материалы международной научно-технической конференции. Магнитогорск: МГТУ, 2011. -С. 101-103.

36. Орехова НН Комплексный подход к ресурсовоспроизводящей переработке гидроминерального сырья /ИВ. Шадрунова //Новые технологии обогащения и комплексной перерабопш труднообогатимого минерального сырья: материалы Международного совещания «Плаксинские чтения -2011». Верхняя Пышма, Екатеринбург Изд-во « Форт-диалог-Исегь», 2011. - С.291-292.

37. Орехова НН Изучение реагенгаого осаждения тяжелых металлов из рудничных вод с целью получения дополнительных металлсодержащих продуктов /ЙВ.Бердникова, ЕАКуликова, ИВ.Глаголева //« Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла

комплексного освоения недр»: труды международной научно-технической конференции 2011: Магнитогорск: МГТУ, 2011.-С.190-193.

38. Орехова НН Использование медистого клинкера в процессах ресурсосберегающей переработки кислых сульфатных вод //Новые технологии обогащения и комплексной переработки трудно-обогатимого минерального сырья: материалы Международного совещания «Плаксинские чтения -2011». Верхняя Пышма, Екатеринбург: Изд-во « Форт-диалог-Исеть», 2011. -С.429-431.

39. Орехова НН Переработка гвдроминерального техногенного сырья медно-цинковой подотрасли /ИВ.Шадрунова, MLH. Сабанова //Фундаментальные основы технологий переработки техногенных отходов: материалы Международного конгресса «Техноген -2012». Екатеринбург: Изд-во « Форт-диалог-Исеть», 2012. -С.142-145.

40. Орехова НН Проблемы сточных вод на горно-металлургических предприятиях: тенденции и решения /ИВ. Шддрунова // Международная молодежная научная школа «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». 19-23 ноября 2012г. - М ИПКОН РАН, 2012. - Том 2. - С.266-270.

41. Orekhova N.N. Comprehensive waste treatment technologies for copper industry/ hina V. Shadrunova, Natalya A Volkova// XXVI International Mineral Processing Congress (IMPC) 2012 Proceedings /new Delhi, India/ 24 - 28 September 2012: Conference Proceedings.-P 3998-4010.

42 Орехова ILR Исследование закономерностей очистки техногенных вод от ионов тяжелых металлов с использованием керамического фильтрующего гранулированного сорбента /АР Хусаино-ва, О И. Архипова //Международная молодежная научная школа «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» 19-23 ноября 2012г. М: ИПКОН РАН, 2012,- Том 2 - С.358-363.

43. Орехова НН. Исследование влияния соотношения железосодержащей и углеродсодержа-щей фракций клинкера в загрузке гальванокоагулятора на изменение рН, ОВП и концентрации металлов в жидкой фазе / ГА-Бикбаева //Международная молодежная научная школа «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» 19-23 ноября 2012г. -М: ИПКОН РАН, 2012-Том 2 - С.283-286.

44. Орехова НН Изучение возможности применения клинкера для очистки кислых сульфатных металлсодержащих техногенных юд методом гальванокоагуляции» /Бикбаева Г.А, Акуленко ИВ. // «Комплексное освоение месторождений полезных ископаемых»: сборник научных трудов -Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И Носова, 2012г.- С.177-183.

45. Орехова НН Оценка технологических свойств природно-техногенных вод как основа для разработки перспективных технологий их комплексного использования /ИВ.Шадрунова, ЕВ.Зелинская, НАВолкова //Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки минерального сырья (Плаксинские чтения 2013): материалы Международного совещания. Томск, 16-19 сентября 2013г.Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013.-С.44-49.

Подписано в печать 05.06.2014 Формат 60 84/16. Бумага тип №1.

Плоская печать Усл.печл. 2,00. Тираж 100 экз. Заказ 318.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина,38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Орехова, Наталья Николаевна, Москва

ФГБОУ ВПО «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

05201451335

ОРЕХОВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕДНО-ЦИНКОВЫХ ВОД ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук И.В. ШАДРУНОВА

Магнитогорск - 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................6

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ, ВЛИЯНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ, ТЕОРИИ, ПРАКТИКИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕТАЛЛОНОСНЫХ ВОД ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ МЕДНО-ЦИНКОВОЙ ПОДОТРАСЛИ..........................................17

1.1 Техногенные воды горных предприятий медно-цинкового комплекса и их влияние на гидросферу южного Урала.........................................................................19

1.2 Термины, определения, сокращения.......................................................................28

1.3 Подходы к оценке экологической опасности, технологической пригодности техногенных вод, рациональности и комплексности их использования...................33

1.4 Анализ современных методов комплексной очистки вод и селективного извлечения металлов из техногенных вод горно-металлургических предприятий . 41

1.4.1 Методы комплексной очистки вод от тяжелых металлов.........................42

1.4.2 Методы и технологии селективного извлечения тяжёлых металлов из техногенных вод..............................................................................................................69

1.4.3 Инструменты выбора метода для селективного извлечения металлов, область применения методов очистки сточных вод и адаптируемость методовк селективному извлечению.............................................................................................81

1.5 Особенности и закономерности извлечения металлов из вод гальванокоагуляцией......................................................................................................91

1.5.1 Механизмы гальванокоагуляционного извлечения металлов..................92

1.5.2 Процессы фазообразования в системе гальванопара-раствор..................96

1.5.3 Закономерности процессов извлечения меди и цинка из

многокомпонентных растворов...................................................................................108

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1...............................................................................................113

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ОБОРОТА ЖИДКИХ ОТХОДОВ - МЕТАЛЛОНОСНЫХ ВОД................................................116

2.1 Формирование стратегии рационального и комплексного использования техногенных металлоносных вод горных предприятий...........................................116

2.1.1 Методологические подходы и принципы формирования стратегии.....117

2.1.2 Стратегия управления металлоносными водами горных предприятий 125

2.2 Выбор экологически и экономически оптимального сценария развития водно-ресурсной системы горнопромышленного узла с вовлечением металлоносных потоков в ресурсосберегающую переработку................................132

2.2.1 Потоковый формализм................................................................................136

2.2.2 Выбор варианта переработки потока........................................................141

2.2.3 Порядок решения........................................................................................143

2.3 Разработка технологической классификации......................................................147

2.3.1 Методологические подходы к классификации природных и техногенных вод........,................................................................................................,.....................147

2.3.2 Систематизация техногенных гидроминеральных медьсодержащих ресурсов по качественно-количественным показателям.........................................152

2.3.3 Технологическая классификация медьсодержащих гидроминеральных

ресурсов..........................................................................................................................156

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2...............................................................................................161

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ

ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ МЕТАЛЛОНОСНЫХ

ВОД.................................................................................................................................164

3.1 Методики исследований.....................................................................................................................164

3.1.1 Определение загрязненности вод..............................................................164

3.1.2 Анализ гидрологической информации......................................................164

3.1.3 Корреляционный анализ.............................................................................165

3.1.4 Анализ форм нахождения металлов в воде..............................................165

3.1.5 Расчёт содержания ионных форм меди и цинка в металлоносных водах горных предприятий.....................................................................................................166

3.1.6 Методика изучения сорбции ионов меди и цинка на гидроксиде железа (III) ................................................................................................168

3.1.7 Методика изучения изменения концентрации металлов при хранении 170

3.1.8 Методика изучения влияния смешения техногенных вод на распределение металлов между ионной и взвешенной формами............................171

3.2 Анализ особенностей формирования металлоносных вод, оценка целесообразности вовлечения металлоносных вод в ресурсосберегающую переработку....................................................................................................................171

3.2.1 Характеристика техногенных вод, образующихся на горных предприятиях медно-цинкового комплекса...............................................................171

3.2.2 Влияние природных и техногенных факторов на формирование и эволюцию техногенных водопотоков и их технологических характеристик.........183

3.2.2.1 Влияние климатических факторов.......................................................184

3.2.2.2 Влияние гидрогеологических и геологических факторов..................190

3.2.3 Изучение особенностей формирования потоков металлоносных вод с позиций технологической пригодности к селективному извлечению меди и цинка.............................................................................................................................201

3.2.3.1 Изучение распределения ионов меди, цинка и железа между различными формами нахождения в воде.......................................................................202

3.2.3.2 Изучение влияния приемов водоотведения на сохранность меди и

цинка в металлоносных водах в ионной форме........................................................208

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3...............................................................................................213

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА СЕЛЕКТИВНОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕДИ И ЦИНКА В ГАЛЬВАНОХИМИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ............................217

4.1 Физико-химическое моделирование взаимодействий в системе......................217

«CuS04, Cu(0H)2-ZnS04, Zn(0H)2-Fe-C-02-H2S04-H20».........................................217

4.2 Электронн-омикроскопическое изучение структуры и состава новообразований в поверхностном слое частиц гальванопары...............................227

4.2.1 Исследование поверхности анодных частиц загрузки............................229

4.2.2 Исследование поверхности катодных частиц загрузки...........................236

4.3. Обоснование модели фазообразования при извлечении меди и цинка в

двухстадиальном гальванокоагуляционном процессе с участием

гидроксидных форм металлов.....................................................................................238

4.3.1 Анализ процессов, протекающих в различных областях межэлектродного пространства гальванокоагуляционной системы......................................................240

4.3.2 Теоретический анализ процессов фазообразования с участием ионных форм металлов Си (II), Ъъ (II,) Бе (II) и (III)...............................................................247

4.3.2.1 Распределение Си (II), Zn (II,) Бе (II) и (III) по ионным формам существования в растворе............................................................................................247

4.3.2.2 Термодинамический анализ реакций, протекающих при гальванокоагуляционной обработке металлоносных вод с участием ионных форм

металлов.........................................................................................................................254

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4...............................................................................................260

ГЛАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СЕЛЕКТИВНОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕДИ И ЦИНКА ИЗ МЕТАЛЛОНОСНЫХ ВОД ГАЛЬВАНОКОАГУЛЯЦИЕЙ.....................................................................................263

5.1 Объекты и методики изучения...............................................................................264

5.1.1 Описание лабораторной установки...........................................................264

5.1.2 Экспериментальные исследования влияния физических и химических факторов на процесс гальванокоагуляционного извлечения металлов из водных растворов........................................................................................................................266

5.1.2.1 Приготовление модельных растворов..................................................267

5.1.2.2 Подготовка загрузки гальванокоагулятора (гальванопара Бе-С).....267

5.1.2.3 Проведение эксперимента в статических условиях............................270

5.1.2.4 Проведение эксперимента в динамических условиях........................271

5.1.2.5 Проведение аэрации системы «раствор-гальванопара».....................271

5.1.3 Методики количественного определения элементов в растворах и осадках............................................................................................................................272

5.1.4 Рентгенофазовый анализ............................................................................275

5.1.5 Методика измерения электрических свойств фракций клинкера........275

5.2 Изучение закономерностей извлечения металлов из растворов, моделирующих металлоносные воды горных предприятий, методом гальванокоагуляции......................................................................................................273

5.2.1 Изучение кинетических закономерностей................................................273

5.2.2 Изучение влияния рН среды.......................................................................278

5.2.3 Изучение влияния анионного фона...........................................................282

5.2.4 Изучение влияния соотношения «твердое: жидкое»...............................284

5.2.5 Изучение влияния аэрации.........................................................................286

5.3 Изучение закономерностей извлечения металлов из модельных растворов и техногенных вод методом гальванокоагуляции с использованием в

качестве загрузки медистого клинкера.......................................................................294

5.3.1 Определение оптимального соотношения магнитной и немагнитной фракции в загрузке........................................................................................................296

5.3.2 Влияние времени контакта и рН раствора.........................................................298

5.3.3 Изучение влияния исходной концентрации железа (II) на извлечение цветных

металлов..............................................................................................304

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5...............................................................................................304

ГЛАВА 6 РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ РЕСУРСОВОСПРОИЗВО-ДЯЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛОНОСНЫХ ВОД МЕДНО-ЦИНКОВЫХ ГОРНЫХ

ПРЕДПРИЯТИЙ С ПРИОРИТЕТНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ МЕДИ И ЦИНКА.......308

6.1 Объекты и методики изучения...............................................................................308

6.1.1 Характеристика сорбентов........................................................................308

6.1.2 Методики экспериментальных исследований процесса доочистки сорбцией.........................................................................................................................310

6.1.3 Методика экспериментальных исследований комплексной очистки осаждением известью...................................................................................................312

6.1.4 Разработка технологий переработки металлоносных вод горных

предприятий Южного Урала........................................................................................312

6.2. Определение рациональных параметров комплексной очистки и

доочистки вод после гальванокоагуляционного извлечения меди и цинка............313

6.2.1 Исследование эффективности гидролитической очистки и сорбционной доочистки потоков после гальванокоагуляционного извлечения меди, цинка......313

6.2.2 Изучение закономерностей сорбционной доочистки потоков по меди, цинку, железу и определение режимных параметров сорбции...............................316

6.2.2.1 Изучение возможности применения карбонатных и алюмосиликатных пород для доочистки потоков от ионов тяжелых металлов......................................316

6.2.2.2 Изучение эффективности применения фильтрующего грануллированного материала для доочистки вод от ионов тяжелых металлов.... 319

6.3 Обоснование и разработка ресурсовоспроизводящей технологии комплексной переработки подотвальных вод СФ ОАО «УГОК»............................321

6.4 Обоснование эколого-экономической эффективности комплексной переработки техногенных металлоносных вод СФ ОАО «УГОК»..........................328

6.5 Обоснование и разработка ресурсовоспроизводящей технологии комплексной переработки медистого клинкера и подотвальной воды ООО

«ММСК»........................................................................................................................342

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6...............................................................................................350

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................353

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................................353

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...........................................................................................................389

ПРИЛОЖЕНИЕ II.........................................................................................................392

ПРИЛОЖЕНИЕ III........................................................................................................396

ПРИЛОЖЕНИЕ IV........................................................................................................398

ПРИЛОЖЕНИЕ V.........................................................................................................398

ПРИЛОЖЕНИЕ VI........................................................................................................400

ПРИЛОЖЕНИЕ VII........................................................................................................406

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕТАЛЛОНОСНЫХ ВОД ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ МЕДИ И ЦИНКА

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

щую переработку, нет стратегии управления жидкими отходами. Отсутствуют подходы к проведению практических мероприятий для экономически целесообразной утилизации металлоносных вод с учётом специфики их образования, разнообразия, а так же особенностей организации природно-техногенной системы, производства и технологических процессов. Ограничен выбор методов извлечения металлов из вод, позволяющих получать дополнительные металлсодержащие продукты, отсутствует инструментарий выбора методов.

В современной экологической и экономической ситуации при переработке AMD наиболее целесообразным представляется получение чистой воды и безопасных шламов за счет направленного селективного извлечение ценных компонентов на стадии предочистки потока с получением обогащённого извлекаемым металлом продукта, матрица которого соответствует концентратам обогащения или компонентам шихты плавильных агрегатов. В этой связи наиболее обоснованным представляется применение гальванокоагуляцион-ного метода очистки вод с использованием гальванопары «железо-углерод», что позволяет вовлекать в совместную переработку жидкие и твердые отходы и получать интегративный эколого-экономический эффект.

Развитием теории метода гальванокоагуляции занимались ведущие отечественные и зарубежные ученые: В.А.Феофанов, В.А.Чантурия, П.М.Соло-женкин, Е.Н.Лавриненко, В.А.Прокопенко, О.В.Ковалева, А.А.Батоева, Е.Д.Зайцев, А.А.Рязанцев, О.П.Чернова, C.A.Prochaska, A.I.Zouboulis, и др. Метод характеризуется простотой технологических операций, индифферентностью к колебаниям качества перерабатываемых вод, хорошей сочетаемостью с другими способами переработки техногенных вод. Решение проблемы переработки и утилизации техногенных вод горных предприятий (до 40 млн м /год по Уралу), имеющих высокое содержание меди (10-1100,0 мг/дм3) до 2700 мг/дм3 и цинка (4,2-3500,0 мг/дм3) до 8200

3 3

мг/дм (до 40 млн. м /год по Уралу), с извлечением металлов является актуальным и соответствует приоритетному направлению Концепции долгосроч-

ного социально-экономического развития РФ на период до 2020 года - «экологизация экономики с целью значительного улучшения качества природной среды и экологически конкурентоспособных производств». Это крупномасштабная, сложная и перспективная задача, которую в определённой мере решает представленная работа.

Работа основана на результатах НИО�

Информация о работе

Орехова, Наталья Николаевна
доктора технических наук
Москва, 2014
ВАК 25.00.13

Диссертация

Научное обоснование и разработка технологии комплексной переработки и утилизации техногенных медно-цинковых вод горных предприятий - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы