Изыскание эффективных методов физико-химического модифицирования илисто-глинистых отходов промывки золотосодержащих песков: На примере Забайкалья

Актуальность работы: В последнее время в Восточной Сибири наиболее четко прослеживается тенденция вовлечения в разработку глинистых россыпных месторождений. Удельный вес их в общем объеме в ряде случаев достигает 70%. Существующие способы разработки глинистых месторождений (подземный, дражный, гидромеханизированный, скреперно-бульдозерный, экскаваторный) предусматривают обязательное использование процесса промывки песков водой. При этом из общего объема промывки песков в продуктивную фракцию (концентрат) выделяется до 1%, остальное в виде хвостов выбрасывается в окружающую среду, дополнительно образуя техногенные отвалы из галечных и эфельных пород. При обращении с образуемыми отходами промывки песков основными технологическими операциями являются: удаление галечной фракции, транспортирование массопотока эфельных хвостов с выделением твердой и жидкой фазы в рабочих котлованах и очистных сооружениях, складирование и размещение осадка илисто-глинистых частиц, водоотведение. Характерно, что выход илисто-глинистых частиц (-100 мкм) в общем объеме образуемых хвостов достигает 20% и более и в основном определяется исходным содержанием глины в россыпи и эффективностью промывки песков. Наличие взвешенных тонкодисперсных частиц в транспортирующем потоке гидросмеси и сделанный прорыв на основе последних достижений физико-химии дисперсных сред обуславливают применение реагентных добавок для интенсификации скорости их осаждения и повышения качества сточных и оборотных вод.

Модифицированный илисто-глинистый осадок за счет агрегирования илисто-глинистых частиц в ассоциаты и их дальнейшего сцепления между собой представляет собой продукт с новыми свойствами, расширяющими область его применения в качестве композиционного материала для противофильтрационного экранирования площадок гидротехнических сооружений, а также и в других областях народного хозяйства, например стройиндустрии. Однако до сих пор должного внимания этому вопросу не уделялось и направленных исследований по комплексному использованию илисто-глинистого осадка, выделенного из отходов промывки золотосодержащих песков, не проводилось.

Представленная работа выполнена в соответствии с Комплексной программой ГК ВО РФ «Рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов» (87.35.02), программой «Экологически чистое производство» и госбюджетной тематикой ЧитГТУ «Разработка способов физико-химического модифицирования свойств минерального сырья для создания природоохранной технологии при добыче и переработке россыпей» .

Целью работы является повышение эффективности физико-химического модифицирования илисто-глинистых отходов промывки золотосодержащих песков для вовлечения их в хозяйственный оборот в качестве дополнительного источника сырья.

Для решения поставленной цели решены следующие задачи:

— проведена комплексная оценка вещественного состава илисто-глинистой фракции хвостов промывки золотосодержащих песков;

— произведен выбор оптимальных расходов водорастворимых полимеров полиакриламидного типа и разработаны режимы их дозирования;

— дана оценка прочности сформированных агрегатов в системе «глина-полимер-вода», получаемых на основе илисто-глинистых отходов при различном соотношении твердого в воде, типа применяемого полиэлектролита и особенностей минералогического состава глинистой фракции;

— выбраны оптимальные технологические режимы формирования композиционного материала во взвесенесущем массопотоке эфельных хвостов с учетом особенностей минералогического состава глинистых частиц;

— разработаны рекомендации по созданию технологических линий физико-химического модифицирования илисто-глинистого осадка при обращении с отходами промывки глинистых золотосодержащих песков;

— произведена количественная оценка физико-механических свойств образцов модифицированного илисто-глинистого осадка — коэффициента относительной водопроницаемости и предела прочности при сжатии;

— апробирована технология физико-химического модифицирования илисто-глинистых отходов промывки труднообогатимых золотосодержащих песков на объектах россыпной золотодобычи Забайкалья и дана комплексная эколого-экономическая оценка использования композиционных материалов при сооружении противофильтрационных экранов.

Научная идея работы заключается в управлении свойствами осадка илисто-глинистых отходов промывки золотосодержащих песков на основе регулирования физико-химических взаимодействий в дисперсных средах.

Методы исследования: гранулометрический, микроскопический, дифференциально-термический, рентгеноструктурный, седиментационный и минералогический анализыфотометрический методфизико-механическая и физико-химическая оценка свойств сфлокулированного осадкаметоды математической статистики и математического моделированиятехнико-экономические расчеты с учетом снижения наносимого ущерба природным водотокам.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Выбор типа полиэлектролитов и их расходов в технологии физико-химического модифицирования илисто-глинистых отходов промывки золотосодержащих россыпей осуществляется на основе комплексной оценки прочностных свойств осадка, сформированного из мелких минеральных частиц (-100 мкм) с учетом особенностей минерального состава вмещающих глин и заряда макромолекул водорастворимого полимера, что позволило научно обоснованно подойти к получению композиционного материала при обращении с отходами.

2. Получение заданных свойств композиционного материала на основе физико-химического модифицирования илисто-глинистого осадка достигается путем выбора эффективных режимов обработки полиэлектролитами взвесенесущего массопотока хвостов при регулировании соотношения компонентов в системе «жидкое-твердое-полимер» .

3. Создание методических основ построения технологических схем получения композиционного материала из отходов промывки золотосодержащих песков основано на физико-химическом модифицировании вмещающих глинистых фракций и управлении свойствами для повышения комплексности использования сырья и расширения области его использования на объектах золотодобычи. Рациональная физико-химическая технология создания противофильтрацион-ных завес базируется на модифицированных свойствах илисто-глинистого осадка.

Научная новизна работы:

— выявлены три характерные минеральные разности глин (гидрослюдистая, каолинитовая, монтмориллонитовая), обуславливающие различие дисперсных систем на объектах россыпной золотодобычи Забайкалья. Преобладающими минералами илисто-глинистых частиц являются глина и кварц, присутствие остальных (полевые шпаты, карбонаты, гидроокислы железа) незначительно;

— усовершенствована методика комплексной оценки прочности. сфлокулированного осадка из илисто-глинистых частиц при обработке водорастворимыми полимерами на основе контактного взаимодействия частиц в системе «глина-полимер-вода» ;

— установлена параболическая зависимость силы сцепления рыхлых агрегатов в осадке илисто-глинистых частиц от расхода водорастворимого полимера с учетом особенностей минерального состава илисто-глинистых фракций россыпных месторождений и заряда макромолекул полиэлектролита;

— экспериментально установлено, что наибольшая прочность сцепления агрегатов из илисто-глинистых частиц в осадке зависит не только от эффективности использования полиэлектролитов полиакрила-мидного типа, имеющих большую молекулярную массу, но и в существенной мере от содержания твердого в технологической воде. Оптимальный расход полиэлектролита при этом должен находиться в диапазоне (3−5)*10~3кг/м3. Эффект физико-химического модифицирования свойств глинистых частиц ограничивается содержанием твердого не более 30−50 кг/м3, что подтверждается исследованиями других авторов;

— выведены уравнения зависимости силы сцепления агрегатов осадка от расхода полиэлектролита и минерального состава глинистых частиц, позволяющие научно-обоснованно подойти к выбору оптимального расхода реагента с учетом преобладающей разности вмещающих глин при получении композиционного материала из илисто-глинистых отходов промывки песков. На поверхности распределения, построенной в трехмерном пространстве, четко фиксируются два пика определяющих эффектов флокуляциии илисто-глинистых частиц с использованием ани-оногенных полиэлектролитов. При использовании катионогенных полиэлектролитов такая зависимость четко не прослеживатеся;

— выявлена характерная экспоненциальная зависимость коэффициента относительной водопроницаемости от мощности слоя сформированных при оптимальных расходах катионогенных и анионогенных полиэлектролитов, позволяющая установить численное значение определяющего параметра противофильтрационного экрана, закладываемого для практического использования, при котором исключается фильтрация;

— количественной оценкой прочности при сжатии образцов сформированных при флокуляции глинистых частиц, отобранных в хвостох-ранилищах, показана перспектива их дальнейшего использования в стройиндустрии. Прочность при сжатии композиционных материалов после обработки анионогенными полиэлектролитами возрастает на 40%;

— разработаны методические основы построения технологических схем интенсивного выделения осадка взвешенных частиц из отходов промывки глинистых песков и последующего его нанесения на фильтрующую поверхность, основанные на выявленных закономерностях физико-химического взаимодействия в системе «глина-полиэлектролит-вода», используя последние достижения физико-химии дисперсных сред;

— установлено, что применение модифицированных илисто-глинистых отходов позволяет повысить эффективность использования композиционных материалов для создания противофильтрационных экранов и изготовление строительных кирпичей;

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена большим объемом лабораторных и экспериментальных исследований и их удовлетворительной сходимостью при доверительной надежности не менее 90%. Полученные при этом величины определяющих по.

— и казателей апробированы в промышленных условиях (на трех объектах россыпной золотодобычи Забайкалья).

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— произведена систематизация вещественного состава илисто-глинистых хвостов класса крупности -100 мкм, позволяющая научно-обоснованно подойти к созданию композиционных материалов для дальнейшего их использования;

— предложена и обоснована технология получения композиционных материалов на основе илисто-глинистых хвостов и анионогенных полиэлектролитов, позволяющая расширить область применения отходов промывки золотосодержащих песков в народном хозяйстве;

— обоснованы параметры и разработаны рекомендации по формированию минимальной высоты слоя композиционных материалов для снижения водопроницаемости хвостохранилищ на объектах россыпной золотодобычи;

— разработаны, испытаны и внедрены физико-химические методы агрегирования и размещения илисто-глинистых хвостов в водно-шламовых схемах отстойных сооружений транспортно-обогатительных комплексов при разработке месторождений «Джармагатай», «Горохон» (ассоциация «Забайкалзолото») и «Спорный» (А/0 «Забайкалзолото»). Суммарный эколого-экономический эффект за счет предотвращения загрязнения водотоков, прилегающих к горным работам, составил 72 млн.479 тыс. руб.(в ценах 1995 года}.

Личный вклад автора.

— выполнен анализ вещественного состава вмещающих глин россыпных золотосодержащих месторождений Забайкалья;

— усовершенствована методика оценки прочности сформированного осадка из илисто-глинистых частиц при реагентной обработке гидросмеси;

— проведены экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях и произведена математическая обработка данных, позволяющая установить зависимости прочности агрегированного осадка от минерального состава илисто-глинистых хвостов, типа и расхода водорастворимого полимера и обоснованы эфективные режимы получения композиционных материалов;

— экспериментально установлена высота слоя композиционных материалов, наносимых на экранируемую поверхность, для исключения фильтрационных потерь технологической воды;

— проведены испытания образцов сформированного осадка илисто-глинистых частиц, отобранных с месторождений Забайкалья, по ряду физико-механических свойств на пригодность их использования в качестве сырья для получения строительного кирпича;

— обоснована физико-химическая технология режимов дозирования анионогенных полиэлектролитов для получения композиционных материалов на основе илисто-глинистых хвостов;

— проведены опытно-промышленные и промышленные испытания разработанной технологии на трех объектах россыпной золотодобычи Забайкалья и дана эколого-экономическая оценка снижения ущерба от загрязнения природных водотоков.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ежегодных внутривузовских научно-технических конференциях ЧитГТУ в период с 1994;1998 гг.- на международной конференции «Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды», Иркутск, 1996 г.- на научно-технической конференции Приволжского Дома знаний «Проблемы охраны окружающей среды от промышленных, бытовых, биологических, медицинских отходов и осадков сточных вод», Пенза, 1997 г.- на симпозиуме «Неделя горняка — 1997», на. семинаре «Интенсификация и оптимизация технологических процессов обогащения», Москва, 1997 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в двенадцати работах, из них: восемь научных статей, четыре тезиса докладов на научно-практических конференциях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из {0.4 наименований и 4-х приложений. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 29 таблиц и 25 рисунков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Осуществлено теоретическое обобщение и решена народно-хозяйственная задача из области физических процессов горного производства по получению композиционных материалов на основе научно-обоснованного выбора составов из илисто-глинистых хвостов промывки золотосодержащих песков и водорастворимых полимеров при разработке глинистых россыпей Забайкалья.

2. Комплексной оценкой вмещающих глин с золотосодержащих россыпей Забайкалья выявлено содержание трех характерных полиминеральных разностей: гидрослюдисто-каолинитовая, гидрослюдисто-монт-мориллонитовая, каолинито-гидрослюдистая. В числе преобладающих глинистых минералов, определяющих особенность физико-химии дисперсной фазы эфельных хвостов в системе «крупность частиц-тип глинистого минерала», доминирует гидрослюда, где содержание тонкодисперсных фракций < 5 мкм достигает до 70%.

3. Усовершенствована методика оценки физико-химических свойств модифицированного илисто-глинистого осадка хвостов, включающая оценку как по кинетике уплотнения, так и по скорости разрушения осадка с определением численного значения сил сцепления агрегатов из минеральных частиц крупностью < 100 мкм.

4. Математической обработкой экспериментальных данных выявлена параболическая зависимость кинетики уплотнения и разрушения осадка от расхода водорастворимых полимеров в гидросмеси и режимов их дозирования. Оптимальный расход водорастворимых полимеров анио-ногенного типа колеблется в пределах (3−5)*10~3кг/м3 гидросмеси. При этом достигается наибольшая прочность осадка из сформированных агрегатов илисто-глинистых частиц.

5. Сила сцепления сформированных рыхлых агрегатов из илисто-глинистых частиц зависит не только от расхода полиэлектролита и его типа, но и от минеральной разности вмещающих глин.

6. Оценкой физико-механических свойств модифицированных илисто-глинистых хвостов установлена возможность их использования как композиционного материала для противофильтрационного экранирования технологических площадок и гидротехнических сооружений при высоте слоя толщиной 0.2 м. Подтверждена эффективность использования модифицированного илисто-глинистого осадка в составе композиционных материалов для изготовления кирпичей.

7. Разработаны методические основы при обращении с отходами промывки песков на основе технологических приемов выделения илисто-глинистого осадка из взвесенесущего массопотока хвостов, удаления жидкой фазы, уплотнения композиционного материала и нанесения его на экранирующую поверхность. Разработанная технология физико-химического модифицирования хвостов прошла опытно-промышленную и промышленную апробацию на глинистых месторождениях Забайкалья. Эколого-экономический эффект за счет снижения загрязнения прилегающих водотоков от взвешенных веществ и нефтепродуктов на месторождениях «Джармагатай», «Горохон», «Спорный» (А/с «Горняк», А/с «Саяны») составил в ценах 1995 г: 72 млн.479 тыс. руб. ««» «.