Введение
Известно, что разработка глинистых золотосодержащих месторождений приводит к значительному накоплению мелких силикатных примесей, ионов тяжелых металлов и органических примесей, особенно если доля мелкодисперсного чистого золота очень высока. Эффективность улавливания дисперсного золота напрямую зависит от изменений реологических параметров технологической воды, используемой на производстве [1, 2]. Для силикатных суспензий процесс структурообразования нежелателен, поскольку он уменьшает массу золотых зерен, способных к осаждению в шлюзах. Увеличение вязкости и предельного напряжения сдвига, вызванное присутствием коллоидных частиц кремниевой кислоты, способствует усилению адгезионных свойств по отношению к силикатам [1]. Оборотные воды подвергаются цикличному очищению с использованием флокулянтов, избыток которых постепенно накапливается и приводит к значительному усилению вязкости [2, 3]. Использование ультразвука стимулирует эффект расслаивания, способствуя значительному уменьшению размера частиц глины и предотвращая их структурообразование. Известно, что каолинит и монтмориллонит являются глинами с небольшой площадью поверхности из-за сложности их расслаивания [4, 5]. В связи с этим их сорбционная способность ограничена, что влияет на скорость процесса флокуляции. Для увеличения площади контакта илисто-глинистой фазы и полиэлектролитов и уменьшения размера частиц предлагается использование акустических колебаний в режиме стоячей волны. Ультразвуковые волны приводят к изменению площади исходных макроскопических материалов, в результате чего образуются нанометрические хлопья, способные сохранять структуру материала.
Цель исследования – разработать оптимальный режим комплексного физико-химического воздействия на процесс осаждения дисперсных частиц каолинита и монтмориллонита.
Материалы и методы исследования
Работы проводились на золотоносном месторождении артели «Бальджа», расположенном на юге Забайкальского края. Наличие мелкодисперсных илисто-глинистых частиц в оборотных водах объекта исследования варьирует в пределах от 1400 до 40000 г/м3 и относится к слоистым и слоисто-ленточным силикатам алюминия, железа и магния. Глинистые частицы месторождения характеризуются значительным содержанием мелких фракций (менее 5 мкм), являются трудноосаждаемыми и мелкодисперсными [6]. Минеральный состав включает каолинит в виде гексагональных пластин, монтмориллонит в форме расплывчатых аморфных микроагрегатов и небольшие количества палыгорскита. Согласно СанПиН 2.1.5.980-00 и СанПиН 2.1.3684-21, фоновая концентрация взвешенных веществ в среднем по месторождению не должна превышать 40,75 г/м3 [6]. Использован коммерческий флокулянт, состоящий из анионных полиакриламидных высокомолекулярных полимеров (15×106), марка А-155 компании «Химэнерго». Флокулянт готовили в виде 0,3 масс. % раствора путем взвешивания 1,5 г сухих гранул, растворение проводили в 500 мл дистиллированной воды. Раствор постоянно перемешивали в течение 30 мин шестилопастной мешалкой при 400 об/мин, затем уменьшали до 300 об/мин и снова перемешивали в течение 2 ч, после чего полученный раствор оставляли на ночь.
Фотографии образцов были получены с помощью поляризационного микроскопа ZEISS AXIO Scope A1, работающего в режиме проходящего света, были созданы иммерсионные капли диаметром до 10 мм. Изображения были обработаны в соответствии с программой Axio Vision Rel 4.8. С помощью ротационного вискозиметра BGD 152/2S и концентрационного фотоэлектрического фотометра КФК-3-01 (ЗОМЗ), работающего в режиме мутномера в диапазоне волн 315-650 нм изучались вязкостные характеристики объекта и его оптическая плотность. Изучена электрофоретическая подвижность частиц, проведен химический и аналитический анализ, разработана полупромышленная ультразвуковая установка. В основу установки вошел генератор низких частот, вольтметр с усилителем сигналов, магнитострикционный преобразователь с волноводом. Использовался режим ждущей развертки на осциллографе для поддержания стоячей волны, флокулянт подавался в систему через дозатор, полученный продукт отводился в специализированную камеру.
Результаты исследования и их обсуждение
Обработка ультразвуком в режиме стоячих волн не вызывает аморфизации частиц глины и дополнительно влияет на усиление специфических сдвигов между соседними слоями с последующим увеличением доли случайных перемещений между ними [7]. Время ультразвуковой обработки дисперсных систем монтмориллонита и каолинита для достижения FUC 82,75 % составило 3,5 мин. Без ультразвукового- воздействия на систему показатель свободной флокуляции (FUC) составляет 5,78 %. Ультразвуковая стоячая волна с частотой 25–30 кГц расщепляет полимерные цепочки флокулянта на более короткие фрагменты и способствует дополнительному выделению воды из концентрата. Зависимость скорости осаждения от концентрации флокулянтов без озвучивания системы и при воздействии ультразвука показана на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость скорости седиментации глинистых частиц от концентрации полиэлектролита; 1 – каолинит без ультразвука, 2 – монтмориллонит без ультразвука, 3 – каолинит с ультразвуком, 4 – монтмориллонит с ультразвуком Примечание: составлен авторами по результатам фотоколориметрического исследования на фотометре КФК-3-01 (ЗОМЗ)
Рис. 2. Зависимость изменения динамической вязкости от времени ультразвуковой обработки дисперсной среды: 1 – каолинит без флокулянта, 2 – монтмориллонит без флокулянта, 3 – каолинит с флокулянтом, 4 – монтмориллонит с флокулянтом Примечание: составлен авторами по результатам определения вязкости на ротационном вискозиметре BGD 152/2S
Наблюдается увеличение скорости сорбции дисперсий при уменьшении концентрации полимера. Детальные исследования водных дисперсий монтмориллонита и каолинита под воздействием ультразвука [6, 7] показали, что короткое время обработки ультразвуком (< 7,5 мин при частоте 20 кГц) разрушает естественные агрегаты глинистых минералов, улучшая их дисперсность и повышая стабильность суспензий за счет образования новой коагуляционной структуры с увеличенной сорбционной поверхностью. Ультразвуковые стоячие волны индуцируют колебательный процесс, за счет которого молекулы воды мигрируют в поры глинистых частиц. Наблюдаемое латеральное смещение слоев кристаллической решетки дополнительно увеличивает расширение адсорбционной поверхности для взаимодействия с полимером [8]. Данные процессы способствуют изменению не только вязкости системы, но и влияют на ξ-потенциал дисперсий (рис. 2).
Определен эффективный режим работы ультразвуковой установки в диапазоне 24–27 кГц. Скорость осаждения суспензий на различный частотах ультразвуковой волны показана на рис. 3. Комплексное воздействие на дисперсии ультразвуком и флокулянтами дало максимальный эффект осветления в течение 3–7 мин. Оптимальная концентрация флокулянтов не должна превышать 4–5 г/м3. На рис. 4 показаны данные с нефелометра, позволяющие сделать вывод о значительном осветлении оборотных вод (более 89 %) при минимальном добавлении флокулянта. Выбранный режим ультразвукового воздействия формирует крупные и тяжелые флокулы, что значительно ускоряет процесс их осаждения. Кроме того, стоячие волны изменяют конформацию флокулянта, способствуя разматыванию молекулы полимера и появлению дополнительных активных центров для адсорбции глинистых частиц [9, 10]. Наблюдаемое уменьшение вязкостных характеристик системы обусловлено небольшой концентрацией флокулянта с сохранением адсорбционных свойств за счет появления новых активных центров. Акустическое поле, распространяемое ультразвуком, образует более крупные и рыхлые хлопья, что объясняет процесс ускорения осаждения при озвучивании системы. Изучаемая система состоит из кварцевых зерен, окруженных глинистыми чешуйками.
Наличие коагуляционных контактов между зернами обусловлено глинистыми мостиками (коагуляционная связь). Волновые колебания разрушают структуру коагуляционных мостиков, тем самым способствуют более полному контакту флокулянта с поверхностью глины, образуя крупные хлопьевидные осадки [10]. На рис. 5 показана зависимость размера и рыхлости полученных флокул до и после акустических колебаний. Минералы монтмориллонитовой глины образуются в более крупные агрегаты, чем каолин. Возникающие в результате ортокинетические столкновения частиц, турбулентные потоки и повышенный капиллярный эффект способствуют дополнительной конвергенции и агрегации.
Рис. 3. Зависимость скорости седиментации глинистых частиц от частоты УЗ: 1 – каолинит с флокулянтом, 2 – монтмориллонит с флокулянтом Примечание: составлен авторами по результатам фотоколориметрического исследования на фотометре КФК-3-01 (ЗОМЗ)
Рис. 4. Зависимость степени осветления от времени УЗ: 1 – каолинит без флокулянта, 2 – монтмориллонит без флокулянта, 3 – каолинит в комплексе с флокулянтом, 4 – монтмориллонит в комплексе с флокулянтом Примечание: составлен авторами по результатам фотоколориметрического исследования на фотометре КФК-3-01
Рис. 5. Электронные фотографии флокул, образованных: а) монтмориллонит с полиэлектролитом без ультразвука; б) монтмориллонит с полиэлектролитом после воздействия ультразвука; в) каолинит с полиэлектролитом без ультразвука; г) каолинит с полиэлектролитом после воздействия ультразвука Примечание: составлен авторами по результатам съемок на поляризационном микроскопе ZEISS AXIO Scope A1
Хлопьевидная структура без обработки ультразвуком однородна и регулярна, отсут-ствуют выраженные трещины, нет крупных агрегатов, между цепочками флокулянта образо-валась структура «ячеистой сети». После обработки УЗ в микроструктурах наблюдаются глу-бокие отверстия и длинные трещины, появляются крупные зерна. Частицы глины в дисперс-ном состоянии в поле ультразвука изменяют ξ-потенциал. Согласно [11, 12], частицы монтмо-риллонита из-за нарушения агрегатной стабильности снижают значение ξ-потенциала актив-нее, чем образцы каолинита, что способствует увеличению скорости осаждения дисперсий. Образование двойного электрического слоя на поверхности твердое тело – жидкость опреде-ляет ход электрокинетических процессов. Глинистые минералы монтмориллонитовой группы, обладающие довольно выраженными ионообменными свойствами, обладают повышенной адсорбционной способностью. Исследование зависимости величины ξ-потенциала от времени озвучивания дисперсии подтвердило оптимальное значение интервала экспозиции в 3–5 мин. При этом наблюдается уменьшение значений потенциала, увеличение скорости относительного перемещения дисперсной фазы относительно дисперсионной среды, возрастает устойчивость потоков к разрушению дисперсных систем. Стоячие волны способствуют резонансному движению взвешенных дисперсных частиц относительно самой жидкости и дополнительно создают зоны их концентрации [13]. Пространственное разделение компонентов в суспензии, находящейся в ультразвуковом поле, четко определено. Миграция макромолекул полимеров энергетически выгодна в зоны пучности давления, что приводит к отсутствию флокулянтов в зоны пучностей скоростей (неустойчивая зона). За счет рэлеевских течений в области повышенного давления рвутся цепочки полимера. За счет микропотоков дисперсные частицы сталкиваются и укрупняются, что приводит к созданию коагуляционных контактов между ними [7, 14]. Перемещение частиц в ультразвуковом поле вызвано не только разрушением коагуляционных структур. Наблюдаемая деформация флокулянтов за счет механических напряжений изменяет течение микропотоков. Под действием кумулятивных струй диспергированная глинистая частица сближается с полимером, при этом формируются новые молекулярные мостики, способствующие их агрегации. Получение более плотного сфлокулированного продукта приводит к уменьшению используемого полимера и увеличению скорости оседания хлопьев [15, 16]. УЗ вызывают перестройку структуры коагуляции, что влияет на увеличение поверх-ности свободной энергии. Происходит изменение силы молекулярного взаимодействия и ускорение процесса слипания частиц в более крупные хлопья.
Заключение
Разработаны параметры интенсификации процесса флокуляции в условиях работы с мелкодисперсными фракциями илисто-глинистых отложений в прудах-осветлителях при не-возможности сбрасывать технические воды в природные объекты. Рабочие параметры полу-промышленной установки составили: эффективная частота ≈ 30 кГц, интенсивность 1×10⁴ Вт/м², время акустического воздействия 6–7 мин. За счет снижения количества используемых флокулянтов, времени осветления оборотных вод от мелкодисперсных фракций, снижения общей вязкости водных систем, формирования более плотных и крупных хлопьев можно до-биться существенного снижения экономических затрат. Наблюдаемое ускорение седимента-ционного процесса позволит достичь необходимого минимума коллоидных взвесей в сбрасы-ваемых в природные объекты сточных вод из отстойников по нормам СанПиН 2.1.5.980-00 и СанПиН 2.1.3684-21. Рассмотрен механизм действия ультразвуковых колебаний в режиме стоячих волн на пограничные слои дисперсных глинистых частиц в комплексе с анионными флокулянтами. Используя полученные данные по изменению дзета-потенциалов, размеров полученных после обработки хлопьев, снижению вязкостных характеристик, уменьшению количества связанной воды, можно сделать предварительные выводы о влиянии акустических воздействий на адсорбционные процессы и изменения в диффузионном слое. Наблюдаемое разрушение межмолекулярных связей в водной дисперсной системе приводит к формированию молекулярных мостиков и дополнительной агрегации. Показана возможность математического моделирования процесса седиментации на основании полученных параболических зависимостей скоростей осаждения сфлокулированного осадка от параметров работы ультразвуковой установки для достижения FUC не менее 80 %. Планируется модернизировать ультразвуковую установку до промышленного образца, сделав основной акцент на ее энергоэффективности. Так же необходимо оптимизировать процесс седиментации не только для отдельных образцов монтмориллонитовых и каолинитовых дисперсий, но и для смешанных систем с различным соотношением глинистых и силикатных частиц. Предложенная рабочая схема очистки сточных и оборотных вод золотодобывающих предприятий позволяет получить приемлемые результаты при сравнительно небольших экономических затратах на модернизацию процесса.
Библиографическая ссылка
Тютрина С. В., Мясникова Н. В., Ахметшин Б. С. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ НА СОРБЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ МОНТМОРИЛЛОНИТОВЫХ И КАОЛИНИТОВЫХ ЧАСТИЦ // Успехи современного естествознания. 2026. № 5. С. 95-101;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38521 (дата обращения: 01.06.2026).