Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ГИДРОМИНЕРАЛЬНОЕ СЫРЬЕ. ОСОБЕННОСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 10
1.1. Природные запасы гидроминерального сырья 10
7.7.7. Промышленные подземные воды и особенности их использования
1.1.2. Ресурсы гидроминерального сырья России и Восточной Сибири 13
1.2. Объекты исследования 14
7.2.7. Рассолы Коршуновского железорудного месторождения и месторождения трубки «Удачная» 14
1.2.2. Ионообменный метод селективного разделения компонентов рассола 17
1.2.3. Ионообменные материалы 18
1.3. Экологические проблемы, связанные с использованием гидроминерального сырья 21
1.4.0собенности содержания и распределения ценных компонентов в
гидроминеральном сырье 26
1.5. Теоретическое обоснование возможности селективного извлечения щелочных и щелочноземельных металлов из гидроминерального сырья 29
7.5.7. Проблемы селективного извлечения ценных компонентов из гидроминерального сырья 30
1.5.2. Физико-химические параметры компонентов, содержащихся в минерализованных водах 32
1.5.3. Анализ технологий опреснения минерализованных вод 35
1.6. Использование минерализованных вод в качестве гидроминерального сырья 37
ВЫВОДЫ 40
2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОРБЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ГИДРОМИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ 42
2.1. Особенности теории равновесия ионного обмена применительно к поли компонентным рассолам 42
2.2. Анализ гидратации ионов в исследуемых рассолах 47
2.3. Влияние свойств обменивающихся ионов на ионный обмен и ионообменное сродство. 49
2.4. Анализ термодинамических характеристик ионов в рассолах .55
2.5. Диффузия ионных процессов в рассолах 60
2.6. Математическое моделирование кинетики ионного обмена в однокомпонентном растворе на КУ-2х8 63
ВЫВОДЫ 74
З.ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СОРБЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ПРИРОДНЫХ РАССОЛОВ 76
3.1. Зависимость ионообменного поглощения от режима осуществления процесса 76
3.2. Влияние внешних факторов на ионообменное поглощение 80
3.2,1.Природа ионообменного материала 80
3.2.2. Количество смолы 85
3.2.3. Расход поступающего (вытекающего)раствора 87
3.2.4. Диаметр сорбционной колонны 90
3.3. Зависимость извлечения ценных компонентов от параметров элюирования 92
3.3.1.Влияние типа элюента на извлечение компонентов рассола 92
3.3.2. Концентрация элюента 94
3.4. Исследование процесса ионообменного поглощения в статических условиях 98
ВЫВОДЫ 108
4. ОСОБЕННОСТИ СЕЛЕКТИВНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ 109
4.1. Разработка оптимальных условий разделения металлов при извлечении из рассолов Коршуновского ГОКа , 112
4.2. Разработка оптимальных условий разделения металлов при извлечении из рассолов Удачнинского ГОКа 122
4.3. Совершенствование технологии ионообменного селективного извлечения ионов щелочноземельных металлов из рассолов Удачнинского месторождения 127
ВЫВОДЫ: 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Введение к работе
Дальнейшее экономическое развитие Восточной Сибири связано с широким освоением ее богатейших природно-сырьевых ресурсов, среди которых большая роль принадлежит подземным минерализованным водам.
Целесообразность использования гидроминерального сырья неоднократно обсуждалась такими учеными-исследователями как Пиннекер Е.В., Щепетунин И.Ф., Трофимук П.И., Дзюба А.А. и многими другими. Сложность состава рассолов обуславливает необходимость установления физико-химических зависимостей, для наиболее эффективного извлечения компонентов из них.
Однако, в большинстве случаев, полученные в процессе эксплуатации месторождений подземные воды сбрасывают или закачивают обратно. В процессе добычи промышленных рассолов также происходит их выброс в окружающую среду из гидрогеологических скважин при авариях на системах водопроводов, непосредственный сброс в водоемы, в результате чего наносится огромный вред рыбным запасам водных бассейнов, запасам пресных поверхностных вод, отмечаются значительные геохимические аномалии почв, биохимические аномалии растительности.
Представленная работа выполнена в соответствии с Федеральной Целевой Программой ФЦП " Интеграция", проект 2.1.-А0036/К0158 «Создание межведомственного регионального учебно-научного и аналитического центра по проблемам изучения и рационального использования гидроминеральных ресурсов Восточной Сибири» и договором между ИрГТУ и УГОКом на выполнение работы по теме № 225 от 05.05.99 "Разработать технологию переработки рассолов и промышленных сточных вод с целью утилизации ценных компонентов, повышения эффективности обогащения алмазосодержащего сырья и охраны окружающей среды". Цель и задачи исследований
Разработка технологии использования рассолов Удачнинского и Коршуновского ГОКов в качестве гидроминерального сырья для ионообменного селективного извлечения щелочных и щелочноземельных металлов на основании изучения их физико-химического состояния.
В работе решались следующие задачи:
Выявление основных физико-химических параметров исследуемых рассолов с учетом гидратированности ионов и их влияние на селективность ионообменного извлечения;
Исследование механизма сорбции ионов стронция на основе математического моделирования кинетики ионного обмена;
Выявление влияния параметров состава рассолов на процесс селективного ионообменного извлечения щелочных и щелочноземельных металлов;
Разработка принципиальных технологических схем селективного извлечения компонентов из рассолов;
Методы исследований
В работе использовались атомно-абсорбционный анализ, пламенная
фотометрия, пламенная масс-спектроскопия, аналитико экспериментальные, статические, динамические методы ионообменного процесса, математическое моделирование кинетики ионного обмена, планирование и обработка результатов эксперимента с применением статистических методов и пакета прикладных программ Microsoft Excel, Cliper, программного продукта Томского института им. Букаты М.Н. -HG32.
Научная новизна диссертации заключается в следующем: Установлены закономерности изменения радиуса гидратированных ионов от концентрации и формы нахождения в растворе; Установлено влияние компонентов природного рассола на коэффициенты диффузии и термодинамическую активность ионов в рассолах, обуславливающую возможность селективного выделения щелочных и щелочноземельных металлов;
Найдены новые ряды изменения гидратированных радиусов для свободных и комплексных ионов щелочных и щелочноземельных металлов природных рассолов;
Установлена основная математическая модель кинетики извлечения стронция из высоко концентрированных растворов, выявлено, что ионообменный процесс является смешанно-диффузным с незначительным влиянием внешней диффузии.
Практическая значимость
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований выявлены условия селективного извлечения щелочных и щелочноземельных металлов из природных высококонцентрированных рассолов в процессе ионного обмена. Разработаны технологические схемы селективной переработки подземных рассолов различного состава Коршуновского и Удачнинского месторождений, применение которых позволит получить дополнительную продукцию (соли редких металлов) и снизить фон загрязнения окружающей среды региона.
Реализация результатов работы
Проведены укрупненные испытания технологических схем извлечения стронция и рубидия с получением солей натрия, магния и кальция на карьерных водах трубки " Удачная" и подземных рассолах среднекембрийского водоносного горизонта района месторождений трубки " Удачной" с рассчитанным экономическим эффектом. Расчетный ожидаемый эколого-экономический эффект от внедрения технологии переработки рассолов на Коршуновском ГОКе составит- 360,28 тыс. руб. На защиту выносятся следующие основные положения:
- Закономерности ионообменной селективной сорбции гидратированных комплексов щелочных и щелочно-земельных металлов из модельных растворов и высокоминерализованных многокомпонентных рассолов Коршуновского и Удачнинского ГОКов;
- Ряды селективности для радиусов гидратированных ионов и комплексов щелочных и щелочноземельных металлов, для коэффициентов активности закомплексованных ионов металлов, и для коэффициентов диффузии;
- Математическая модель кинетики ионообменного извлечения ионов стронция из высокоминерализованного раствора;
- Технологические схемы по селективному извлечению микро и макро компонентов щелочных и щелочноземельных металлов из подземных рассолов
Апробация работы
1. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались в научно-исследовательских институтах и на международных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе: на 1-3 Всероссийской молодежной научно-практической конференции " Гидроминеральные ресурсы Восточной Сибири", Иркутск (1998г, 1999, 2000 гг.); на международной научно-технической конференции "Плаксинские чтения "./ Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири, Иркутск (1999 г.); Международной конференции молодых ученых., Владивосток, (1999.); Всероссийской Научно-практической конференции «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона»., Улан-Удэ, 2000. Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ.
Объем и структура работы
Диссертационный материал содержит стр.168 основного текста, 58 рисунков, 47 таблиц, 33 формулы, 2 приложения. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 92 источников.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю работы - д.т.н., профессору Зелинской Е.В. за оказанную помощь в работе над диссертацией; д.т.н., профессору Федотову К.В. за создание благоприятных условий для работы; сотрудникам кафедры ОПИ и ИЭ за всестороннюю помощь и моральную поддержку.
