Введение к работе
Актуальность работы. Цветная металлургия относится к числу отраслей с наибольшим выходом промышленных отходов на единицу продукции. При проектировании значительной части действующих предприятий не учитывались требования рационального природопользования и снижения негативного влияния производственной деятельности на среду обитания. Создание экологически безопасных производств, основанных на использовании современных безотходных технологий, связано с огромными капитальными затратами. Выходом из сложившейся ситуации является экологизация существующего промышленного производства путем проведения комплекса мероприятий, включающих совершенствование технологических процессов, повышение эффективности очистки сточных вод и утилизации твердых отходов, внедрение современных автоматизированных средств экомониторинга. В основе всех мероприятий по предотвращению загрязнения окружающей среды лежит контроль, обеспечивающий получение достоверной информации, необходимой для управления природоохранной деятельностью. Использующиеся для экомониторинга физико-химические методы должны отвечать критериям, предъявляемым з данной области анализа: высокая чувствительность, селективность, воспроизводимость, экспрессность, простота пробоподготовки. возможность широкой автоматизации, приемлемая стоимость и т.д. К числу наиболее актуальных и мало разработанных проблем экоаналитики относится приборное и методическое обеспечение контроля техногенных загрязнителей водного и воздушного бассейна. Перспективным направлением повышения эффективности очистки сточных вод является сочетание традиционных реатентных методов с сорбционными технологиями, обеспечивающими снижение концентрации загрязняющих веществ до уровня ПДК. Задача разработки малозатратной глубокой очистки промстоков от экотоксикантов является очень сложной и ее решение во многом зависит от правильного выбора сорбента и создания необходимых условий для его эффективного и многократного использования.
Применение комбинированных технологий для утилизации многотоннажных токсичных твердых отходов обеспечивает создание производств, отвечающих принципам комплексного использования сырья и экологической безопасности. Разработка комбинированных технологий требует проведения специальных исследований по выбору оптимальных режимных параметров всех использующихся методов переработки отходов, включая производство изделий строительной индустрии. Экологизация флотационных методов обогащения руд направлена на сокращение расхода токсичных реагентов, уменьшение содержания тяжелых металлов в хвостах, снижение водопотребления. Научную и производственную проблему представляет разработка высокоэффективных способов оптимизации автоматического управления флотацией по алгоритмам, полученным при изучении взаимосвязей между параметрами ионного состава и технологическими показателями процесса. П о т о ч н о е епосвоейсути гидрометаллургическое производство легко подіЕйхя фйНМОНМВИМШ основе
\ ВИВЛИОТЕКА Г
контроля параметров ионного состава. Наиболее сложным и во многом не решенным является вопрос создания высокоизбирательных автоматических анализаторов микропримесей в процессе очистки растворов кислого и нейтрального выщелачивания. Сложную и неизученную область в химической экологии представляет моделирование химических трансформаций техногенных загрязнителей в условиях реакционно-способной среды и экомониторинг продуктов химических превращений, связанных с комплексообразованием органических и неорганических веществ лигандной природы с ионами металлов, а также очистка сточных вод цветной металлургии от образующихся координационных соединений. Сочетание современных физико-химических методов с квантово-химическими расчетами позволяет решить перечисленные выше задачи.
Целью работы является разработка научных основ экологизации процессов переработки руд цветных металлов, очистки сточных вод, утилизации отходов, создание новых способов и средств контрож загрязнений окружающей среды на базе экспериментальных и теоретических исследований с использованием физико-химических методов, математической статистики и квантовохимических расчетов.
Идея работы заключается в повышении экологической безопасности производства цветных металлов за счет комплексного подхода, включающего разработку новых методов и средств оперативного экомониторинга техногенных загрязнителей окружающей среды, создание высоких технологий обезвреживания жидких и твердых отходов, автоматизацию контрож и управления флотационными и гидрометаллургическими процессами.
Для достижения цели поставлены следующие конкретные задачи:
-
Экологизация процессов обогащения полиметажических руд на основе изучения взаимосвязей между ионным составом жидкой фазы пульпы и основными показателями флотации с использованием экспериментально-статистических методов исследований и автоматического регулирования расхода реагентов по параметрам ионного состава.
-
Повышение экологической безопасности и эффективности цинкового производства путем разработки методов и систем автоматического контроля ионов тяжелых цветных и редких метажов в технологических растворах.
3. Разработка методов и средств оперативного физико-химического экомониторинга
техногенных загрязнителей окружающей среды и автоматических анализаторов
гадрометаллургических растворов и флотационных пульп.
-
Разработка методик экспресс-анализа пылегазовых выбросов свинцово-цинковой и вольфрамо-молибденовой отрасли.
-
Разработка экологически безопасной технологии очистки промышленных сточных вод от техногенных загрязнителей неорганической и органической природы и продуктов их химических превращений с помощью полимерных фильтрующих материалов В ИОН.
6. Разработка комбинированной флотационно-гидрометаллургической
технологии переработки отвальных пгламов молибденового производства с
извлечением ценных компонентов и утилизацией обезвреженных отходов в
строительные материалы.
7. Моделирование химических превращений (комплексообразования и
реакций с переносом электрона) техногенных загрязнителей гетероциклической
природы в присутствии ионов металлов и других электроноакцепторных веществ
на основе электрохимических, спектральных исследований и
квантовохимических расчетов.
-
Обоснование механизма реакций в сточных водах цветной металлургии с участием донорных и акцепторных субстратов, ионов тяжелых цветных металлов и других реакционно-способных веществ по типу гомогенного катализа.
-
Внедрение разработанных методов и средств контроля, технологий очистки сточных вод и переработки отходов в производственную практику предприятий цветной металлургии.
Методы исследования. В работе использованы физико-химические методы исследований: классическая, переменнотоковая, нормальная (НИП) и дифференциальная импульсная полярография (ДИП) в прямом и инверсионном режимах, циклическая вольтамперометрия (ЦВА), ионометрия, электронная спектроскопия, экспериментально-статистические методы исследований технологических процессов, квантово-химические методы расчетов молекул техногенных загрязнителей лигандной природы и продуктов их взаимодействия с ионами металлов.
На защиту выносятся:
-вновь разработанные высокоизбирательные методики автоматического оперативного контроля промышленных сточных вод, пылегазовых выбросов, флотационных пульп и гидрометаллургических растворов;
-высокие безотходные технологии очистки промышленных сточных вод и переработки отвальных пгламов, предусматривающие извлечение ценных компонентов и утилизацию обезвреженных продуктов;
-системы автоматического управления процессами селекции полиметаллических руд, разработанные на основе экспериментально-статистических методов исследований технологических процессов и обеспечивающие повышение экологической безопасности пенной флотации;
-вновь разработанные автоматические электрохимические анализаторы промышленных сточных вод и технологических растворов;
-теоретическое положение о роли солей тяжелых металлов в химических превращениях техногенных загрязнителей как катализаторов переноса электрона с субстрата лигандной природы на электроноакцепторный реагент.
Научная новизна. Впервые разработаны легко поддающиеся- автоматизации методики избирательного вольтамперометрического контроля промышленных сточных вод и флотационных пульп на содержание минеральных частиц (а.с.
№505941), бутилового ксантогената, олеата натрия, сульфид-ионов, меди и цинка в присутствии цианидов (а.с.№ 1070462, №1422123), разновалентньгх форм мышьяка (пат.РФ №2102736); методики оперативного вольтамперометрического контроля индия, никеля (а.с. №1777065), сурьмы, кобальта (пат. РФ №2216014), перманганат-ионов (пат. РФ №2186379) в растворах сульфата цинка. Обоснована возможность использования концентраций ионов меди и цинка в жидкой фазе флотационной пульпы в качестве режимных параметров в системах регулирования процессов медно-свинцовой и свинцово-цинковой селекции коллективных концентратов (а.с. №1257910 и №1367244). Создан специализированный комплекс средств пробоотбора и пробоподготовки для автоматических анализаторов ионного состава промышленных сточных вод, пульп и гидрометаллургических растворов (а. с. №1224650, №1265519, №1428981, пат. РФ №2037146). Разработаны экологически безопасные технологии глубокой очистки промстоков цветной металлургии от флотореагентов, ионов тяжелых и редких металлов, координационных соединений с помощью полимерных волокнистых сорбентов и флотационно-гидрометаллургическая технология переработки твердых отходов молибденового производства. Впервые на основе электрохимических, спектроскопических исследований, квантовохимических расчетов обоснован гомогенный катализ в химических трансформациях техногенных загрязнителей лигандной природы в присутствии ионов тяжелых цветных металлов, окислителей и других реакционно-способных веществ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается комплексным использованием физико-химических, экспериментально-статистических и кваптовохимических исследований; высокой сходимостью экспериментальных данных с теоретическими расчетами, резрьтатами лабораторных и промышленных испытаний, высокой эксплуатационной надежностью разработанных методов и средств контроля и управления процессами переработки минерального сырья и очистки сточных вод.
Научное значение работы состоит в разработке теоретических основ и методической базы оперативного контроля техногенных загрязнителей окружающей среды, в теоретическом и экспериментальном обосновании методов глубокой сорбционной очистки промстоков от экотоксикантов, в создании эффективных способов управления процессами флотации полиметаллических руд, в прогнозирования химических трансформаций техногенных загрязнителей в промстоках. Научные результаты выполненного исследования могут найти применение в природоохранной деятельности при переработке минерального сырья.
Практическое значение работы
1. Применение разработанных способов и средств контроля сточных и условно чистых вод позволяет повысить эффективность работы очистных сооружений и снизить сброс токсичных веществ в открытые водоемы.
-
Использование вольтамперометрических экспресс-анализаторов атмосферного воздуха обеспечивает своевременное обнаружение источников сверхнормативных и несанкционированных выбросов токсичных веществ в воздушный бассейн.
-
Технология очистки промстоков с применением ПАН фильтров позволяет снизить содержание загрязняющих веществ до уровня ПДК, сконцентрировать и извлечь ценные компоненты, исключить образование высокотоксичных неутилизируемых шламов.
4. Экологически безопасная флотационно-гидрометаллургическая технология
переработки отвальных шламов обеспечивает снижение безвозвратных потерь
молибдена и утилизацию обезвреженных отходов в изделия строительной индустрии.
5. Автоматический контроль и управление флотационными и
гидрометаллургическими процессами по параметрам ионного состава приводит к
увеличению объема производства цветных металлов при одновременном снижении
сброса токсичных веществ в открытые водоемы.
Реализация работы. Теоретические и методические разработки диссертации использованы в практике научно-исследовательской работы СКФ ОНТК«Союз ЦМА», а также в учебном процессе СОГУ.Созданные методики контроля и анализаторы техногенных загрязнителей окружающей среды, системы контроля и управления технологическими процессами очистки сточных вод и гидрометаллургических растворов, флотационного обогащения руд внедрены на заводах «Электроцинк», «Мосэлектрофольга», «Рязцветмет», на обогатительных фабриках и металлургических заводах Алмалыкского, Джезказганского, Лениногорского, Зыряновского, Садонского комбинатов. Технологии сорбционной очистки сточных вод и переработки отвальных шламов успешно испытаны и приняты к внедрению заводом «Победит».
Апробация работы.' Материалы диссертации докладывались на III Всесоюзной конференции по электрохимическим методам анализа (Томск, 1989), на IX Всесоюзном совещании по полярографии (Усть-Каменогорск, 1987), Всесоюзной конференции «Состояние и перспективы перевода предприятий цветной металлургии на бессточные системы водопользования» (Алма-Ата, 1988), I, П, Ш, IV, V Международных конференциях по безопасности и экологии горных территорий (Владикавказ, 1992, 1995, 1998, 2001, 2004), I, IV, V Всероссийских конференциях по анализу объектов окружающей среды (Краснодар, 1996, 2000, Санкт-Петербург, 2003), II и III конгрессах обогатителей стран СНГ с международным участием (Москва, 1999, 2001), Международном симпозиуме «Чистая вода России - 2001» (Екатеринбург, 2001), IV Международной конференции «Хозяйственно-питьевая и сточные воды; проблемы очистки и использования» (Пенза,2002), I Всероссийской конференции «Аналитические приборы» (Санкт-Петербург, 2002), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы аналитической химии» (Москва, 2002), Международном симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии» (Краснодар, 2002), Международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2003), II Всероссийской научно-практической конференции «Горно-
металлургический комплекс России: состояние, перспективы развития» (Владикавказ, 2003), Всероссийской научно-практической конференции «Химическое загрязнение среды обитания и проблемы реабилитации нарушенных экосистем» (Пенза, 2004). На выставке высоких технологий в Санкт-Петербурге (Hi - Tech 2002) удостоены золотой медали и диплома безотходные технологии переработки отвальных пгламов и хемосорбционной очистки промышленных сточных вод.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 92 работы, в том числе 49 статей, 30 тезисов докладов Международных, Всесоюзных, Всероссийских конференций, 9 авторских свидетельств, 4 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 375 наименований, приложения. Работа изложена на 365с машинописного текста, содержит 32 таблицы, 131 рисунок. В приложении объемом 32с включены документы, подтверждающие практическое использование выполненной работы.
