Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование эколого-защитной системы электрогидрофизической очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Обоснование эколого-защитной системы электрогидрофизической очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов"

На правах рукописи

ЕСЬКО Людмила Анатольевна

ОБОСНОВАНИЕ ЭКОЛОГО-ЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОГИДРОФИЗИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ВОД И ЛЕЖАЛЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология» (по техническим наукам)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе (МГГРУ)

Научный руководитель: Брюховецкий Олег Степанович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Папичев Валерий Иванович,

доктор технических наук

Муравых Анатолий Иванович, кандидат технических наук

Ведущая организация: Центральный научно-

исследовательский институт экономики и информации цветной металлургии

Защита состоится «30» июня 2005 г. в 11— часов на заседании диссертационного совета Д 212.121.09 при Московском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе по адресу: 117997, Россия, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, аудитория 5-67а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГРУ имени Серго Орджоникидзе

Автореферат разослан «28» мая 2005 г.

Ученый секретарь , ^

диссертационного совета,

кандидат технических наук ^ / Рыжова Л.П.

шел л^шб

/зяг ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

При разработке рудных месторождений одной из главных составляющих ущерба окружающей среде является ее загрязнение тяжелыми металлами, распространяющимися в пей в различных формах преимущественно с поверхностными и подземными водами.

В стоках горных предприятий содержание этих металлов превышает ГЩК па порядки. При объемах сброса в окружающую среду жидких отходов только при переработке медных и медно-цинковых колчеданных руд масштабы загрязнения окружающей среды медью, цинком и сопутствующими им металлами определяются площадями порядка тысяч квадратных километров.

Помимо стоков, также основным источником загрязнений является миграция тяжелых металлов из техногенных образований, главным образом, хвостохранилищ. Причем наибольшей миграционной активностью обладают медь и цинк.

Особо значимую роль в процессах миграции этих металлов играют процессы окисления железа и серы водой и растворенным в ней кислородом, а впоследствии и 1 неновыми бактериями. В результате этих процессов происходит интенсивный переход из минеральной в водную среду меди и цинка, причем их содержание в шахшых водах и водах «старых» хвостов и отвалов достигает нескольких сотен миллиграммов на литр, те. на 3-4 порядка превышает предельно допустимые концентрации.

Учитывая, что как шахтные воды, так и пленочные, поровые и капиллярные воды хвостов и отвалов имеют близкий химический состав, целесообразно производить их очистку от тяжелых металлов в едином технологическом комплексе. Причем, поскольку объем шахтных вод неизмеримо больше объема пленочных, поровых и капиллярных вод отвалов и хвостохранилищ, а содержание в них тяжелых металлов существенно ниже, то первые могут быть использованы для управляемой интенсификации перехода в водную среду меди, цинка и других тяжелых металлов из лежалых хвостов обогащения и отвалов, т.е. в качестве выщелачивающих растворов.

В такой постановке задача снижения уровня загрязнения водной среды в районах действия юрно-обогатительных предприятий Си-7п отрасли не ставилась, соответственно научное обоснование путей ее решения актуально.

В данной работе проблема загрязнения окружающей среды шахтными водами и лежалыми хвостами обогащения рассматривается для условий Урупского горнообогатительного комбината.

Основная идея диссертации заключается в том, что существенное снижение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами при разработке месторождений колчеданных медно-цинковых руд обеспечивается применением системы, объединяющей электродиффузионные и электросорбционные процессы для очистки шахтных вод с последующим их использованием как выщелачивающих растворов для извлечения меди, цинка и сопутствующих элементов из лежалых хвостов обогащения.

Целью работы является научное обоснование возможности использования безреагетной схемы очистки шахтных вуд п лоиюдшм хвостов обогащения, существенно снижающей загрязнение тяжельхр^'^^^^^^^ШЦщей среды.

3 I пТХ'Ц

В соответствии с этим в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ экологической ситуации на Урупском ГОКе.

2. Критический анализ существующих методов очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от растворенных загрязнителей и, в частности, катионов цинка, а также катионов и комплексных анионов меди.

3. Теоретическое обоснование возможности повышения эффективности очистки от тяжелых металлов шахтных вод и лежалых хвостов обогащения (дренажных вод хвостохранилищ) на основе использования комбинированных схем, включающих гидрофизические процессы.

4. Создание технологии электроактивации растворов, приготовленных на основе шахтных вод для увеличения скорости очистки лежалых хвостов обогащения от растворенных форм металлов, загрязняющих окружающую среду, за счет повышения скорости окисления железа и серы.

5 Разработка комплексной тколого-защитной схемы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.

6. Теоретическое и экспериментальное исследование и обоснование возможности использования шахтных вод как исходного продукта для приготовления выщелачивающих медь и цинк кислых растворов, используемых с целью предотвращения миграции их в окружающую среду из хвостохранилищ.

7. Обоснование методики экономической оценки эффективности эколого-защитных мероприятий.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, который включает лабораторные и опытно-промышленные эксперименты, регрессионный анализ, математическое и эколого-экономическое моделирование.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Глубокая очистка шахтных вод от ионов меди и цинка достигается посредством их электродиффузии через мембранный слой ионообменной смолы и последующей сорбции ионов в основном объеме ионитов. При этом эффективная величина напряжения на электродах лабораторного электродиффузионного аппарата 30 В, толщина мембраны из ионообменной смолы - 2 см, удельная скорость

фильтрации - 3,1-———.

час - см

2. Насыщение под1 отовленных шахтных вод активным электролитическим кислородом обеспечивается за счет эффекта совместного воздействия кавитации и электролиза воды в специальном электрокавитационном аппарате. Оптимальное содержание кислорода достигается при напряжении на электродах аппарата и расходе шахтной воды соответственно 30 В и 10 м3/час и описывается обратно-пропорциональной зависимостью от указанных переменных.

3. Изменение содержания меди в растворе при выщелачивании лежалых хвостов зависит от времени воздействия и содержания кислорода по закону сложной

функции вида ССи =-_„:-, где К - коэффициент, характеризующий

1 + А-е

предельное содержание меди в растворе, зависящий по логарифмическому закону от величины насыщения раствора кислородом, А и В - коэффициенты, характеризующие'динамИКу процесса выхода металла в раствор.

4. Эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения обеспечивает снижение загрязнения окружающей среды и создает возможность компенсации части затрат на очистку за счет прибыли, получаемой от реализации дополнительно извлекаемых ценных металлов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- с целью предотвращения загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами из хвостохранилищ, обоснована возможность использования шахтных вод как выщелачивающих растворов для извлечения их из лежалых хвостов обогащения;

- теоретически и экспериментально доказана эффективность и установлены параметры очистки шахтных вод, лежалых хвостов от меди и цинка новым комбинированным методом, включающим электродиффузионное концентрирование с последующим сорбционным извлечением;

- обоснован новый комплексный показатель экономической оценки эффективности очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов, позволяющий количественно оценить как затратную часть эколого-защитных мероприятий, так и прибыль, полученную при их реализации за счет извлекаемых из отходов горного производства металлов.

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается значительным объемом экспериментальных исследований, корректным теоретическим обобщением их результатов и фактических технологических данных кошфетного предприятия, подтверждением результатов лабораторных и полупромышленных экспериментов.

Практическая значимость работы.

1. Разработана эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов.

2 Разработана конструкция электрокавитатора - аппарата для насыщения шахшых вод активным электролитическим кислородом; экспериментально доказана эффективность работы электродиффузионного аппарата и получены конкретные показатели по извлечению ионов металлов из растворов и снижению загрязнения окружающей среды.

3. Предложены конструкции аппаратов для эффективного концентрирования металлов при очистке шахтных вод и при выщелачивании металлов из лежалых хвостов обогащения.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях МГГРУ (2002-2005 гг.), Урупском горно-обогатительном комбинате (2002-2004 гг.).

Реализация результатов работы.

Результаты исследований направлены на Урупский ГОК для использования при составлении технологического регламента по очистке шахтных вод и лежалых хвостов обогащения в соответствии с предлагаемой системой.

Настоящая работа используется в учебном процессе при чтении лекций по курсу "Разработка техногенных месторождений полезных ископаемых".

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в восьми печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, включает 21 таблицу, 17 рисунков.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, заведующему кафедрой Гидравлики и гидрофизических процессов, Заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику РАЕН, профессору, д.т.н. Брюховецкому О.С.

Автор глубоко признателен всем сотрудникам и преподавателям кафедры Гидравлики и гидрофизических процессов МГГРУ за помощь и ценные рекомендации. В процессе исследований автор консультировался с академиком РАЕН, профессором, д.г.-м.н. Игнатовым П.А., профессором, д.т.н. Небера В.П, в.н.с., д.т.н. Секисовым А.Г., за что им искренне благодарен.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время в связи с прогрессирующим загрязнением окружающей среды отходами промышленности, в том числе и горнодобывающей, вопросы разработки эффективных способов очистки промышленных стоков и вод, контактирующих с твердыми отходами, от токсичных элементов и их соединений приобретают особую значимость.

В связи с этим, во многих странах учеными и инженерами активно ведутся работы по разработке эколого-защитных технологий. В тоже время многие частные задачи по геоэкологии и, конкретно, задача очистки шахтных вод от тяжелых металлов, объективно требуют поиска новых технических решений, базирующихся на теоретических и экспериментальных исследованиях процессов миграции элементов в системе «минеральная среда - подземные воды - поверхностные воды -осаждающие среды». Большой научный вклад в решение этого вопроса внесли такие известные ученые как Вернадский В.И., Ферсман А.Е., Мельников Н.В., Трубецкой К.Н., Перельман А.И, Русский И.И., Комащенко В.И., Козырев E.H., Лобанов Д.П., Лисенков А.Б., Папичев В.И., Хохряков A.B.

Горнодобывающие и перерабатывающие предприятия цветной металлургии являются значительными потребителями водных ресурсов. При этом отработанные воды, содержащие взвешенные вещества, растворенные тяжелые металлы, реагенты, неизбежно попадают в окружающую среду.

Анализ состояния водной среды на территории Урупского ГОКа, проведенный аналитической лабораторией «Урупский ГОК» показывает, что в целях охраны окружающей среды и рационального использования водных ресурсов необходимо:

- прекратить сброс загрязненных стоков в водоемы;

-довести объем оборотного водоснабжения в промышленности цр 80%, увеличить мощность очистных сооружений в два раза, обеспечив при этом полную очистку сточных вод с использованием новых экологически чистых технологий;

- осуществить комплексную реконструкцию устаревших систем водопользования.

При добыче и обогащении руд цветных металлов основными видами загрязнений окружающей среды являются шахтные воды и лежалые хвосты обогащения. Данные задачи решаются в диссертации для условий работы Урупского горно-обогатительного комбината, находящегося в Урупском районе Карачаево-Черкесской республики (КЧР).

Основными загрязняющими токсичными веществами шахтных вод рудника являются ионы тяжелых металлов. Cu2+, Zn2' и Fe2+ при величине pH от 2,5 до 3,5 (таблица 1).

Таблица 1

Химический состав шахтных вод Урупского рудника (рН ~ 2,8)

Наименование загрязнителей Состав, мг/л

Взвешенные вещества 205,1

Хлориды 290,4

Сульфаты 3056,0

Медь 284,0

Цинк 263,5

Свинец Менее 0,5

Железо общее 235,2

Кальций 470,9

Магний 75,4

Нитраты 8,0

Нитриты 0,053

Азот аммонийный 51,5

Сухой остаток 5124,3

Экологическая задача очистки заключается в переводе токсичных ионов тяжелых металлов в соединения, нерастворимые в воде.

Очистку шахтных вод в данное время на Урупском ГОКе осуществляют на очистных сооружениях с применением в качестве реагента извести третьего сорта (СаО), содержащей недожог (СаСОэ). В качестве коагулянта используют сернокислый алюминий.

Основным недостатком реагентного метода является накопление в качестве отходов твердого осадка гидроксидов тяжелых металлов, которые впоследствии не утилизируются и загрязняют окружающую среду, а также большой расход реагентов, большие трудозатраты по эксплуатации; необходимость организации и содержания реагентного хозяйства со специальным коррозионностойким оборудованием.

Отмеченные недостатки реагентного метода очистки шахтных вод, требуют новых более эффективных технических решений, обеспечивающих снижение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Второй составляющей комплекса задач защиты от загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами является очистка лежалых хвостов обогащения Урупского ГОКа.

Необходим эффективный метод очистки лежалых хвостов обогатительной фабрики, запасы которых оцениваются в 11,6 млн. т, в т.ч. меди - 29,6 тыс. т, цинка - 25,1 тыс. т, серы - 2623 шс. т, золота - 9,5 т, серебра - 118,9 т, кадмия - 224 т, селена - 332 т, теллура - 293 т.

Для очистки лежалых хвостов от тяжелых металлов, необходимо перевести тяжелые металлы в растворимую форму, причем «растворителем» могут служить высокоактивные шахтные воды. Таким образом, необходимо обосновать и разработать схему очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения, которая бы позволила объединить их в едином технологическом процессе, единой системе.

Главным вопросом, который необходимо решить для реализации системы комплексной очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов, является вопрос рациональной технологии извлечения цинка и меди, а также сопутствующих компонентов (золота, серебра).

Для использования шахтных вод в качестве выщелачивающих растворов, необходимо решить задачу предварительного извлечения из шахтной воды избыточных ионов меди и цинка, которые препятствуют развитию тионовых бактерий.

Учитывая, что при очистке вод необходимо обеспечить селективность извлечения Си и 2п и то, что после выщелачивания лежалых хвостов сернокислотными шахтными водами концентрация этих компонентов может превышать 1 г/л (по каждому), то базовым способом извлечения целесообразно принять ионообменный, а в качестве дополнительного - электродиалитический.

На первом этапе воздействие нужно осуществлять на растворенные ионы и тонкий поверхностный слой ионита с тем, чтобы первые концентрировались только в его пленочной фазе и далее перемещались к месту накопления в результате электро диффузии.

Нами были изучены труды известных в этой области ученых: Ласкорина Б.Н., Водолазова ЛИ., Классена В.И., Дэниса, Уитни, Секисова А.Г., Федотова Г.П., Чугаева Л.В. и проведены исследования по интенсификации ионообменной сорбции меди и цинка в электрическом и магнитном полях.

Сущность идеи заключается в обеспечении дополнительной (к существующей концентрационной диффузии в пленочной фазе ионита) направленной электродиффузии и магнитодиффузии ионов за счет постоянного электростатического поля между электродами, между которыми помещается слой ионообменной смолы, и магнитного поля, создаваемого движением ионов металлов к катоду.

При этом напряжение на электродах должно обеспечивать такое воздействие на оделяемые ионы, чтобы их скорость электродиффузии была больше скорости концентрационной диффузии в пленочной фазе.

Исходя из выше сказанного, нами был предложен следующий лабораторный аппарат (рис.1).

Эксперименты по электродиффузионному извлечению Си и Zn проводились на шахтных водах Урупского ГОКа.

В модели лабораторного ЭДА изменяли толщину слоя смолы за счет конструкции выдвижных кассет в пределах 1 - 3 см. Напряжение на электродах от 10-30 В. Скорость фильтрации во всех случаях составила 100 л/час.

Результат эксперимента оценивали по двум параметрам: изменению содержания металлов в сливе и в накопительной камере.

Результаты экспериментов представлены в таблице 2, из которой видно, что происходит существенное изменение концентраций меди и цинка в сливе и накопительной камере относительно исходных значений.

В ходе эксперимента было установлено, что максимальный результат в случае самого тонкого слоя смолы (1см) для меди и цинка достигается при напряжении 30 В.

В связи с этим, вторая серия экспериментов проводилась при величине напряжения 30 В.

Как видно из таблицы 3, минимальное содержание Си в сливе (53,25 мг/л) обеспечивается при том же напряжении (30 В) для толщины слоя 2 см.

В экспериментах также изменялся расход раствора (100, 200, 300 л/час). Результаты представлены в таблице 4.

Шахтная вода

О

-.-О

..—■'.О о

,ооооо|.~ ^ооооо

етггюо

ОООООО л л .ОООООО,(/

оооооо О О |оооооо10 О

—оооооо ^ ^

-

И ООО О ОО 1л. л ^ОООООО ^ У

IОООООО» л. л

оооооо|0 О

1оооооо|5 5 оооооо {_) {_)

1©оосоо1^*) оооооо X X

1000000«! ) ( 1 оооооо!^ X

оооооо О О

|000000|Х 000000*1) П

ОООООО X ~

I ОООООО IО О

©ооооо!х л

000000 м П

I ООО ООО I

0000001 ОООООО _ _

О

Раствор, насьпценный ионами Си и 7м (концентрат)

ОС ЭС Э "С эс э с эс э оос эс э оос эс э оос эс э - ~ с эс э с эс э с эс э с эс э с эс э с эс э оос эс э оос эс э оос эс э оос эс э оос эс э оос эс э оос эс э

ООС Э " -

оос э оос э оос э оооо оооо оооо ООО -ООО

ООО____

ОООООО ОООООО ОООООО

Очищенная от ионов Си и Ъп вода

1 - инертная шариковая загрузка

2 - сетчатый каркас

3 - водопроницаемая оболочка

4 - смола

5 - катод

6 - анод

7 - блок питания ЭДА

8 - накопительная камера

9 - придонная отводная трубка

Рис. 1. Конструкция модели электродиффузионного аппарата (ЭДА).

Таблица 2

Результаты лабораторных экспериментов по электродиффузионной очистке шахтпых вод от меди и цинка

(при постоянной толщине слоя смолы 1 см)

Элемент Исходное содержание в растворе, мг/л Содержание, мг/л в сливе в накопительпой камере

Напряжение на электродах, В

10 20 30

Медь 284 113,6 965,60 106,50 994,00 88,75 1065,00

Цинк 263 115,06 854,76 82,19 986,24 85,48 973,08

Таблица 3

Результаты лабораторных экспериментов по электродиффузионной очистке шахтных вод от меди и цинка

(при напряжении на электродах ЗОВ)

Элемент Исходное содержание в растворе, мг/л Содержание, мг/л в сливе в накопительной камере

Толщина слоя смолы, см

1,5 2,0 2,5 3,0

Медь 284 81,65 1093,40 53,25 1207,00 71,00 1136,00 85,20 1079,20

Цинк 263 75,61 1012,56 65,75 1052,00 72,33 1025,68 98,63 920,48

Таблица 4

Результаты исследований концентрации Си и Ъп при различном расходе

шахтной воды

Скорость фильтрации, л/час Содержание, мг/л

в сливе в накопительной камере

Медь Цинк Медь Цинк

100 53,25 65,75 1207,00 1052,00

200 88,75 98,63 1065,00 920,48

300 106,5 115,06 994,00 854,76

Примечание: содержание в исходной шахтной воде: Си 284 мг/л, /п 263 мг/л, рН 2,8. На выходе рН. в сливе - 2,4, в накопительной камере - 3,0.

Таким образом, в ходе эксперимента было доказано, что электродиффузионный аппарат позволяет эффективно концентрировать ионы меди и цинка в накопительной камере, а слив будет представлять собой сернокислотный раствор.

Как было отмечено выше, шахтные воды (с предварительно извлеченными ионами меди и цинка в ЭДА) решено использовать в качестве выщелачивающих растворов для извлечения меди и цинка из лежалых хвостов обогащения с целью снижения загрязнения этими элементами окружающей среды.

Существенный вклад в разработку эффективных систем выщелачивания металлов из некондиционных руд и техногенных образований внесли такие отечественные и зарубежные специалисты как Чантурия В.А., Арене В.Ж., Бунин И.Ж., Лобанов Д.П., Малухин Н.Г., Небера В.П., Полькин С.И., Тадеев М.Н., Толстое Д.Е., Van Antverp, Ph. Lincoln, A.J. Chrestensen и др.

В настоящее время около 30% извлекаемой в мире меди получают геотехнологическими и биогеотехнологйческими методами - кучным сернокислотным и кучным сернокислотнобактериальным выщелачиванием.

Основываясь на результатах исследований, известных из технической литературы, анализа практики кучного и кюветного выщелачивания, автором была рассмотрена возможность извлечения тяжелых металлов геотехнологическими методами из хвостов обогащения в две стадии: на первой - сернокислотным выщелачиванием меди и цинка, частично свинца, на второй - золота и серебра. Данные методы характеризуются высокой экономической эффективностью.

Шахтные воды, формируемые при разработке медноколчеданных и медно-цинково-колчеданных месторождений, имеют достаточно высокие концентрации сульфат-анионов и низкие рН (3-4 и ниже), поэтому при повышении содержания активного кислорода, они фактически могут представлять собой сернокислотные растворы.

Общая скорость системы окислительных реакций, протекающих в минерально-водной среде, определяется начальной стадией окисления пирита и халькопирита кислородом и сульфатным комплексом.

Естественно предположить, что скорость этих реакций определяется не только температурой, давлением и концентрациями атомов и ионов в жидкой фазе, но и активностью самого кислорода.

Таким образом, если производить первоначальное насыщение шахтных вод активным кислородом с использованием, например, электровоздействия, го при сохранении рН и концентрации ионов, в первую очередь пары Fe2+-S042", обеспечивающих активность вод как выщелачивающего раствора, повысится активность процесса очистки лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов.

Для проверки этого предположения нами производилось выщелачивайие меди и цинка реальными сернокислотными шахтными водами Урупского месторождения из лежалых хвостов обогащения медно-цинковых руд обогатительной фабрики.

Эксперименты проводились как с сохраненным составом шахтных вод без насыщения кислородом, так и после насыщения их электролитическим кислородом.

Как видно из таблицы 5, насыщение электролитическим кислородом шахтных вод существенно (практически в 2 раза) повышает скорость растворения меди.

По результатам лабораторных экспериментов можно сделать определенный вывод о необходимости насыщения шахтных вод перед их использованием в качестве выщелачивающих растворов электролитическим кислородом, но, учитывая

значительные масштабы обработки в реальных условиях шахтных вод таким кислородом, следует обосновать высокопроизводительную установку, которая решала бы эту задачу для производственных условий.

Таблица 5

Выход меди в раствор при кучном выщелачивании лежалых хвостов

обогащения

Исследуемая схема выщелачивания Содержание Си в растворе, мг/л

Время выщелачивания, сутки

24 40 56

Шахтные воды без насыщения 81 263 423

Шахтные воды после насыщения электролитическим кислородом (содержание кислорода 10,5 мг/л) 220 520 780

В качестве такой установки коллективом кафедры Гидравлики с участием диссертанта была разработана конструкция электрокавитационного аппарата, базирующаяся на теоретических и экспериментальных трудах известных ученых Башкатова Д.Н., Брюховецкого О.С., Родионова В.Н.

Электрокавитационпая система предназначена для экспериментального исследования комплекса процессов, происходящих в движущихся водных растворах и пульпах при воздействии на них электрическим полем в области сужения и последующего расширения потока, инициирующего кавитацию.

Эффективность процесса кавитации определяется наличием микропузырьков газов и паров воды, выделяющихся при электролизе в зоне сужения потока и их последующим схлопыванием в зоне расширения.

Электрокавитатор представляет собой электрогидрофизический аппарат, в котором путем электролиза воды (раствора) или жидкой фазы пульпы продуцируются микропузырьки кислорода и водорода, которые начинают пульсировать и схлопываться в зоне повышенного давления - расширения выходного потока (кавитационной зоне).

Электрокавитатор, представляет собой систему полых элементов различной конфигурации, изготовленных из токопроводящих и электроизолирующих материалов (рис. 2).

Электрокавитатор был смонтирован в лаборатории кафедры на стенде (рис. 3).

Нами были проведены несколько серий экспериментов.

В первой серии экспериментов изменялся расход воды, проходящей через электрокавитатор от 2 до 12 м3/час с шагом 2 м3/час без изменения напряжения, а во втором случае тоже самое, только с подачей напряжения. При этом сравнивалось содержание Ог в воде по вариантам: без напряжения и с напряжением.

Как видно из таблицы 6 и рис. 4, содержание 02 максимально при расходе 10 м3/час и напряжении 30 В.

Величина насыщения раствора кислородом (С^) обратно пропорциональна величинам напряжения (U) и расхода (Q) и имеет зависимость вида (1).

1 - приемная коническая камера

2 - камера электрообработки

3 - изоляторы

4 - катоды

5 - анод

6 - "выходная коническая камера

Рис. 2. Устройство электрокавитатора.

м п п п

и и

1 - накопительный резервуар

2 - насос

3 - система трубопроводов

4

о

J

Г

ад

жх

4 - электрокавитатор

5 - блок питания электрокавитатора

6 - механическая мешалка

Рис. 3. Стенд для исследования электрокавитационного воздействия на поток воды.

Таблица 6

Зависимость содержания кислорода от расхода и напряжения на электродах

электрокавитатора

Расход, мл/час Содержание кислорода, мг/л

Без напряжения Напряжение, В

10 20 30

2 8 - 8,5 9,5 9,5

4 8,5 9,5 10,5 10

6 9 9,5 10,5 9,5

8 9 10 14 10,5

10 9,5 11,5 13,5 14,5

12 9 11 10 12,5

16-

ч и

г

-с 14

Р -

---—----иг

и=зов

и=20 В

и=юв

и=ов

б 8 Расход (О), м3/ч

Рис. 4. Зависимость содержания кислорода от расхода и напряжения на электродах электрокавитатора.

С0, =17.8-

139.5 4.8 и + 18.7 ~ <2

(1)

Нами проводилось также исследование процесса выщелачивания в лабораторных условиях с использованием шахтных вод с предварительно

извлеченными ионами Си и 7,п на пробах агломерированных хвостов Урупского ГОКа В одну колонну подавалась шахтная вода, насыщенная элетролитическим кислородом, а во вторую - без насыщения.

Результаты экспериментов приведены на рис. 5.

О 8 16 24 32 40 48 56 64

Время выщелачивания (1), сутки

Рис. 5. График изменения содержания меди в шахтных водах в процессе выщелачивания лежалых хвостов обогащения при различном насыщении кислородом.

Как видно из графика, рост содержания меди в растворе существенно выше при электролитическом насыщении циркулирующих растворов кислородом. Изменение содержания меди в растворе при выщелачивании лежалых хвостов зависит от времени воздействия и содержания кислорода по закону сложной функции (2).

1 + Ае

где К = 394-Ьп(Г02) - коэффициент, характеризующий предельное содержание меди в растворе, зависящий по логарифмическому закону от величины насыщения раствора кислородом, А = 20 и В = 0,1 - коэффициенты, характеризующие динамику процесса выхода металла в раствор.

Проведенные лабораторные исследования показали, что эффективность процесса извлечения тяжелых металлов из лежалых хвостов обогащения повышается в 1,5-2 раза в случае предварительного извлечения меди и цинка из шахтных вод и насыщения их электролитическим кислородом. Это, по-видимому, объясняйся повышением активности тионовых бактерий, не подавляемых избыточными ионами меди и цинка.

Учитывая технологические свойства, в том числе содержание полезных компонентов, целесообразно мелкую фракцию (-44 мкм) лежалых хвостов

обогащения подвергать юоветному выщелачиванию, а крупную фракцию (после агломерации со специальным цементом) кучному с циркуляцией растворов.

На основе полученных результатов при проведении лабораторных исследований процессов выщелачивания шахтными водами меди и цинка из лежалых хвостов обогащения, показавших принципиальную возможность реализации этой идеи, нами была обоснована эколого-защитная система комплексной очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения (рис. 6).

Шахтная вода - 830 м'/сут 1

Очистка от Си и 2п в ЭДА

Очищенная вода *

Насыщение активным кислородом в электрокавитаторе 800 м3/сут| 30 м3/сут

Раствор, насыщенный ионами Си и 2п Очистка от Сд и 7л в электросорбере

чищенная вода

Смола на элюирование и регенерацию

Кювегное выщелачивание

Сорбдия Си и 7л1

в нульповом -

электросорбере

Смола на элюирование и регенерацию

Кучное выщелачивание* Оборотный раствор

Флокулянты Слив—»Отстаивание

Слив*-

Насыщенныб раствор

Фильтрация

-Э|

На кондиционирование (по рН, Ее и 50,,')

—Электросорбция Смола на элюирование и регенерацию

Рис. 6. Технологическая схема комплексной очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.

Для оценки экономической эффективности Э комплекса мероприятий по очистке шахтных вод и извлечению тяжелых металлов из лежалых хвостов обогащения автором обоснован показатель экономической оценки (3), включающий в себя суммарную прибыль, полученную от реализации металла в виде концентрата при добыче и переработке руды, и металлов, полученных при очистке шахтных вод и лежалых хвостов обогащения за вычетом затрат на эколого-защитные мероприятия по каждому производству.

т

э=£Р « кн к0 (ц-с-к сэ) д+

+ 2р.а'.К'н<1-К0).(Д'-С'-К'-Сэ)-Д'+ (3)

<-Т'„

+ ]Г10 • а' ' К' '0 <Ц* '-С' '-К' '-Сэ) • Д"

<=Т"„

где Э - общая экономическая эффективность, руб; р - объем погашаемой руды, т; С? - объем перерабатываемой шахтной воды, м3;

а, а' - содержание металла в руде и лежалых хвостах обогащения соответственно, %; а" - содержание металла в шахтной воде, т/м3;

Кц, К'н - коэффициенты извлечения из недр и из лежалых хвостов обогащения соответственно, д.е.;

К0, К"0 - коэффициенты извлечения при обогащении из недр и из шахтных вод соответственно, д.е.;

Ц, Ц', Ц" - цена конечной продукции основного и дополнительного производства соответственно, руб/т;

С, С', С" - общие удельные эксплуатационные затраты основного и дополнительного производства соответственно, руб/т;

К, К', К" - коэффициенты распределения затрат на эколого-защитные мероприятия по процессам получения металла из недр, хвостов обогащения и шахтных вод соответственно, определяемые долей наносимого данным процессом экологического ущерба;

Сэ - общие удельные затраты на эколого-защитные мероприятия, руб/т;

Д, Д', Д" - дисконты по соответствующим продуктам (концентрату, металлам

из хвостов, металлам из шахтнЫх вод);

Тн, Т'н, Т"н - год начала получения металла из недр, хвостов обогащения и шахтных вод соответственно;

Тк, Т'к, Т"к конечный год получения металла из недр, хвостов обогащения и шахтных вод соответственно.

Укрупненные расчеты, выполненные с использованием данного показателя, позволяют считать, что предложенная комплексная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения не только окупает затраты, но и обеспечивает прибыльное извлечение тяжелых металлов. Только с учетом прибыли от реализации меди рентабельность производства составит не менее 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной геоэкологической задачи очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов при разработке месторождений колчеданных медно-цинковых руд, заключающееся в создании единой эколого-зашитной системы управляемого извлечения меди и цинка электрогидрофизическими методами.

Решение данной задачи осуществлено на основе:

1) широкого обобщения, анализа и оценки ранее выполненных работ в области очистки промышленных стоков и, в частности, шахтных вод, а также геоэкологической ситуации на Урупском ГОКе;

2) проведения значительного объема экспериментальных исследований процессов очистки шахтных вод от тяжелых металлов, включающих электродиффузионное конценгрирование и последующую ионообменную сорбцию в электрическом поле, а также процессов выщелачивания из лежалых хвостов

обогащения металлов шахтными водами, очищенными от значительной доли меди и цинка и предварительно насыщенными электролитическим кислородом;

3) экономической оценки эффективности эколого-защитной системы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.

Новизна решения научно-технической задачи заключается в получении лично соискателем следующих научных результатов:

1) теоретически и экспериментально обоснована возможность глубокой очистки шахтных вод от ионов тяжелых металлов посредством их электродиффузии и последующей сорбции; найдены оптимальные параметры аппарата;

2) установлены основные параметры насыщения шахтных вод активным электролитическим кислородом в специальном электрокавитационном аппарате;

3) выявлена зависимость изменения содержания меди от времени воздействия и содержания кислорода в растворе кучного выщелачивания лежалых хвостов;

4) обоснована эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения, снижающая загрязнение окружающей среды.

Основные выводы и рекомендации:

1) шахшые воды, содержащие ионы железа, сульфат-анионы могут быть использованы как выщелачивающие медь и ципк растворы из хвостов обогащения колчеданных руд как в варианте кучного, так и кюветного выщелачивания;

2) эффективность использования шахтных вод в качестве выщелачивающих растворов повышается путем предварительного извлечения из них ионов меди и цинка и насыщения активным кислородом электроактивацией, что увеличивает скорость извлечения металлов из лежалых хвостов за счет повышения скорости окисления железа и серы и, соответственно ускоренного появления вторичного окисляющего агента - трисульфата железа;

3) окончательная очистка шахтных вод после их использования для извлечения тяжелых металлов из лежалых хвостов обогащения обеспечивается путем повышения их pH до 6 и более за счет введения в них мелкодробленного карбоната кальция и/или окиси кальция, что также обеспечит осаждение железа и снижение содержания сульфатов;

4) экономическая эффективность предлагаемой системы очистки должна производиться по суммарной приведенной прибыли, получаемой от реализации концентратов и металлов, получаемых в процессе очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения, с распределением общих затрат на эколого-защитные мероприятия, пропорционально причиняемому этими производствами ущербу окружающей среде.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Брюховецкий О.С., Есько Л. А. Совершенствование технологии очистки шахтных вод от загрязнений ионами тяжелых металлов на Урупском ГОКе. // Материалы конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале XXI века». - М.: МГГРУ, 2002.

2. Брюховецкий О.С., Секисов А.Г., Есько Л.А. Эколого-защитная технология кюветного и кучного электросорбционного выщелачивания металлов шахтными водами из хвостов обогащения и разубоженных руд // Материалы VII

Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Материалы докладов, 3 том, Издательство «Университет книжный дом», 2005.

3 Брюховецкий О.С., Секисов А.Г., Есько JI.A., Зокиров З.Д. Техногенная миграция металлов в окружающую среду и эколого-экономические показатели ее оценки. // Геология и разведка. Известия вузов. - 2004. - №2. - С. 76-79.

4. Брюховецкий О.С., Секисов А.Г., Есько JT.A., Старков MB. Эколого-экономическая модель мониторинга металлов при разработке рудных месторождений // Геология и разведка, Известия вузов, №5. - М.:МГТРУ, 2002

5. Есько JI.A. Рациональная схема очистки шахтных вод от ионов тяжелых металлов. // Материалы конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале XXI века» -М.:МГТРУ,2003.

6 Есько JI.A., Сорокин А.И. Электрокавитация как способ повышения эффективности очистки стоков Урупского ГОКа. // Материалы конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых». - М.:МГГРУ,2004.

7. Секисов A.I., Мазуркевич С.А., Канцель М.А., Канцель В.А., Потапов В.А., Конарева Т.Г., Есько Л.А., Адаева Е.А., Нефедов Л.Ю. Повышение эффективности сорбции металлов из сбросных хвостов обогатительных фабрик и шахтных вод. // Материалы VII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Материалы докладов, 3 том, Издательство «Университет книжный дом», 2005.

8. Секисов А Г., Конарева Т.Г., Авилов О.Н., Новиков А.И., Мазуркевич С.А., Королев B.C., Старков М.В., Ганин И.П., Есько Л.А. Технология подготовки биологически активной воды. // Материалы VII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Материалы докладов, 3 том, Издательство «Университет книжный дом», 2005.

Подписано в печать 26 мая 2005 г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печатных листов 1,0 . Тираж 100 жз Отпечатано в типографии «Графика Сервис» зак. № 585 г. Москва, ул. Бориса Галушкина, д. 12.

29 10

РЫБ Русский фонд

2006-4 13512

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Есько, Людмила Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА УРУПСКОМ ГОКЕ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ВОД.

1.1 Геоэкологическая оценка ситуации на Урупском ГОКе.

1.2 Анализ существующей схемы очистки шахтных вод от ионов тяжелых металлов на предприятии.

1.3 Оценка предложенного метода очистки шахтных вод.

1.4 Анализ существующих методов очистки шахтных вод.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СОСТАВА ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ УРУПСКОГО ГОКА И ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДОВ УТИЛИЗАЦИИ ХВОСТОВ.

2.1 Изучение состава хвостов обогащения и анализ схем очистки хвостов Урупского ГОКа.

2.2 Минералого-технологическое изучение руд и продуктов обогащения Урупского медно-колчеданного месторождения.

2.3 Анализ работы Урупской обогатительной фабрики и лабораторные исследования лежалых хвостов обогащения.

2.4 Гравитационные методы переработки хвостов обогащения.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИФФУЗИОННЫХ И ЭЛЕКТРОСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ

3.1 Теоретическое обоснование возможности совмещения электрогидрофизических процессов для селективного извлечения ионов меди и цинка из шахтных вод.

3.2 Исследования по интенсификации ионообменной сорбции тяжелых металлов в электрическом и магнитном полях.

3.3 Конструкции разработанного электродиффузионного аппарата и результаты лабораторных исследований.

3.4 Исследование эффективности работы электросорбционной установки.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНЫХ ВОД ДЛЯ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕДИ И ДИНКА ИЗ ЛЕЖАЛЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ.

4.1 Исследование процессов окисления, происходящих в хвостах обогащения при обработке их шахтными водами.

4.2 Обоснование предварительного насыщения шахтных вод электролитическим кислородом.

4.3 электрокавитационная система для насыщения шахтных вод электролитическим кислородом и результаты экспериментов.

4.4 Лабораторные исследования процесса выщелачивания с использованием шахтных вод на пробах агломерированных хвостов

Урупского ГОКа.

4.5 Конструкция пульпового электросорбера для извлечения ионов меди и цинка при кюветном выщелачивании.

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ВОД И ЛЕЖАЛЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ.

5.1 эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.

5.2 Расчет параметров.

5.3 Экономическая оценка.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование эколого-защитной системы электрогидрофизической очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов"

При разработке рудных месторождений одной из главных составляющих ущерба окружающей среде является ее загрязнение тяжелыми металлами, распространяющимися в ней в различных формах преимущественно с поверхностными и подземными водами.

Тяжелые металлы, как известно, могут оказывать угнетающее действие на флору и фауну, начиная с почвенных микроорганизмов. Например, медь, цинк, серебро в форме простых ионов (в данном случае катионов) в почвенных водах резко подавляют активность азотфиксирующих бактерий, и, соответственно, ухудшают условия почвенного питания высших растений и далее по цепи питания - фауны. Но особенно чувствительны к наличию высоких концентраций тяжелых металлов в водной среде их непосредственные обитатели - рыбы и пресноводные моллюски.

В стоках горных предприятий содержание этих металлов превышает ПДК на порядки, например, по цинку превышение ПДК может достигать 400 раз. При объемах сброса в окружающую среду жидких отходов, имеющих порядок десятки миллионов м3/год, только при переработке медных и медно-цинковых колчеданных руд масштабы загрязнения окружающей среды медью, цинком и сопутствующим им кадмием определяются площадями порядка тысяч квадратных километров.

Миграция тяжелых металлов из техногенных образований; главным образом, хвостохранилищ и нарушенных в процессе разработки массивов осуществляется в форме взвешенных частиц, содержащих или сорбировавших их минералов, а также в форме растворенных ионов. Причем наибольшей миграционной активностью обладают медь и цинк, что обусловлено сравнительно низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала и высокой скоростью образования в водной среде их гидратированных катионов. В результате чего, эти минералообразующие элементы и сопутствующие им и близкие по свойствам кадмий и свинец переходят в подвижную форму, распространяясь с поверхностными и подземными водами на значительное расстояние.

Особо значимую роль в процессах миграции этих металлов играют процессы окисления железа и серы водой и растворенным в ней кислородом, а впоследствии и тионовыми бактериями и образующимися ионами трехвалентного железа, являющегося сильным окислителем. В результате этих процессов происходит интенсивное растворение катионообразующих меди и цинка, причем их содержание в шахтных водах и поровых водах «старых» хвостов и отвалов достигает нескольких сотен миллиграмм на литр, т.е. на 3-4 порядка превышает предельно допустимые концентрации.

Очистка шахтных вод и стоков обогатительной фабрики от тяжелых металлов и образовавшихся сульфатов осуществляется на практике сравнительно дешевым реагентным методом, основанным на реакциях гидратации ионов металлов и «связывания» сульфатов кальцием в щелочной среде. Однако при этом, во-первых, порождаются новые, хотя и не миграционноактивные отходы, а во-вторых, главное, не решается задача утилизации хвостов обогащения, являющихся источниками загрязнения вод этими металлами.

Принимая во внимание, что шахтные воды по существу являются кислотными растворами, содержащими, кроме того, двухвалентное железо, которое может быть источником получения сильного окислителя-трисульфата железа, целесообразно решать задачи очистки шахтных вод от тяжелых металлов и загрязнения ими окружающей среды, обусловленной миграционными процессами, в том числе и из хвостохранилищ в едином технологическом эколого-защитном комплексе, используя шахтные воды как выщелачивающие растворы.

В такой постановке задача снижения уровня загрязнений водной среды в районах действия горно-обогатительных предприятий Cu-Zn отрасли не ставилась, соответственно научное обоснование путей ее решения актуально.

В данной работе проблема загрязнения окружающей среды шахтными водами и лежалыми хвостами обогащения рассматривается для условий Урупского ГОКа.

Основная идея диссертации заключается в том, что существенное снижение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами при разработке месторождений колчеданных медно-цинковых руд обеспечивается применением системы, объединяющей электродиффузионные и электросорбционные процессы для очистки шахтных вод с последующим их использованием как выщелачивающих растворов для извлечения меди, цинка и сопутствующих элементов из лежалых хвостов обогащения.

Целью работы является научное обоснование возможности использования безреагентной схемы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения, существенно снижающей загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды.

В соответствии с этим в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ экологической ситуации на Урупском ГОКе.

2. Критический анализ существующих методов очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от растворенных загрязнителей и, в частности, катионов цинка, а также катионов и комплексных анионов меди.

3. Теоретическое обоснование возможности повышения эффективности очистки от тяжелых металлов шахтных вод и лежалых хвостов обогащения (дренажных вод хвостохранилищ) на основе использования комбинированных схем, включающих гидрофизические процессы.

4. Создание технологии электроактивации растворов, приготовленных на основе шахтных вод для увеличения скорости очистки лежалых хвостов обогащения от растворенных форм металлов, загрязняющих окружающую среду, за счет повышения скорости окисления железа и серы.

5. Разработка комплексной эколого-защитной схемы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.

6. Теоретическое и экспериментальное исследование и обоснование возможности использования шахтных вод как исходного продукта для приготовления выщелачивающих медь и цинк кислых растворов, используемых с целью предотвращения миграции их в окружающую среду из хвостохранилищ.

7. Обоснование методики экономической оценки эффективности эколого-защитных мероприятий.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, который включает лабораторные и опытно-промышленные эксперименты, регрессионный анализ, математическое и эколого-экономическое моделирование.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Глубокая очистка шахтных вод от ионов'меди и цинка достигается посредством их электродиффузии через мембранный слой ионообменной смолы и последующей сорбции ионов в основном объеме ионитов. При этом эффективная величина напряжения на электродах лабораторного электродиффузионного аппарата 30 В, толщина мембраны из ионообменной смолы - 2 см, удельная скорость фильтрации - 3,1 л час см2

2. Насыщение подготовленных шахтных вод активным электролитическим кислородом обеспечивается за счет эффекта совместного воздействия кавитации и электролиза воды в специальном электрокавитационном аппарате. Оптимальное содержание кислорода достигается при напряжении на электродах аппарата и расходе шахтной воды соответственно 30 В и 10 м3/час и описывается обратно-пропорциональной зависимостью от указанных переменных.

3. Изменение содержания меди в растворе при выщелачивании лежалых хвостов зависит от времени воздействия и содержания кислорода по закону сложной функции вида ССи =-где К - коэффициент,

1 4" А." Схарактеризующий предельное содержание меди в растворе, зависящий по логарифмическому закону от величины насыщения раствора кислородом, А и В - коэффициенты, характеризующие динамику процесса выхода металла в раствор.

4. Эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения обеспечивает снижение загрязнения окружающей среды и создает возможность компенсации части затрат на очистку за счет прибыли, получаемой от реализации дополнительно извлекаемых ценных металлов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- с целыо предотвращения загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами из хвостохранилищ, обоснована возможность использования шахтных вод как выщелачивающих растворов для извлечения их из лежалых хвостов обогащения;

- теоретически и экспериментально доказана эффективность и установлены параметры очистки шахтных вод, лежалых хвостов от меди и цинка новым комбинированным методом, включающим электродиффузионное концентрирование с последующим сорбционным извлечением;

- обоснован новый комплексный показатель экономической оценки эффективности очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов, позволяющий количественно оценить как затратную часть эколого-защитных мероприятий, так и прибыль, полученную при их реализации за счет извлекаемых из отходов горного производства металлов.

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается значительным объемом экспериментальных исследований, корректным теоретическим обобщением их результатов и фактических технологических данных конкретного предприятия, подтверждением результатов лабораторных и полупромышленных экспериментов.

Практическая значимость работы.

1. Разработана эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов.

2. Разработана конструкция электрокавитатора - аппарата для насыщения шахтных вод активным электролитическим кислородом; экспериментально доказана эффективность работы электродиффузионного аппарата и получены конкретные показатели по извлечению ионов металлов из растворов и снижению загрязнения окружающей среды.

3. Предложены конструкции аппаратов для эффективного концентрирования металлов при очистке шахтных вод и при выщелачивании металлов из лежалых хвостов обогащения.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях МГГРУ (2002-2005 гг.), Урупском горно-обогатительном комбинате (2002-2004 гг.).

Реализация результатов работы.

Результаты исследований направлены на Урупский ГОК для использования при составлении технологического регламента по очистке и шахтных вод и лежалых хвостов обогащения в соответствии с предлагаемой системой.

Настоящая работа используется в учебном процессе при чтении лекций по курсу "Разработка техногенных месторождений полезных ископаемых".

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в восьми печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, включает 21 таблицу, 17 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Есько, Людмила Анатольевна

Основные выводы и рекомендации:

1) шахтные воды, содержащие ионы железа, сульфат-анионы могут быть использованы как выщелачивающие медь и цинк растворы из хвостов обогащения колчеданных руд как в варианте кучного, так и кюветного выщелачивания;

2) эффективность использования шахтных вод в качестве выщелачивающих растворов повышается путем предварительного извлечения из них ионов меди и цинка и насыщения активным кислородом электроактивацией, что увеличивает скорость извлечения металлов из лежалых хвостов за счет повышения скорости окисления железа и серы и, соответственно ускоренного появления вторичного окисляющего агента -трисульфата железа;

3) окончательная очистка шахтных вод после их использования для извлечения тяжелых металлов из лежалых хвостов обогащения обеспечивается путем повышения их рН до 6 и более за счет введения в них мелкодробленного карбоната кальция и/или окиси кальция, что также обеспечит осаждение железа и снижение содержания сульфатов;

4) экономическая эффективность предлагаемой системы очистки должна производиться по суммарной приведенной прибыли от реализации концентратов и металлов, получаемых в процессе очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения, с распределением общих затрат на эколого-защитные мероприятия пропорционально причиняемому этими производствами ущербу окружающей среде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной геоэкологической задачи очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов при разработке месторождений колчеданных медно-цинковых руд, заключающееся в создании единой эколого-защитной системы управляемого извлечения меди и цинка электрогидрофизическими методами.

Решение данной задачи осуществлено на основе:

1) широкого обобщения, анализа и оценки ранее выполненных работ в области очистки промышленных стоков и, в частности, шахтных вод, а также геоэкологической ситуации на Урупеком ГОКе;

2) проведения значительного объема экспериментальных исследований процессов очистки шахтных вод от тяжелых металлов, включающих электродиффузионное концентрирование и последующую ионообменную сорбцию в электрическом поле, а также процессов выщелачивания из лежалых хвостов обогащения металлов шахтными водами, очищенными от значительной доли меди и цинка и предварительно насыщенными электролитическим кислородом;

3) экономической оценки эффективности эколого-защитной системы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.

Новизна решения- научно-технической задачи заключается в получении лично соискателем следующих научных результатов:

1) теоретически и экспериментально обоснована возможность глубокой очистки шахтных вод от ионов тяжелых металлов посредством их электродиффузии и последующей сорбции; найдены оптимальные параметры аппарата;

2) установлены основные параметры насыщения шахтных вод активным электролитическим кислородом в специальном электрокавитационном аппарате;

3) выявлена зависимость изменения содержания меди от времени воздействия и содержания кислорода в растворе кучного выщелачивания лежалых хвостов;

4) обоснована эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения,-снижающая загрязнение окружающей среды.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Есько, Людмила Анатольевна, Москва

1. Абрамсон А.А. Поверхностно-активные вещества. — Л.: Химия, 1981.

2. Агошков М.И. Развитие идей и практики комплексного освоения недр. // Горный журнал №3, 1984.

3. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.

4. Андреева Г.С., Горюшкина С.Я., Небера В.П. Переработка и обогащение полезных ископаемых россыпных месторождений. М.: Недра, 1992.

5. Астахов А.С., Каменецкий Л.Е., Чернегов Ю.А. Экономика горной промышленности. Учебник для вузов. М.: Недра, 1982

6. Астахов А.С., Краснянский Г.Л., Малышев Ю.Н., Янавский Ю.Н. Горная микроэкономика (экономика горного предприятия): Учебник для вузов. М.: Издательство Академии горных наук, 1997.

7. Балыбердина И.Г. Физические методы переработки и использования газа. М.: Недра, 1988.

8. Барабанов В.Ф. Генетическая минералогия. Л.: Наука, 1977.

9. Башкатов А. Д. Экологические проблемы подземных вод и питьевого водоснабжения. М.: Изд-во РАЕН, 2000.

10. Башкатов Д.Н. Справочник по бурению скважин на воду. М.: Недра, 1979.

11. Бгатов В.И. Подходы к экогеологии. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1993.

12. Белоусова А.П. Качество подземных вод. Современный подход к оценке. М.: Наука. 2001.

13. Бергельсон Л.Д. Биологические мембраны. М.: Наука, 1975.

14. Большая советская энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1970, Т. 18.

15. Брюховецкий О.С. Основы гидравлики. М.: Недра, 1991.

16. Брюховецкий О.С., Секисов А.Г., Есько JI.A., Зокиров З.Д. Техногенная миграция . металлов в окружающую среду и эколого-экономические показатели ее оценки. // Геология и разведка. Известия вузов. 2004. - №2. - С. 76-79.

17. Брюховецкий О.С., Секисов А.Г., Старков М.В., Есько JI.A. Эколого-экономическая модель мониторинга металлов при разработке рудных месторождений. // Геология и разведка. Известия вузов. 2002. -№5.

18. Букин В. А., Сарвазян А.П., Харакоз Д.П. Вода вблизи биологических молекул. М.: Химия, 1989.

19. Булах А.Б. Минералогия. М.: Недра, 1989.

20. Бурмистров А.А. Эколого-экономическая оценка месторождений. -М.: МГУ, 2002.

21. Бэтчелор Дж. Броуновская диффузия гидродинамически взаимодействующих частиц. Гидродинамическое воздействие частиц в суспензиях. М.: Мир, 1980.

22. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. — М.: Наука, 1987.

23. Вишняков Я.Д., Георгиевская JI.M. Основы экологии: Учебник / ГУУ. -М., 2003.

24. Воробьев А.Е., Каргинов К.Г., Козырев Е.Н., Ашихмин А.А. Физико-химическая геотехнология золота. Владикавказ: Ремарко, 2001.

25. Гавич И.К., Жемерикина JI.B., Крысенко A.M., Чумаков Д.М. Практикум по гидрогеологии. М.: Недра, 1995.

26. Гейтс Б., Кетцир Дж., Шуйт Г. Химия каталитических процессов. -М.: Мир, 1981.• 28. Геохимия окружающей среды.-М.: Недра, 1990.

27. Герасимов Я.И. и др, Курс физической химии. Т. 1. М.: Химия 1969.

28. Гидрогеохимия рудных месторождений. М.: Недра, 1992.

29. Гирфельдер Дж., Кертис Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: ИЛ, 1961.

30. Горная энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1984 (т. 1).

31. Горная энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1986 (т. 2).

32. Дамаскин В.Б., Петрий О.А. Основы теоретической электрохимии. -М.:ВШ, 1978.

33. Дементьев В.Е., Дружина Г.Я., Гудков С.С. Кучное выщелачивание золота и серебра. М.: Недра, 1998.

34. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. -М.: Наука, 1986.

35. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Свойства и кинетика влаги в пористых телах. Вода в дисперсных системах. М.: Химия, 1989.

36. Джейкок М., Парфит. Дж. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984.

37. Дубинин А.Г., Вишняков В.Г. Методы электрохимического окисления и восстановления для очистки сточных вод. Обзорн. инф.серия: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. М.: НИИТЭХИМ, вып. 1, 1976.

38. Думанский А.В. Гидрофильность коллоидов и связанной воды. // Известия АН СССР. Серия химическая. - 1937.

39. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М.: Химия, 1978.

40. Егоров И.Г., Садовников Ю.Н. и др. Искусственная кавитация. -Л.: Судостроение, 1971.

41. Ершов В.В. Основы горнопромышленной геологии: Учебник для вузов. М.: Недра, 1988.

42. Есько'Л.А. Рациональная схема очистки шахтных вод от ионов тяжелых металлов./ Материалы конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале XXI века», с.274, М.:МГГРУ,2003.

43. Зайцев О.С. Исследовательский практикум по общей химии: Учебное пособие. М.: МГУ, 1994.

44. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. -М.: Химия, 1994.

45. Кнепп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974.

46. Козырев Е.Н. Влияние продуктов выщелачивания на окружающую среду. Горный информационно-аналитический бюллетень № 12. М.: МГГУ, 2000.

47. Козырев Е.Н., Воробьев А.Е. Эффективное освоение рудных месторождений Северного Кавказа в условиях совершения эксплуатации. -Владикавказ: Ремарко, 2001.

48. Колотов Б.А. Лекции по теории газов. — М.: Гостехиздат, 1956.

49. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. М.: Недра, 1992.

50. Кудрявцев Н.Т. Прикладная электрохимия. М.: Химия, 1975.

51. Лаверов Н.П., Трубецкой К.Н. О классификации горных наук. // Торный журнал № 1-2,1996.

52. Ласкорин Б.Н. Гидрометаллургия золота. М.: Недра, 1982.

53. Лебедев К.Б., Казанцев Е.И. Иониты в цветной металлургии. М.: Недра, 1988.

54. Лопатин В.Н. Менеджмент и маркетинг в экологии и природопользовании. М.: НИА - Природа, 2001.

55. Лопаткин А.А. Теоретические основы физической адсорбции. -М.:Изд-во МГУ, 1983.

56. Лукьянчинков Н.Н., Потравный И.М. Экономика и организация природопользования. М.: Тройка, 2000.

57. Мазанко А.Ф., Комарьян Г.М., Ромашин О.П. Промышленно мембранный электролиз. М.: Химия, 1989.

58. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Наука, 1987.

59. Методы охраны подземных вод от загрязнения и истощения. М.: Недра, 1985.

60. Миклашевский Н.В., Королькова С.В. Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры. СПб.: «Издательская группа «Арлит», 2000.

61. Некрасов Б.Б. Учебнйк общей химии. М.: Химия, 1981.

62. Овчинников Л.Н. Образование месторождений. М.: Недра, 1988.

63. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: ИЛ, 1963.

64. Освоение недр и экологические проблемы взгляд в XXI век. - М.: Издательство Академии горных наук, 2001.

65. Охрана окружающей среды при проектировании и эксплуатации рудников. М.: Недра, 1981.

66. Панин В.Ф., Сечин А.И., Федосова В.Д. Экология для инженера. Учебно-справочное пособие. М.: Издательский дом «Ноосфера», 2001.

67. Папичев В.И., Номеров Г.Б. Экологические проблемы развития открытых горных разработок. // Горный журнал№9, 1992.

68. Перельман А.И. Геохимия. М.: Недра, 1980.

69. Перник А.Д. Проблемы кавитации. Л.: Судостроение, 1966.

70. Пилипенко В.В., Задонцев В.А., Натанзон М.С. Кавитационные колебания и динамика гидросистем. М.: Машиностроение, 1977.

71. Пирсол И. Кавитация. М.: Мир, 1975.

72. Плотников Н.И. Подземные воды наше богатство. - М.: Недра, 1976.S

73. Поллинг Л. Общая химия, Пер. с англ./ Под ред. М.Х. Карапетьянца. М.: Мир, 1974.

74. Практикум по электрохимии: Уч. пособие для хим. спец. вузов / Б.Б. Дамаскин и др. Под ред. Б.Б. Дамаскина. М.: Высшая школа, 1991.

75. Прикладная электрохимия: Учебник для вузов /Под ред. докт. техн. наук. проф. А.П. Томилова. 3-е изд-е, перер. - М.: Химия, 1984.

76. Разумов К.А., Перов В.А. Проектирование обогатительных фабрик. -М.: Недра, 1982.

77. Робинсон Р., Стоке Р. Растворы электролитов. М.: ИЛ, 1963.

78. Рудничная геология. М.: Недра, 1986.

79. Саламатин А.Г., Климов С.Л., Зайденварг В.Е., Каплунов Ю.В. Нормативно-методическая база документов по экологии угольной промышленности. Том 7. Эколого-экономические основы. М.: Издательство оперативной полиграфии «Арго 2000»; ЭПТЦ МНИИЭКО ТЭК, 1999.

80. Университет книжный дом», 2005.

81. Секисов Г.В., Ковалев А.А., Киякбаева У.М. Технологические основы минералоподготовки. М.: Наука, 1993.

82. Секисов Г.В., Резник Ю.Н. Минеральная подготовка и технические системы. М.: Издательство «ВЛАДМО», 2000.

83. Сердюк Н.И. Кавитационные способы декольматажа фильтровой области буровых скважин. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004.

84. Смирнов В.И. Геология месторождений полезных ископаемых. -М.: Недра, 1989.

85. Смирнов В.И. Геология полезных ископаемых. — М.: Недра, 1982.

86. Смирнов Д.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов. М.: Металлургия, 1980.

87. Стадницкий Г.В. и др. Экология. М.: Недра, 1978.

88. Старостин В.И., Игнатов П.А., Геология полезных ископаемых: Учебник для высшей школы. М.: Академический Проект, 2004.

89. Строительство и . эксплуатация рудников подземного выщелачивания.-М.: Недра, 1987.

90. Структура и коррозия металлов и сплавов. Атлас. Справочник. -М.: Металлургия, 1989.

91. Тедеев М.Н., Коробанов Е.Е. Оценка пригодности месторождений золота для кучного выщелачивания. // Горный журнал. 1996. - № 2.

92. Технология гравитационного обогащения. — М.: Недра, 1990.

93. Тимашев С.Ф. Физикохимия мембранных процессов. М.: Химия, 1976.

94. Тимашев С.Ф. Физико-химия мембранных процессов. М.: Химия, 1988.

95. Траскин В.Ю., Перцев Н.В., Коган Б.С. Влияние воды на механические свойства и дисперсную структуру горных пород. Вода в дисперсных системах. М.: Химия, 1989.

96. Физическая химия озона. -М.: МГУ, 1998.

97. ЮКФиошин М.Я., Смирнова М.Г. Электрохимические системы в синтезе химических продуктов. М.: Химия, 1985.

98. Фоменко Т.Г., Бутовецкий B.C., Погарцева Е.М. Водно-шламовое хозяйство углеобогатительных фабрик. М.: Недра, 1974.

99. ЮЗ.Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: Учебное пособие для вузов. -М.: МГУ, 1996.

100. Химия почв. М.: МГУ, 1992.

101. Чаплыгин Н.Н. Проблемы экологизации освоения недр и новые подходы к ее обоснованию. // Горный журнал № 4, 1996.

102. Чернова Н.М. Экология. М.: Просвящение, 1988.

103. Чугаев Л.В. Металлургия благородных металлов. М.: Металлургия, 1987.

104. Шестаков В.А. Проектирование рудников. М.: МГГУ, 1993.

105. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев, 1989.

106. Эмсли Дж. Элементы. М.: Мир, 1993.

107. П.Якименко Л.М., Модылевская Д. В. Электролиз воды. М.: Химия, 1970.

108. Яковлев С.В., Краснобородько И.Т., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды. Л.: Стройиздат, 1987.