Введение к работе
Актуальность проблемы. Предприятия горно-металлургического комплекса Уральского региона функционируют в условиях высокой концентрации промышленных производств, использования устаревших технологий и оборудования, длительного негативного влияния на природные комплексы. При этом образуются значительные количества полиметаллического техногенного сырья, содержащего черные, цветные и редкие металлы, которые накапливаются в шламохранилищах, рудо- и золо-отвалах и оказывают существенную антропогенную нагрузку на окружающую среду.
Для вовлечения в переработку жидкого и твердого техногенного сырья, с целью получения цветных, редких и черных металлов, усовершенствованы существующие и разработаны новые технологии и конструкции агрегатов для повышения качества получаемых металлов, их сплавов, других материалов; осуществлены мероприятия по энерго- и металлосбережению, подавлению вредных воздействий на окружающую среду; предложены адекватные производственным процессам математические уравнения металлургических процессов, позволяющие анализировать и оптимизировать исследованные технологии.
Совершенствование существующих схем очистки рудничных и сточных вод предприятий горно-металлургического комплекса предусматривает, кроме гидролитического осаждения металлов-примесей, дополнительно сорбционную или флотационную обработку осветленных растворов, что позволило уменьшить объем сброса неочищенных стоков и содержание примесей в очищенной воде. Эффективность работы очистных сооружений повысили рассчитанные для работы в оптимальном режиме отстойники-сгустители, что обеспечило, практически, полное осаждение металлсодержащей дисперсной фазы, утилизируемой в медеплавильном производстве.
При переработке твердого техногенного сырья, складированного на промышленных полигонах и отвалах, по разработанным материало- и энергосберегающим пиро- и гидрометаллургическим процессам и агрегатам рекуперировали железо, алюминий, медь, свинец, цинк, германий, индий, галлий. Сокращение площадей промышленных полигонов и отвалов приводит к уменьшению влияния антропогенного воздействия на литосферу региона.
Цель работы. Научное обоснование, практическая разработка новых и совершенствование существующих материало- и энергосберегающих процессов, технологий и агрегатов для получения металлов и сплавов, других материалов при комплексной переработке жидкого и твердого техногенного сырья горно-металлургических предприятий, а также снижение влияния техногенной нагрузки на экосистемы Уральского промышленного региона.
Задачи исследований:
- обоснование способов получения металлов, сплавов и других материалов в различных агрегатах на основе изучения закономерностей твердого и жидкого состояния металлических, оксидных, сульфидных и комплексных систем; расчета материальных и тепловых балансов; анализа условий и процессов формирования попутной продукции;
- разработка и практическое применение методов оценки качества и
улучшения свойств техногенного сырья для производства цветных, редких и черных металлов; технологий и конструкций агрегатов подготовки рудных, топливных и иных компонентов, необходимых для получения металлов и сплавов, других материалов;
- исследование условий функционирования процессов, технологий и агрегатов по переработке техногенного сырья, как источников загрязнения и других факторов антропогенного воздействия на экосистемы Уральского региона;
- оптимизация удельных расходов техногенного сырья, топливно-энергетических ресурсов и конструкционных материалов для уменьшения вредных воздействий на окружающую среду;
- выявление математических зависимостей основных показателей (Yi) от величины параметров (Xj) исследованных процессов для использования в системах по эффективному управлению и автоматизации разработанных технологий по комплексной переработке природного и техногенного сырья.
Методы исследований. Использованы стандартные компьютерные программные пакеты; математическая статистика; физико-химические методы исследований и анализа сырья, промежуточных и товарных продуктов, вторичных отходов производства:
- атомная эмиссионная спектрометрия с индукционно связанной плазмой (ICP-AES) (Cu, Zn, Al, Fe, Ca, Mg, Mn, Pb, Cd, SiO2);
- атомно-абсорбционная спектрометрия с пламенной атомизацией (FAAS) (Cu, Zn, Al, Fe, Ca, Mg, Mn, Pb, Cd);
- титриметрия (Cu, Zn, Fe, Cl);
- гравиметрия (SiO2, SO42);
- фотометрия (Al, Fe, As, In, Mn, Ga, Ge, Cl, SiO2);
- полярография (In, Cl);
- УФ- и ИК-спектроскопия (для жидкой и дисперсной фаз Ge-, In-, Ga-содежащих сублатов).
Достоверность научно аргументированных результатов базируется на использовании сертифицированных физико-химических методов исследования и воспроизводимости экспериментальных данных в пределах заданной точности измерений: сходимость результатов аналитических и экспериментальных данных составляет не менее 90-95 %. Воспроизводимость результатов лабораторных исследований подтверждена в ходе промышленных испытаний и внедрения разработанных и усовершенствованных технологий на горно-металлургических предприятиях Урала.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Совершенствование существующих и разработка новых комбинированных ресурсо- и энергосберегающих технологий, процессов и агрегатов по очистке рудничных и сточных вод металлургических предприятий с целью выделения и утилизации шламов тяжелых цветных металлов.
2. Пиро- и гидрометаллургические процессы и агрегаты по комплексной
переработке техногенного сырья с рекуперацией алюминия, меди, свинца, цин-
ка, германия, индия, галлия, железа, обеспечивающие минимизацию выбросов в атмосферу и водоемы, снижение выхода и степени токсичности вторичных производственных отходов.
3. Результаты расчета основных параметров агрегатов для отстаивания и сгущения дисперсной фазы пульпы, выщелачивания техногенного сырья, сорбции и ионной флотации редких и рассеянных элементов из технологических растворов, получаемых при переработке промежуточных продуктов и отходов медеплавильного производства.
4. Математические уравнения многомерного регрессионного анализа, адекватные производственным системам, для эффективного управления и возможности автоматизации разработанных технологий по комплексной переработке природного и техногенного сырья горно-металлургических предприятий.
Научная новизна.
1. Разработаны научные основы селективного выделения и концентрирования микрокомпонентов редких и рассеянных элементов из растворов кислотного выщелачивания полиметаллического природного и техногенного сырья предприятий цветной металлургии для пенного и пленочного процессов ионной флотации компонентов как истинных растворов, так и коллоидных систем с различной степенью дисперсности:
- установлены концентрационные области нахождения в жидкой фазе различных форм поверхностно-активных веществ (собирателей) и извлекаемых компонентов (коллигендов), отображаемых посредством диаграмм состояния;
- определены условия образования малорастворимых соединений (сублатов), содержащих извлекаемые компоненты, с использованием принципа аддитивности вкладов углеводородного радикала и полярной группы собирателей, а также ионов коллигендов, в изменение свободной энергии Гиббса системы;
- выявлены интервалы значений сложной константы Гамакера, концентрации индифферентных электролитов, размера и заряда частиц дисперсной фазы и пузырьков воздуха, рассчитана величина адсорбционно-сольватного фактора агрегативной устойчивости, соответствующие стабильному состоянию и процессам гомо- и гетерокоагуляции компонентов дисперсных систем в разработанных технологиях по переработке природного и техногенного сырья.
2. Дано научное обоснование способа эффективной комбинированной очистки рудничных и сточных вод медеплавильных предприятий до остаточной концентрации металлов-примесей, соответствующих ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого назначения, посредством управляемого регулирования температуры и величины рН раствора, а также содержания анионных флокулянтов, с утилизацией выделенного шлама тяжелых цветных металлов в пирометаллургическом переделе.
3. Установлено при изучении кинетики сорбции гидролизованных катионов металлов-примесей из разбавленных растворов на сильнокислотных сульфокатионитах, не осложненной процессами комплексообразования, что лимитирующей стадией процесса является внешнедиффузионный перенос обменивающихся противоионов (пленочный режим сорбции).
4. Показано, что переход и концентрирование катионов металлов примесей из разбавленных растворов на подвижной границе «жидкость–газ» в присутствии анионных ПАВ (собирателей) протекает по механизму ионного обмена и описывается кинетическим уравнением первого порядка
5. Заложены основы высокотемпературного процесса, альтернативного гидрометаллургическому выщелачиванию, возгонки и концентрирования германия из многокомпонентной шихты с низкой основностью, содержащей углерод и серу, в режиме сульфидной плавки.
Практическая значимость.
1. Разработаны новые и усовершенствованы существующие технологии промышленного производства, позволяющие:
- очищать от примесей тяжелых цветных и черных металлов шахтные воды медных рудников и сточные воды медеплавильного производства с утилизацией выделенных шламов тяжелых цветных металлов;
- комплексно перерабатывать металлургические и конверторные пыли и возгоны, золо-уносы, анодные остатки производства алюминия, отходы обогащения хризотил-асбеста, кубовые остатки производства ксантогенатов, с рекуперацией железа, алюминия, меди, свинца, цинка, германия, индия, галлия, реагентов минеральной флотации и изготовлением защитных покровных материалов на основе минеральных волокон;
- существенно уменьшить удельные расходы сырья, топливно-энергетических ресурсов и конструкционных материалов при комплексной переработке исследованных видов жидкого и твердого техногенного сырья;
- заметно сократить выбросы в атмосферу и водоемы, снизить выход и степень токсичности производственных отходов, уменьшить площади промышленных полигонов и отвалов.
2. Предложены уравнения регрессионной зависимости основных показателей (Yi) от величины параметров (Xj) исследованных процессов, использованные для создания систем эффективного управления и последующей автоматизации разработанных технологий по переработке природного и техногенного сырья горно-металлургических предприятий.
Реализация научно-технических результатов работы. На предприятиях Уральской горно-металлургической компании внедрены: комбинированная технология по очистке рудничных и сточных вод медно-серного комбината; переработка пылей и возгонов медеплавильного производства; утилизация анодных остатков производства алюминия. Результаты диссертационной рабо-
ты внедрены на комбинате «Искож» (г. Черногорск), заводе покровных
материалов (г.Рязань), заводе изоляционных материалов (п.Бобровский).
Реальный экономический эффект составил ~ 100 млн.руб. за дополнительную товарную продукцию, полученную при рекуперации цветных и редких металлов. Предотвращенный эколого-экономический ущерб ~ 425 млн.руб. от снижения степени загрязнения окружающей среды вредными веществами, что подтверждено актами внедрения и экономическими расчетами.
Апробация работы. Работа удостоена дипломами Лейпцигской ярмарки (1984 г.) и ВДНХ (1985-1986 г.), основные ее результаты доложены на конференциях: VIII Всесоюзн.конф.по колл. химии и физ.-хим.механике (Ташкент, 1983 г.); V Межреспубл.науч.конф. ВУЗ СССР «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (Казань, 1988 г.); Всесоюзн.конф.«Коагулянты и флокулянты в очистке природных и сточных вод» (Одесса, 1988 г.); Межреспубл.науч.-техн.конф. «Решение экологических проблем на предприятиях химической и нефтехимической промышленности» (Волгоград, 1989 г.); Республ.науч.-техн.конф. «Научно-техничес-кий прогресс в технологии строительных материалов» (Алма-Ата, 1990 г.); Х-ХI Межд.конф.«Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2005-2006 гг.); Государственное регулирование и стратегическое партнерство в горно-металлургическом комплексе» (Екатеринбург, 2009 г.). VI-ХI Межд.конф. «Компьютерное моделирование» (С.-Петербург, 2005-2010 г.); IX-Х Межд.конф.«Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С.-Петербург, апрель, декабрь 2010 г.); Межд.науч.-техн. конф. «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (Екатеринбург, 2011 г.).
Личный вклад автора состоит в научно-теоретическом обосновании,
постановке и непосредственном участии в проведении исследований, анализе и обобщении полученных результатов, в подготовке научных публикаций, внедрении результатов исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 научных работы, в том числе: статей – 26, из них 16 – в журналах перечня ВАК; авторских свидетельств и патентов - 6.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (первая глава) и пяти глав в экспериментальной части, выводов, списка литературы 419 наименований, приложений. Материалы диссертации изложены на 322 страницах машинописного текста, в том числе, 105 рисунков и 85 таблиц.
