УСТАНОВКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ШЛАМОВ

Полезная модель относится к устройствам для химической и электрохимической обработки растворов и может быть использована для химического концентрирования рудных металлов из шламов и электролитического доизвлечения их из растворов.
Известен автономный электрохимический модуль для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала, катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера, и индикатор предельного заполнения катода металлом (RU 2172796 С1, 27.08.2002).
Известен автономный электрохимический комплекс для обработки растворов, включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, выполненный на основе объемно-пористого электродного материала, катод, внутренний и внешний аноды и электрод сравнения, соединенные с потенциостатом, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера, и индикатор предельного заполнения катода металлом, при этом электрохимический комплекс дополнительно снабжен термодатчиком и индикаторным микроэлектродом, расположенными в межэлектродном пространстве у электрода сравнения и соединенными с блоком питания и контроля, а индикаторный микроэлектрод выполнен в виде графитового круглого стержня, изолированного по бокам эпоксидной смолой (RU 2225901 С1, 20.03.2004).
Известное изобретение позволяет повысить эффективность работы электрохимического комплекса при извлечении серебра из фиксажно-отбеливающего раствора.
Ни одно из указанных изобретений, несмотря на некоторые общие признаки с предлагаемой установкой: наличие анода, катода и электрода сравнения, не может быть выбрано в качестве прототипа, т.к. известные устройства в принципе не могут быть использованы для одновременного локального концентрирования рудных элементов в шламах и доизвлечения их из фильтрата из-за специфики процесса на подвижном геохимическом барьере.
Заявляемая установка является оригинальной и моделирует процессы, происходящие в шламонакопителях и хвостохранилищах с использованием химических и электрохимических процессов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание экспериментальной электрохимической установки, позволяющей с высокой степенью оптимизировать процесс концентрирования, доизвлечения и, при необходимости, извлечения металлов из шламов.
На фиг.1 представлено сечение установки в горизонтальной плоскости с обозначением номеров вводов.
На фиг.2 показан общий вид заявляемой установки с герметичной крышкой, прозрачным корпусом, на поверхности которого просматривается часть технологических отверстий (вводов), выполненных на четырех уровнях.
Установка (фиг.1) представляет собой вертикальную колонну, корпус 1 которой выполнен из прозрачного органического стекла. Объем внутреннего пространства колонны составляет 6 л размерами 10×10×60 см и на 2/3 заполнен рудным шламом (например, Садонской группы месторождений). На поверхности колонны выполнены 30 технологических отверстий по шесть на первом, втором, четвертом и 12 на третьем, сверху установка герметизирована крышкой с двумя выводами.
В нижней части колонны, на первом уровне расположено отверстие 2 для подачи химического раствора, например разбавленной серной кислоты с первого уровня снизу вверх в объем шлама. Через отверстия в установке размещены: четыре (на каждом уровне по одному) солевых ключа Ag/AgCl-электрода
сравнения 3 для уровневых измерений потенциалов; два угольных анода 4 на первом уровне для генерации кислорода (d=10 мм, l=70 мм); шесть технологических заглушек 5 (из них одна на первом уровне, две на третьем уровне и три на четвертом уровне); три платиновых Eh-электрода 6, по одному на первом, третьем и четвертом уровнях; на втором и третьем уровнях установлены два угольных анода 7 нагруженных пар С анод - С катод (d=3.5 мм, l=30 мм), два угольных анода 8 цементационных пар С анод - А1 катод (d=3.5 мм, l=30 мм, два угольных катода 9 нагруженных пар С анод - С катод (d=3.5 мм, 1=30 мм), два алюминиевых катода 10 цементационных пар С анод - Аl катод (d=2 мм, l=280 мм) и два уровневых пробоотборника 11, каждый из указанных электродов помещен в перфорированный пластиковый стаканчик, обернутый капроновой тканью; на третьем уровне размещены: катод 12 нагруженной пары С анод - Аl катод (d=2 мм, l=280 мм), помещенный в перфорированный пластиковый стаканчик, обернутый капроновой тканью; твердоконтактный рН-электрод (рН-электрод) 13 для измерения рН in situ, a также анод 14 нагруженной пары С анод - Аl катод (d=3.5 мм, l=30 мм); на четвертом уровне размещен основной пробоотборник фильтрата 15, связанный с алюминиевым катодом 16 (d=2 мм, l=700 мм), помещенным в пластиковый контейнер с крышкой, заполненный фильтратом. На герметичной крышке 17 выполнены два вывода, один - газовый отвод 18 для вывода выделяющихся газов: углекислоты при взаимодействии карбонатов шлама с сернокислыми растворами, кислорода и водорода на анодах и катодах, соответственно, образующихся на нагруженных угольных электродах. Газовый отвод соединен с барботером - водяным затвором, компенсирующим избыточное давление (на схеме не показано); резиновая трубка 19, заполненная фильтрантом, соединена с емкостью, в которой находится алюминиевый катод 16 (d=2 мм, l=700) мм для электрохимического концентрирования и выделения тяжелых металлов фильтрата.
Угольные аноды 4 для генерации кислорода являются парами алюминиевым катодам 16. Катоды 16 служат для доизвлечения тяжелых
металлов из профильтровавшегося раствора. Пары нагружены потенциалом величиной 3 В. Остальные цепи замкнуты поуровнево, на нагруженные пары подано напряжение 2.48 В.
Измерение рН, Eh, а также потенциалов электродов цементационных пар производится против электрода сравнения, имеющегося на каждом уровне. Контакт электрода сравнения с поровым раствором шлама осуществляется через солевой желатиновый мостик.
Вся система герметична. Вывод газов осуществляется через барботер, столб жидкости в котором равен разнице уровней фильтрата в колонне и подаваемого раствора - фильтранта из бутыли (на схеме не показано).
Установка работает следующим образом.
2
4
2
4
3
3
Внутренний объем колонны установки заполняют на 2/3 рудным шламом хвостов обогащения полиметаллических (Zn, Pb, Сu) месторождений (например, Садонской группы, Сев. Осетия). Через вход 2 подают снизу вверх в колонну со шламом разбавленный раствор серной кислоты или раствор 0.15М HSO+0.15M Fе(SO)) со скоростью 40-50 см/сутки, что соответствует малой линейной скорости 1 см/сутки, сверху установку герметизируют крышкой 17 с двумя выводами 18 и 19. Через отверстия на уровнях в установку вводят платиновые редокс-электроды (3 шт.) 6, стеклянный электрод рН-метрии 13, пробоотборники 11, газоотводы, солевые ключи 3 (4 шт.) для уровневых измерений потенциалов, 10 шт.угольных и алюминиевых электродов нагруженных и цементационных пар. Шесть вводов 5 закрыты заглушками и при рабочей необходимости используются для установки дополнительных электродов. Фильтрация организована снизу вверх для того, чтобы упростить схему перемещения выделяющихся газов: углекислоты при взаимодействии карбонатов с сернокислыми растворами, выделяющихся кислорода и водорода на анодах и катодах, соответственно образующихся на нагруженных угольных электродах.
-
2-
2
Прообразом дренажного колодца шламонакопителей является пластиковый контейнер 16, выведенный за пределы колонны шламов и соединенный с ней через трубку пробоотборника профильтровавшегося раствора. В этот контейнер помещен алюминиевый катод (на фиг. не показан) для перехвата и концентрирования тяжелых металлов фильтрата, замкнутый в цепь с генерирующим кислород анодом 4. Частичный перехват и концентрирование металлов производится цементационными и нагруженными парами, введенными в середину колонны непосредственно в шлам. При этом дополнительным фактором осаждения металлов является подщелачивание католита при электролизе водного раствора с выделением водорода. Анолиты, соответственно, подкисляются по основной электрохимической реакции: 2ОН=НО+О с выделением активного кислорода.
Реагентное окисление сульфидов шлама проводят раствором серной кислоты и сульфата трехвалентного железа и описывается следующими реакциями:
2
2
4
2
4
3
2
(1) 2FeS+4НSO=5S+Fe(SO)+4HO
2
2
4
3
2
2
2
4
(2) FeS+Fe(SO)+4HO=3Fe(OH)+2S+3HSO,
и, в том числе, для всех сульфидов:
2
4
2
4
3
2
3
2
4
(3) MeS+2O=MeSO. Вторая реакция менее вероятна при условиях постоянной генерации кислорода, но реальность ее локального протекания в прикатодном растворе не исключена, что контролируется изменениями редокс-потенциалов угольными электродами. При взаимодействии серной кислоты с карбонатами и сульфидами шлама фильтрат нейтрализуется (от рН=1-2 до рН=5-6). При этом раствор сульфата трехвалентного железа начинает гидролизоваться с образованием гидроокиси железа (III) и новых порций серной кислоты: Fе(SO)+6НО=2Fе(ОН)+3HSO.
2
4
3
Таким образом, четверть всей серной кислоты подается в чистом виде, а 75% генерируется при гидролизе Fe(SO).
Подача фильтранта производится снизу вверх для подавления ряда нежелательных явлений: 1) сохранения защемленных в порах воздуха и газов; 2) перемешивания поровых растворов химических реагентов при всплывании выделяющихся на электродах газов при противоположной направленности фильтрации; 3) сильного взмучивания частиц шлама у электродов. Направление фильтрации не противоречит природным условиям, где всегда реализуется латеральная фильтрация по направлению к дренажной системе и техническим условиям закачки реагентов в основание толщи шламов.
Опытные данные показали, что при фильтрации химического реагента через шлам происходит интенсивное извлечение рудных элементов в раствор, но по пути продвижения раствора концентрации резко снижаются из-за вторичного образования сульфидов металлов. В колонне эти фазы образуют подвижный геохимический барьер, который медленно передвигается по направлению фильтрации раствора, причем в начале процесса фильтрации содержание элементов на выходе колонны низкое из-за процесса переотложения рудных фаз и полной нейтрализации серной кислоты шламом. Когда подвижный барьер вторичного отложения рудных минералов достигает последних сечений колонны шламов, не только рудные фазы интенсивно накапливаются в этой локальной зоне, но и в фильтрате резко возрастают концентрации рудных элементов, доизвлекаемые на катодах. Коэффициент накопления рудных элементов в этой локальной части шламов изменяется от 10 до 100 в зависимости от их природы. Эксперименты показали, что доизвлечение металлов из шламов составляет от 40 до 95% в зависимости от природы металла и времени воздействия.
Использование установки позволяет проводить оптимизацию сложного процесса внутришламового концентрирования рудных минералов для создания техногенных месторождений полезных ископаемых.