CC BY
33
Ф.Ф. Борисков
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕТОДОВ, ОСНОВАННЫХ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ СИСТЕМОЙ «СЫРЬЕ В ИОНОГЕННОМ РАСТВОРЕ-ЭЛЕКТРОДЫ»
Предложен метод интенсификации выщелачивания, при котором электроэнергия генерируется перерабатываемым сырьем.
Ключевые слова: энергосберегающие методы, выщелачивание, автогенная электроэнергия, переработка сырья.
1ТЛ энергосберегающим методам относится получение тепла за счет окисления сульфидов и использование его для интенсификации плавки сульфидного сырья в жидкой ванне (ПЖВ) Ванюкова [1]. Традиционные автогенные процессы осуществляются с применением веществ, химические элементы в которых окисляются с выделением тепла (горение ацетилена при автогенной резке).
Новым направлением энергосбережения является получение электроэнергии в системе «сырье в жидкой, содержащей ионы (ионогенной) среде - электроды» и применение ее для интенсификации процессов переработки сырья [2]. На электроде, помещенном в ионогенную среду - воду, ее растворы кислот, щелочей, солей и др., появляется электрический заряд - электродный потенциал ф, В. Величина ф электрода, находящегося, например, в растворе соли металла, из которого изготовлен электрод, определяется по формуле Нернста:
ф = ф0 + 0,058 ^ a /п, (1)
где ф0 - стандартное значение ЭП элемента, из которого изготовлен электрод, а - активная концентрации ионов в растворе, у всех электролитов a ^1 при бесконечном разбавлении раствора, a >1 в концентрированных растворах [3], п - валентность ионов.
При a ^ 1 на медном электроде в растворе с ионами Си2+ в электродном процессе Си2+ + 2e~ = Си возникает ф0 = 0,337 В, где e~ - электроны [4].
Система «сырье в ионогенном растворе - электроды, числом не менее 2-х» вырабатывает электроэнергию, параметры которой зависят от типа электродных реакций, разницы концентраций ио-
нов около электродов (1) и массы смеси. Наибольшая разность в значениях концентрации ионов металлов при выщелачивании возникает между точками подачи растворителя в сырье (а{) и выхода из него продуктивного раствора, обогащенного выщелоченными компонентами (а2). Размещение электродов в этих точках приводит к появлению на них разных значений электрических потенциалов ф1 и ф2 согласно (1):
ф1 = фо + 0,058 lg а1 / П1, (2)
ф2 = ф0 + 0,058 lg а2 / П2 (3)
и генерации ЭДС е, величина которой равна алгебраической разности ф1 и ф2:
е = ф1 - ф2. (4)
Соединение электродов проводником с сопротивлением R приводит к об-разованию электрической цепи: «1-й электрод -проводник с сопротивлением R - 2-й электрод - выщелачиваемое сырье с сопротивлением R1 - 1-й электрод» с циркуляцией в ней тока I:
I = е / R + Rl (5)
При циркуляции I через сырье реализуется электрохимический механизм растворения с интенсификацией процесса перехода в раствор компонентов сырья [4]. Предложенный метод интенсификации выщелачивания, при котором электроэнергия генерируется перерабатываемым сырьем, назван также автогенным для отличия его от традиционной электрохимической обработки сырья током, потребляемом из его обычных источников (электрические сети и т. д.).
Разрабатываемый метод получения электроэнергии характеризуется абсолютной «автогенностью»: ЭДС можно получать размещением любых электродов в любой ионогенной среде с любым сырьем, содержащем все компоненты даже в состоянии полного окисления.
С использованием автогенной электроэнергии осуществлялось водное выщелачивание натрия из красных шламов глиноземного производства с массовой долей натрия 3,34 %, железа 30 % в виде Fe2O3. Натрий разрушает огнеупоры, так как в них образуются легкоплавкие соединения этого элемента, что ограничивает применение шламов в сталеплавильной шихте. Контрольная проба шламов промывалась водопроводной водой, промывка экспериментальной
пробы этой же водой проводилась при циркуляции автогенного тока при коротком
Таблица 1
Выщелачивание меди из руды месторождения Бакр-Узяк с использованием автогенной электроэнергии
Параметры Массовая доля меди Извлечение меди, %
опыта Раствор, мг/л Хвосты, % Раствор Хвосты,
R — 0* 6510 0,124 91,30 8,70
R —— да** 5900 0,137 90,16 9,84
*Электроды замкнуты накоротко
**Электроды разомкнуты - ток не циркулирует через руду
замыкании (Я ^ 0) электродов из нержавеющей стали. В пробы массой 0,5 кг добавлялась ежедневно вода в течение 5-и дней. Обычная промывка шламов водой снизила содержание натрия в них с 3,34 до 3,16 %, при водной обработке их с воздействием автогенной электроэнергии - с 3,34 до 2,45 %. Существенное снижение концентрации натрия энергосбергающим автогенным методом повышает перспективы утилизации красных шламов, которые являются потенциальным сырьем для получения из него железа и др. металлов.
Этим же методом выщелачивалась медь из окисленной забалансовой руды месторождения Бакр-Узяк (Башкирия, г. Сибай) с помощью 2-х титановых электродов в течение 50 суток 5 % водным раствором серной кислоты. Извлечение меди в раствор повысилось на 1,14 % содержание - на 610 мг/л (табл. 1).
Автогенная электроэнергия применялась также при физическом моделировании кучного выщелачивания (КВ) отвальных хвостов (Си 0,25 %, 2п 1,02) Сафьяновского колчеданного месторождения в течение 30 суток 5 % раствором серной кислоты. ЭДС ~ 0,075 В генерировалась с помощью электродов из нержавеющей стали.
Дополнение химического выщелачивания металлов электрохимическим воздействием автогенного тока на хвосты при короткозамкнутых электродах привело к повышению технико-экономических показателей переработки данного сырья: содержание меди и цинка в растворе повысилось соответственно на 32,7 и 39,4 %, извлечение -на 11,3 и 39,4 % (табл. 2).
Расширение технологических возможностей применения автогенной электроэнергии при переработке сырья достигается вклю-
чением резистора с сопротивлением R2 между электродами в замкнутую электрическую цепь: «сырье - электроды» (рисунок).
Таблица2
Кучное выщелачивание хвостов обогащения колчеданных руд с использованием автогенной электроэнергии
Параметры Содержание в растворе, мг/л Извлечение в раствор, %
опыта Медь Цинк Медь Цинк
R— 0 690 2370 53,23 44,81
R—— да 520 1700 47,83 32,14
5
Использование системы «пульпа - электроды» во флотомашине, генерирующей автогенную электроэнергию, для электрохимической обработки лежалых пиритных хвостов Карабашского месторождения: 1 - флотомашина, 2 - им-пеллерный блок (1-й электрод), 3 - металлическая пластина (2-й электрод), 4 - резистор, 5 - пенный продукт
Этот прием применялся при обогащении лежалых пиритных хвостов по схе-ме: одна операция сульфидной флотации. Резисто-
ром R2 = 148 Ом служила спи раль электропечи. Одним электродом являлся импеллерный блок флотомашины,
Таблица 3
Влияние обработки хвостов автогенным током на их флотацию
Опыт Продукты Выход, % Содержание меди, % Извлечение меди, %
Концентрат 53,35 0,21 75,96
R^ 0 Песок 46,65 0,076 24,04
Хвосты 100,0 0,15 100,0
Концентрат 55,89 0,23 83,64
R2 = 148 Песок 44,11 0,057 16,36
Ом Хвосты 100,0 0,15 100,0
Концентрат 52,38 0,22 75,86
R ^ да Песок 47,62 0,077 24,14
Хвосты 100,0 0,15 100,0
другой электрод в виде пластины и был погружен в зоне выхода пенного продукта. Величина автогенной ЭДС, вырабатываемой системой «электроды - пульпа хвостов во флотомашине», достигала 0,1 В (табл. 3). Результаты экспериментов показывают, что максимальное повышение извлечения меди и качества получаемого продукта достигается при замыкании электродов через сопротивление R2=148 Ом.
Развитие схемы обогащения лежалых пиритных хвостов с включением в нее операций контрольной, медной флотации, меж-циклового измельчения и перечисток позволит получить золотомедный продукт с содержанием золота до 6 г/т и меди до 10 %, пи-ритный (серный) концентрат и вторичные хвосты - песок, содержащий минералы вмещающих пород: кварц, тонкочешуйчатый мусковит (серицит) хлорит и др. с концентрацией калия до 1 %. Золотомедный продукт найдет применение для подшихтовки медного концентрата, получаемого из медеплавильного шлака в г. Карабаш, пи-ритный концентрат - для сульфидизации окисленных никелевых руд в г. Верхний Уфалей, расположенного в 70 км по железной дороге от г. Карабаш, песок - для реабилитации нарушенных производством земель.
С использованием автогенной электроэнергии производилось выщелачивание осадка нейтрализации рудничных вод шахты «Центральная» (г. Карабаш).
Наибольшие показатели были достигнуты при коротком замыкании электродов (Я ^ 0): содержание меди в растворе повысилось
с 2400 и 2690 до 2760 мг/л с ростом извлечения меди соответственно с 83,3 и 93,4 до 95,8 % (табл. 4).
Таблица 4
Интенсификация выщелачивания осадка нейтрализации рудничных вод автогенной электроэнергией в течение 3 суток оптимизацией величины сопротивлении проводника между электродами
Параметры Содержание меди Извлечение меди
опыта в растворе, мг/л в раствор, %
R ^ 0 2760 95,8
R2 = 148 Ом 2690 93,4
R ^ да 2400 83,3
Асимметричная система из железного и нержавеющего электродов применялась для КВ колчеданной руды Ново-Шемурского месторождения в течение 4-х часов. Обработка руды автогенным током с £ до 0,075 В привела к повышению селективности извлечения железа по отношению к меди и цинку соответственно на 33 и 36 % и получению раствора с массовой долей железа 806,7; цинка 243,9 и меди 96,6 мг/л.
Использование автогенной электроэнергии приводит к повышению технико-экономических показателей переработки руд и отходов производства. Продуктом выщелачивания минерального сырья являются перспективные для переработки концентрированные растворы - жидкие руды с массовой долей меди от 96,6 до 6510,0, цинка - от 243,9 до 2370,0 мг /л, т.е. значительно выше, чем в гидроминеральном сырье с промышленным содержанием этих металлов 50 мг/л [5]. Утилизация отходов производства (лежалых пиритных хвостов, шламов нейтрализации и др.) с использованием автогенной электроэнергии кроме энергосбережения и повышения комплексности использования минеральных ресурсов России вносит также существенный вклад в решение экологических проблем старопромышленных регионов Урала.
В заключение следует отметить, что исключение затрат электроэнергии на электрохимическую обработку минерального сырья и повышение показателей выщелачивания и флотации, достигаемое применением автогенной электроэнергии, расширяют перспективы ее внедрения в процессы, которые осуществляются в присутствии воды, формирующей ионогенную жидкую среду.
1. Плавка медно-цинкового сырья в печи Ванюкова / А. М. Халемский, А.В. Тарасов, А.Н. Казанцев и др. - Екатеринбург: Изд-во Кедр, 1993. - 80 с.
2. Патент № 2180926 РФ, МкИ 7 С 22 В %. Способ перевода в раствор компонентов вещества / Ф.Ф. Борисков, Д.Ф. Борисков, Мотовилов В.А. и др. // БИПМ. - 2002. - № 9. - С. 189.
3. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. 2-е изд., перераб. и доп. - М: «Высшая школа», 1969. - 512 с.
4. Рабинович В. А. Хавин З. Я. Краткий химический справочник. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1991. - 5. Дренажные воды - источник техногенного гидроминерального сырья на Урале / О. Н. Грязнов, С.В. Палкин, В.П. Новиков и др.// Изв. вузов. Горный журнал. - 1997. - № 11-12. - С. 58-65.
Boriskov F.F.
DEVELOPMENT OF ENERGY CONSERVING METHODS BASED ON THE IMPLEMENTATION OF ELECTROENERGY GENERATED BY A SYSTEM OF “RAW MATERIALS IN “IONOGEN SOLUTION-ELECTRODES”
Method of intensification of leaching that allows generating energy on processed raw materials is proposed.
Key words: energy conserving methods, leaching, autogen electroenergy, raw material processing.
— Коротко об авторе -----------------------
Борисков Ф. Ф. - ИГД УрО РАН, [email protected]
