Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ПРОЦЕССАХ СГУЩЕНИЯ КОНЦЕНТРАТОВ И РАЗРУШЕНИЯ ФЛОТАЦИОННЫХ ПЕН

Коростовенко В.В. 1 Степанов А.Г. 1 Стрекалова Т.А. 1 Галайко А.В. 1 Суханова А.В. 2
1 ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет: Институт цветных металлов и материаловедения»
2 ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет: Институт космических и информационных технологий»
Исследования по изучению влияния разрядно-импульсной обработки (РИО) как одного из электрофизических методов обработки на процесс сгущения флотационных концентратов проводили с целью определения возмож­ности интенсификации процесса сгущения концентратов и уменьшения удельных площадей сгущения. Разрядно-импульсная обработка полидисперсных сред находит все более широкое применение в технологиях обогатительного производства, что обусловлено особенностями динамических процессов при импульсном разряде в многокомпонентных средах. При разрядно-импульсной коагуляции важную роль играет электрическая характеристика минеральной поверхности, одним из показателей которой является электрокинетический потенциал. Формируемый разрядом фронт волны приводит среду в сложное напряженное состояние с активным участием как волн сжатия, так и волн растяжения. Динамика волновых процессов в многокомпонентных средах, соответствующих фазе сжатия, определяется энергетическими параметрами импульса, а на стадии разрежения – параметрами технологической среды: плотностью, удельным содержанием компонентов среды, геометрическими ха­рактеристиками технологического узла. Разрядно-импульсная обработка является одним из новых методов интенсификации процесса сгущения концентратов. Измерения на реальной флотационной пульпе перед сгущением показали, что пос­ле РИО электрокинетический потенциал существенно снижается, достигая величины значительно ниже предела порога коагуляции (±30 мВ). Уменьшение значений электрокинетического потенциала после РИО позволяет сделать вывод об улучшении процесса коагуляции мине­ральных частиц и изменении электрических свойств поверхности частиц. Сгущение концентратов можно интенсифицировать разрядно-импульсными методами, позволяющими увеличить скорость осаждения сгущаемых частиц с 0,25 до 25 см/мин., сократить требуемое до чистоты слива время с 40 до 10 мин., обеспечив при этом более плотный осадок; потери твердой фазы со сливом сгустителя снижа­ются с 20 до 0,8 г на 1 л слива. Следует также отметить, что слив сгустителей содержит значительно меньшие концентрации тяжелых металлов, а жидкая фаза пульпы пригодна для использования в замкнутом водообороте.
флотация
сгущение концентратов
разрядно-импульсный метод
1. Зубков А.А., Шуленина З.М., Подзноев Г.П. Повышение извлечения ценных компонентов и комплексности использования руд природных и техногенных месторождений на основе нового подхода к технологии их переработки // Вестник РУДН. Серия Инженерные исследования. 2007. № 2. С. 56–63.
2. Чантурия В.А. Прогрессивные методы обогащения и комплексной переработки минерального сырья. Выступление на Первом национальном горнопромышленном форуме 27.11.2014. [Электронный ресурс]. URL: https://www.youtube.com/watch?v=0OyRHqLd7MU (дата обращения: 27.11.2021).
3. Чантурия В.А. Электрохимическая технология в процессах первичной переработки минерального сырья // Сб. Новые процессы в комбинированных схемах обогащения полезных ископаемых. М.: Наука, 1989. С. 119–127.
4. Воронова О.В., Киенко Л.А. Применение ультразвуковых воздействий при флотации техногенного сырья с целью повышения качества концентрата // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: материалы ХХV Международной научно-практической конференции (г. Екатеринбург, 07-10 апреля 2020 г.). Екатеринбург: Изд-во «Форт Диалог – Исеть», 2020. С. 283–286.
5. Коростовенко В.В., Суханова А.В. Использование системного анализа для оценки возможности применения разрядно-импульсных методов в технологиях освоения минеральных ресурсов // Успехи современного естествознания. 2017. № 11. С. 73–77.
6. Коростовенко В.В., Шахрай С.Г., Степанов А.Г., Ворошилова М.В. Способ обогащения руд цветных металлов // Патент РФ № 2514351. Патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет. 2014. Бюл. № 12.

Реализация на практике новых технологий повышения извлечения ценных компонентов из обогащаемого сырья [1; 2], а также совершенствование методов осветления технологической воды от тонких породных частиц открывают широкие перспективы применению специальных способов обработки водных дисперсных систем: магнитными, ультразвуковыми полями, гидротермальной и термической нейтронной обработкой. Большие возможности в этом направлении открываются при использовании электрофизических методов [3; 4], в том числе импульсных полей взрывного типа [5]. Важнейшей проблемой является также очистка флотационных стоков от минеральных примесей как с целью доизвлечения полезных компонентов, так и в целях организации эффективного водооборота. Наряду с этим имеют место значительные потери полезных компонентов со сливом сгустителей обогатительных фабрик и с промышленными стоками других производств по переработке минерального сырья.

Цель исследования: исследования по изучению влияния разрядно-импульсной обработки на процесс сгущения флотационных концентратов проводили, во-первых, с целью определения возможности интенсификации процесса сгущения концентратов и уменьшения удельных площадей сгущения, во-вторых – для снижения загрязнения хвостов сгущения тяжелыми металлами.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на флотационной пульпе свинцово-цинковых руд Зыряновского, Горевского, Токобского и Жайремского месторождений перед сгущением. После обработки флотационных концентратов изучали процесс осаждения минеральных частиц и исследовали слив на содержание твердого. Исследования по сгущению концентратов проводятся на продуктах обогащения пробы, содержащей до 75 % класса – 0,074 мм, РИО концентратов производится в реакторе со стальными электродами. В каждом опыте исследуется объем пульпы 1 л при содержании твердого 20 %. Изучение кинетики сгущения проводится в цилиндрах с емкостью 1 л по перемещению границы раздела твердой и жидкой фазы во времени.

Для разрядно-импульсной обработки концентратов с целью разрушения флотационной пены применялся реактор со стальными электродами. Энергия обработки варьировалась широком диапазоне: от 0,5 до 100 кДж/дм3. Концентраты, содержащие 20 % твердого, после разрядно-импульсной обработки сливаются в мерные стеклянные цилиндры. В качестве исходных продуктов использовались руды Горевского месторождения различной степени измельчения (время измельчения составляло 40 и 60 минут). Рудные минералы в исходной пробе представлены галенитом, сфалеритом, пиритом, пирротином и халькопиритом, причем галенит является преобладающим главным рудным минералом. По результатам химического анализа проба содержит свинца – 2,5-3,0 %, цинка – 0,5 %, что в пересчете на минеральный состав соответствует 3,4 % галенита и 0,74 % сфалерита. Сфалерит в зернах содержит включения халькопирита и сростки галенита. Главные нерудные минералы в пробе представлены карбонатами (доломит, кальцит, сидерит) и кварцем, второстепенные – хлоритом, мусковитом, серицитом, эпидотом, полевыми шпатами. Трудность раскрытия сростков определяется тем, что включения рудных очень тонкие, часто с неправильными извилистыми границами срастания с нерудными минералами и между собой; размеры включений галенита в нерудных – 0,09-0,045 мм, пирита и пирротина – 0,09-0,13.

Влияние РИО на разрушаемость флотационных пен оценивалось по высоте пенного слоя с точностью до ±0,5 мм. Содержание твердой фазы в пенном продукте определялось весовым методом с точностью до ±0,0005 г. Исследования проводились в 3х параллелях, при этом расхождение результатов не должно превышать 10 %.

Результаты исследования и их обсуждение

В процессе исследования динамических процессов в водных дисперсиях минералов (условий возникновения прямых и отраженных волн сжатия, длительности фаз сжатия и растяжения, временных интервалов следования ударных волн) нами установлено, что суммарная полезная работа волн в фазе сжатия составляет примерно 53 % от общей работы ударных волн, при этом около 47 % общей полезной работы выполняют отраженные волны, а основные волновые процессы завершаются через 50 мкс. Поскольку максимальное давление на фронте волны зависит от вводимой в канал разряда энергии, оценка этой зависимости представляет особый интерес. Как видно из рис. 1, максимум давления первого пика (Рм1) нелинейно возрастает с увеличением энергии разряда, а величина максимума давления второго пика (Рм2) стабилизируется при энергиях более 10 кДж (рис. 1). Давление в прямой (Р м1) и отраженной (Рм2) волнах на фронте связаны соотношением Рм2 = 0,65 Рм1, а за фронтом волн – Рм2 = 0,5 Рм12, что свидетельствует о значительных потенциальных возможностях отраженных волн для интенсификации разрядно-импульсной фрагментации твердой фазы.

missing image file

Рис. 1. Влияние энергии разряда на максимальное давление на фронте прямой и отраженной волн

missing image file

Рис. 2. Зависимость результирующего давления на фронте волны от плотности среды при различных относительных расстояниях: 1- R/R0 = 10,4; 2- R/R0 = 15; 3 – R/R0 = 17

Исследование влияния плотности трехкомпонентной среды на результирующее давление показало (рис. 2), что с увеличением плотности до ρ = 1,26 г/см3, что соответствует плотности пульпы Т:Ж = 1:3, наблюдается увеличение давления ударной волны, а далее давление начинает падать. Следовательно, практическое использование ударных волн в трехкомпонентных средах при импульсном электроразряде наиболее эффективно при плотности трехкомпонентной среды (вода, воздух, твердые составляющие) 1,26 г/см3. Необходимо учитывать, что существует также зависимость давления на фронте ударной волны от относительного расстояния от центра импульса; если расстояние между электродами обозначить Rо, а текущий радиус R, то можно определить оптимальную область R/Rо [6].

Как известно, флотационные пены состоят из пузырьков воздуха, разграниченных прослойками воды, и минеральных частиц, прилипших к поверхности этих пузырьков. Данные табл. 1 показывают, что РИО позволяет существенно снизить потери твердого продукта со сливом. Так, при обработке оптимальной энергией (9,2 кДж/дм3) выход твердого со сливом уменьшается с 35 мг/л (без обработки) до 1-2 мг/л.

Таблица 1

Зависимость содержания твердого продукта в сливе от энергии РИО

Удельная энергия разряда, кДж/дм3

0

3,4

6,0

8,6

9,2

11,2

13,4

16,5

Выход твердого продукта в осветленном растворе, мг/дм3

35

8

5

0,9

1

4,6

10

15

Таблица 2

Изменение высоты осветленного слоя в зависимости от энергии РИО при сгущении свинцово-цинковых концентратов

Время осаждения, мин.

Высота осветленного слоя над сгущенным продуктом (мм) при различной энергии РИ0 (кДж/дм3)

без обработки

1,5

3,4

6

9,2

13,4

18,2

0

0

0

0

0

0

0

0

2

5

5

5

15

50

10

10

4

42

35

55

60

130

50

45

6

90

80

130

105

170

120

115

8

130

120

165

150

245

160

115

10

170

160

210

190

320

190

185

12

200

200

260

230

 

230

230

14

240

245

280

280

 

280

285

16

280

285

300

320

 

310

315

20

310

320

320

   

320

320

30

315

           

40

320

           

Примечание: при полном сгущении концентрата высота осветленного слоя над ним равна 320 мм.

Результаты наблюдений кинетики осаждения коллективного свинцово-цинкового концентрата приведены в табл. 2.

Анализ табл. 2 позволяет сделать вывод, что оптимальной энергией обработки концентратов перед сгущением является удельная энергия 9,2 кДж/дм3. При этой энергии обработки скорость осаждения частиц возрастает в десятки раз – с 0,25 до 25 см/мин.

Флотационная пена должна обладать способностью устойчиво удерживать всплывающие с пузырьками частицы флотируемых минералов и не разрушаться до момента удаления из флотационной камеры. Минеральные частицы, достаточно прочно удерживающиеся в нем, значительно повышают ее устойчивость.

Устойчивость флотационной пены зависит главным образом от природы и концентрации реагентов-пенообразователей, которые, изменяя строение и состав адсорбционных слоев на поверхности пузырьков и характер минерального покрытия этой поверхности, оказывают на пену стабилизирующее воздействие.

В практике флотационного обогащения такие устойчивые пены часто переливаются через борта желобов флотационных машин и сгустителей, плохо перекачиваются насосами и фильтруются, при этом увеличиваются потери металлов со сливами сгустителей. Реагентный режим, обеспечивающий одновременно высокую эффективность процесса флотации и получение легко разрушающейся пены, не всегда удается подобрать, в связи с чем для разрушения флотационной пены часто применяются механические и физико-химические способы: применение вибрирующих желобов, вакуумных пеногасителей, воздействие сильной струи воды. Однако эти методы далеко не всегда эффективны, кроме того, использование для пеногашения сильной струи воды приводит к нежелательному обводнению продуктов перед обезвоживанием и перегрузке сгустителей. Для разрушения пен известно применение различных типов насосов, ультразвуковых статических сирен и излучателей. Однако названные методы мало эффективны, и полное разрушение флотационных пен с их помощью не достигается.

Одним из новых физических методов пеногашения является разрядно-импульсная обработка, при которой достигается полное разрушение флотационной пены при минимальных затратах электроэнергии.

Соответствующие исследования нами приведены при сгущении коллективного свинцово-цинкового концентрата, содержащего 20 % твердой фазы.

Сгущение концентратов, содержащих до 15 % свинца в виде галенита, сопровождается образованием рыхлой и устойчивой флотационной пены, не разрушающейся в течение длительного времени (14-16 часов); в условиях опыта высота пенного слоя составляла 20-40 мм. При этом содержание минеральных частиц в пенном продукте составляет до 20 г/л. Следовательно, при сгущении концентратов возможны большие потери металлов со сливами сгустителей при последующем их обезвоживании.

Разрядно-импульсная обработка флотационных пен дозволяет получить более высокие качественные и количественные показатели процесса. На рис. 1 показана зависимость высоты слоя пены и массы твердого в ней от удельной энергии обработки. Анализ графиков позволяет сделать вывод, что оптимальной областью энергий для эффективного разрушения флотационных пен является область 1,5-3,4 кДж/дм3. Для концентратов с исходным временем измельчения 40 мин. оптимальной является энергия разряда 1,5 кДж/дм3, а с исходным временем измельчения 60 мин. – 3,4 кДж/дм3.

missing image file

Рис. 3. Характеристики пенного слоя после обработки: 1, 3 – высота слоя пены; 2, 4 – масса твердого в пене; 1, 2 и 3, 4 – время измельчения исходной руды 60 и 40 мин. соответственно

missing image file

Рис. 4. Зависимость содержания твердого в сливе от энергии разрядно-импульсной обработки

Разрядно-импульсная обработка флотационной пены снижает до минимума потери металлов со сливом; экспериментально установлено (рис. 4), что потери твердого со сливом при отсутствии РИО составляют около 20, а после обработки – не более 0,8 г в 1 л слива.

Химический анализ твердого продукта показал, что в нем содержится 46,1 % Pb и 3,2 % Zn. В пересчете на фабрику средней производительности (5000 т/сут.) при выходе коллективного концентрата, равного 5 %, количество слива составляет 600 м3/сут., а потери со сливом – 1,2 т, в том числе потери свинца – 0,55, а цинка – 0,038 т/сут. При этом существенно снижается качество получаемого концентрата (с 15 до 6 %).

Заключение

Разрядно-импульсная обработка снижает до минимума потери металлов со сливом сгустителей. Флотационная пена при оптимальных энергиях полностью разрушается. Объяснение этому явлению вытекает из сущности процесса формирования фронта ударных волн, кавитации и термоупругих напряжений в обрабатываемой жидкости при разрядно-импульсном воздействии. Следует также отметить существенное снижение загрязнения хвостов обогащения, складируемых в хвостохранилище, тяжелыми металлами, а жидкая фаза отходов подготовлена к использованию в системах замкнутого водооборота.


Библиографическая ссылка

Коростовенко В.В., Степанов А.Г., Стрекалова Т.А., Галайко А.В., Суханова А.В. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ПРОЦЕССАХ СГУЩЕНИЯ КОНЦЕНТРАТОВ И РАЗРУШЕНИЯ ФЛОТАЦИОННЫХ ПЕН // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 12. – С. 148-153;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37751 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674