Перспективні спеціальні процеси збагачення
Поява нових спеціальних методів збагачення корисних копалин обумовлюється сьогодні рядом факторів: вичерпанням традиційних ресурсів корисних копалин, новими потребами науки і техніки, розширенням ноосфери, збільшенням номенклатури перероблюваної мінеральної сировини, виникненням у зв’язку з розвитком нашої технологічної цивілізації нових глобальних завдань – екологічних, стабільного розвитку тощо.
Одним з вирішальних факторів, які кардинально впливатимуть на подальші темпи технологічного розвитку, є вичерпання мінеральних ресурсів. За даними міжнародного аналітичного центру “Римський клуб”, поклади алюмінієвих руд будуть вичерпані за наступні 55 років, хрому – за 154 роки, вугілля – за 150, міді – за 49, заліза – за 173, свинцю – за 64, нафти – за 50, природного газу – за 49 років. Причому термін вичерпання ресурсів обчислено виходячи з припущення, що протягом майбутніх десятиліть розвідані ресурси виростуть в 5 разів у порівнянні з сучасними даними. Тобто будуть розвідані нові поклади, відкриті нові родовища, але, незважаючи на це, час, коли вичерпаються запаси руд металів і паливно-енергетичних ресурсів, дуже близький – він співвимірний зміні 1-2 до 3-4 поколінь. Це примушує шукати нові об’єкти переробки для отримання життєво важливих для людства хімічних елементів та речовин.
Перш за все – це води Світового океану, корисні копалини його дна, поховані води і розсоли земних надр, а також сьогоднішні відходи переробки мінеральної сировини: терикони, хвостосховища, мулонакопичувачі, інші відвали тощо. Майже всі ці об’єкти, попри свою різноплановість, мають одну характерну особливість – дуже низький (у порівнянні з перероблюваними сьогодні рудами) вміст корисного компонента.
Для збагачення некондиційних забалансових руд і відходів широко застосовують спеціальні біотехнології бактеріального вилуговування. Саме для переробки таких матеріалів сьогодні, крім уже відомих, опрацьовуються і випробовуються в лабораторних, напівпромислових та промислових умовах сорбційні технології.
Сорбційні технології вилучення металів
У найбільшому в Греції Університеті Аристотеля розроблено новітні технології для вилучення металів з водних розчинів за схемою: сорбція йонів металів на носіях-сорбентах (частинках піриту, цеоліту, гематиту, карбонатах лужних металів, активованому вугіллі) – флотація навантажених сорбентів. Технологія може бути застосована для вилучення золота, рідкісних і рідкісноземельних металів з вод різних типів.
Активно розвивається сорбційна технологія збагачення золота – технологія “вугілля в пульпі” в якій сорбентом-носієм золота є активоване вугілля. Вилучення золота за цією технологією складає 71-75%. При цьому вміст золота у вихідному продукті – близько 1-2 г/т.
Одержання надчистих концентратів
Сьогоднішні технології все більше потребують надчистих матеріалів, зокрема металів. Такі матеріали використовують у комп’ютерній техніці, електронних пристроях різного призначення. Їх одержання можливе за рахунок якісно нових технологій та апаратів. До них вже сьогодні можна зарахувати ряд біофільтраційних технологій, ґенерацію і використання надпотужних електромагнітних полів (кріосепаратори), проведення завершальних стадій процесів переробки мінеральної сировини у вакуумі або в атмосфері інертних газів тощо.
Суміщені процеси
До спеціальних процесів збагачення слід зарахувати ціле сімейство так званих суміщених процесів – коли відомий процес, наприклад селективну флокуляцію, ґрануляцію тощо, реалізують в нових (нетрадиційних) апаратах, наприклад, суміщаючи їх з гідротранспортом матеріалу, перекачуванням через байпас тощо. Такі суміщені процеси (основані на новому, за патентною термінологією, несподіваному застосуванні відомого апарата пристрої) вже запатентовані в ряді країн, зокрема Україні, Японії, і чекають на “нішу” для свого застосування. Головна їх перевага –мінімальна собівартість.
Вже сьогодні здійснюють попереднє збагачення корисної копалини безпосередньо на дні океану, яке реалізують в комплексі з процесами добування руд і розсипів.
Унікально перспективним є розвиток суміщених процесів підземного зрідження-збагачення вугілля.
В Україні розроблено суміщений процес «гідротранспорт-аґломерація» вугілля, який є єдиним технічним рішенням, що уможливлює дальній (магістральний) гідравлічний транспорт коксівного вугілля практично без змін коксівних якостей вугілля.
Інші спеціальні процеси збагачення
Великі потенційні можливості, на нашу думку, в галузі збагачення як спеціальні рішення мають нанотехнології, застосування при ґрудкуванні активованих тонких матеріалів (ефект механохімічної активації).
Маловідомими на сьогодні є поодинокі спеціальні процеси збагачення, основані на структурних змінах компонентів корисної копалини. Найпоширеніший з них – випалювально-магнітне збагачення залізних руд, суть якого – перетворювання шляхом випалювання парамагнітних оксидів заліза у феромагнітні речовини – феромагнітні оксиди (магнетит, маггеміт), залізну губку, крицю. Крім того, до спеціальних процесів, які використовують структурні зміни, можна зарахувати новий процес флокуляційної магнітної концентрації (багаторазові цикли «магнітна флокуляція-руйнування флокул») НДГРІ, «Кривбаспроекту» та Криворізького технічного університету, структурно-поверхневу перебудову вугільної сировини перед збагаченням (ІнФОВ НАН України) та інші.
В цілому спостерігається тенденція на розширення сфери застосування спеціальних процесів збагачення корисних копалин, збільшення їх кількості, розширення фізичних і хімічних ефектів, які складають фундаментальну основу процесу.
Лекція 13.
Заключні процеси збагачення. Зневоднення продуктів збагачення. Дренування. Центрифугування. Фільтрація. [1] c.210-227.
ЗАКЛЮЧНІ (ДОПОМІЖНІ) ПРОЦЕСИ
ЗНЕВОДНЕННЯ
Загальні відомості про процеси зневоднення
Корисні копалини у більшості випадків збагачують у водному або у важкому середовищі, тому продукти збагачення містять воду в кількості від 30 до 90%. Для подальшої металургійної, хімічної переробки або транспортування таких продуктів вода з них повинна бути видалена одним з процесів зневоднення.
Зневодненням називають процес видалення води з корисної копалини або з продукту збагачення. Розрізняють процеси механічного і термічного зневоднення. До механічного зневоднення відносять: дренування, центрифугування, згущення і фільтрування, спеціальні методи (зрив водної плівки тощо), до термічного – сушку.
На механізм процесів зневоднення вирішальним чином впливає енергія зв’язку рідини з матеріалом. Чим більша енергія зв’язку, тим важче відділити вологу від матеріалу. На цьому принципі базується класифікація видів вологи у продуктах збагачення:
– гравітаційна – заповнює проміжки між окремими частинками, утримується тільки силами взаємного притягнення молекул води і може вільно переміщуватись під дією сили ваги. Вміст гравітаційної вологи може в багато разів перевищувати вміст твердої речовини. При механічному зневодненні цей вид вологи видаляється найінтенсивніше;
– гігроскопічна – утримується на поверхні частинок у вигляді мономолекулярних плівок адсорбційними силами. Її вміст обумовлено рівновагою між пружністю парів води в навколишній атмосфері і даному матеріалі. Високу гігроскопічність має вугілля;
– плівкова – утимується на поверхні частинок силами молекулярного зчеплення у вигляді плівок (відносно гігроскопічних). Структурно складається з “тонких” (еквівалент гігроскопічної вологи) і “товстих” плівок. Вміст її обумовлюється ступенем змочування матеріалу водою. Ця волога, як і гігроскопічна, видаляється тільки термічною сушкою;
– капілярна – заповнює частково або повністю дрібніші проміжки між частинками і утримується в порах силами капілярного тиску; розрізняють капілярну внутрішню (в тілі зерен) і зовнішню (в капілярах між зернами) вологу;
– хімічно зв’язана – входить безпосередньо у кристалічні ґратки мінералів. Розрізняють воду конституційну і кристалізаційну. Конституційна вода входить у кристалічні ґратки мінералу у вигляді йонів ОН-, Н+. Температура її виведення – близько 1300оС. Входить до складу тальку Mg3[Si4O10](OH)2, малахіту Cu2[CO3] [OH]2, каолініту Al4 [Si4O10](OH)8 та ін. Вода кристалізаційна – вода, що міститься у кристалічних ґратках у вигляді молекул. Виділяється лише при високій температурі (близько 200-600оС). Ця вода характерна, напр., для ґіпсу Ca[SO4]·2H2O, опалу SiO2·nH2O, карналіту KMgCl3·6H2O і багатьох інших мінералів.
Для умов застосування фізико-хімічних методів вологовидалення Ю.К.Гаркушиним, В.С.Білецьким та П.В.Сергєєвим запропонована така класифікація вологи у вугіллі (рис. 4.1.). В основу класифікації покладено два принципи.
По-перше, розділення вологи за її місцезнаходженням: на зовнішній або внутрішній поверхні. Зовнішня волога в залежності від її близькості до твердої фази поділена на поверхневу хімічно пов'язану, плівкову, капілярну зовнішню і вільну (гравітаційну). Плівкова волога, в свою чергу, розділена на два шари - що безпосередньо примикає до твердої поверхні (міцно пов'язаний або граничний) і наступний за ним адґезійний. Внутрішня волога за цим принципом ділиться на вологу в тілі частинки (хімічно пов'язана – конституційна) і в її пустотах (капілярна внутрішня і волога макропор). Капілярна в залежності від розміру пор поділяється на вологу мікро- і мезопор. У мезопорах за місцезнаходженням виділені два шари вологи: прилеглий до поверхні шар міцно пов'язаної вологи і наступний за ним адґезійний. У макропорах аналогічно із зовнішньою вологою виділені капілярна макропор, плівкова і гравітаційна волога.
По-друге, запропонована класифікація відображає енергію зв'язку окремих видів вологи з вугільною речовиною. Енергія зв'язку фаз, як відомо, є функцією відстані між ними. Найбільша енергія зв'язку характерна для конституційної вологи, далі в порядку убування знаходяться: кристалізаційна, міцно пов'язана, адґезійна, капілярна, гравітаційна.
Застосований фізико-хімічний підхід до систематизації видів вологи вигідно відрізняється від відомих тим, що враховує, з одного боку, структурні особливості вугілля і водних плівок, а з іншою – енергію зв'язку “вугілля-рідина”, а також виділяє з усієї сукупності ті види вологи, які, в принципі, можуть бути видалені механічним і фізико-хімічними методами, що впливають на поверхню розділу фаз. До них належать всі види зовнішньої вологи, за винятком конституційної, а також внутрішня волога макропор.
Рис. 4.1. Класифікація видів вологи на вугіллі для умов застосування
фізико-хімічних методів вологовидалення
В окрему групу віднесена та волога вугілля, яка може бути видалена тільки шляхом термічного впливу (сушки). Це зовнішня і внутрішня конституційна, кристалізаційна волога і капілярная внутрішня (рис. 4.1.).
Залежно від вмісту і виду вологи (води) розрізняють такі продукти збагачення:
– пульпи (обводнені продукти) – механічні суміші твердої речовини і рідини, що мають текучість. Пульпи містять більше 40 % усіх видів вологи;
– мокрі – містять усі види вологи, але загальний її вміст не перевищує 40 %. До таких продуктів відносять зливи млинів і класифікаторів, флотаційні концентрати і відходи і т.п. Вони можуть бути одержані після попереднього зневоднення обводнених продуктів;
– вологі – містять гігроскопічну, плівкову і капілярну вологу. Загальний вміст вологи складає від 5 до 20 % . Такі продукти одержують звичайно після інтенсивного механічного зневоднення. При збереженні на повітрі ці продукти втрачають капілярну вологу внаслідок випару в навколишнє середовище;
– повітряно-сухі – містять тільки гігроскопічну, плівкову і капілярну вологу, що утримується в порах часток. Загальний вміст вологи не перевищує 5 %. При збереженні на повітрі ці продукти не змінюють своєї маси;
– сухі – містять тільки хімічно зв’язану вологу. Такі продукти можна одержати тільки при глибокій термічної сушці.
Вибір методу зневоднення залежить від характеристики матеріалу (крупності, гранулометричного складу, вологості, густини пульпи) і необхідних кондицій на готову продукцію. Звичайно кондиції за вологістю не досягаються за одну операцію, тому процеси зневоднення здійснюються за декілька стадій і різними способами.