Геология и Геофизика Юга России

2221-3198

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук"

909

10.46698/VNC.2024.82.22.011

Геотехнология. Геомеханика

Извлечение металлов из убогого сырья и хвостов переработки руд с активацией процессов путем комбинирования химической и механической энергии

Голик

В.И.

v.i.golik@mail.ruБурдзиева

О.Г.

Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН, Россия, 362002, г. Владикавказ, ул. Маркова, 93а; Московский политехнический университет, Россия, 107023, г. Москва, Б. Семеновская, 38Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН, Россия, 362002, г. Владикавказ, ул. Маркова, 93а

30032024

1152161

2024

Геология и геофизика Юга России

Актуальность темы исследования объясняется необходимостью поиска инновационных способов извлечения металлов из убогого сырья и хвостов переработки руд, в том числе, с активацией процессов извлечения металлов путем комбинирования химической и механической энергии. Методика достижения поставленной цели позволяет оценить возможности глубокой переработки в условиях горных предприятий различных отраслей и определить эколого-экономический эффект реализации новых технологий. Результаты. Сформулирована концепция глубокой переработки некондиционного минерального сырья, решающая одновременно и экологические и экономические проблемы разработки месторождений. Предложена математическая модель процесса выщелачивания металлов из некондиционных руд и хвостов их обогащения с повышением их технологических свойств активацией в дезинтеграторе. Предложена интегральная экономико-математическая модель процесса и расчет экономического эффекта вариантов вовлечения некондиционного минерального сырья в производство. Экспериментально подтверждено, что интенсификация процессов выщелачивания металлов достигается использованием возможностей дезинтегратора. Показано, что уменьшение содержания металлов с увеличением глубины работ будет удорожать стоимость товарных продуктов. Определено, что перспективным направлением извлечения металлов из некондиционного сырья является комбинированное химическое обогащение и механическая активация в рабочем органе дезинтегратора. Выщелачивание в дезинтеграторе существенно увеличивает излечение металлов в раствор и открывает возможность безотходного производства металлов при неоднократной переработке сырья. Методы извлечения металлов выщелачиванием некондиционного сырья получают развитие на ряде горных предприятий. Концепция глубокой переработки некондиционного минерального сырья реализуется путем применения математических моделей и пакета программного обеспечения.

metalextractionactivationmathematical modeldisintegratorintensificationefficiency

металлизвлечениеактивацияматематическая модельдезинтеграторинтенсификацияэффективность

Введение Добыча полезных ископаемых отличается масштабностью и применением высокопроизводительной техники. Добыча стратегически важных и ценных руд характеризуется динамичностью, обусловленной конъюнктурой сырья на рынке. Эффективность разработки рудных месторождений связана с размещением предприятий на малоосвоенных территориях [Дмитрак и др., 2019; Валиев и др., 2020; Галачиева и др., 2018]. Извлеченное из недр некондиционное минеральное сырье подвержено дезинтеграции, продукты которой формируют концентрации тяжелых металлов и токсичных элементов с негативными последствиями для флоры, фауны и социума [Игнатьева и др., 2021; Ляшенко и др., 2020; Заалишвили и др., 2021; Нуреев и др., 2022; Бурдзиева и др., 2023; Doifode, Matani, 2015]. Хранение извлеченного из недр некондиционного сырья приносит окружающей среде пока еще недостаточно оцениваемый ущерб, поэтому радикальной мерой снижения опасности является его безотходная утилизация. Традиционные обогатительные процессы позволяют выделять из хвостов товарные продукты, но оставляют после себя вторичные хвосты [Hulelidze et al., 2016; Бывальцев и др., 2019; Валиев и др., 2019]. Увеличение объемов хвостов в хранилищах является следствием концепции валовой выемки руд в расчете на прогресс технологий их обогащения на земной поверхности, которая себя не оправдала. Эффективность предложенной концепции требует экспериментального доказательства, предлагаемых к применению, технологий. Приоритетным направлением становится оптимизация параметров активации для максимального извлечения металлов при минимальных затратах энергии [Бунин и др., 2017; Рыбак и др., 2021; Чантурия, 2017]. Это осуществляется путем использования активаторов процесса, нередко комбинируемых. Так, в промышленной установке (Пенсильвания, США) комбинировали барабанную мельницу фирмы «Fuller» и вибрационную мельницу фирмы «Micro Grinding Systems, Inc.», США (рис. 1). <img class="frame-176" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/Image82819_fmt.jpeg" alt="Image82819.JPG" /> Рис.1. Промышленная установка с комбинированием активаторов / Fig. 1. Industrial plant with activator combinations Способом решения проблем безотходного извлечения металлов из некондиционного по содержанию металлов сырья является механохимическая технология, основу которой составляет концепция выщелачивания в быстроходной мельнице – дезинтеграторе [Хинт, 1981; Golik et al., 2020; Golik et al., 2023]. Эта концепция нуждается в практическом и теоретическом обосновании, чему и посвящена статья, содержащая результаты первого в практике горного дела применения реагентного выщелачивания металлосодержащих минералов в дезинтеграторе, осуществленного в Геофизическом институте Владикавказского научного центра РАН (Отдел геологии, гидрогеологии и геоэкологии). Методика исследования Для обоснования целесообразности применения новой технологии использована выпускаемая промышленностью дезинтеграторная установка ДЕЗ-11 (рис. 2). В основу методики исследований положены программа СКТБ «Дезинтегратор» и практика промышленного использования дезинтеграторной установки на месторождении «Шокпак» (Северный Казахстан). Этапы комплексных исследований способов реагентного выщелачивания: - в агитаторах (базовый способ); - в дезинтеграторе (новый способ). Свойства руд и параметры их переработки исследованы в ходе переработки хвостов обогащения Мизурской фабрики (РСО–Алания). Хвосты просеивали и подавали в рабочий орган дезинтегратора. Туда же дозировано подавали реагенты. 1. <img class="frame-177" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/Image82828_fmt.jpeg" alt="P1310015" /> Рис. 2. Лабораторный дезинтегратор Дез-11 / Fig. 2. Laboratory disintegrator Des-11 По величине изменения содержания в хвостах судили об эффективности выщелачивания свинца и цинка. Принципиальное устройство дезинтегратора для выщелачивания металлов поясняется рис. 3. <img class="frame-178" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/83238.png" alt="83238.png" /> Рис. 3. Принцип выщелачивания металлов в дезинтеграторе / Fig.3. Principle of metal leaching in the disintegrator Эффективность извлечения металлов исследовали сравнением показателей выщелачивания в агитаторе и в дезинтеграторе в течение 60 минут. Результаты опытов интерпретировали графически, а параметры выщелачивания описывали математически. Порядок проведения экспериментов: 1. Отбор 50 г высушенного материала для единичного эксперимента. 2. Приготовление выщелачивающего раствора заданного состава для единичного эксперимента при данном соотношении Ж:Т. 3. Приготовление пульпы смешением раствора с рудным материалом. 4. Пропуск пульпы через дезинтегратор, роторы которого вращаются с заданной скоростью. 5. Фильтрация продукционного раствора. 6. Анализ содержания металлов в растворе. 7. Фиксирование результатов анализа. 8. Выполнение регрессионного анализа с определением рациональных значений независимых параметров процесса выщелачивания. Энергетические показатели определяли прибором Н 339 и амперными клещами на электродвигателях дезинтегратора на холостом ходу и во время работы дезинтегратора. Результаты исследования Исследованные варианты выщелачивания различаются тем, что продолжительность агитационного выщелачивания для извлечения одинакового количества металлов на два порядка превышает продолжительность выщелачивания в дезинтеграторе. Из этого можно сделать вывод о том, что выщелачивание в дезинтеграторе эффективнее, чем в агитаторе. При этом необходимо отметить, что во всех вариантах цинк выщелачивается легче, чем свинец. Прибыль от извлечения металлов из некондиционного сырья может быть определена применением экономико-математической модели: <img class="frame-179" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/83254.png" alt="83254.png" /> где П – прибыль, руб./т; С – реализация продуктов переработки хвостов, руб./т; З – затраты на переработку хвостов, руб./т; n – номенклатура компонентов хвостов; Q – масса хвостов, т; t – продолжительность переработки; Ш – штрафы за хранение хвостов, руб./год. Показатели конкурирующих технологий выщелачивания металлов определены для условий Садонских месторождений (Северный Кавказ) путем сопоставления показателей извлечения металлов из богатых руд на фабрике (1), выщелачивания бедных руд в подземных блоках (2) и хвостов флотационного обогащения (3). Моделирование результатов применения технологий разработки осуществлено при условии производства одинакового количества металлов в единицу времени (табл. 1). Таблица 1 / Table 1 Сравнительные показатели вариантов производства металлов / Comparative indicators of metal production options <table> <colgroup> <col class="Row-Column-180" /> <col class="Row-Column-181" /> <col class="Row-Column-98" /> <col class="Row-Column-98" /> <col class="Row-Column-127" /> </colgroup> <tbody> <tr> <td> Показатели / indicators </td> <td> Единицы / Units </td> <td> Этапы / Stages </td> </tr> <tr> <td> 1 </td> <td> 2 </td> <td> 3 </td> </tr> <tr> <td> Добыто руды / Ore mined </td> <td> т. т/год / tons t/year </td> <td> 130 </td> <td> 240 </td> <td> - </td> </tr> <tr> <td> Переработано хвостов обогащения / Tailings processed </td> <td> т. т/год / tons t/year </td> <td> - </td> <td> - </td> <td> 1000 </td> </tr> <tr> <td> Содержание металлов в сырье / Metal content in raw materials </td> <td> г/т / g/t </td> <td> 5 </td> <td> 3 </td> <td> 1 </td> </tr> <tr> <td> Количество металлов в сырье / Metal volume in raw materials </td> <td> кг / kg </td> <td> 623 </td> <td> 718 </td> <td> 1010 </td> </tr> <tr> <td> Извлечение в концентрат / Extraction into concentrate </td> <td> % </td> <td> 80 </td> <td> 70 </td> <td> 50 </td> </tr> <tr> <td> Добыто металлов в концентрате / Metals extracted in concentrate </td> <td> кг / kg </td> <td> 510 </td> <td> 500 </td> <td> 500 </td> </tr> <tr> <td> Цена концентрата / Concentrate price </td> <td> руб./кг / rub./kg </td> <td> 300 </td> <td> 300 </td> <td> 300 </td> </tr> <tr> <td> Стоимость концентратов / Concentrate cost </td> <td> т. руб. / t. rub. </td> <td> 150000 </td> <td> 150000 </td> <td> 150000 </td> </tr> <tr> <td> Объем горной массы / Volume of rock mass </td> <td> т. м3/год / t. m3/year </td> <td> 51 </td> <td> 42 </td> <td> - </td> </tr> <tr> <td> Образовано хвостов / Tailings produced </td> <td> т. т/год / tons t/year </td> <td> 96 </td> <td> 164 </td> <td> - </td> </tr> <tr> <td> Стоимость попутных товаров / Cost of by-products </td> <td> т. руб. / t. rub. </td> <td> - </td> <td> - </td> <td> 30000 </td> </tr> <tr> <td> Всего стоимость продуктов / Total cost of products </td> <td> т. руб./год / t. rub./year </td> <td> 150000 </td> <td> 150000 </td> <td> 180000 </td> </tr> <tr> <td> Эксплуатационные расходы / Operating costs </td> <td> руб./т / rub./t </td> <td> 1000 </td> <td> 500 </td> <td> 170 </td> </tr> <tr> <td> Расходы на добычу и обогащение / Mining and milling costs </td> <td> т. руб. / t. rub. </td> <td> 125000 </td> <td> 142000 </td> <td> 170000 </td> </tr> <tr> <td> Прибыль на объем производства / Profit per volume of production </td> <td> т. руб./год / t. rub./year </td> <td> 25000 </td> <td> 8000 </td> <td> 10000 </td> </tr> <tr> <td> Прибыль на 1 г товарной продукции / Profit per 1g of marketable product </td> <td> руб./ г / rub./g </td> <td> 40 </td> <td> 18 </td> <td> 20 </td> </tr> <tr> <td> Эффективность производства / Production efficiency </td> <td> % </td> <td> 145 </td> <td> 100 </td> <td> 109 </td> </tr> </tbody> </table> 1. Эффективность предлагаемой технологии определяется учетом совокупности технологических, экономических и экологических факторов. 2. Эколого-экономическая модель для определения эффективности утилизации некондиционного сырья объединяет экологический и экономический компоненты в рамках единой системы. Эффективность переработки в дезинтеграторе повышают совмещением механической активации с увеличением температуры процесса (рис. 4). В рабочей камере дезинтегратора сырье смешивается с жидкостью, подогретой до температуры 90…95 оС, под действием центробежных сил проникает сквозь ряды пальцев и отбрасывается на внешний диск, где частицы нужной крупности удаляются. Частицы же большего размера измельчаются дисками и вновь поступающими частицами. Эффективность механохимической активации процессов выщелачивания доказана экспериментально при извлечении металлов из хвостов обогащения полиметаллических руд Садона, углей Российского Донбасса и железистых кварцитов Курской магнитной аномалии, где извлечение металлов в раствор достигало 70% от исходного содержания. Важно, что снижение содержания металлов до фонового уровня возможно при увеличении циклов переработки. <img class="frame-182" src="Геол_ж_№1(2024)-web-resources/image/Image47506545_fmt.png" alt="Image47506545.PNG" /> Рис. 4. Усовершенствованная конструкция дезинтегратора: 1 – корпус; 2 – пальцы; 3 – внутренний диск; 4 – внешний диск; 5 – механизм управления; 6 – форсунки; 7 – патрубок; 8 – емкость с жидкостью; 9 – нагревательный элемент; 10 – выпускное отверстие / Fig. 4. Improved design of the disintegrator: 1 – body; 2 – load pins; 3 – inner disk; 4 – outer disk; 5 – control mechanism; 6 – nozzles; 7 – pipe; 8 – reservoir with liquid; 9 – heating element; 10 – outlet opening. Основополагающие принципы рационализации техногенного цикла горно-металлургического предприятия изложены в ряде работ специалистов России [Петров и др., 2020; Бригида и др., 2020; Хайрутдинов и др., 2020] и Зарубежья [Lagneau et al., 2019; Lööw et al., 2019]. Выводы Возможность выщелачивания металлов из некондиционного сырья впервые в горной практике доказана экспериментами в дезинтеграторной установке ДЕЗ-11 в Отделе геологии, гидрогеологии и геоэкологии Геофизического института ВНЦ РАН. Показатели механохимического выщелачивания могут быть улучшены за счет увеличения времени переработки. Параметры безотходной переработки сырья в дезинтеграторе с использованием комбинированной механохимической активации описываются экономико-математической моделью.