Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Совершенствование природоохранных методов формирования техногенных месторождений из забалансовых медьсодержащих руд и металлоносных пород

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование природоохранных методов формирования техногенных месторождений из забалансовых медьсодержащих руд и металлоносных пород"

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

и0344СС57

СОКОЛОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ИЗ ЗАБАЛАНСОВЫХ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ РУД И МЕТАЛЛОНОСНЫХ ПОРОД

Специальность: 03.00.16 - Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 СЕН 2008

Москва 2008

003446657

Работа выполнена на кафедре Нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела Российского университета дружбы народов

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Воробьев Александр Егорович

Официальные оппоненты. доктор технических наук,

профессор

Комащенко Виталий Иванович

кандидат технических наук, доцент

Чекушина Татьяна Владимировна

Ведущая организация

Институт металлургии и материаловедения им А А Байкова РАН

Защита состоится 09 октября 2008 г в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212 203 17 в Российском университете дружбы народов по адресу 113093, г Москва, Подольское шоссе, д 8/5, экологический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу 117923, г Москва, ул Миклухо-Маклая, д 6

Автореферат разослан 08 сентября 2008 г

Ученый секретарь /'vL— ' '

диссертационного совета Д 212 203 17, д б н , проф ^ В И Чернышов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Сложившаяся в настоящее время экологическая ситуация в России оценивается во многом как критическая, поскольку боаее 20% территории страны уже находится в зоне экологического кризиса, и эта зона продолжает расширяться, в том числе и вследствие накопления колоссальных объемов минеральных техногенных (в частности - окисленных медьсодержащих) отходов горного и обогатительного производства

Кроме того, учитывая, что многие сульфидные геогенные месторождения полезных ископаемых к настоящему моменту в большей части уже отработаны, можно прогнозировать возврат к освоению месторождений „меди с окисленными рудами (табл 1) в ближайшие 40-80 лет

Таблица 1

Некоторые крупные месторождения оксидны* медных руд

Месторождение Запасы, млн т / Содержание меди, %

РФ

Гумешевское медное месторождение (Урал) 30/0 98

Удоканское (Читинская область) 20/091

Меднорудянское (Нижний Тагил) 540/0 89

Зыряновский рудник, Змеиногорский рудник (Алтайский край) 400/0 09

Зарубежье

Гельб Могрейн (Мавритания) 24 /1 82

Габи (Чили) 584/0 41

Проектный рудник 118 (Бразилия) 78/0 85

Текке Фангарум (Конго) 547/3 50

К тому же имеется тенденция снижения концентрации меди начало XIX в -10%, 1900 г - 3 8%, 1910 г - 2%, 1920 - 1 6%, 1930 г - 1 5%, 1960 г - ~1% В настоящее время содержание меди в сульфидных рудах некоторых месторождений снизилась до 0 6%-0 3%

Поэтому в рамках имеющейся Концепции рациональной разработки недр (2000 г) необходимо изыскать методы и технологии улучшения качества минерального сырья, заскладированного в техногенных месторождениях, позволяющие одновременно снизить значение экологической нагрузки, оказываемой ими на окружающую среду

Причем разработка методов рационального использования минеральных отходов цветной металлургии имеет важное эколого-экономическое значение для уменьшения потерь полезных компонентов, охраны здоровья людей и окружающей среды от воздействия и загрязнения токсикантами

Успешное решение этих задач сдерживается, в частности, отсутствием детальных экспериментальных исследований и недостаточной разработкой теории растворения оксидов меди, а также процессов, протекающих в массиве заскладированной горной массы

Кроме этого необходимо провести сравнение влияния на окружающую среду от ТМО (отвалы, хвостохранилища и т п ) и ТМ Это обусловлено тем, что даже классические схемы формирования техногенных месторождений с применением элементов выщелачивания, предложенные проф А Е Воробьевым и акад К Н Трубецким, все же накладывают некоторую экологическую нагрузку на окружающую среду

Наиболее опасным представляется то, что выщелачиваемые тяжелые металлы, мигрируя в составе отвальных вод, формируют ореолы рассеяния на прилегающих территориях с концентрациями, значительно превышающими ПДК Так, медь, растворенная в воде в виде легкоусвояемых соединений (соли или комплексы), в среднесрочной перспективе существенно ухудшает жизнедеятельность растений и животных В частности, натурные опыты показывают, что уже в миллимолярной концентрации ионы Си2+, резко подавляют рост корешков растительных зародышей, приводя к их 90% гибели

Следовательно, необходимо соблюдать баланс между эффективностью и эколо-гичностью применяющихся методов недропользования

Систематические исследования в этом направлении позволили бы количественно описать процессы растворения оксидов меди и определить возможные экологические риски формирования техногенных месторождений, что и обусловливает актуальность настоящей диссертационной работы

Целью работы является установление физико-химических закономерностей процессов, происходящих в медьсодержащих техногенных месторождениях, и разработка на этой основе рациональных методов их формирования с помощью внутриот-вального обогащения, снижающих возможное экологическое влияние и повышающих

эффективность техногенного рудообразования*

Задачи, которые необходимо решить для достижения цели

1 проанализировать экологические и технологические особенности различных типов медьсодержащих техногенных месторождений,

2 изучить физико-химические особенности миграции водных растворов различных соединений меди в техногенных месторождениях,

3 выявить факторы, повышающие эффективность контролируемого рудообразования в техногенных месторождениях и снижающие оказываемую ими экологическую нагрузку,

4 составить группировку основных физико-химических методов, которые целесообразно использовать при формировании медьсодержащих техногенных месторождений

Идея работы заключается в применении сложных кислых композиций выщелачивания медьсодержащих пород для обеспечения условий экологически безопасного и эффективного формирования техногенных месторождений с помощью внутриот-вального обогащения

Методы исследований

> анализ литературы (периодические издания, монографии и патенты) по всем аспектам (экологические, технологические, химические и экономические) формирования техногенных месторождений,

> методы планирования и статистической обработки эксперимента (Б-оптимальное планирование, регрессионный анализ, оптимизация),

> физико-химические методы исследования растворения оксидов меди (метод стационарных концентраций, потенциометрическое титрование, электрохимия оксидных фаз меди, ренттено-флюоресцентный анализ, микроскопия),

> математическое моделирование

На защиту выносятся

1 Экспериментальные зависимости влияния различных факторов как на выщелачивание меди из оксидов, так и на загрязнение окружающей среды ее ионами,

'Работа выполнена в рамках Инновационной образовательной программы Российского университета дружбы народов «Создание инновационных образовательных программ и формирование инновационной образовательной среды» (руководаггель УМК д т н, проф Л Е Воробьев)

указывающие на то, что основной вклад в загрязнение окружающей среды в составе стоков технологических (отвальных) вод вносят подвижные формы меди

2 Оптимальные параметры выщелачивающих медь из бедных руд растворов (смесь серной кислоты и окислителя, в которой р№=1, концентрация окислителя не превышает 0 1 мМ, а концентрация комплексона порядка 10'2 мочь на литр раствора), позволяющие существенно (45-52%) повысить выход металла в раствор и снизить (на 70-85%) загрязнение окружающей среды ионами меди

3 Экологические закономерности воздействия на окружающую среду от техногенных минеральных объектов и от техногенных месторождений, свидетельствующие о том, что их технологический перевод из одной категории в другую обусловливает существенное изменение объемов выделяемого вещества

Научная новизна работы заключается в следующем

> выявлены и научно обоснованы физико-химические принципы экологически щадящего формирования с помощью внутриотвального обогащения техногенных месторождений из медьсодержащих руд и пород,

> определены оптимальные условия выщелачивания меди в период хранения горной массы в техногенных месторождениях,

> разработаны эффективные способы снижения экологической нагрузки от медьсодержащих техногенных месторождений на окружающую среду,

> составлена группировка (по критериям подготовки и принципам осуществления) основных физико-химических методов, которые целесообразно использовать при экологически щадящем способе формирования медьсодержащих техногенных месторождений

Практическая значимость работы в том, что предложены оптимальные параметры выщелачивания меди из бедных руд и переосаждения ее соединений, снижающие загрязнение окружающей среды ионами тяжелых металлов и позволяющие повысить их экстракцию в раствор

Реализация результатов работы. Научные положения диссертации отражены в курсах лекций («Ресурсовоспроизводящие технологии недропользования». «Комплексное использование минерального сырья», «Обогащение полезных ископаемых», «Управчение качеством минерального сырья», «Химические и физические процессы

горного производства»), читаемых при подготовке специалистов горного профиля (бакалавров и магистров) на кафедре Нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела Российского университета дружбы народов

Приборы и материалы В исследовании использованы порошкообразные оксиды меди, железа и алюминия различной квалификации

Для идентификации образцов оксидов применялись рентгенофазовый анализ и термогравиметрия. Состав оксидов практически соответствовал стехиометрическому (отклонение не превышало 1 8%)

Кроме того, использовалось потенциометрическое титрование, кинетические и электрохимические методы (метод стационарных концентраций, метод маршрутов, метод вращающегося дискового электрода)

Экспериментальные данные подвергались статистической обработке с использованием комплекта компьютерных программ (МаЛсас!, СИептош)

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается комплексным подходом к решению задач диссертации, высокой надежностью использованных методов экспериментальных и теоретических исследований и удовлетворительной сходимостью их результатов (не менее 89%)

Личный вклад автора. Автором обобщены литературные данные и результаты собственных исследований в области физико-химических процессов формирования техногенных месторождений, установлены количественные и качественные характеристики процессов выщелачивания, миграции и диффузии ионов меди в массиве техногенных минеральных объектов и техногенных месторождений, доказана целесообразность применения сложных композиций для выщелачивания меди, предложены методы интенсификации и экологизации процессов при формировании медьсодержащих техногенных месторождений

Апробация работы. Материалы исследований докладывались на ежегодных (2006-2008 гг) научно-технических конференциях Российского университета дружбы народов, Московского педагогического государственного университета, Международной конференции по химической технологии-2007, XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (2007 г), Неделе горняка-2008, Седьмой международной

б

конференции «Ресурсовоспроизводящие, природоохранные и малоотходные технологии освоения недр» (2008 г)

Публикации. По материалам диссертации опубликована монография, 7 статей (из них 6 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ) и 6 тезисов докладов различных конференций

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 129 страницах машинописного текста и содержит 37 иллюстраций и 9 таблиц, каждая глава завершается выводами Общий объем диссертационной работы составляет 141 страниц (включая библиографию из 131 наименования)

Автор выражает глубокую признательность д тн, академику РАЕН, профессору А Е Воробьеву, взявшему на себя труд руководить представленной работой, за неоценимую научно-методическую и практическую помощь при выполнении диссертационного исследования

Большое методическое и практическое содействие при подготовке диссертации оказала ктн, ученый секретарь Научного совета РАН по проблемам обогащения полезных ископаемых Т В Чекушина

На протяжении ряда лет автор встречал поддержку со стороны к х н, доцента ММАим ИМ СеченоваНВ Машинной

Член-корреспондент РАН А Д Изотов оказал значительную помощь при обсуждении работы и издании монографии, также как и профессор МПГУ И Г Горичев при написании и обсуждении раздела, касающегося моделирования физико-химических процессов

Автор благодарен О А Тимоновой за всестороннюю поддержку при написании диссертации

Выполнение данной работы было бы затруднительно без благожелательного отношения со стороны коллективов кафедры Нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела РУДН, а также кафедры Общей и аналитической химии МПГУ

Всем указанным лицам и организациям автор выражает самую искреннюю признательность

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, описаны методы, приборы и материалы исследования, указаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость, апробация работы, приведены положения, выносимые на защиту

В первой главе дано описание минеральных отходов цветной металлургии, их роль в формировании экологической обстановки в зоне металлургических и горных производств, минералогические и геохимические особенности Описана современная ситуация в комплексном рациональном природопользовании, выделены методы улучшения качества техногенных медных руд, которые одновременно способствуют снижению отрицательного экологического влияния техногенных месторождений па окружающую среду Приведены характеристики минеральных отходов, в частности физико-химические свойства оксидов меди, которые определяют экологические, технологические и экономические параметры формирования техногенных месторождений медьсодержащих руд Описана концепция ресурсовоспроизведения на основе минеральных отходов, предложенная проф А Е Воробьевым и акад К Н Трубецким

Во второй главе описаны закономерности формирования с помощью внутриот-вального обогащения техногенных месторождений и их экологические особенности, указаны природные геохимические процессы, протекающие в техногенных месторождениях и определяющие их экологическое влияние на окружающую среду На основании сравнения экологических, экономических и технологических особенностей техногенных месторождений произведен выбор оптимальной схемы внутриотвального обогащения техногенного месторождения из медьсодержащего минерального сырья Особо изучен и описан процесс адсорбции ионов меди Си2+, протекающий в обогащаемом слое техногенного месторождения как наиболее значимый для снижения за-1рязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов и улучшения качества получаемых руд

В третьей главе проанализированы факторы, влияющие на растворение оксид-номедных фаз Экспериментально изучен процесс растворения оксида меди (И) в кислых и щелочных растворах, в т ч с добавками окислителей и комплексонов, предло-

жены его математические модели Показано влияние рН, температуры и внешней поляризации на процесс растворения оксидных фаз меди Предложены оптимальные условия (рН, температура, состав рабочего раствора) для выщелачивания меди из техногенных минеральных отходов

В четвертой главе указаны возможности улучшения исходного качества техногенной руды и экологической обстановки в зоне расположения техногенных месторождений

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

За время своего существования горнодобывающий комплекс нанес колоссальный ущерб природе в окружающую среду сброшены десятки миллионов тонн сточных вод, отчуждены и нарушены сотни гектаров земель и т д

В ходе совместных исстедований проф А С Зерновым и И В Соколовым было обнаружено снижение видового разнообразия флоры, а так же трансформация естественных природных комплексов под воздействием антропогенных факторов

В соответствии с имеющимися представлениями, экологический потенциал недр к традиционным пока не относится, а минеральные отходы горного производства представляют собой одновременно и нереализованную стоимость, и фактор, наносящий серьезный ущерб экосистеме

Кроме того, в связи с переработкой сырья с различным содержанием полезного компонента, различно и количество образующихся отходов, подлежащих переработке (рис 1)

Эта проблема наиболее актуальна для предприятий цветной металлургии, тк их минеральные отходы имеют химически сложную структуру, представляя высокую экологическую опасность (особенно при эмиссии загрязняющих веществ в форме сбросов в водные объекты или складировании их больших масс)

Рис. 1. Асимметричная диаграмма изменения содержания меди и величины образующихся отходов для различного сырья: 1 - самородная медь; 2 - богатые оксидные руды; 3 - богатые сульфидные руды; 4 -рядовые сульфидные руды; 5 - бедные сульфидные руды; 6 - рядовые оксидные руды

Основополагающие исследования по этой проблеме в части классификации отходов, их использования и оценки возможного экологического ущерба представлены известными специалистами: Г.А. Балыхиным, В.Д. Бредихиным, А.Е. Воробьевым,

A.Д. Гладушем, В.П. Зволинскмм, ЕА. Гулан, С.В. Кареловым, В.И. Комащенко, В.И. Морозовым, А.И. Персльманом, II.Ф. Реймерсом, В.Т. Трофимовым, К.Н. Трубецким,

B.А. Чантурия, Т.В. Чекушиной и др.

Экологическая опасность комплексных минеральных отходов горного производства определяется сочетанием многих факторов. Прежде всего, это их физическое состояние, химический состав и наличие экотоксикантов (табл. 2). Причем экологическая опасность таких отходов резко возрастает из-за их дисперсности.

В настоящее время необходимо различать два принципиально возможных типа складирования минеральных отходов горного производства: техногенный минеральный объект (ТМО) и техногенное месторождение (ТМ).

Появление в последние десятилетия рациональных методов формирования техногенных минеральных месторождений с помощью внутриотвального обогащения, т.е. создание ресурсовоспроизводящих технологий - логичный результат интенсивного развития горнодобывающей и перерабатывающей промышленности - обусловило и целый ряд новых проблем, связанных с их разработкой и исследованием, а также освоением.

Табчица 2

Экологическая опасность некоторых экотоксикантов - отходов цветной металтургии

Элемент Форма содержания Опасность

Медь Сульфидная, оксидная, металлическая, катион-ная, комплексы Ядовиты, аккумулируются в организмах, вызывают специфические заболевания кожи, легко мигрируют в водном растворе

Кадмий Оксидная, металлическая, катионная, комплексы Один из самых ядовитых в ионной форме металлов, аккумулируется в организмах, вызывает поражение ЦНС

Свинец Оксидная, металлическая, катионная, комплексы Ядовит в ионной и комплексной формах металлов, аккумулируется в организмах Вызывает поражения кожи

Хром Оксидная, металлическая, катионная, комплексы Ядовиты, аккумулируются в организмах, мелкодисперсные оксиды канцерогенны

Мышьяк Элементарная, оксидная, анионная Все соединения чрезвычайно ядовиты, действие разнообразно

Фосфор Элементарная, оксидная, анионная Некоторые аллотропные модификации ядовиты, оксиды ядовиты, пирофорны Избыток фосфатов вызывает бурный рост растительности

К настоящему времени ресурсовоспроизводащие природоохранные технологии получили полноценное и всестороннее теоретическое обоснование, на них запатентовано свыше 150 изобретений (большей частью проф АЕ Воробьевым), из них 1/5 часть внедрена в промышленное производство

Нами была разработана базовая группировка процессов и технологий (рис 2),

которые целесообразно использовать при формировании экологически ща-

дящих техно-

генных месторождений медных руд на предприятиях цветной метал-

Рис 2 Группировка процессов формирования природоохранного техногенного месторождения медных руд

С использованием предложенного нами алгоритма выбора оптимального способа формирования ТМ медьсодержащих руд (рис. 3), было установлено, что для формирования техногенного месторождения из медьсодержащего минерального сырья целесообразно использовать методы с подавлением остатков реагентов (рис. 4), схема которых наиболее подходит для ресурсо-воспроизводящих и природоохранных целей цветной металлургии и учитывает химические и геохимические особенности меди и ее соединений.

Рис. 3. Алгоритм выбора оптимального способа формирования техногенного месторождения медьсодержащих руд

Принцип подобного формирования техногенного месторождения следующий.

При подаче растворов минеральных кислот из источника медь растворяется в слое 4 и мигрирует в составе медьсодержащих растворов в обогащаемый слой 2. В этом слое при встрече с осаждающими медь растворами происходит ускоренное осаждение меди в виде рыхлого техногенного осадка.

Преимущества данного метода следующие: содержание ценного компонента в техногенных рудах =3% (в исходном сырье

/77 777 7/7 /// '7/7 ///—777 7/7 /Я7 /// 7/7 /Л

Рис. 4. Техногенное месторождение с подавлением остатков реагентов:

1 - дренажный слой, 2 - обогащаемый слой, 3 - перфорированный трубопровод, 4 - выщелачиваемый слой, 5 - источник реагента

~0 1%), содержание меди в отвальных водах до 2 мкг/л (в ТМО - до 10 мкг/л) Указанное содержание не превышает ПДК подвижных форм меди (2 5 мкг/л)

Нами детально были рассмотрены возможные экологические выгоды и риски техногенных месторождений и техногенных минеральных объектов (рис 5)

Рис. 5 Группировка процессов, определяющих экологическое влияние ТМ и ТМО

В частности, была осуществлена оценка вклада каждого из факторов в формирование экологической обстановки в зоне ТМ и возможности управления ими

Для этого выделены основные группы интенсивности влияния и установлена процентная шкала баллов (рис 6)

тм

тмо

1.5

10%

1.1

25%

2.3

15»/!

2.4 10%

1.4

2.1 45%

15°/

1.

2.2 30%

20%

1.2

30%

Рис. 6. Процентный вклад факторов, влияющих на экологическую обстановку в зоне ТМ и ТМО

Наиболее существенным вкладом в улучшение экологии является поддержание естественного круговорота веществ (1.1) на основе возвращения изъятых из геосферы элементов (1.2).

Эти два фактора в совокупности составляют более половины положительного влияния - 30% и 25% соответственно (т.к. второй подчинен первому). Очень важно и то, что с пользой заняты большие отработанные техногенные площади (1.3) - не менее 20% важности. Фактор 1.4 (утилизация отходов) важен как синергетический к основным и в целом не привносит более чем 15% вклад. Наконец, расположение ТМ на малом ареале (1.6) не вносит решительного вклада (10%), но при прочих равных может оказаться существенным, дополняя фактор 1.3.

Аналогично для ухудшающих экологию факторов, можно заключить, что наиболее опасным является сток технических вод (2.1), содержащий легкоусвояемые соединения тяжелых металлов (45%), а также пыление (2.2), вследствие чего целевой продукт рассеивается на большой территории (30%). Это, в свою очередь в совокупности влечет снижение биоразнообразия (2.3) - 15%.

Не менее 10% следует приписать также фактору 2.4. - пусть и рациональному, но занятию большой территории, особенно если сравнивать с площадью ТМ.

Полное осаждение тяжелых металлов на природных адсорбентах препятствует их проникновению в лито- и гидросферу из толщи техногенного месторождения, что существенно снижает возможный экологический ущерб от формирования на данном ареале техногенного месторождения (рис. 7).

В этой связи было исследовано влияние рН и концентрации ионов меди (2+) на их адсорбцию на СиО.

Показано (рис. 8), что с ростом рН и концентрации ионов меди (II) доля ионов ме-

Расчет распределения ионов меди в растворе при различном значении рН, обнаруживает, что в растворе в интервале рН 5+9 преимущественно существуют СиОН^-ионы, которые и будут адсорбироваться на поверхности, встраиваясь в кристаллическую решетку. к

Л

Потребность в реальных о моделях процессов растворения определяется необходимостью оптимизации технологий выщелачивания оксидномедных руд и снижения возможного загрязнения окружающей среды жидкими от-

Рис. 8. Зависимость величины адсорбции ионов меди ходами техпроцессов. (2+) от концентрации сульфата меди при различных

значениях рН: о - 2.95, + -3.82, 0 - 4.02, □ - 5.04, А- 5.92.

Поэтому ДЛЯ изучения ВОЗ- Точки - экспериментальные данные, линии - изотермы

Лэнгмюра I

можностей интенсификации про- |

цессов, протекающих в выщелачиваемом слое ТМ, нами с принципиально новых положений гетерогенной кинетики были проведены кинетические исследования и моде-

Расстояние от объекта, км

Рис. 7. Изменения содержания металлов в зависимости от типа объекта и расстояния от него

ди, осажденных на поверхности оксида меди, увеличивается.

0.067

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006

лирование процессов растворения оксидов меди в кислых и щелочных средах, в т.ч. с добавками окислителей и комплексонов.

Для описания кинетики растворения оксидов было выведено около 20 уравнений гетерогенной кинетики, как учитывающих, так и не учитывающих диффузионные процессы.

Воспользуемся рассмотренной Дельмоном моделью трехмерной диффузии с равномерным изменением радиуса частицы по трем осям а = гДе ^

- число осей диффузии.

Предполагается, что зародыши распространяются с гораздо большей скоростью в каком-либо одном направлении из всех возможных, в результате чего они проникают внутрь твёрдого вещества, примерно так же, как корни в трещины скалы (рис. 9).

Рис. 9. Последовательные стадии травления оксида

Установлено, что размерность поверхности растворяющегося оксида ё=2.7, из чего следует важность учета фрактальности оксидных частиц.

Поэтому было использовано модифицированное уравнение трехмерной диффузии, написана программа анализа кинетических данных и предложена математическая модель процессов растворения оксидов и изменения их поверхности.

На рис. 10 представлены результаты влияния рН при Т=343 К и Сиклот^О. 1 М на кинетику растворения оксида СиО в серной кислоте. Видно, что с ростом рН скорость растворения снижается.

Анализ данных показал, что уменьшение концентрации ионов водорода до рН~2.5 приводит к замедлению растворения.

Кроме того, показано, что с ростом температуры (273—>323 К) время растворения оксида уменьшается при одновременном увеличении доли растворенного оксида в конце эксперимента, а наибольший относительный рост наблюдается при изменении температуры с 273 К до 303 К

Доля растворенного оксида

Рис 10 Зависимость скорости растворения от доли растворенного оксида меди (П) а при различных значениях рН 1-0 43, 2-0 60,3-0 85,4-1 05

Несмотря на то, что наивысшая удельная скорость растворения оксида меди СиО в серной кислоте наблюдается при 303 К, оптимальной температурой выщелачивания является температура 303 К Это следует из того экспериментального факта, что при увеличении температуры в этом диапазоне происходит значительный скачок удельной скорости растворения, что не наблюдается при дальнейшем повышении температуры

Проведенные исследования по влиянию различных окислителей и восстановителей на кинетику растворения оксидов меди в кислых средах показали, что они сильно изменяют скорость растворения Из полученных данных следует, что с ростом концентрации перманганата калия скорость растворения возрастает и значительно превышает скорость растворения оксида меди (II) в чистом растворе серной кислоты Было установлено, что в процессе растворения оксида концентрация КМПО4 уменьшается незначительно

Применение сложной кислой композиции для выщелачивания меди из обедненной фазы позволит не только интенсифицировать этот процесс, но и, переводя в дальнейшем большую массу металла в связанные формы, увеличит концентрацию

меди в техногенной руде, а также значительно снизит за1рязнение окружающей среды ионами тяжелых металлов.

Установлено, что подходящей по глубине протекания процесса и стоимости является смесь серной кислоты и окислителя, в которой рН~1, а концентрация окислителя не превышает 0.1 мМ (в пересчете на 0.1 моль оксида СиО). При этом оптимальная температура равна 303 К, а время контакта в условия реактора - десятки минут.

Для техногенных месторождений из медных руд можно предложить две методики снижения их экологической нагрузки с одновременным улучшением качества заскладированного минерального сырья:

1. Управление миграцией и диффузией ионов меди в массиве техногенного месторождения.

2. Применение сложных выщелачивающих композиций.

¡Диффузия ионов

металлов | 30%

Теплообмен в толще ТМ ! 20% !

Конвекция в толще ТМ 10%

\ | Расслоение в толще ТМ 5%

Рис. Н. Удельный вес процессов массопереноса в толще ТМ

Так, механизм миграции складывается из нескольких параллельных процессов (рис. 11), сумма скоростей которых и определяет полную скорость миграции.

Возможность контроля диффузии ионов позволит предотвращать образование локальных зон обогащения и обеднения в сорбционном барьере и способствовать более полному осаждению металла, снижая его выход в окружающую среду.

£

7 \

г.......* 1 Vх У

/// М /// М /// /// М /7/ /// /// //,

Рис. 12. Диффузия в толше техногенного месторождения: 1 - начальная фаза; 2 - активное распределение вещества; 3 - конечная фаза (равномерное распределение)

Одномерная диффузия в направлении вектора силы тяжести g, описывается

уравнением Фика —=-о 5 ягас1(с) ■ д/ к 'е

Численное решение уравнения методом конечных разностей дает графическое представление распределения концентраций в вертикальной плоскости отвала в раз-

Плоскость диффузия

личные моменты времени (рис. 12).

Анализ рис. 12 показывает, что существует момент времени, после которого распределение концентраций ионов меди не меняется, причем толщина установившегося слоя практически одинаковая. Это свидетельствует о том, что применяя агенты, меняющие подвижность ионов, можно существенно улучшить их адсорбцию, сделав ее более равномерной.

В качестве веществ, меняющих подвижность ионов можно использовать ком-плексоны типа ЭДТА или ОЭДФ. Как свидетельствуют проведенные эксперименты, подвижность ионов тяжелых металлов существенно увеличивается за счет большей растворимости соответствующих комплексонатов.

В соответствии с этим, можно рекомендовать добавлять к раствору серной кислоты (помимо окислителя) порядка 10"2 моль комплексонов на литр раствора (в пересчете на 0.1 моль оксида СиО).

Введение малых концентраций комплексонов позволяет более полно улавливать выщелоченные ионы меди, тем самым снижая объем их рассеяния в окружающей среде, что одновременно уменьшает негативное экологическое воздействие ТМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача выявления и снижения вредного экологического воздействия минеральных отходов предприятий цветной металлургии на окружающую среду

Решение базируется на исследовании влияния различных факторов загрязнения окружающей среды ионами меди и разработке группировки процессов, обеспечивающих природоохранное формирование техногенных месторождений на объектах цветной (медной) металлургии

Основные выводы заключаются в следующем

1 Выбор экологически щадящей схемы формирования техногенного месторождения должен осуществляться на основе алгоритма, учитывающего внешние (климат, рельеф и т п) и внутренние (геохимические изменения горной массы) факторы, обусловливающие качество получаемой техногенной руды, а также вид и значение экологической нагрузки от техногенного месторождения

2 Для контролируемого воспроизводства медных руд наиботее целесообразно применять метод формирования техногенного месторождения с внутриотвальным обогащением части руд и с одновременным подавлением остатков реагентов Это приносит существенные экологические выгоды, снижая загрязнение лито- и гидросферы вследствие осаждения на 25-30% большего количества ионов меди по сравнению с альтернативными схемами (содержание меди в отвальных водах до 2 мкг/л (для техногенных минеральных объектов - до 10 мкг/л)) Указанное содержание не превышает ПДК подвижных форм меди (2 5 мкг/л)

3 Наиболее хорошо адсорбция ионов меди и осаждение гидроксидов меди происходит в диапазоне 5-9 ед рН, что свидетельствует о необходимости применения кислых выщелачивающих композиций с добавками комплексонов Добавка комплексона ЭДТА замедляет скорость растворения оксида меди (II) в серной кислоте, но введение малых концентраций комплексонов позволяет более полно улавливать выщелоченные ионы меди, снижая их выход в окружающую ТМ среду, что уменьшает негативное экологическое воздействие ТМ

4 Оптимальной по стоимости и глубине протекания процесса выщелачивания будет смесь серной кислоты и окислителя, в которой р№=1, концентрация окислителя

не превышает 0 1 мМ, а концентрация комплексона порядка 10"2 моль на литр раствора

5 Установлено, что техногенное месторождение занимает значительно (на 27%) меньшую территорию (при сопоставимых объемах) по сравнению с техногенным минеральным объектом, что обусловливает отчуждение меньшей площади земель

Основные положения диссертации изложены следующих работах:

1 Соколов ИВ Некоторые итоги изучения синантропной флоры филиала Ботанического сада МГУ «Аптекарский огород» // Сб материалов по итогам научно-исследовательской деятельности молодых ученых в области гуманитарных, естественных и технических наук в 2004 году М Прометей 2005 С 410

2 Соколов ИВ, Горичев ИГ Вывод аналитических выражений кривых титрования // Естественные и технические науки 2006 № 4 С 80-85

3 Соколов И В. Горичев И Г, Батраков В В, Дремина Ю А Расчет констант кислотно-основных равновесий на границе оксид меди - электролит // Труды «XLII Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики, химии» Секции химии сборник докладов М Изд РУДН 2006 С 3

4 Якушева Е.А.. Соколов ИВ. Горичев ИГ Моделирование адсорбции ионов кобальта (2+) на оксиде кобальта Co2Oj И Естественные и технические науки. 2006. № 4. С 86-97.

5. Дремина ЮЛ., Горичев И.Г., Соколов ИВ. Батраков В.В. Адсорбция ионов меди (Си2+) па оксиде меди (II) // Естественные и технические науки. 2007. №2. С. 86-96.

6 Изотов АД, Горичев ИГ, Плахотная ОН, Соколов ИВ Влияние комплек-сонов на кинетику растворения оксида меди (II) в сернокислых растворах // Химическая технология Сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии Т 1 Москва 2007 С 178

7 Соколов ИВ. Горичев ИГ Опыт анализа кинетических закономерностей растворения СиО в кислоте с позиций синергетики // Труды «XLIII Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики, химии» Секции химии сборник докладов М Изд РУДН 2007 С 13

8 Соколов ИВ. Горичев ИГ, Изотов АД Обобщение моделей гетерогенной кинетики на основе вероятностного подхода // Химическая технология Сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии Т 2 Москва 2007 С 122-123

9 Соколов ИВ. Горичев ИГ, Изотов АД О значимости кислотно-основных свойств оксидов металлов // Тезисы докладов XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии Т 1 M Граница 2007 С 442

10 Соколов ИВ. Горичев ИГ, Изотов АД, Дремина ЮА Использование Mathcad для моделирования и расчета кислотно-основных равновесий M Прометей 2007 93 с

11 Sokolov 1V. Gorichev 1G, Izotov A D On significance of acid-base properties of metal oxides // Proceeds of XVIII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry V 1 Moscow Granitsa 2007 P 440

t

12. Воробьев А.Е., Соколов ИВ Об экологическом воздействии ресурсовос-производящих техногенных месторождений Н Естественные и технические науки. 2008. № 1. С. 136-137.

13. Воробьев А.Е., Соколов И.В Экологический аспект ресурсовоспроизводя-щих горных технологий // Естественные и технические науки. 2008. № 1. С. 138-139.

14. Соколов И.В Природоохранные методы формирования техногенных месторождений на объектах цветной металлургии // Вестник Российского университета дружбы народов (серия - Инженерные исследования) 2008. № 1. С. 29-35.

Подписано в печать 02 09 2008 г

Печать трафаретная

Заказ № 682 Тираж 100 зкз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (499) 788-78-56 www autoreferat ru

Соколов Игорь Владимирович (Россия)

Совершенствование природоохранных методов формирования техногенных месторождений из забалансовых медьсодержащих руд и металлоносных пород

В диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по выявлению и снижению вредного экологического влияния минеральных отходов предприятий цветной металлургии Экспериментально исследовано влияние различных факторов на выщелачивание меди из оксидов и загрязнение окружающей среды ионами меди

Впервые выявлены и научно обоснованы физико-химические принципы экологически щадящего формирования техногенных месторождений из медьсодержащих пород; определены оптимальные условия выщелачивания меди в период хранения горной массы в техногенных месторождениях

Разработаны способы снижения экологической нагрузки техногенных месторождений на окружающую среду Предложена группировка процессов, обеспечивающих природоохранное формирование техногенных месторождений на предприятиях цветной, в частности медной, металлургии

Sokolov Igor Vladimirovich (Russia)

Perfection of nature protective methods of formation of technogemc deposits from overbalance copper-containing ores and metal-carrying breeds

In dissertational work on the bases of theoretical and experimental researches the actual scientific and technical problem of revealing and decreasing harmful ecological influence of mineral waste of the enterprises of nonferrous metallurgy has been solved Influence of various factors on leaching of copper from oxides and environmental contamination by ions of copper has been experimentally investigated

For the first time physical and chemical bases of ecologically-sparing formation of technogemc deposits from copper-containing breeds have been revealed and scientifically proved, optimum conditions of leaching of copper during storage of mountain weight in technogemc deposits have been determined too

Ways of decreasing an ecological load of technogemc deposits on an environment have been developed The grouping of the processes providing nature protective formation of technogemc deposits at the enterprises of nonferrous, in particular copper, metallurgy have also been offered.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Соколов, Игорь Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. МИНЕРАЛЬНЫЕ ОТХОДЫ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ.

1.1. Современная ситуация в комплексном рациональном природопользовании.

1.2. Характеристики минеральных отходов цветной металлургии.

1.3. СВОЙСТВА оксидов меди.

1.4. Концепция ресурсовоспроизведения на основе минеральных отходов.

Выводы.

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

2.1. Теоретические основы формирования техногенных месторождений.

2.2. Природные геохимические процессы, протекающие в техногенных месторождениях.

2.3. Выбор оптимальной схемы формирования техногенного месторождения из медьсодержащего минерального сырья.

2.4. Адсорбция ионов меди в обогащаемом слое.

Выводы.

3. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАСТВОРЕНИЕ ОКСИДНОМЕДНЫХ ФАЗ.

3.1. Экспериментальное изучение растворения оксидов меди в кислых растворах.

3.2. Выбор модели растворения оксидов меди.

3.3. Влияние рН и размерности растворения па кинетику растворения оксидов меди.

3.4. Влияние температуры на кинетику растворения оксидов меди.

3.5. Редокс-влияпие на кинетику растворения оксидов меди.

3.6. Лимитирующая стадия процесса растворения оксидов меди (электрохимическое обоснование)

3.7. Механизм растворения оксидов меди.-.

3.8. Выщелачивание меди из обедненного слоя техногенного месторождения.

Выводы.

4. ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ИСХОДНОГО КАЧЕСТВА ТЕХНОГЕННОЙ РУДЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В ЗОНЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

4.1. Управление миграцией и диффузией иоиов меди в массиве техногенного месторождения.

4.2. Применение сложных выщелачивающих композиций.

4.3. Экологический аспект инновационных ресурсовоспроизводящих технологий.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Совершенствование природоохранных методов формирования техногенных месторождений из забалансовых медьсодержащих руд и металлоносных пород"

Актуальность работы. Сложившаяся в настоящее время экологическая ситуация в России оценивается во многом как критическая, поскольку более 20% территории страны уже находится в зоне экологического кризиса, и эта зона продолжает расширяться, в том числе и вследствие накопления колоссальных объемов минеральных техногенных (в частности - окисленных медьсодержащих) отходов горного и обогатительного производства.

Кроме того, учитывая, что многие сульфидные геогенные месторождения полезных ископаемых к настоящему моменту в большей части уже отработаны, можно прогнозировать возврат к освоению месторождений меди с окисленными рудами (табл. 1) в ближайшие 40-80 лет.

Таблица 1

Некоторые крупные месторождения оксидных медных руд

Месторождение Запасы, млн. т / Содержание меди, %

РФ

Гумешевское медное месторождение (Урал) 30/0.98

Удоканское (Читинская область) 20/0.91

Меднорудянское (Нижний Тагил) 540 / 0.89

Зыряновский рудник, Змеиногор-ский рудник (Алтайский край) 400 / 0.09

Зарубежье

Гельб Могрейн (Мавритания) 24/1.82

Габи (Чили) 584/0.41

Проектный рудник 118 (Бразилия) 78/0.85

Текке Фангарум (Конго) 547/3.50

К тому же имеется тенденция снижения концентрации меди: начало XIX в- 10%; 1900 г.-3.8%; 1910 г.-2%; 1920- 1.6%; 1930 г.- 1.5%; 1960 г.-~1%. В настоящее время содержание меди в сульфидных рудах некоторых месторождений снизилась до 0.6%-0.3%.

Поэтому в рамках имеющейся Концепции рациональной разработки недр (2000 г.) необходимо изыскать методы и технологии улучшения качества минерального сырья, заскладированного в техногенных месторождениях, позволяющие одновременно снизить значение экологической нагрузки, оказываемой ими на окружающую среду.

Причем разработка методов рационального использования минеральных отходов цветной металлургии имеет важное эколого-экономическое значение для уменьшения потерь полезных компонентов, охраны здоровья людей и окружающей среды от воздействия и загрязнения токсикантами.

Успешное решение этих задач сдерживается, в частности, отсутствием детальных экспериментальных исследований и недостаточной разработкой теории растворения оксидов меди, а также процессов, протекающих в массиве заскладированной горной массы.

Кроме этого необходимо провести сравнение влияния на окружающую среду от ТМО (отвалы, хвостохранилища и т.п.) и ТМ. Это обусловлено тем, что даже классические схемы формирования техногенных месторождений с применением элементов выщелачивания, предложенные проф. А.Е. Воробьевым и акад. К.Н. Трубецким, все же накладывают некоторую экологическую нагрузку на окружающую среду.

Наиболее опасным представляется то, что выщелачиваемые тяжелые металлы, мигрируя в составе отвальных вод, формируют ореолы рассеяния на прилегающих территориях с концентрациями, значительно превышающими ПДК. Так, медь, растворенная в воде в виде легкоусвояемых соединений (соли или комплексы), в среднесрочной перспективе существенно ухудшает жизнедеятельность растений и животных. В частности, натурные опыты показывают, что уже в миллимолярной концентрации ионы Си2+, резко подавляют рост корешков растительных зародышей, приводя к их 90% гибели.

Следовательно, необходимо соблюдать баланс между эффективностью и экологичностью применяющихся методов недропользования.

Систематические исследования в этом направлении позволили бы количественно описать процессы растворения оксидов меди и определить возможные экологические риски формирования техногенных месторождений, что и обусловливает актуальность настоящей диссертационной работы.

Целью работы является установление физико-химических закономерностей процессов, происходящих в медьсодержащих техногенных месторождениях, и разработка на этой основе рациональных методов их формирования с помощью внутриотвального обогащения, снижающих возможное экологическое влияние и повышающих эффективность техногенного рудообразования*.

Задачи, которые необходимо решить для достижения цели:

1. проанализировать экологические и технологические особенности различных типов медьсодержащих техногенных месторождений;

2. изучить физико-химические особенности миграции водных растворов различных соединений меди в техногенных месторождениях;

3. выявить факторы, повышающие эффективность контролируемого рудообразования в техногенных месторождениях и снижающие оказываемую ими экологическую нагрузку;

4. составить группировку основных физико-химических методов, которые целесообразно использовать при формировании медьсодержащих техногенных месторождений.

Идея работы заключается в применении сложных кислых композиций выщелачивания медьсодержащих пород для обеспечения условий экологически безопасного и эффективного формирования техногенных месторождений с помощью внутриотвального обогащения.

Методы исследований: анализ литературы (периодические издания, монографии и патенты) по всем аспектам (экологические, технологические, химические и экономические) формирования техногенных месторождений;

Работа выполнена в рамках Инновационной образовательной программы Российского университета дружбы народов «Создание инновационных образовательных программ и формирование инновационной образовательной среды» (руководитель УМК д.т.н., проф. А.Е. Воробьев) методы планирования и статистической обработки эксперимента (D-оптимальное планирование, регрессионный анализ, оптимизация); физико-химические методы исследования растворения оксидов меди (метод стационарных концентраций, потенциометрическое титрование, электрохимия оксидных фаз меди, рентгено-флюоресцентный анализ, микроскопия); математическое моделирование.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные зависимости влияния различных факторов как на выщелачивание меди из оксидов, так и на загрязнение окружающей среды ее ионами, указывающие на то, что основной вклад в загрязнение окружающей среды в составе стоков технологических (отвальных) вод вносят подвижные формы меди.

2. Оптимальные параметры выщелачивающих медь из бедных руд растворов (смесь серной кислоты и окислителя, в которой рН~1, концентрация окислителя не превышает 0.1 мМ, а концентрация комплексона поо рядка 10" моль на литр раствора), позволяющие существенно (45-52%) повысить выход металла в раствор и снизить (на 70-85%) загрязнение окружающей среды ионами меди.

3. Экологические закономерности воздействия на окружающую среду от техногенных минеральных объектов и от техногенных месторождений, свидетельствующие о том, что их технологический перевод из одной категории в другую обусловливает существенное изменение объемов выделяемого вещества.

Научная новизна работы заключается в следующем: выявлены и научно обоснованы физико-химические принципы экологически щадящего формирования с помощью внутриотвального обогащения техногенных месторождений из медьсодержащих руд и пород; определены оптимальные условия выщелачивания меди в период хранения горной массы в техногенных месторождениях; разработаны эффективные способы снижения экологической нагрузки от медьсодержащих техногенных месторождений на окружающую среду; составлена группировка (по критериям подготовки и принципам осуществления) основных физико-химических методов, которые целесообразно использовать при экологически щадящем способе формирования медьсодержащих техногенных месторождений.

Практическая значимость работы в том, что предложены оптимальные параметры выщелачивания меди из бедных руд и переосаждения ее соединений, снижающие загрязнение окружающей среды ионами тяжелых металлов и позволяющие повысить их экстракцию в раствор.

Реализация результатов работы. Научные положения диссертации отражены в курсах лекций («Ресурсовоспроизводящие технологии недропользования»; «Комплексное использование минерального сырья»; «Обогащение полезных ископаемых»; «Управление качеством минерального сырья»; «Химические и физические процессы горного производства»), читаемых при подготовке специалистов горного профиля (бакалавров и магистров) на кафедре Нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела Российского университета дружбы народов.

Приборы и материалы. В исследовании использованы порошкообразные оксиды меди, железа и алюминия различной квалификации.

Для идентификации образцов оксидов применялись рентгенофазовый анализ и термогравиметрия. Состав оксидов практически соответствовал сте-хиометрическому (отклонение не превышало 1.8%).

Кроме того, использовалось потенциометрическое титрование, кинетические и электрохимические методы (метод стационарных концентраций, метод маршрутов, метод вращающегося дискового электрода).

Экспериментальные данные подвергались статистической обработке с использованием комплекта компьютерных программ (Mathcad, Windig, Chemwin).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается комплексным подходом к решению задач диссертации, высокой надежностью использованных методов экспериментальных и теоретических исследований и удовлетворительной сходимостью их результатов (не менее 89%).

Личный вклад автора. Автором обобщены литературные данные и результаты собственных исследований в области физико-химических процессов формирования техногенных месторождений; установлены количественные и качественные характеристики процессов выщелачивания, миграции и диффузии ионов меди в массиве техногенных минеральных объектов и техногенных месторождений; доказана целесообразность применения сложных композиций для выщелачивания меди; предложены методы интенсификации и экологизации процессов при формировании медьсодержащих техногенных месторождений.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались на ежегодных (2006-2008 гг.) научно-технических конференциях Российского университета дружбы народов, Московского педагогического государственного университета; Международной конференции по химической технологии-2007; XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (2007 г.); Неделе горняка-2008; Седьмой международной конференции «Ресурсовоспроизводя-щие, природоохранные и малоотходные технологии освоения недр» (2008 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликована монография, 7 статей (из них 6 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ) и 6 тезисов докладов различных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 128 страницах машинописного текста и содержит 37 иллюстраций и 9 таблиц; каждая глава завершается выводами. Общий объем диссертационной работы составляет 140 страниц (включая библиографию из 131 наименования).

Заключение Диссертация по теме "Экология", Соколов, Игорь Владимирович

Основные выводы заключаются в следующем:

1. Выбор экологически щадящей схемы формирования техногенного месторождения должен осуществляться на основе алгоритма, учитывающего внешние (климат, рельеф и т.п.) и внутренние (геохимические изменения горной массы) факторы, обусловливающие и качество получаемой техногенной руды, а также вид и значение экологической нагрузки от техногенного месторождения.

2. Для контролируемого воспроизводства медных руд наиболее целесообразно применять метод формирования техногенного месторождения с внутри-отвальным обогащением части руд и с одновременным подавлением остатков реагентов. Это приносит существенные экологические выгоды, снижая загрязнение лито- и гидросферы вследствие осаждения на 25-30 % большего количества ионов меди по сравнению с альтернативными схемами (содержание меди в отвальных водах до 2 мкг/л (в техногенных минеральных объектах - до 10 мкг/л)). Указанное содержание не превышает ГГДК подвижных форм меди (2.5 мкг/л).

3. Наиболее хорошо адсорбция ионов меди и осаждение гидроксидов меди происходит в диапазоне 5+9 ед. рН, что свидетельствует о необходимости применения кислых выщелачивающих композиций с добавками комплексонов. Добавка комплексона ЭДТА замедляет скорость растворения оксида меди (П) в серной кислоте, но введение малых концентраций комплексонов позволяет более полно улавливать выщелоченные ионы меди, снижая их выход в окружающую ТМ среду, что уменьшает негативное экологическое воздействие ТМ.

4. Оптимальной по стоимости и глубине протекания процесса выщелачивания будет смесь серной кислоты и окислителя, в которой рН~1, концентрация Л окислителя не превышает 0.1 мМ, а концентрация комплексона порядка 10" моль на литр раствора.

5. Установлено, что техногенное месторождение занимает значительно (на 27 %) меньшую территорию (при сопоставимых объемах) по сравнению с техногенным минеральным объектом, что обусловливает отчуждение меньшей площади земель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача выявления и снижения вредного экологического воздействия минеральных отходов предприятий цветной металлургии на окружающую среду.

Решение базируется на исследовании влияния различных факторов загрязнения окружающей среды ионами меди и разработке группировки процессов, обеспечивающих природоохранное формирование техногенных месторождений на объектах цветной (медной) металлургии.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Соколов, Игорь Владимирович, Москва

1. Авессаломова И. А. Экологическая оценка ландшафтов. М.: Изд-во МГУ. 1992. 89 с.

2. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. М.: ЮНИТИ-ДАНА. 2000. 566 с.

3. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М.: Логос. 2000. 127 с.

4. Арский Ю.М., Данилов-Данильян В.И., Залиханов М.Г. Экологические проблемы. М.: МНЭПУ. 1997. 320 с.

5. Барышникова Е.А., Соколов И.В. К вопросу о потенциометрическом титровании оксидных суспензий // Тр. XLEI Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики, химии. Секции химии: сб. докл. М.: Изд-во РУДН. 2007. С. 5.

6. Батраков В.В., Горичев И.Г., Киприянов Н.А. Влияние двойного электрического слоя на кинетику растворения оксидов металлов // Электрохимия. 1994. Т. 30. №4. С. 444.

7. Бершов А.В., Вознесенский Е.А., Самарин Е.Н. Вопросы методики расчета техногенной нагрузки при оценке экологического риска для территорий нефтегазовых месторождений / www.geo.web.ru/db/sectionpage.html?s=121108000&extsec=190900000.

8. Биосфера и ноосфера // АН СССР. Ин-т геохимии и аналит. химии им. В.И. Вернадского / Отв. ред.: Б.С. Соколов, А.А. Ярошевский. М.: Наука. 1989.258 с.

9. Воробьев А. Е., Соколов И. В. Об экологическом воздействии ресурсовос-производящих техногенных месторождений // Естественные и технические науки. 2008. № i.e. 136.

10. Воробьев А. Е., Соколов И. В. Экологический аспект ресурсовоспроизводящих горных технологий // Естественные и технические науки. 2008. № 1. С. 138.

11. Воробьев А.Е. и др. Планирование эксперимента. М.: Изд-во РУДН. 2004. 16 с.

12. Воробьев А.Е. Научные основы ресурсовоспроизводящих технологий недропользования // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. 2007. № 2. С. 7.

13. Воробьев А.Е. Ресурсовоспроизводящие технологии горных отраслей. М.: МГГУ. 2001. 150 с.

14. Воробьев А.Е. Современное инновационное недропользование на основе ресурсовоспроизводящих технологий // Тр. VI Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». М.-Караганда. 2007. С. 4.

15. Воробьев А.Е. Технологии управления параметрами выщелачивания. С. 159-185 // В кн.: Ананикян С.А. Выщелачивание металлов из потерянных руд. Владикавказ: Терек. 2001. 250 с.

16. Воробьев А.Е. Утилизация отходов производства. С. 293-365 // В кн.: Ко-тенко Е.А., Голик В.И., Хадонов З.М. Управление технологическими комплексами при разработке рудных месторождений / Под ред. Е.А. Котенко. Владикавказ: Терек. 2000. 390 с.

17. Воробьев А.Е., Балыхин Г.А., Гладуш А.Д. Основы техногенного воспроизводства нефти, горючего газа и угля в литосфере / Под ред. проф. А.Е. Воробьева. М.: Изд-во РУДН. 2006. 334 с.

18. Воробьев А.Е., Балыхин Г.А., Комащенко В.И. Национальная минерально-сырьевая безопасность России: современные проблемы и перспективы. Часть 1. М.: МИИР. 2005. 256 с.

19. Воробьев А.Е., Балыхин Г.А., Комащенко В.И. Национальная минерально-сырьевая безопасность России: современные проблемы и перспективы. Часть 2. М.: МИИР. 2005. 244 с.

20. Воробьев А. Е., Гладуш А.Д., Чекушина Т.В. Основные факторы промышленного синтеза техногенной нефти в литосферных реакторах // Технологии ТЭК. 2007. № 5. С. 80.

21. Воробьев А.Е., Дьяченко В.В., Вильчинская О.В., Корчагина А.В. Основы природопользования: экологические, экономические и правовые аспекты. Ростов н/Д: Феникс. 2006. 544 с.

22. Воробьев А.Е., Каргинов К.Г., Козырев Е.Н. Шахтное подземное выщелачивание полиметаллических руд. Владикавказ. 2003. 288 с.

23. Воробьев А.Е., Козырев Е.Н., Каргинов К.Г., Ашихмин А.А. Физико-химическая геотехнология золота. Владикавказ: Ремарко. 2001. 568 с.

24. Воробьев А.Е., Пучков JI.A. Человек и биосфера: глобальное изменение климата. Ч. I. М.: Изд-во РУДН. 2006. 442 с.

25. Воробьев А.Е., Пучков JI.A. Человек и биосфера: глобальное изменение климата. Ч. И. М.: Изд-во РУДН. 2006. 468 с.

26. Воробьев А.Е., Чекушина Т.В., Ашихмин А.А. Научно-методологические основы организации производства полиметаллов технологиями подземного выщелачивания / Под ред. проф. А.Е. Воробьева. М.: Изд-во РУДН. 2004. 160 с.

27. Воробьев А.Е., Чекушина Т.В., Каргинов К.Г., Погодин M.JI. Технология выщелачивания золота при отрицательной температуре окружающей среды / Под ред. проф. А.Е. Воробьева. М.: Изд-во РУДН. 2003. 95 с.

28. Галимов Э.М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. М.: Едиториал УРСС. 2006. 256 с.

29. Гаринова И.А. Воздействие техногенных месторождений на окружающую среду // Тр. VI Международной конференции «Ресурсовоспроизводя-щие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». М.Караганда. 2007. С. 455.

30. Геохимические барьеры в зоне гипергенеза / Под редакцией чл.-корр. РАН Н.С. Касимова и проф. А.Е. Воробьева М.: МГУ. 2002. 342 с.

31. Геохимия ландшафтов / Под редакцией Н.С. Касимова М.: МГУ 1999. 712с.

32. Горичев И.Г. и др. Влияние строения двойного электрического слоя на адсорбцию ионов на оксидах и гидроксидах железа. Брянск: Типография БГСХА. 2005. 101 с.

33. Горичев И.Г. и др. Использование принципов гетерогенной кинетики и фрактальной геометрии для анализа кинетических кривых растворения оксидов. М.: Спутник +. 2006. 117 с.

34. Горичев И.Г и др. Кинетика и механизмы растворения оксидно-медных фаз в растворах электролитов. М.: Изд-во РУДН. 2002. 210 с. '

35. Горичев И.Г. и др. Кинетика и механизмы растворения оксидов и гидро-ксидов железа в кислых средах. М.: Изд-во РУДН. 1999. 121 с.

36. Горичев И.Г. и др. Моделирование кинетических процессов растворения солей-с позиции диффузионной кинетики. М.: Прометей. 96 с.

37. Горичев ИГ., Батраков В.В. Зависимость заряда поверхности от потенциала на границе оксид/электролит // Электрохимия. 1992. Т. 28. № 1. С. 14.

38. Горичев И.Г, Батраков В.В., Дорофеев М.В. Влияние двойного электрического слоя на кинетику растворения оксидов меди (II) // Электрохимия. 1995. Т. 31. №3. С. 292.

39. Горичев И.Г, Куприянов Н.А. Кинетические закономерности процесса растворения оксидов металлов в кислых средах // Успехи химии. 1984. Т. 53. № 11. С. 1790.

40. Горное дело и окружающая среда, часть 1 / Бабков-Эстеркин В.И., Ватутин А.С., Воробьев А.Е., Куликова Е.Ю., Шилов А.А. М.: МГГУ. 1997. 122 с.

41. Горное дело и окружающая среда, часть 2 / Бабков-Эстеркин В.И., Ватутин А.С., Воробьев А.Е., Качак В.В., Коликов К.С., Королева В.Н., Куликова Е.Ю., Сластунов С.В., Соболев В.В., Шилов А.А. М.: МГГУ. 2000. 78 с.

42. Горное дело и окружающая среда, часть 3 / Бабков-Эстеркин В.И., Ватутин А.С., Воробьев А.Е., Куликова Е.Ю., Шилов А.А. М.: МГГУ. 1999. 70 с.

43. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / Председатель редакционной комиссии академик К.Н. Трубецкой. М.: Изд-во Академии горныхнаук. 1997. 478 с.

44. Государственные доклады «О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации». М.: Изд-во ВИНИТИ. 1991-2001.

45. Гулап Е.А. Принципы обеспечения промышленной и экологической безопасности гидротехнических сооружений в криолитозоне (на примере хво-стохранилища «Лебяжье») // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. 2007. № 2. С. 118.

46. Гуриев Г.Т., Воробьев А.Е., Голик В.И. Человек и биосфера: устойчивое развитие / Под ред. проф. А.Е. Воробьева. Владикавказ: Ремарко. 2001. 475 с.

47. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А, Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия.2006. 672 с.

48. Датиюв-Даншъян В.И., Лосев КС. Экологический вызов и устойчивое развитие. М.: Изд-во «Прогресс Традиция». 2000. 371 с.

49. Делъмон В. Кинетика гетерогенных реакций. М.: Мир. 1972. 555 с.

50. Дремина Ю.А., Горичев И.Г., Соколов КВ., Батраков В.В. Адсорбция ионов меди (Си2+) на оксиде меди (П) // Естественные и технические науки.2007. № 2. С. 86.

51. Дьяконов В.П. Mathcad 11/12/13 в математике. М.: Горячая линия Телеком. 2007. 958 с.

52. Дятлова Н.М., Темкина В.Я., Попов К.И. Комплексоны и комплексонаты металлов. М.: Химия. 1988. 455 с.

53. Егоренков Л.И., Кочуров Б.И. Экология. М.: Финансы и статистика. 2005. 320 с.

54. Забенъкина Е.О. и др. Моделирование катодного восстановления магнетита в кислых средах // Тр. XLIII Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики, химии. Секции химии: сб. докл. М.: Изд-во РУДН. 2007. С. 44.

55. Зайцев А.К., Похвиснев Ю.В. Экология и ресурсосбережение в черной металлургии / СОЖ. 2001. Т. 7. № 3. С. 52.

56. Зеликман АД. и др. Теория гидрометаллургических процессов. М.: Металлургия. 1975. 504 с.

57. Изотов А.Д., Горичев И.Г., Плахотная О.Н. Изучение растворения оксида меди (П) в аммиачных растворах с добавками комплексонов // Тр. XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. М.: Граница. 2007. Т. 3. С. 1209.

58. Изотов А.Д., Плахотная О.Н., Горичев И.Г., Соколов ИВ. Влияние комплексонов на кинетику растворения оксида меди (II) в сернокислых растворах // XT: Сб. тез. докл. Международной конференции по химической технологии. М. 2007. Т. 1. С. 178.

59. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. JI. 1984. 258 с.

60. Исидоров В.А. Экологическая химия. СПб.: Химиздат. 2001. 304 с.

61. Ишкилъдин Р.Д. Эффективность комплексного использования рудного сырья цветной металлургии как основа расширенного воспроизводства минерально-сырьевой базы народного хозяйства республики Башкортостан / www.anrb.ru/isei/cf2004/d822.doc.

62. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М.: Эдиториал УРСС. 2001. 288 с.

63. Карлович И.А. Экология. М.: Альма-Матер. 2005. 512 с.

64. Карлович И.А. Основы техногенеза: Кн. 1. Источники и потоки загрязнения окружающей среды. Владимир: ВГПУ. 2003. 330 с.

65. Карлович И.А. Основы техногенеза: Кн. 2. Факторы загрязнения окружающей среды. Владимир: ВГПУ. 2003. 540 с.

66. Киприянов Н.А., Горичев И.Г. Влияние катодной поляризации на электрохимическую кинетику процесса растворения магнетита в водном растворе хлороводородной кислоты // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. 2007. № 3. С. 85.

67. Козловский Е.А. Минерально-сырьевые проблемы России накануне XXI века (состояние и прогноз). М.: Изд-во МГГУ. 1999. 402 с.

68. Козырев Е.Н., Воробьев А.Е. Конверсия рудников Северного Кавказа на физико-химическую геотехнологию получения металлов / Под ред. проф. А.Е. Воробьева. Владикавказ: Ремарко. 2000. 200 с.

69. Кольцова Э.М., Гордеев Л.Г. Методы синергетики в химии и химической технологии. М.: Химия. 1999. 256 с.

70. Кочуров Б.И. Экология: экодиагностика и эколого-хозяйственный баланс территорий. Смоленск: СГУ. 1999. 154 с.

71. Кочуров Б.И. Экодиагностика и сбалансированное развитие. М.Смоленск: Маджента. 2003. 384 с.

72. Кроновер P.M. Фракталы и хаос в динамических системах. М.: Техносфера. 2006. 488 с.

73. Лидии P.А. и др. Химические свойства неорганических веществ. М.: КолосС. 2006. 480 с.

74. Марченко З.А. Фотометрическое определение элементов. М.: Мир. 1971. 501 с.

75. Мелконян Р.Г., Глебов А.Н., Ковальская РН. Природа и общество: экологический конфликт и пути его решений / Под общ. ред. проф. Р.Г. Мелконя-на. Казань: «Экоцентр». 2006. 268 с.

76. Морозов В.К Эколого-экономическая оценка накопленного ущерба от загрязнения почв в районах действия горно-металлургических и других производств // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. 2007. № 2. С. 49.

77. Небел Б. Наука об окружающей среде. М.: Мир. 1992. 816 с.

78. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир. 1975. 742 с.

79. Осипов В.И. Экология: понятие, задачи, приоритеты // Экология. 1997. № 1. С. 3.

80. Папичев В.И. Оценка воздействия горного производства на окружающую природную среду с использованием ресурсного подхода. М.: ИПКОН РАН. 2004. 60 с.

81. Пат. РФ 2062877. Способ складирования горной породы / Воробьев А.Е., Чекушина Т.В., Чекушин А.В.

82. Пат. РФ 2058483. Способ внутриотвального обогащения и переработки некондиционных руд / Трубецкой К.Н., Воробьев А.Е., Чекушина Т.В.

83. Пашкевич М.А. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду. СПб.: Изд-во СПГГИ. 2000. 230 с.

84. Перелъман А.И., Воробьев А.Е. Геохимия горнопромышленных ландшафтов и их систематика // Вестник МГУ. Серия География. 1995. № 1. С. 16.

85. Перельман А.И., Воробьев А.Е. Параметры самоорганизации природных геохимических ландшафтов // Известия РАН. Серия География. 1996. № 5. С. 7.

86. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: МГГУ. 1999. 498 с.

87. Плахотная О.Н. Моделирование механизма влияния комплексонов (ЭДТА, ОЭДФ, ДТПА) при различных рН на кинетику растворения оксида меди (II): Автореф. дис. канд. хим. наук. М. 2005. 17 с.

88. Пучков JI.A., Воробьев А.Е. Человек и биосфера: вхождение в техносферу. М: Изд-во МГГУ. 2000. 342 с.

89. Реймерс Н.С. Экология: теории, законы, правила, принципы и гипотезы. М.: Россия молодая. 1994. 367 с.

90. Реймерс Н.Ф. Природопользование. М.: Мысль. 1990.

91. Реймерс Н.Ф. Экология. М.: РОССИЯ. 1994. 367 с.

92. Розанов Б.Г. Основы учения об окружающей среде. М.: МГУ 1984. 373 с.

93. Серов А.И., Ярославцев Ю.Г., Смоляков В.В. Комплексный алюминиевыйсплав из вторичных материалов для раскисления стали // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2003. № 2. С. 37.

94. Скатецкий В.Г. и др. Математические методы в химии. Мн.: ТетраСи-стемс. 2006. 368 с.

95. Скибенко В.В., Медведев В.Т., Чудов B.JI. Отбор проб для анализа загрязнения биосферы. М.: Изд-во МЭИ. 2006. 52 с.

96. Соколов КВ. и др. Использование Mathcad для моделирования и расчета кислотно-основных равновесий. М.: Прометей. 2007. 93 с.

97. Соколов КВ. и др. Расчет констант кислотно-основных равновесий на границе оксид меди/электролит // Тр. XLII Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики, химии. Секции химии: сб. докл. М.: Изд-во РУДН. 2006. С. 3

98. Соколов К.В., Горичев К. Г., Кзотов АД О значимости кислотно-основных свойств оксидов металлов // Тр. XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. М.: Граница. 2007. Т. 1. С. 442.

99. Соколов КВ., Горичев КГ. Вывод аналитических выражений кривых титрования // Естественные и технические науки. 2006. № 4. С. 80.

100. Соколов КВ., Горичев К.Г., Кзотов АД. Обобщение моделей гетерогенной кинетики на основе вероятностного подхода // XT: Сб. тез. докл. Международной конференции по химической технологии. М. 2007. Т. 2. С. 122.

101. Тарасевич Ю.Ю. Математическое и компьютерное моделирование. М: Едиториал УРСС. 2004. 152 с.

102. Тенденции и динамика загрязнения природной среды Российской Федерации на рубеже XX-XXI веков / Под общ. ред. акад. РАН Ю.А. Израэля. М.: АНО «Метеоагентство Росгидромета». 2007. 64 с.

103. Третьяков Ю.Д. Химия нестехиометрических окислов. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1974. 364 с.

104. Трубецкой КН., Каплунов Д.Р., Чаплыгин Н.Н., Милетенко Н.В. Недра и обеспечение экологической безопасности их освоения / Освоение недр и экологические проблемы взгляд в XXI век. М.: Изд-во АГН. 2001. С. 3.

105. Трубецкой КН., Чантурия В.А., Каплунов Д.Р., Чаплыгин Н.Н. Горные науки горнорудному производству // Горный журнал. 2003. № 10. С. 13.

106. Федоров А.А., Казиев Г.З., Казакова ГД. Выбор метода утилизации вскрышных пород с позиции оценки их физико-химических свойств // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. 2007. № 2. С. 72.

107. Чалый В.П. Гидроокиси металлов. Киев: Наукова Думка. 1972. 420 с.

108. Чантурия В.А. Перспективы устойчивого развития горно-перерабатывающей индустрии России: Научный доклад на заседании АН России. М. 2006.

109. Чаплыгин Н.Н. Основания экологической теории комплексного освоения недр. М.: ИПКОН РАН. 2006. 102 с.

110. Чаплыгин Н.Н. Проблемы экологизации освоения недр и новые подходы к ее обоснованию // Горный журнал. 1996. № 4. С. 42.

111. Чаплыгин Н.Н., Папичев В.И. Горная экология в исследованиях ИПКОН РАН // Горный вестник. 1997. № 5. С. 86.

112. Шмид Р., Сапунов В.П. Неформальная кинетика в поисках путей химических реакций. М.: Мир. 1985. 264 с.

113. Экология промышленного производства / Алборов И.Д., Голик В.И., Цго-ев Т.Ф., Воробьев А.Е., Котенко Е.А. Владикавказ. 1996. 346 с.

114. Якушева Е.А., Соколов И.В., Горичев И.Г. Моделирование адсорбции ионов кобальта (2+) на оксиде кобальта Со203 // Естественные и технические науки. 2006. № 4. С. 86.

115. Labbez С., Nonat A., Pochard I., Jonsson В. Experimental and theoretical evidence of overcharging of calcium silicate hydrate // J. Colloid Interface Sci. 2007. V. 309. № 2. P. 303.

116. Pekka S. et al. Adsorption studies on iron oxides with reference to the oxide films formed on material surfaces in nuclear power plants // VTT Research Notes. Espoo. 2002. № 2182

117. Sokolov I.V., Gorichev I.G., Izotov A.D. On significance of acid-base properties of metal oxides // Proc. of XVIII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry. Moscow: Granitsa. 2007. V. 1. P. 440.

118. Stumm W., Wehrli В., Wieland E. Surface Complexation and its impact on geo-chemical kinetics // Croat. Chem. Acta. 1987. V. 60. № 3. P. 429.

119. Совершенствование природоохранных методов формирования техногенных месторождений из забалансовых медьсодержащих руд и металлоносных пород

120. Sokolov Igor Vladimirovich (Russia)