Механизм воздействия наносекундных электромагнитных импульсов на структурно-химические и флотационные свойства пирита и арсенопирита

Настоящая диссертация посвящена изучению влияния обработки наносекундными электромагнитными импульсами на структурно — химические свойств пирита и арсенопирита и выявлению на основании полученных данных оптимальных режимов электроимпульсного воздействия, обеспечивающих эффективное флотационное разделение минералов.

Актуальность работы обусловлена существующей на данный момент проблемой поиска и разработки новых способов разделения минеральных комплексов в условиях резкого обеднения минерально-сырьевой базы характеризующейся, прежде всего, сложным вещественным составом руд, низким содержанием, тонкой вкрапленностью и близкими физико-химическими и технологическими свойствами разделяемых компонентов [1]. Практика исследований в области переработки такого типа руд позволяет говорить об экономической нецелесообразности применения традиционных технологий. В этой связи, перед исследователями стоит задача разработки новых процессов и методов, которые могли бы обеспечить эффективную комплексную переработку минерального сырья.

Характерным представителем руд сложного вещественного состава являются золотоносные пирит — мышьяковистые руды с золотом микронных размеров, тесно ассоциированным с сульфидами, составляющие порядка 30% всех мировых запасов золота [2]. Их переработка осуществляется на десятках предприятий, практически во всех странах, являющихся основными производителями золота в мире.

Типовые схемы переработки этого типа руд, как правило, включают в себя операцию флотационного обогащения с выделением отвальных хвостов и концентратов, последние далее подвергаются металлургической и пирометаллургической переработке, конечным продуктом которых являются 4 черновые металлы. Основной проблемой при флотации золотосодержащих сульфидных руд является достижение максимальной селективности разделения сульфидов железа и мышьяка. Присутствие связанного с арсенопиритом мышьяка заметно сокращает возможности дальнейшей переработки золотосодержащего пирит — мышьякового концентрата: исключается применение пирометаллургических методов по причине выделения мышьяковистых газов вследствие чего для вскрытия тонкодисперсного золота вынужденно используется дорогостоящий метод кислотного автоклавного выщелачивания. Осложняется вопрос использования гидрометаллургических методов, так как цианидное выщелачивание, являющееся наиболее распространенным гидрометаллургическим переделом, ингибируется соединениями мышьяка.

3].

Однако достижение, селективности, приемлемой с технологической точки зрения осложнено близостью флотационных свойств пирита и арсенопирита: ни один из известных на данный момент методов разделения не обеспечивает кондиционного качества концентратов.

На основании вышеизложенного можно заключить, что проблема селекции пирита и арсенопирита не только не утратила своей актуальности, но и более того, вследствие изменения распределения запасов минерального сырья по типам руд, приобрела более важное значение.

В настоящее время для повышения контрастности технологических свойств минерального сырья используются различные методы энергетического воздействия на минералы, минеральные суспензии и воду. Вопросам применения энергетических воздействий на геоматериалы с целью интенсификации процессов переработки минерального сырья посвящены труды видных отечественных и зарубежных ученых: И. Н. Плаксина, В. А. Чантурия, В. В. Адушкина, Г. Р. Бочкарева, Ю. В. Гуляева,.

В.А. Черепенина, В. А. Вдовина, А. Т. Ковалева, И. Ж. Бунина, В. Е. Вигдергауза, С. А. Гончарова, В. И. Куреца, Г. В. Седельниковой, В. И. Ростовцева, Т. С. Юсупова, П. П. Ананьева, Г. С. Крыловой, А. Б. Хвана, К.Е. Haque, S.W. Kingman и др. Обзорная информация по видам энергетических воздействий, включающая главные технологические эффекты и уровень энергозатрат, дана таблице 1[4].

Таблица 1 Нетрадиционные энергетические методы воздействия на минеральные комплексы.

Вид воздействия, процессы (операции) переработки, технологический эффект, вид сырья. Ограничения, побочные эффекты Расход электроэнергии, кВт/ч. авторы.

Электрохимическая обработка.

Процессы выщелачивания, Повышение извлечения Аи и Ag на 10−25%. Сульфидные руды, содержащие благородные металлы. Повышенный расход электроэнергии, Торможение процесса дезинтеграции за счет образования серы S0, пассивация электродных систем, необходимость сочетания с химическим воздействием для повышения электропроводности среды. 50−60 (водная среда) 20−30 (щелочная и кислая среда) В. А. Чантурия В.Е.Вигдергауз Т. В. Чекушина 1993.

Поток ускоренных электронов.

Дезинтеграция минеральных комплексов, повышение производительности цикла измельчения в 1,5−2 раза Извлечение Си, Zn, Pb при флотации на 5−10%, извлечение Аи и Ag при цианировании на 25−30% Сульфидные руды, железные руды Высокие капитальные затраты: Технические трудности внедрения в действующие схемы обогащения, Повышенный расход электроэнергии нагрев образца, изменение поверхностных и объемных свойств. 5−10 Г. В. Бочкарев В.И. Ростовцев Ю. П. Вейгельт В.А. Чантурия В. Е. Вигдергауз 1983;2000.

СВЧ-обработка.

Разупрочнение минеральных комплексов, сокращение времени измельчения на 20−25%, повышение извлечения золота на 10% зотосодержащие кварц-полевошпатовые руды пиритные концентраты, золотомышьяковые гравитационные концентраты, содержащие МПГ. Сложность реализации в промышленных условиях, нагрев образца, оплавление Возможность обработки только сухих образцов изменение поверхностных и объемных свойств минералов 5−7 K.E.Haque 1999 A.В. Хван Г. В .Сидельникова B.И. Соловьев 2001;2004.

Сверхмощные гиперударные волны.

Микрорезонанасная дизитеграция минеральных комплексов, увеличение выхода алмазов на 20% в виде сырья. Высокие энергозатраты недостаточная селективность воздействия Мксимальное давление гиперударной волны —1000 мПа. В. Ю. Верман 1996.

Электроимпульсная обработка.

Разрушение вследствие электрического взрыва в объеме материала повышение степени раскрытия сростков минералов Все виды сырья Высокие энергозатраты Ограничение на обработку тонкодисперсного минерального сырья перед цианированием Энергия в импульсе0,5−20 кДж В. И. Курец В.Ф. Усов В. А. Цукерман 1970;2009.

Электрогидродннамическое воздействие.

Наносекундный пробой воды, содержащей взвешенные минеральные частицы повышение извлечения золота При цианировании на 60−70% Золотосодержащие хвосты переработки медно-цинковых руд Неконтролируемое изменение ионного состава жидкой фазы невозможность обработки сухого Или увлажненного (на 10−15%) материала крупность материала должна быть90% класса -74 мкм 3−5 Ю. А. Котов Г. А. Месяц А. Л. Филатов и др. 2000.

Магнито-импульсная обработка.

Образование трещин железистые кварциты Применим преимущественно для минералов ферромагнетиков малый прирост извлечения золота Уменьшение суммарных энергозатрат на 3−5 кВт-ч/т С. А. Гончаров и др. 2000;2009.

Мощные наносекундные электромагнитные импульсы.

Дезинтеграция и вскрытие тонкодисперсных минеральных комплексов повышение извлечения благородных металлов на 10−80% при цианировании МПГ в операциях обогащения в центробежных концентраторах на 5−6 5 при доводке черновых концентратов и на 60−70% при дообогащении хвостов сульфидные руды, кварциты, продукты обогащения, содержащие благородные металлы и МПГ. Максимальный размер минеральной частицы 100 мкм, необходимость экранизации зоны размещения генератора импульсов влажность материала не должна превышать 30% В. А. Чантурия Ю.В. Гуляев И. Ж. Бунин В. Д. Лунин ИГПСОН РАН, ИРЭ РАН, ЦНИГРИ ООО «ИЦИТ», ГМК «Норильский никель» 1997;2008.

Максимальная эффективность достигнута на основе использования наносекундных электромагнитных импульсов (МЭМИ), обеспечивающих при небольших энергетических затратах, эффективное вскрытие сульфидов и высокое извлечение благородных металлов при цианировании (авторы Чантурия В. А., Гуляев Ю. В., Бунин И. Ж, Черепенин А. В., Седельникова Г. В. и др.). Механизмы дезинтеграции и вскрытия сульфидов изложены в публикациях вышеперечисленных авторов и детально описаны в докторской диссертации Бунина И.Ж.

Однако, в данных исследованиях не были изучены процессы, протекающие на поверхности сульфидов, возможности образования и химический состав новых фаз, изменение их электрохимических и электрофизических свойств от дозы облучения, т. е. изменения структурно-химических свойств минералов, предопределяющих их сорбционные и флотационные свойства.

Поэтому, цель диссертационной работы — установление основных закономерностей химических и физико-химических преобразований поверхности пирита и арсенопирита в зависимости от энергии наносекундной электромагнитной импульсной обработки и интенсификация процесса их флотационного разделения.

Идея работы заключается в возможности применения мощных наносекундных электромагнитных импульсных излучений для направленного изменения химического и фазового состава поверхности, повышения контрастности физико-химических и флотационных свойств пирита и арсенопирита.

Основные задачи исследований:

Изучение закономерностей изменения химического и фазового состава поверхности, электрофизических, электрохимических, физико-химических и флотационных свойств пирита и арсенопирита в зависимости от энергии (дозы) электромагнитного импульсного излучения, в том числе:

1) изучение основных химических процессов, протекающих на поверхности пирита и арсенопирита, в зависимости от затраченной энергии импульсного воздействия.

2) исследование влияния МЭМИ на электрофизические и электрохимические свойства пирита и арсенопирита 8.

3) изучение изменений сорбционных и флотационных свойств пирита и арсенопирита в результате предварительной электроимпульсной обработки.

4) установление и обоснование оптимального режима наносекундного импульсного воздействия для достижения максимальной селективности флотационного разделения пирита и арсенопирита.

Методы исследований.

Методы исследования поверхности твердого тела: РФС (Kratos Axis Ultra), ИКФС (Bruker EQUINOX55) — методы изучения вещественного состава, структуры и свойств минералов: растровая электронная микроскопия (РЭМ, микроскоп Hitachi S4800), рентгеноспектральный микроанализ с электронным зондом (РСМА, энергодисперсионный анализатор «Edax»), рентгенофазовый анализ (дифрактометр Bruker D8 ADVANCE) — методы измерения электрофизических и электрохимических свойств (термоэлектродвижущей силы, электродного потенциала) минералов, масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) — флотационные эксперименты, методы математической статистики для обработки результатов исследований (программа Origin 8).

Исследования проводились на образцах пирита и арсенопирита месторождения Дарасунское (Забайкальский край). Электроимпульсная обработка образцов в виде навесок (5 г.) крупностью (-100+50 мкм) в увлаженном состоянии, отдельных минеральных зерен и кристаллов проводилась на установке УОМЭП — 1 (УРАН ИПКОН РАН) при следующих параметрах импульсного воздействия: напряженность у электрической компоненты поля — 10 В/м, тип импульса — видеоимпульс, длительность импульса — 3 — 5 не, форма импульса — однополярный, энергия в импульсе — 0,1 Дж, частота повторения импульсов — 100 Гц.

Научная новизна работы заключается в выявлении механизма процесса структурно-химических преобразований поверхности железосодержащих сульфидов (пирита, арсенопирита) при воздействии импульсных полей высокой напряженности:

Впервые выявлены три стадии процесса структурно-химического преобразования поверхности пирита и арсенопирита в зависимости от энергии наносекундного импульсного воздействия.

Установлено влияние МЭМИ на сорбционную активность пирита и арсенопирита, обусловленное изменением электрофизических, электрохимических и физико-химических свойств поверхности минералов.

Впервые экспериментально обоснован эффект изменения флотационной активности пирита и арсенопирита за счет предварительного воздействия МЭМИ.

Основные защищаемые положения.

I. На примере исследованных минералов (пирита и арсенопирита) установлена трехстадийность протекания процесса структурно-химического преобразования поверхности железосодержащих сульфидов при воздействии импульсных полей высокой напряженности:

1) начальная стадия (< 0,1 кДж) — окисление пирита (арсенопирита) с образованием железодефицитного сульфида FeixS2-y, где х"у (Fej.a Asi-ь Sic, где с" а, Ь), оксидов и гидроксидов FexOy-FeOOH (FexOy — FeOOH — AsxOy) и интенсивным формированием гидрофобной элементной серы S0 на поверхности пирита (незначительным увеличением доли (ат.%) серы, связанной в полисульфид 8п2″ для арсенопирита).

2) интервал энергий электроимпульсного воздействия (0,1-^-0,5-кДж) обусловливает «обновление» поверхности пирита (арсенопирита) вследствие протекания процесса термического удаления элементной S0 (полисульфидной Sn «) серы с поверхности сульфида в виде сернистого газа.

3) при энергиях электромагнитной обработки (>1,0 кДж) начинается новый этап окисления поверхности пирита (арсенопирита).

II. Электроимпульсная обработка приводит к разнонаправленному изменению электрохимических свойств минералов: росту положительного значения ср — потенциала пирита и увеличению отрицательного значения српотенциала арсенопирита, что способствует повышению контрастности технологических свойств минералов. Сдвиг ср — потенциала пирита в положительную область значений способствует адсорбции анионного собирателя (например, ксантогената) и гидрофобизации поверхности минерала. Увеличение отрицательного значения српотенциала арсенопирита препятствует закреплению ксантогената и снижает флотируемость минерала в концентрат.

III. Механизм повышения селективности флотационного разделения изученных минералов после воздействия МЭМИ заключается в следующем:

1) повышение флотационной активности пирита при малых энергиях (<0,1 кДж) электроипульсной обработки связано с формированием элементной серы S0- в интервале от 0,1 кДж до 1 кДж — с изменением фазового состава (увеличение доли сульфатов железа в поверхностном слое) и электрофизических и электрохимических свойств поверхности (снижение соотношения пе/пр и сдвига српотенциала в положительную сторону).

2) снижение флотационной активности арсенопирита обусловлено увеличением гидратированности поверхности минерала в процессе обработки, а также с изменением электрофизических и электрохимических свойств: увеличение концентрации свободных электронов пе и сдвигом потенциала в отрицательную сторону.

Научное значение работы.

Вскрыт механизм изменения структурно-химических свойств и фазового состава поверхности пирита и арсенопирита при воздействии наносекундных электромагнитных импульсов, что позволило обосновать оптимальные режимы обработки, обеспечивающие флотационное разделение железосодержащих сульфидов.

Практическое значение работы заключается в разработке оптимальных режимов воздействия наносекундных электромагнитных импульсов на минеральные суспензии для повышения селективности флотационного разделения золотосодержащих пирита и арсенопирита.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов результатов обоснована корректностью поставленных задач, непротиворечивостью полученных результатов и выводов, подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных исследований с использованием математической статистики при доверительной вероятности не менее 95%.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 3-ем франко-российском семинаре NAMES' 07 г. Мец (Франция) 1−7 ноября 2007 г., международной конференции «Современные проблемы обогащения и глубокой переработки минерального сырья» (Плаксинские чтения) г. Владивосток, 16−21 сентября 2008 г., международной конференции «Инновационные процессы в технологиях комплексной экологически безопасной переработки минерального и нетрадиционного сырья» (Плаксинские чтения) г. Новосибирск, 5−10 октября 2009 г.

Личный вклад автора заключается в подготовке минералов и проведении исследований по влиянию МЭМИ на электрофизические,.

12 электрохимические, физико-химические, флотационные свойства и фазовый состав поверхности пирита и арсенопирита, а также в анализе литературных данных по вопросам переработки упорных золотосодержащих пирит-мышьяковистых руд и применения энергетических воздействий в процессах обогащения полезных ископаемых, полученных в работе результатов и обобщении выводов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка литературы из 98 наименований, содержит 111 страниц машинописного текста, 12 рисунков, 11 таблиц, 3 фотографии.

Выводы к главе 5.

1. Сорбционная активность поверхности пирита повышается по сравнению с необработанным образцом вследствие увеличения доли элементной серы в составе поверхностного слоя минерала, а также роста положительной величины электродного потенциала, тогда как сорбционная активность арсенопирита уменьшается за счет формирования гидрофильных соединений (FexOy-AsxOy-FeOOH) на его поверхности и увеличения отрицательной величины электродного потенциала.

2. Экспериментально показана принципиальная возможность повышения флотационного разделения пирита и арсенопирита, достигаемая за счет изменений сорбционной активности минералов. Данный факт подтвержден экспериментально при разделении пирита и арсенопирита из коллективного флотационного концентрата месторождения «Олимпиадинское». Извлечение мышьяка As во флотационный концентрат снизилось с 15,1% для необработанного образца до 6,5% для образца, обработанного при ОДкДж.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Экспериментально выявлен диапазон энергий высокоимпульсного воздействия на пирит и арсенопирит при котором максимально проявляется контрастность их физико-химических и технологических свойств.

2. Установлена трехстадийность протекания процесса структурно-химического преобразования поверхности железосодержащих сульфидов при воздействии импульсных полей высокой напряженности:

— начальная стадия (< ОДкДж) — окисление сульфидов и интенсивным формированием гидрофобной элементной серы S0 на поверхности пирита в условиях дефицита кислорода;

— интервал энергий электроимпульсного воздействия (0,1⁰, 5-кДж) -«сульфидизация» поверхности вследствие протекания процесса термического удаления элементной серы S0 с поверхности минерала в виде сернистого газа;

— при энергиях электромагнитной обработки (>1,0 кДж) — новый этап интенсивного окисления сульфида;

3. Электроимпульсная обработка приводит к изменению электрофизических свойств исследованных минералов: росту положительного значения электродного потенциала пирита и снижению отрицательного значения фпотенциала арсенопирита, что способствует увеличению контрастности технологических свойств минералов. Сдвиг ср-потенциала пирита в положительную область значений создает благоприятные условия для адсорбции анионного собирателя (например, ксантогената) и гидрофобизации поверхности минерала. Переход потенциала арсенопирита в область отрицательных значений препятствует закреплению ксантогената и снижает флотируемость минерала в концентрат.

Установленное повышение флотационной активности изученных минералов после воздействия МЭМИ обусловлено следующими факторами:

Активация пирита при малых энергиях (<0,1 кДж) высокоипульсной обработки обеспечивается за счет формирования элементной серы, в интервале доз от 0,1 кДж до 1 кДж — за счет изменением фазового состава и электрофизических свойств.

Депрессия арсенопирита связана с увеличением общей гидратированности поверхности минерала в процессе обработки, а также с изменением фазового состава и электрофизических свойств поверхности.