Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение экологической безопасности при разработке золотоносных месторождений на основе эффективной очистки загрязненных вод геосинтетическими материалами

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Повышение экологической безопасности при разработке золотоносных месторождений на основе эффективной очистки загрязненных вод геосинтетическими материалами"

На правах рукописи

Свалова Кристина Витальевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЗОЛОТОНОСНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОД ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность 25.00.36 — Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 ДЕК 2014

Чита - 2014

005556796

005556796

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет»

Научный руководитель Герасимов Виктор Михайлович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Чикин Андрей Юрьевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет

Насоловец Наталья Борисовна,

кандидат технических наук, начальник отдела охраны окружающей среды Забайкальский филиал «ТОМС-инжиниринг» в г. Чита

Ведущая организация Государственное бюджетное учреждение

«Забайкальский краевой экологический центр»

Защита диссертации состоится «12» февраля 2015 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.07 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» - http://istu.edu/.

Отзывы на автореферат отправлять по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, И-122, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.07, электронная почта: <1з07@ istu.edu.

Автореферат разослан «12» декабря 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, / /

д.т.н., профессор ^рг В.А. Домрачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Любое горнодобывающее предприятие является мощным источником негативного воздействия на окружающую среду. В связи с этим создание экологической безопасности разработок месторождений полезных ископаемых всегда имело глобальное значение, а в условиях ежегодного прироста объема добычи становится все острее. При разработках золотоносных месторождений большому загрязнению подвержена гидросфера. Технология отработки россыпных месторождений золота характеризуется большим водопотреблением и образованием значительного объема загрязненных вод, содержащих взвешенные частицы. При рудной добыче золота в технологических водах дополнительно могут содержаться частицы попутно добываемых цветных тяжелых металлов: меди, цинка, свинца. Традиционно для осветления загрязненных вод золотоносных месторождений используют методы гравитационной и физико-химической очистки. Использование методов физико-химической очистки связано с расходом дорогостоящих реагентов, формированием вторичного загрязнения сбрасываемых вод и образованием большого количества неутилизируемых осадков. Очищенные в отстойниках под действием гравитации воды зачастую не отвечают современным высоким требованиям к качеству очищенных сточных вод, и при прямоточной системе водоснабжения сбрасываются в водные объекты, нанося экологический ущерб. При применении систем оборотного водоснабжения, предусматривающих многократное использование технологической воды, резко ухудшается ее качество, что приводит к снижению извлекаемое™ золота. В связи с этим, актуальным вопросом в решении проблемы снижения загрязнения водных объектов от деятельности горнодобывающих предприятий, является разработка рациональных, эколого-безопасных решений, обеспечивающих повышение степени очистки воды. Одним из наиболее перспективных решений является повышение эффективности очистки загрязненных вод фильтрованием через геосинтетические нетканые материалы (ГНМ). Фильтрование является эколого-безопасным методом очистки и может обеспечить почти полное осветление загрязненных вод от твердых взвешенных частиц. Благодаря технологичности, долговечности и экономичности геосинтетические полотна уже получили распространение в земляном и дорожном строительстве, транспорте, энергетике, химической промышленности. Однако применению геосинтетических нетканых материалов в процессах до-очистки загрязненных вод в горном деле препятствует отсутствие научно-методических и технических обоснований использования данных полотен с оптимальными характеристиками. Поэтому данная работа является актуальной.

Степень научной разработанности. Изучению вопросов экологии горного производства, водоснабжения горнодобывающих предприятий, очистки загряз-

ненных вод золотоносных месторождений посвящено большое количество работ таких ученых как A.A. Матвеев, С.М. Шорохов, Г.А. Нурок, И.М. Ялтанец, A.B. Рашкин, В.П. Мязин, В.В. Назаров, В.Е. Кисляков, С.С.Тимофеева, Б.Л. Тальга-мер, Е.В. Зелинская, В.А. Домрачева, А.Ю. Чикин, В.Ф. Петров, A.B. Богданов, Ю.М Овешников, Ю.В. Субботин, В.М. Герасимов. В этом направлении работают научные школы ИПКОН РАН, МГГУ, НИИОГР, НИИрГТУ, ЗабГУ и др. Исследованием свойств геосинтетических материалов занимается несколько организационных структур, среди которых Международная организация по геосинтетике, научные коллективы ТюмИСИ, СПбГАСУ, НИИНМ, Союздорпрект, МГСУ, ФГУП Союздорнии, ГП Росдорнии. Несмотря на изученность, недостаточно внимания уделено разработке области применения геосинтетических материалов в процессах разделения суспензий в горном деле. Открытыми остаются вопросы характера распределения твердых частиц в ГНМ, задерживающей способности твердой фазы, динамических зависимостей процесса фильтрования, раскрытие которых способствует совершенствованию механического способа очистки загрязненных вод, повышая при этом экологическую безопасность при ведении горных работ.

Цель работы. Повысить экологическую безопасность разработки золотоносных месторождений на основе эффективной очистки загрязненных вод геосинтетическими материалами.

Идея работы заключается в эффективной очистке загрязненных вод фильтрованием с использованием комбинированных систем геосинтетических материалов.

Задачи исследования:

1. Анализ негативного воздействия горного производства при разработке золотоносных месторождений на поверхностные воды, а также методов по его снижению.

2. Экспериментальные исследования механизма воздействия структурных параметров ГНМ на характер отложения взвешенных частиц и задерживающую способность твердой фазы загрязненных вод в процессе фильтрования через геосинтетические нетканые материалы.

3. Разработка методических основ расчета динамических характеристик кассетных фильтровальных перегородок, выполненных из геосинтетических сред с целью установления закономерностей их изменения и принципов размещения геосинтетических материалов в фильтровальных устройствах.

4. Разработка полезной модели фильтра для очистки загрязненных вод на основе применения комбинированных систем из геосинтетических материалов.

5. Оценка эколого-экономической эффективности применения кассетных фильтров новой конструкции при разработке золотоносных месторождений.

Научная новизна:

1. Выявлены определяющие структурные параметры, влияющие на характер отложения твердых частиц в геосинтетических нетканых материалах: у иглопробивных - объемная плотность, у термоскрепленных - поверхностная плотность, у синтетической фильтровальной ткани - размер пор, доказано их определяющее значение на закономерности фильтрования.

2. Установлены экспериментальные зависимости коэффициентов задерживающей способности и скорости фильтрации от структурных параметров геосинтетических полотен, получены регрессионные модели, описывающие зависимость эффективности фильтрования от параметров процесса, позволяющие конструировать кассетные перегородки на основе комбинированных систем материалов.

3. Впервые доказана перспективность использования кассетных комбинированных систем из геосинтетических нетканых материалов для эффективной очистки загрязненных вод на основе разработанной методики расчета динамических характеристик процесса фильтрования, которая учитывает характер осаждения твердых частиц, задерживающую способность, структурные параметры гетерогенных сред.

Теоретическая н практическая значимость работы. Разработана новая экспериментальная методика расчета динамических характеристик процесса фильтрования через геосинтетические нетканые материалы по теории цилиндрических капилляров. Разработана конструкция фильтровального устройства кассетного типа, позволяющего эффективно осуществлять механическую очистку загрязненных вод горных предприятий от тонких взвесей. Практическая значимость и приоритет нового технического решения подтверждены патентом РФ на полезную модель № 143084. Основные результаты работы приняты к внедрению на ООО «Артель старателей «Бальджа», ОАО «Ново-Широкинский рудник», что подтверждается актами проведения испытаний и актами внедрения. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет» для направления подготовки «Горное дело», при изучении дисциплин «Горнопромышленная экология».

Методология и методы исследования. Осуществлено аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены лабораторные исследования и промышленные испытания, в том числе микроскопический, дисперсионный, химический и гравиметрический анализы; математическое моделирование. При обработке полученных результатов

использованы методы математической статистики и программные пакеты Microsoft Office-Excel, Graph Editor.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структурные параметры геосинтетических нетканых материалов (поверхностная и объемная плотности, размер пор) влияют на характер отложения твердых частиц в геосинтетических полотнах и определяют закономерности разделения твердой и жидкой фаз.

2. Эффективность очистки загрязненных вод достигается оптимизацией процесса на основе установленных зависимостей коэффициентов задерживающей способности и скорости фильтрации от структурных параметров материалов, причем максимальная эффективность достигается при комбинировании геосинтетических полотен.

3. Повышение экологической безопасности горно-перерабатывающих предприятий достигается управлением размещения геосинтетических материалов в фильтрах на основе разработанной методики расчета динамических характеристик процесса фильтрования при глубинном и поверхностном осаждении твердых частиц по теории цилиндрических капилляров.

Степень достоверности подтверждена достаточной сходимостью результатов экспериментальных исследований с натурными наблюдениями (в пределах 85-95 %), применением современной обработки статистической информации экспериментальных данных, проверкой результатов расчета по уравнениям регрессии согласно критерия Фишера с 95 % доверительной вероятностью.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на XII, XIII Международных НПК «Кулагинские чтения» (Чита, 2012, 2013 г.), XX, XXI НПК аспирантов ЗабГУ (Чита, 2013, 2014 г.), Международной НПК «Актуальные проблемы экологии и природопользования», (Москва, 2013 г.), VII Школе-семинаре молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона (г.Улан-Удэ, 2013 г.), II Всероссийской молодежной научной конференции "Эко-логобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы" (Улан-Удэ, 2014 г.), на интернациональном симпозиуме «Экологические, технологические иправо-вые аспектыприродопользования» (Германия, Ганновер, 2013 г.).

Личный вклад автора заключается в разработке идеи, постановки цели и задач исследований, выполнении всего объема экспериментальных исследований и промышленных испытаний, анализе и обобщении полученных результатов, разработке нового технического решения для очистки загрязненных вод, формулировании выводов, при составлении материалов публикаций и докладов.

Публикации: по материалам исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 133 наименований и приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 36 рисунков, 9 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформирована цель и задачи исследований, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, степень достоверности и апробация результатов работы.

Первая глава диссертации содержит обзор литературных источников о состоянии исследований в области экологической безопасности при разработке золотоносных месторождений, рассмотрено воздействие горного производства на поверхностные воды, методы снижения загрязнения. Дан анализ и произведено сравнение существующих фильтрующих материалов разных типов: нетканых, насыпных, мембранных, тканых, волокнистых и др., в результате чего выявлена наиболее эффективная группа фильтровальных полотен - геосинтетические нетканые материалы (ГНМ).

Во второй главе приведена комплексная оценка свойств ГНМ. Исследована структура материалов с помощью микроскопического анализа, представлен дисперсионный анализ глинистых фракций; установлен характер отложения твердой фазы в геосинтетических материалах; выявлены наиболее эффективные комбинированные системы геосинтетических сред для разделения минеральных суспензий на твердую и жидкую фазы.

В третьей главе представлены научно-методические основы расчета динамических характеристик процесса фильтрования при глубинном и поверхностном осаждении твердых частиц, на основании которых разработана новая экспериментальная методика расчета динамических характеристик применительно к кассетным комбинированным системам геосинтетических материалов. На основании экспериментальных исследований и расчетных данных разработаны принципы размещения геосинтетических полотен в фильтровальных устройствах.

В четвертой главе представлены технологические основы очистки загрязненных вод на основе применения кассетных фильтров, содержащих в качестве фильтровальных перегородок - комбинированные системы ГНМ; приведены результаты промышленных испытаний фильтровальных устройств; дана оценка эколого-экономической эффективности применения кассетных фильтров новой конструкции при разработке золотоносных месторождений.

Первое защищаемое научное положение: Структурные параметры геосинтетических нетканых материалов (поверхностная и объемная плотность, размер пор) влияют на характер отложения твердых частиц в геосинтетических полотнах и определяют закономерности разделения твердой и жидкой фаз.

Анализ свойств геосинтетических материалов и обзор литературы по их исследованию показал отсутствие научно-методических и технических обоснований использования данных полотен с оптимальными характеристиками для эффективного разделения минеральных суспензий. Наличие таких показателей позволит установить характер отложения твердых частиц в материалах, управлять их размещением в фильтрах. Объектом исследования являются геосинтетические нетканые материалы; представлены тремя группами полотен, которые в настоящее время получили массовое распространение: иглопробивные материалы - волокнистые среды из волокон полиэфира, скрепленные посредством иглопрокалыва-ния; термоскрепленные материалы - имеющие упрочненный поверхностный слой, полученный скреплением волокон полиэстера и синтетическая фильтровальная ткань из волокон полипропилена. Все исследуемые материалы обладают высокой прочностью, технологичностью, долговечностью, водостойкостью, при длительном воздействии влаги не расслаиваются и не теряют своих свойств, поэтому могут применяться в качестве фильтровальных перегородок. Согласно нормативным данным к структурным параметрам геосинтетических нетканых материалов относятся размеры полотен, размеры пор, линейная, поверхностная и объемная плотности. Оценка структуры материалов под микроскопом БМИ-1 при разных увеличениях (10х, 20х, 30х) позволяет выявить определяющий структурный параметр для каждого вида геосинтетиков. Микроскопические исследования показывают, что иглопробивной материал состоит из нескольких микрослоев внутреннего порового пространства идентичной структуры (от 2 до 6), имеет поры разных размеров и конфигурации в виде 4х, 5х, 6х - угольников; такой параметр, как объемная плотность в наибольшей степени отражает структуру полотна, так как она учитывает размеры, толщину, пористость, водопроницаемость, прочностные показатели материала. Особенностью структуры термоскрепленных полотен является упрочнение методом оплавления поверхностных волокон, материал имеет меньшую толщину, внутреннее поровое пространство не подразделяется на слои, поэтому в качестве определяющего параметра целесообразно использовать поверхностную плотность, так как она дополнительно учитывает характеристики данного вида материала. Фильтровальная ткань имеет очень малую толщину 1...3 мм, но характерную повторяющуюся текстуру, в материале отсутствует внутреннее поровое пространство, прослеживается наличие сквозных пор одинакового

размера; к определяющему параметру, в наибольшей степени характеризующего структуру материала, следует отнести размер пор.

Объемная плотность иглопробивных ГНМ р, кг/м3 и поверхностная плотность термоскрепленных полотен т5, г/м2находится по формулам:

т т

V = -/ ПТ-с = -,

г ЬхВхк Б £хВ

где: т - масса образца, г; Ь,В,к — длина, ширина, толщина образца, м.

После расчета объемной и поверхностной плотности, определения размера пор, выявлено, что исследуемые иглопробивные полотна артикулов И-100...И-1000 имеют объемную плотность 20...200 кг/м3, термоскрепленные полотна артикулов Т-70...Т-500 поверхностную плотность 70...500 г/м2, фильтровальная ткань артикулов РЬ-30...РЬ-100, ТХ-30...ТХ-70 имеет размер пор 4,8...6,2 ±0,05 мкм. Средние значения размеров пор (Рп, мкм) определены методом микроскопии (БМИ-1, 30х увеличение) на основе статистических исследований: измерялось по тридцать пор в разных слоях и сечениях в каждом образце ГНМ (Таблица 1).

Таблица 1 — Результаты исследований размеров пор в геосинтетиках

№ п/п Наименование материалов

Иглопробивной нетканый Нетканый с термоскреплением Фильтровальная ткань

Артикул Размер пор, мкм Артикул Размер пор, мкм Артикул Размер пор, мкм

Полипропилен

1 И-100 248±0,5 Т-70 50±0,5 PL-30 6,0±0,05

2 И-200 225±0,5 Т-100 45±0,5 PL-35 5,8±0,05

3 И-300 202±0,5 Т-120 43±0,5 PL-50 5,4±0,05

4 И-400 172±0,5 Т-150 40±0,5 PL-70 5,0±0,05

5 И-500 150±0,5 Т-200 34±0,5 PL-100 4,8±0,05

6 И-600 123±0,5 Т-250 30±0,5 Вискоза -

7 И-700 97±0,5 Т-300 25±0,5 ТХ-30 6,2±0,05

8 И-800 75±0,5 Т-350 19±0,5 ТХ-35 5,9±0,05

9 И-900 50±0,5 Т-400 15±0,5 ТХ-50 5,5±0,05

10 И-1000 23±0,5 Т-500 8±0,5 ТХ-70 5,2±0,05

Предметом исследования являются процессы фильтрования загрязненных вод через геосинтетические среды. Основную массу загрязнений в технологических водах золотодобывающих предприятий составляют взвешенные глинистые частицы. Установлено, что частицы крупностью меньше 74 мкм трудно оседают под действием сил гравитации, повышают вязкость технологических вод, поэтому целью доочистки загрязненных вод фильтрованием является задержка в ГНМ частиц малых размеров. Экспериментальные исследования проводились методом моделирования. Для максимального приближения модельных загрязненных вод к реальным, в качестве основного загрязнителя была выбрана глинистая фракция -

0,074 мм. Средние значения дисперсионного анализа глин представлены в Таблице 2.

Таблица 2 -Дисперсионный анализ глин класса -0,074 мм, %

Фракции частиц, мм +0,04 -0,04+0,02 -0,02+0,01 -0,01

Содержание в процентах, % 30,9 28,6 22,2 18,3

Исследование размеров пор материала и размеров глинистых фракций позволило подтвердить целесообразность использования геосинтетических материалов для разделения минеральных суспензий. Для определения материалов с оптимальными характеристиками следует установить закономерности отложения твердой фазы в материалах. Учитывая структурные параметры полотен, размеры фракций глинистых частиц установлены следующие закономерности фильтрования: в иглопробивных полотнах ввиду наличия пор разных размеров и нескольких микрослоёв, частицы полностью или постепенно закупоривают поры, после коль-

матации материала образуется осадок; в термоскрепленных полотнах ввиду наличия упрочненного поверхностного слоя наблюдается промежуточный вид фильтрования, когда частицы одновременно откладываются и на поверхности материала, и проникают в поры; в фильтровальной ткани, ввиду отсутствия порового пространства, происходит отложение твердой фазы только на поверхности материала (Рисунок 1). Таким образом, выявленные структурные параметры влияют на характер отложения твердых частиц в ГНМ и определяют закономерности разделения твердой и жидкой фаз.

Второе защищаемое научное положение: Эффективность очистки загрязненных вод достигается оптимизацией процесса на основе установленных зависимостей коэффициентов задерживающей способности и скорости фильтрации от структурных параметров материалов, причем максимальная эффективность достигается при комбинировании геосинтетических полотен. Фильтровальная перегородка, которая позволяет эффективно очищать загрязненные воды, должна соответствовать оптимальному совмещению двух основных качеств: высокой задерживающей способности к загрязняющим веществам, и достаточной пропускной способности жидкости. С целью определения коэффициентов задерживающей способности и скорости фильтрации сконструи-

Закономерности : фильтрования

ослд« а

Размер члсгмц > размер пор

Фильгро1мни<; с мкулориианисм п Размер частмц < размер пор

иотйиМЮШ HJ

филы роба пеной перг городки, не проминая в пору

п pof.'.e жу1 оч н о f о

филырош

Рпсчнок J - Закономерности фильтрования в геосннтцтнчсскнх

|ых материалах

рована лабораторная установка (Рисунок 2). В ходе проведения исследований каждая проба с загрязненными модельными водами подавалась на поверхность фильтровальной перегородки. Очищенная вода подвергалась гравиметрическому анализу для определения концентрации загрязняющих веществ в пробах фильтрата (Таблица 3). Коэффициент задерживающей способности (Кз), коэффициент скорости фильтрации (Кф), м/с определяются по следующим зависимостям:

К, =

к*

1 - цилиндр;

2 - фильтровальный материал;

3 - емкость для фильтрования;

4 - вспомогательная решетка.

Рисунок 2- Схема лабораторной установки

жидкости, м3; t - время фильтрования, с.

ДГг * " Ч"

где: N2 - концентрация твердых частиц в пробах жидкости соответственно до и после фильтрования, г/л; Ь - длина образца материала, м; Р - площадь поперечного сечения образца, м"; йР -перепад давлений, м; V - объем

Наименование материалов

иглопробивной нетканый нетканый с термоскреплением фильтр овальн яя тка (Ь

Артикул А кг/м3 Кз Кф, •ш3 м/с Артикул т„ г/м2 Кз Кф, ■1СГ3 м/с Артикул Рп, мкм Кз Кф, •кг3 м/с

Материал в искоза

И-100 20 0,34 1,20 Т-70 70 0,43 1,08 тх-зо 6,2 0,47 1,05

И-200 40 0,41 1,18 Т-100 100 0,46 1,06 ТХ-35 5,9 0,64 0,97

И-300 60 0,46 1,15 Т-120 120 0,49 1,04 ТХ-50 5,5 0,65 0,90

И-400 80 0,49 1,10 Т-150 150 0,53 1,01 ТХ-70 5,2 0,75 0,83

И-500 100 0,57 0,97 Т-200 200 0,62 0,99 Матер /ал пол тропил ей

И-600 120 0,66 0,94 Т-250 250 0,66 0,95 РЬ-30 6,0 0,5 1,01

И-700 140 0,71 0,90 Т-300 300 0,74 0,91 РЬ-35 5,8 0,63 0,94

И-8 00 150 0,77 0,86 Т-350 350 0,77 0,88 РЬ-50 5,4 0,68 0,87

И-900 180 0,86 0,82 Т-400 400 0,79 0,84 РЬ-70 5,0 0,76 0,80

И-1000 200 0,91 0,76 Т-500 500 0,84 0,86 РЬ-100 4,8 0,81 0,74

Выявлено влияние определяющих структурных параметров на задерживающую способность материала: зафиксировано уменьшение концентрации загрязняющих частиц в пробах жидкости после фильтрования по мере увеличения объемной и поверхностной плотности иглопробивных и термоскрепленных ГНМ соответственно, и по мере уменьшения размера пор фильтровальной ткани.

в 0.3 «

3

í °-6 s

?0,4

20 40 60 80 100 120 КО 150 180 203 Объемная плотность, кг/м3

М __ у.-оо««..,*» По Результатам исследо-

■и —-- я'»сдав "*"Кз ваний установлены закономер-

ности значений коэффициентов задерживающей способности и скорости фильтрации от определяющих структурных параметров, на основании которых выделены оптимальные зоны характеристик материалов, по-

Рисунок 3 - Зависимости коэффициентов скорости фильтрации ЗВОЛЯЮЩИе Создавать КОмбиНН-(Кф) и задерживающей способности (К,) от объемной рованные системы ИОЛОТен ДЛЯ

плотности иглопробивных материалов эффективного ОСВеТЛеНИЯ За-

грязненных вод (Рисунок 3-5). Анализ зависимостей коэффициентов задерживающей способности (Кз) и скорости фильтрации (Кф) от структурных параметров ГНМ (р, т5 Рп) показывают, что наиболее оптимальными материалами являются иглопробивные ГНМ с Рисунок 4-Завис1шости коэффициентов Кф. К, сгт поверхностной объемной ПЛОТНОСТЬЮ 150-200

кг/м3, термоскрепленные ГНМ с поверхностной плотностью 350450 г/м2, синтетическая фильтровальная ткань с размером пор 4,8-5,2 мкм. На основании обработки экспериментальных данных получены математические модели (Рисунок 3-5), описывающие зависимость эффективности фильтрования от параметров процесса, позволяющие управлять способом очистки загрязненных вод. Регрессионные модели подвергались проверкам статистической значимости коэффициентов и общего качества уравнения регрессии. Все проверки модели прошли успешно. Каждый параметр значим.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили способность ГНМ задерживать твердые частицы, однако наибольший коэффициент задержи-

50 100 150 200 250 300 350 400 4S0 500 Поверхностная плотность материала, г/м2

плотности термоскрепленных материалов

у = 0,2119х -0,2714 R1 - 0,9907

V = 0.2967* * 2,31544; R' = 0,5337

4.5 4,7 4,9 5.1 5.3 5.5 5,7 5,9 6,1 6,3 6,5 Размер пор, мкм

Рисунок 5-Завнсимостн коэффициентов Кф. К, от размера пор фильтровальных тканей

вающей способности материалов из выявленной оптимальной зоны составляет 0,86. Далее была исследована задерживающая способность комбинированных систем геосинтетических материалов. Подвергались испытаниям различные сочетания ГНМ: иглопробивных, термоскрепленных полотен, синтетических тканей. Результаты испытаний показывают, что наиболее эффективным является сочетание четырех материалов: двух иглопробивных полотен артикулов И-900, И-800 с тер-москрепленным материалом Т-400 и фильтровальной тканью PL-70. Коэффициент задерживающей способности равен 0,987. Таким образом, создание кассетных комбинированных систем из ГНМ способствует эффективному осветлению загрязненных вод.

Третье защищаемое научное положение: Повышение экологической безопасности горно-нерерабатывающих предприятий достигается управлением размещения геосинтетических материалов в фильтрах на основе разработанной методики расчета динамических характеристик процесса фильтрования при глубинном и поверхностном осаждении твердых частиц по теории цилиндрических капилляров.

Известны работы В.А. Жужикова, Р.Коллинза, Г.Ф. Требина, В.М. Ентова, В.М. Герасимова, в которых отражены основы расчета динамических характеристик (скорости и времени фильтрования, объема фильтрата) процесса фильтрования, основанные на теории цилиндрических капилляров Гагена-Пуазейля. Однако, данные теории не учитывают применение ГНМ в кассетных фильтрах, структурные характеристики полотен, задерживающую способность и характер отложения твердых частиц в них. Учитывая приведенные выше параметры, предложены научно-методические основы расчета динамических характеристик процесса фильтрования через геосинтетические нетканые материалы (Таблица 4).

Таблица 4 -Определение динамических характеристик в ГНМ

Характер фильтрования Динамические характеристики

скорость фильтрования время фильтрования объем фильтрата

С полным закупориванием пор "ни - Як ■ № - Nз) Q~ К1 ж ■ АР ■ г„2(П„ • F - r„2(w0 - «з])

С постепенным закупориванием пор ЛР ■ гн2 • П0 ■ /*" "~ 8Ц!0 ■ (1 - O.SKjCO2 8n-!„-<2i Т ЛР ■ П0 • F ■ Пт ■ г„2 '■«•■"•И®

Промежуточное фичьтрование инач 1 е*''в» -1 инэч К3 V 1

С образованием осадка йР ц(*0 ■ г0 ■ <?2 + Яф) Т ~ 2ДР / /?ф ч2 + 2ЛР-т2 Яф ^ о'Г° И" ' >"0 *о'П>

^нач — начальная скорость, для фильтрования с закупориванием пор: инач =

71-4РТн2-П0-Г ЛРГ„2П0Е ..

-, для промежуточного вида: инач = — ; ЛГ0- количество пор мате-

8Ио '■■ * ' " 8ц!0

П -К

риале: И0 = - объем фильтрата, проходящего через один капилляр в 1 сек,

пйР-г£ „

определится из уравнения: цк = ———; К - постоянная, характеризующая интенсивность уменьшения скорости фильтрования по мере увеличения объема филь-

трата: Кх — цк ■ п; К2 =

2 *0 И . п0-г0-р'

К3 = 2(ьтч?/2

Кф - коэффициент фильтрации: Кф = ^ ; Яф - сопротивление фильтровальной лр

перегородки: /?ф =

ци3

V,

V, =

¿)Ргк2Пт-Р

8ц-1,

'о

гк - конечный размер пор: гк =

скорость фильтрования после заполнения пор:

/Л'о-л:

осадка к объему фильтрата: х0 = К3 ■ Кп; г0

кт

йс2р-пГ

хо ' го ~ отношение объема 'ср - средний диаметр частиц

поверхностного твердого осадка, мкм; п - число взвешенных частиц в 1 м фильтрата; Из - количество закупоренных пор; г„- начальный радиус капилляра, м; АР - разность давлений, Н/м2; 10 - длина капилляра, м; ц - вязкость фильтрата,Нс/м2; ^ — площадь перегородки, м2; Па — пористость материала; Пт - пористость осадка; Н — высота водяного столба, м.

Для реализации разработанной методики произведен расчет динамических характеристик на примере комбинированной системы ГНМ И-800+И-900+Т-400+РЬ-70 (Таблица 5).

Таблт^а 5 — Результаты расчета динамических характеристик фильтровальных перегородок из ГНМ

Фильтровальный Объем филь- Скорость филь- Время фильтро- Коэффициент

материал трата О, м3 трования V, м/с вания т ,с задерживающей

способности К3

И-800 1,017 45- 10~5 97881 0,77

И-900 1,00285 27,5-10"5 117207 0,79

Т-400 1,0014 9,6- 10"5 164001 0,81

РЬ-70 1,00 4,5- 10"5 220409 0,86

Полученные результаты свидетельствуют, что при прохождении суспензии от одной перегородки к другой, скорость фильтрования падает при одновременном возрастании задерживающей способности и времени фильтрования. Однако для обеспечения наиболее эффективной работы перегородок из ГНМ, время фильтрования должно быть одинаковым для всех материалов, следовательно, площадь фильтровальных перегородок из ГНМ должна быть разной (Таблица 6).

Taönuifa б - Результаты расчета площадей фильтровальных перегородок

Фильтровальная перегородка Формулы для расчета Площадь фильтра, м2

И-800 97881 с 0,00636

И-900 8ц ¿„ -<3, 0,0087873

11 ДР • П0 ■ F ■ Пт ■ rH2 2АР

Т-400 1 „2 , 16i0 Л 8ц - („ екзвз _ J И(*о4о'<?2+r}-n°-F) 0,0163132

1 ар ■ П0 ■ F ■ Тц К3 ' 2ДР

PL-70 „(xo r0-Qi + r,.n° Тз 2 АР 0,0248719

Иглопрпбийнпй ГНМ марки И-800

N Фипыг.раЬалыш ткань марки PL-70

Методические основы расчета динамических характеристик фильтровальных перегородок из ГНМ позволяют разработать оптимальную

конструкцию фильтровального устройства для реальных условий применения в масштабе 1:10 (Рисунок 4). Для эффективного разделения твердой и жидкой фаз нетканые материалы в кассетах фильтра следует располагать по нарастанию задерживающей способности и уменьшению размеров пор геосинтетических полотен. Натурные испытания очистки промышленных стоков из отстойников гидромеханизированного участка месторождений золота

Рисунок 4 - Оптимальная конструкция фильтра кассетного типа

«Артель старателей «Бальджа» и при добыче рудного золота на ОАО «Ново-Широкинский рудник» подтвердили аналитические зависимости и высокую задерживающую способность кассетных фильтров на основе комбинированных систем ГНМ. Содержание взвешенных веществ снижается до норм ПДК, тем самым предохраняя поверхностные воды от загрязнения, улучшая при этом экологическую безопасность при ведении горных работ.

На основании проведенных исследований предложено техническое решение - устройство для очистки загрязненных вод на основе применения кассетных фильтров, содержащих в качестве фильтровальных перегородок - ГНМ (патент № 143084 РФ). Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемых решений составляет 2409 тыс. руб. в ценах 2014 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена важная задача по повышению экологической безопасности разработки золотоносных месторождений на основе эффективной очистки загрязненных вод фильтрами с использованием комбинированных систем геосинтетических нетканых материалов. Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Произведена комплексная оценка структуры геосинтетических нетканых материалов (ГНМ), на основании которой выявлены определяющие структурные параметры (объемная и поверхностная плотности, размер пор), влияющие на характер отложения твердых частиц в геосинтетических полотнах, доказано их определяющее значение на закономерности фильтрования.

2. Выявлены эффективные материалы с оптимальными характеристиками, позволяющие сформировать и выбрать тип геосинтетических полотен, удовлетворяющих условиям эффективного разделения суспензий. Наиболее оптимальными материалами являются иглопробивные ГНМ с объемной плотностью 150-200 кг/м , термоскрепленные ГНМ с поверхностной плотностью 350-450 г/м2, фильтровальная ткань с размером пор (4,8-5,2) ±0,05 мкм.

3. Установлены экспериментальные зависимости коэффициентов задерживающей способности и скорости фильтрации от структурных параметров ГНМ, позволяющие конструировать кассетные перегородки на основе комбинированных систем материалов и эффективно осветлять минеральные суспензии от твердых взвесей.

4. Изучены закономерности процесса фильтрования в геосинтетических нетканых материалах. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм воздействия структурных параметров на характер отложения взвешенных частиц в фильтровальных перегородках из ГНМ.

5. Доказана перспективность использования комбинированных систем геосинтетических материалов для очистки загрязненных вод на основе высоких показателей задерживающей способности твердой фазы до 98,7 %.

6. Разработана новая экспериментальная методика расчета динамических характеристик процесса фильтрования (скорости и времени фильтрования, объема фильтрата) применительно к кассетным комбинированным системам из геосинтетических нетканых материалов.

7. Предложена оптимальная конструкция фильтровального устройства, разработаны принципы размещения геосинтетических материалов в кассетах фильтра на основе комбинированных систем ГНМ и увеличения площадей фильтровальных перегородок.

8. Разработано устройство для очистки загрязненных вод на основе фильтров кассетного типа, защищенное патентом на полезную модель.

9. Результаты работы приняты к внедрению в проектных решениях и ведении добычных работ россыпных месторождений золота на ООО «Артель старателей «Бальджа», ОАО «Ново-Широкинский рудник» с ожидаемым экономическим эффектом 2409 тыс. руб. в ценах 2014 года, рекомендованы другим горнодобывающим предприятиям для повышения экологической безопасности разработки месторождений полезных ископаемых.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

Статьи, из перечня ВАК Минобрнауки РФ:

1. Свалова, К. В. Методика формирования фильтра оптимальной конструкции для повышения качества оборотных вод при разработке месторождений полезных ископаемых / В.М. Герасимов, К.В. Свалова // Вестник Забайкальского Государственного Университета, Чита - 2014. - № 5. С. 45-54.

2. Свалова, К. В. Экспресс - метод оценки эффективности очистки промышленных стоков при разработке россыпных месторождений / К.В. Свалова // Научный журнал БрГУ «Системы, методы, технологии», Братск- 2014. -№ 1 (21). -С. 111-114.

3. Свалова, К. В. Экспериментальные исследования задерживающей способности твердой фазы при механической очистке сточных вод фильтрованием с применением волокнистых полимерных материалов / К.В. Свалова // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. -№ 6. - С. 391-396.

4. Свалова, К. В. Эффективность очистки промышленных стоков горных предприятий на фильтровальных устройствах с использованием волокнистых материалов / К.В. Свалова // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013.-№ 10.-С. 395-399.

Патентные документы:

5. Пат. на полезную модель №143084 Российская Федерация, МПК B01D35/12. Устройство для очистки сточных вод / К.В. Свалова.; заявитель и патентообладатель К. В. Свалова - № 2014101314/05; заявл. 16.01.2014; опубл. 10.07.2014, Бюл. №19.-4 е.: ил.

Другие издания:

6. Svalova, K.V. Research of Characteristics of Fibrous Filter Materials for the Waste Water Treatment in the Development of Placer Deposits / K.V. Svalova // Young Scientist USA, Washington - 2014. - P. 41-46.

7. Svalova, K.V. Environmental assessment of the effectiveness of fibrous polymeric materials for industrial effluent treatment / V.M. Gerasimov, K.V. Svalova // Das

internationale symposium «Okologishe, technologische und rechtliche aspecte der lebensversorgung», Hannover. - 2013. - P. 48-50.

8. Свалова, К. В. Исследование закономерностей отложения твердой фазы сточных вод горных предприятий в волокнистом полимерном материале / К.В. Свалова // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов Курск - 2012 -№11 (77).-С. 110-115.

9. Свалова, К. В. Механический способ очистки сточных вод горных предприятий с помощью фильтров на основе волокнистых полимерных материалов / К.В. Свалова // Научный журнал «Молодой ученый», Москва - 2013 - № 1(48) -С. 56-58.

10. Свалова, К. В. Результаты исследования задерживающей способности твердой фазы при очистке загрязненных вод волокнистыми полимерными материалами совместно с фильтрами другой природы / К. В. Свалова // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы экологии и природопользования» Москва -2013.-№ 15. - С.239-244.

11. Свалова, К. В. Исследование характеристик фильтровальных устройств для очистки промышленных стоков горных предприятий / К.В. Свалова, В.М. Герасимов // Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Кулагинские чтения». - Чита: ЗабГУ, 2013. - С. 128-131.

12. Свалова, К. В. Очистка промышленных стоков горных предприятий волокнистыми полимерными материалами / К.В. Свалова, В.М. Герасимов // Материалы XII Международной научно-практической конференции «Кулагинские чтения». - Чита: ЗабГУ, 2012. - С. 120-122.

13. Свалова, К. В. Анализ результатов испытаний фильтровальных материалов для очистки промышленных стоков горных предприятий / К.В. Свалова, В.М. Герасимов // Материалы XL научно-практической конференции студентов, магистрантов и аспирантов ЗабГУ. - Чита: ЗабГУ, 2013. - С. 137-140.

14. Свалова, К. В. Перспективы очистки сточных вод горных предприятий волокнистыми полимерными материалами / К.В. Свалова // Материалы VII школы-семинара молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона - Улан-Удэ. - 2013. - С. 220-223.

15. Свалова, К. В. Проблема очистки сточных вод горных предприятий и способ ее решения с помощью фильтров на основе волокнистых полимерных материалов / К.В. Свалова // Материалы III Научной конференции «Молодежь и наука Забайкалья» - Чита,- 2013. - С. 27-30.

16. Свалова, К. В. Технология осветления промышленных стоков с применением фильтровальных устройств на основе волокнистых нетканых материалов / К.В. Свалова // Материалы II Всероссийская молодежная научная конферен-

ция с международным участием "Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы" — Улан-Удэ. — 2014. - С. 40-43.

17. Свалова, К.В. Исследование эффективности очистки загрязненных вод от твердых взвесей / К.В. Свалова // Методические указания к лабораторной работе по курсу «Экология» для студентов всех специальностей, Чита: ЗабГУ, 2013.— 17 с.

Подписано в печать «25» ноября 2014 г. Формат 60x84 Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Бодони. Уч.-изд.л. 1,25. Усл.-печ. л. 1,1 Тираж 120 экз. Заказ № 23

ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет» 672039, Чита, ул. Александро-Заводская, 30