Обоснование эффективных физико-химических режимов переработки нетрадиционного и труднообогатимого минерального сырья Камчатского региона

Мировая тенденция развития минерально-сырьевой базы заключается в росте объема вовлекаемых в переработку источников минерального сырья, как правило, за счет более бедных и сложных по составу месторождений [27,28]. В связи с истощением природных месторождений часто становится рентабельным извлечение ценного компонента из отвалов и хвостохранилищ предприятий горно-обогатительной промышленности.

В этих условиях снижениесебестоимости конечной продукции достигается за счет роста комплексности переработки полезных ископаемых, использования нетрадиционных технологий переработки минерального сырья.

Развитие энергетики Камчатской области тесно связано с освоением геотермальных источников получения, энергии. Значительным и пока не освоенным ресурсом геотермальной ' энергетики является возможность.

• t использования для получения энергии высокотемпературных теплоносителей. С ростом параметров теплоносителей резко возрастает химическая активность и энергия удержания минеральных соединений геотермальным паром при прохождении, через горные' породы. Таким образом, высокотемпературные теплоносители с высоким содержанием химических соединений необходимо рассматривать как «жидкие руды». Несмотря на более высокое теплосодержание, концентрация химических соединенийсодержащих активные ионы, такие как Н1+, F1″, CI1″, SO32″, SO42″, HSO41″, не позволяет, эффективно реализовывать тепловую энергию в технологическом оборудовании из-за коррозии узлов и деталей турбин [6,12]. Извлечение ценных компонентов из парогазовой смеси и вовлечение их в народное хозяйство с одновременным использованием тепловой энергии носителя определяет возможность использования предлагаемой технологии.

Следует отметить, что технологические газы ряда промышленных предприятий* также, могут явится источником для получения «жидких руд» в процессе их очистки. Особое внимание, в связи с высокой перспективой использования, должно уделяться газам промышленных предприятий, содержащих в качестве одного из компонентов фторид-ион. Их вовлечение в народное хозяйство позволит одновременно решать экологические и технологические проблемы переработки минерального сырья.

Наша работа посвящена разработке нетрадиционных технологий переработки минерального сырья с вовлечением в технологическую схему конденсатов природных и техногенных парогазовых смесей.

Актуальность темы

Одна из тенденций, проявляемых в минерально-сырьевом комплексе XXI в., — снижение содержания полезных компонентов в добываемых рудах, необходимость перехода к освоению менее богатого и более труднообогатимого минерального сырья. В этих условиях снижение себестоимости конечной продукции и транспортных расходов потребует вовлечения в переработку новых, в том числе нетрадиционных его видов. Снижение затрат на переработку полезных ископаемых требует специального рассмотрения вопросов размещения обогатительных комплексов вблизи месторождений. Это, прежде всего, касается отдаленных регионов России, в частности, Камчатского края, на территории которого имеются проявления природных высокотемпературных парогидротерм, содержащих в составе пароводяной смеси дорогостоящие химические реагенты, для получения которых потребуются дополнительные расходы на доставку реагентов при переработке минерального сырья методами гидрометаллургии.

В ранее выполненных работах Латкина А. С., Беловой Т. П., Мязина В. П. [6,12,28] была показана возможность получения конденсатов на высокотемпературных фумаролах парогидротермальных месторождений с целью получения химических реагентов для создания технологии гидрометаллургической переработки богатых медных руд Шанучского рудного поля. В этих работах уже отмечается существенная роль, которую играет плавиковая кислота, входящая в состав получаемой смеси кислот для процессов диспергирования рудного сырья и повышения степени извлечения из него ценных компонентов в продуктивный раствор1!

Однако использованию смеси кислот, которые могут быть получены методом частичной конденсации паро-водяной смеси высокотемпературных фумарол месторождений парогидротерм для переработки бедных и труднообогатимых руд, в том числе вкрапленных и частично вкрапленных, а также переработке нетрадиционного минерального сырья, в частности, гранитных пород, которые могут рассматриваться как перспективный источник редких и редкоземельных металлов, не уделялось должного внимания, хотя возможности использования растворов, содержащих в своем составе плавиковую кислоту, в процессах их рудоподготовки и обогащения не вызывают сомнения. Представляет интерес также использование конденсатов для переработки других видов нетрадиционного рудного сырья: гипербазитов бухты Раковой, содержащих в своем составе аваруит (самородный NiFe) и высокие содержания металлов платиновой группыфиллитоподобных вулканогенных пород, имеющих в своем составе высокие содержания металлов платиновой группыа также для переработки нерудного минерального сырьягейзерита и перлита.

В этой связи потребовалось проведение дополнительных исследований для обоснования эффективных технологических режимов использования кислых растворов, содержащих плавиковую кислоту, для переработки нетрадиционных и труднообогатимых видов минерального сырья.

Диссертационная работа выполнялась в рамках темы НИР НИГТЦ ДВО РАН 5.1.16 «Разработка физико-химических методов модифицирования труднообогатимого минерального сырья с целью повышения эффективности его переработки» (ГНТ РАН 1999;2004). Экспериментальные исследования проводились на базе лаборатории физико-химической гидродинамики научно-исследовательского геотехнологического центра (НИГТЦ ДВО РАН (cry)), г. Петропавловск-Камчатский).

Цель работы — обоснование рациональных технологических режимов физико-химического обогащения нетрадиционного и труднообогатимого минерального сырья.

Основные задачи исследования: обосновать возможность переработки нетрадиционных типов рудного сырья как источника получения ценных компонентов при их переработке;

— обосновать возможность и перспективы использования парогидротермальных флюидов как источника получения химических реагентов — растворов кислот;

— установить механизм взаимодействия растворов, содержащих плавиковую кислоту и инертный электролит, с силикатным каркасом горных пород в зависимости от особенностей их вещественного состава;

— разработать технологические схемы эффективной переработки нетрадиционного и труднообогатимого минерального сырья региона.

Идея работы заключается в направленном физико-химическом разрушении силикатного каркаса горных пород конденсатами парогидротермальных флюидов, содержащими в своем составе плавиковую кислоту.

Методы исследования: определение вещественного состава минерального сырья и продуктов его взаимодействия с растворами кислот проводился методами фотоколориметрического, рентгенофлуоресцентного, атомно-адсорбционного анализа. Оригинальная фотоколориметрическая методика использовалась для определения содержания кремния в растворе. Регрессионный и статистический анализ — для построения эмпирических уравнений и оценки корректности полученных результатов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— изучено разрушение гранитов кислыми растворами, содержащими плавиковую кислоту, что позволило оценить перспективы развития малоэнергоемкой технологии их переработки, как комплексного минерального сырья, с использованием конденсатов высокотемпературных геотермальных теплоносителей и технологических газов;

— установлено, что при взаимодействии гипербазитов и филлитоподобных вулканогенных пород с кислыми растворами, содержащими плавиковую кислоту образуются пористые структуры, позволяющие потенциально уменьшить энергозатраты в процессе измельчения пород и увеличить выход ценных компонентов в продуктивный раствор;

— изучен процесс выщелачивания окисленных медных руд растворами, моделирующими вещественный состав конденсатов высокотемпературных геотермальных теплоносителей Мутновского месторождения парогидротерм, позволивший разработать технологическую схему и дать оценку его экономической эффективности;

— получены эмпирические уравнения разрушения силикатного каркасса а-кварца и горных пород растворами, содержащими плавиковую кислоту, и установлены закономерности деструкции зерен полиминеральных силикатных пород растворами, содержащими плавиковую кислоту, позволившие разработать порядок расчета времени контакта твердой фазы с активным раствором в зависимости от минерального состава породы и параметров технологического оборудования;

— изучено влияние предварительной обработки перлита кислыми растворами, содержащими плавиковую кислоту, на технические (прочностные) свойства получаемых из него готовых изделий (пористая плитка, пористый кирпич), позволившее получить готовые изделия с улучшенными характеристиками.

Основные научные положения, которые выносятся на защиту:

1. Экспериментально установлены численные коэффициенты в уравнениях массообмена при разрушении силикатного каркаса сложных по химическому и минеральному составу типов минерального сырья, подтвержден внешнедиффузионный механизм процесса взаимодействия силикатов с раствором плавиковой кислоты и дана сравнительная оценка эффективности применения плавиковой кислоты и смесей на ее основе при разрушении горных пород.

2. Разработаны методологические принципы построения технологических схем переработки нетрадиционного и труднообогатимого минерального сырья на основе конденсатов, которые могут быть получены методом частичной конденсации высокотемпературных геотермальных флюидов на месторождениях парогидротерм.

Достоверность научных положений обеспечена планированием экспериментов, представительным объемом экспериментальных исследований, 70% и выше сходимостью экспериментальных и расчетных результатов для исследований процесса разрушения силикатного каркаса и 96% надежностью результатов по извлечению ценных компонентов из рудного сырья, получением результатов, подтверждаемых данными других исследователей.

Практическое значение работы:

— на основании проведенных экспериментальных исследований разработаны технологические схемы, которые могут быть использованы при переработке некоторых перспективных рудных объектов южной зоны полуострова, представленными, в частности, гипербазитами и медными рудами, обогащенными редкоземельными металлами и металлами платиновой группы вулканитами, бедными вкрапленными рудами, гранитами;

— установлена возможность модификации поверхности при использовании содержащих фторид-ион кислых растворов для получения катализаторов на основе пористой силикатной матрицы;

— разработана схема извлечения кислых растворов из промышленных газов производств, позволяющая рассматривать перспективы использования технологии в регионах не связанных с проявлениями новейшего вулканизма;

— разработана технология производства теплоизоляционного материала на основе перлита. Ориентировочный экономический эффект от внедрения разработки составит порядка 100 млн. рублей в год;

— на основании проведенных экспериментальных исследований составлено предварительное технико-экономическое обоснование переработки медных руд бухты Раковой. Показана возможность получения прибыли при их освоении в размере 9,5 млн. рублей.

Разработка соответствующих технологических схем позволит осуществлять эффективную переработку полезных ископаемых, уменьшить энергозатраты на измельчение отдельных видов рудного сырья, увеличить степень извлечения ценных компонентов в процессах переработки руд, получать катализаторы для химической промышленности и теплоизоляционные материалы с заданными технологическими свойствами.

Объекты исследования. Растворы кислот, моделирующие химический состав конденсатов высокотемпературных геотермальных теплоносителей Мутновского месторождения парогидротерм, а-кварц (как объект моделирования процессов), нетрадиционное рудно-минеральное сырье Камчатского полуострова, представленное гранитными породами Шанучского рудного поля, гипербазитами бухты Раковой, вулканогенными филлитоподобными породами, руда Агинского золоторудного месторождения, труднообогатимые руды — образец бедной медной руды рудопроявления Куваларог, медные руды бухты Раковой (северо-восточное обрамление Авачинской губы), нерудное минеральное сырье — гейзерит, перлит.

Предметы исследования. Основной предмет исследования — кинетика и механизм разрушения силикатного каркаса, особенности влияния состава и концентрации компонентов растворителя и твердой породы на интенсивность разрушения, технология обогащения медных руд, гипербазитов и филлитоподобных вулканогенных пород, технология разрушения и разделения минералов гранитных и гранитоидных пород, модификация пористости силикатных пород.

Личный вклад автора.

На основе проведенных экспериментальных исследований и квантово-химических вычислений установлен механизм разрушения силикатного каркаса а-кварца и горных пород растворами, содержащими плавиковую кислоту, и получены обобщенные эмпирические уравнения массообмена в процессах их разрушения.

Разработан новый носитель для катализаторов, изучена возможность использования разрушения силикатного каркаса в процессе модифицирования матрицы-носителя.

Проведен химический анализ гипербазитов бухты Раковой. Установлено повышенное содержание в породе меди, никеля, кобальта и ее перспективность для промышленного освоения. Найден перспективный рудный объект с высоким содержанием Os. Изучено изменение технических свойств горных пород при их обработке растворами, содержащими плавиковую кислоту.

Разработана схема переработки гранитов с использованием конденсатов высокотемпературных парогидротерм для предварительного разрушения породы.

Разработана технологическая схема очистки промышленных газов с получением техногенного конденсата, проведен расчет расхода пара при получении активного реагента.

На основе полученных уравнений массообмена разработана схема расчета времени, необходимого для протекания процесса разрушения твердой породы в зависимости от типа используемого оборудования.

Изучено разрушение медных руд бухты Раковой растворами кислот. Разработана технологическая схема извлечения из руды ценных компонентов.

Разработана технология получения теплоизоляционного материала.

Апробация работы. Результаты научных исследований на различных этапах их выполнения были представлены на VI Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2006 г. (серебряная медаль) — на П конкурсе молодых ученых ДВО РАН (Владивосток, 2004) — докладывались и обсуждались на расширенных заседаниях кафедры обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья Читинского государственного университета в 2004, 2007 гг.- на научном семинаре преподавателей и аспирантов Камчатского государственного технического университета в 2003 г.- на заседаниях ученого совета НИГТЦ ДВО РАН в 2003,2004 гг.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 научных статьях, в том числе 2 публикации — в изданиях, рекомендованных ВАК. По результатам проведенных исследований получено 3 патента Российской Федерации на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 192 стр., 45 таблиц, 36 рисунков, список использованных литературных источников из 103 наименований и 11 приложений.

4.5. Выводы.

Данная глава посвящена исследованию возможностей внедрения полученных результатов в промышленное производство. В итоге выполненного исследования получены следующие результаты:

1. Разработана" схема цепи аппаратов извлечения химических соединений из техногенного флюида, проведен расчет параметров ее работы для различного вида промышленных производств.

2. Разработаны схемы переработки медно-никелевых руд. Показан возможный режим работы, расход реагентов и баланс ценных компонентов при переработке медных руд бухты Раковой геотермальным конденсатом.

3. Разработана схема цепи аппаратов для переработки гранитного сырья, учитывающая возможность извлечения любого из компонентов в процессе переработки.

4. Разработана универсальная схема и порядок расчета времени контакта фаз, необходимого для разрушения силикатного каркаса в зависимости от минерального состава породы и параметров технологического оборудования.

5. Разработана технология изготовления теплоизоляционных материалов повышенной прочности на основе перлита. Предварительная обработка перлита содержащим плавиковую кислоту раствором позволяет получать изделия, обладающие повышенной прочностью.

6. Предложен путь утилизации' фтор-содержащих жидких отходов, образующихся после обработки минерального сырья.

Is.

Заключение

.

В результате выполненных исследований в диссертации решена актуальная" научно-производственная задача: установлена возможность промышленного освоения нетрадиционного и труднообогатимого минерального сырья Камчатского региона с использованием конденсатов высокотемпературных геотермальных теплоносителей. Основные выводы работы заключаются в следующем:

1. Установлена возможность применения растворов кислот, полученных при конденсации геотермальных теплоносителей, с целью разрушения силикатного каркаса гранитов, гипербазитов и филлитоподобных вулканогенных пород, расширяющая технологические возможности обогащения минерального сырья.

2. На основе проведенных экспериментальных исследований получены обобщенные эмпирические уравнения процесса физико-химического разрушения силикатного каркаса горных пород растворами, содержащими плавиковуюкислоту, и смесями на ее основе, позволяющие обосновать рациональные режимы разрушения горных пород (концентрация, время).

3. Экспериментальным путем получены уравнения массообмена, описывающие процесс взаимодействия растворов, содержащих плавиковую кислоту, с минеральными комплексами, позволяющие дать сравнительную оценку эффективности применения химических реагентов.

4. Разработана схема утилизации отработанных растворов, содержащих фторид-ион, основанная на извлечении фтора из раствора в виде фторидов и фторсиликатов щелочных и щелочноземельных элементов, образующих малорастворимые соли.

5. Разработан новый носитель — модифицированный рабочим раствором на основе плавиковой кислоты гейзерит в качестве матрицы-носителя катализаторов, ферментов и клеточных культур, в качестве коллектора веществ, образующих покрытие, защищающее конструкционный материал от коррозии.

6. Разработана методология построения технологических схем переработки нетрадиционного и труднообогатимого минерального сырья с использованием содержащих плавиковую кислоту конденсатов.

7. На стадии ТЭО разработана технология кислотного выщелачивания медных руд бухты Раковой с использованием конденсатов высокотемпературных фумарол месторождений парогидротерм, позволяющая получить экономический эффект в размере 9,5 млн. рублей за счет снижения транспортных расходов.

В. Разработана рациональная технология производства теплоизоляционных материалов из перлита Начикинского месторождения с использованием конденсатов высокотемпературных фумарол месторождений парогидротерм. Ожидаемый экономический эффект от использования кислотной модификации перлита составит порядка 100 млн. рублей в год за счет повышения качества готовых изделий и увеличения продолжительности срока их службы.