Оптимизация обогащения полиметаллических руд на основе контроля и регулирования ионного состава пульпы и оборотных вод

В.М. Авдохин, В.В. Морозов

Московский государственный горный университет

ОПТИМИЗАЦИЯ ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РУД НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ИОННОГО СОСТАВА ПУЛЬПЫ И ОБОРОТНЫХ ВОП

Проблема регулирования технологических свойств минералов, состава сточных и оборотных вод является весьма актуальной для решения общей задачи повышения эффективности и экологической чистоты процессов обогащения руд.

Усложнение ионного состава пульпы в операциях измельчения и флотации, наблюдаемое при ведении процесса в условиях водооборота, является главной причиной уменьшения контрастности флотационных свойств минералов и, как следствие, -ухудшения технико-экономических показателей обогащения. Выделено три основных механизма сближения флотационных свойств минералов сульфидных полиметаллических руд:

• активация поверхности сульфидов цинка и железа катионами или комплексами меди оборотных вод;

• гидрофобизация поверхности породообразующих минералов, содержащимися в оборотной воде органическими соединениями с собирательными свойствами;

• перерасхода реагентов в коллективной флотации.

Основные этапы решения поставленной задачи включают разработку моделей разделительных процессов, рациональной схемы водооборота, алгоритмов и систем автоматического контроля регулирования ионного состава пульпы, сточных и оборотных вод.

На основе термодинамических расчетов и экспериментальных исследований состояния флотационных систем применительно к условиям обогащения сульфидных руд цветных металлов установлено, что физико-химические взаимодействия в аэрированных пульпах относятся к “квазиравновесным” процессам и протекают на фоне непрерывного самопроизвольного окисления сульфидов по коррозионной модели , включающей катодное восстановление адсорбированного кислорода, анодное окисление сульфида металла, гетерогенную химическую реакцию образования вторичных труднорастворимых продуктов.

Такая модель позволяет описывать стационарные состояния неравновесных процессов, при этом способность сульфидов к окислению характеризуется величиной их электродного потенциала, скорость процесса - плотностью тока коррозии, а состав продуктов окисления зависит от физикохимических свойств минералов, ионномолекулярного состава раствора и определяется на основе рассчитанных диаграмм “потенциал-рН”, адекватность которых подтверждена комплексом электрохимических и электронографических исследований [1,2,3].На основе разработанных диаграмм термодинамической устойчивости систем “сульфидный минерал - ксантогенат - вода” [4] определены практические пределы значений потенциала ф и pH, при которых реализуются необходимые и достаточные условия их эффективной флотации для гале-

нита 0,12<ф<0,35 В; 2,0< pH <12,0; для халькозина 0,10<ф<0,2-0,4 В; 2,0<рН<12,0; для сфалерита 0,15<ф<0,25 В, 4,0<рН<10,0; для пирита 0,15<ф<0,5 В, 2,0<рН<9,0. Термодинамическая возможность образования ксантогенагов металлов реализуется на минералах в последовательности:

СиКх(СиКх2) - РЬКх2 - ZnKx2(aкт.) -1-еКх2(РеКх3), что сответствует ряду их флотируемости. Изменяя потенциал поверхности путем введения реагентов окислительно-восстановительного типа, электрохимической обработкой пульпы, аэрацией, варьированием продолжительности предварительной агитации, температурной обработкой пульпы, можно целенаправлено регулировать адсорбционные и флотационные свойства частиц различных минералов и ценных компонентов.

Анализ результатов термодинамических расчетов, электрохимических исследований и флотационного поведения минералов в коллективных и селективных циклах флотации на различных обогатительных фабриках (рис.1), работающих как по циа-нидной, так и по сульфоксидной технологии показал, эффективная флотация сульфидов протекает в условиях одновременного существования на поверхности минералов ксангогенатов металлов и диксантоге-нида [ 5]. При этом электродные потенциалы галенита и сфалерита в коллективной свин-цово-цинковой флотации на Карагай-линской ОФ составляют соответственно 0,23 и 0,2 В, потенциалы галенита и халькозина в коллективной флотации на Зырянов-ской и Джезказганской фабриках - 0,2 В -0,25 В. В то же время в селективных циклах разделения свинцово-цинковых и свинцовомедных концентратов потенциалы флотируемых минералов (галенита) практически не изменяются, а потенциалы депрессируе-мых минералов смещаются в катодную об-лас I ь и составляют для сфалерита - 0,5 В и для халькозина - 0,25 В. на диаг-раммах “ф -pH” - значениям потенциала депрессии от-

вечает чисто сульфидная поверхность минералов с характерными признаками суль-фоксидных или цианидных комплексов.

В операциях основной, контрольной цинково-пиритной флотации и цинково-пиритной перечистки электродный потенциал пирита соответствует диаграмме “ф -pH” области совместного существования ксантогената металла, ионов ксантогената и молекул диксантогенида. При этом пирит активно флотируется. Повышение щелочности пульпы в контрольной цинково-пиритной флотации до рН=Т 1,0-11,5 приводит к частичной потере гидрофобности пирита вследствие снижения его активации и перехода ксантогената железа в гидроокись железа.В операциях основной цинковой и перечистной флотации при высоких значениях рН> 11,5 снижение потенциала пирита предотвращает образование ксантогената железа, диксантогенида и флотацию пирита. В контрольной цинковой флотации депрессия пирита протекает в условиях, когда на его поверхности возможно образование диксантогенита, при этом пирит может частично переходить в пенный продукт, увеличивая его циркуляцию по схеме. Сохранение флотоактивности частицами пирита в операциях цинковой флотации происходит также вследствие низкой скорости их окисления и активации слабоокисленного пирита катионами меди вплоть до рН<13,0.

Физико-химические модели активации сфалерита и пирита ионами и комплексами меди описываются уравнениями:

А, =ЕЬ -0,118 1ё [НСК] + 0,059 1ё [Си(С^2 ’] А2 =ЕЬ + 0,0118 pH = 0,118 ^[НСН] + 0,118

1ё[Си(СК)2 - 0,059 1ё [Ре(СК)63-]

На рисунке 2 приведены данные лабораторных исследований и промышленных исследований процесса коллективной медно-свинцовой флотации на Зыряновской обогатительной фабрике, показывающие связь ионного состава пульпы в операции

измельчения с селективностью флотации и подтверждающие адекватность предлагаемых моде-лей. Коллективная медносвинцовая флотация проводилась в режиме Шеридана-Гризвольда, а изменение величины параметров А] и Аг достигалось загрузкой в мельницу заданного количества медного купороса.

V

pH

Рис. 1 Диаграмма термодинамической стабильности и электродные потенциалы сульфидов в операциях флотации [X] = 2*10"1 моль/л; 132032 ] = 10'3 моль/л; [С032'] = 10'5 моль/л.

1,2 - потенциал галенита в коллективной флотаг{ии на Карагай линской и Джезказганской обогатительной фабриках;

3,4 - потенциач халькозина в коллективной и селективной флотации на Джезказганской и Зыряновской обогатительных фабриках 5,6, 7 -потенциал сфалерита в коллективной и селективной свинцово-цинковой флотации на Карагайлинской обогатительной фабрике

8,9,10 - потенциал пирита в коллективной и селективной флотации

Анализ результатов показывает, что разработанные модели хорошо описывают граничные условия активации, а параметры А| , Ат могут быть использованы в качестве

оптимизационных для регулирования реа-гентных режимов флотации по ионному составу пульпы.

А2

Рис. 2. Зависимости разностей извлечений меди и цинка (слева), меди и пирита (справа) от комплексных оптимизационных параметров ионного состава пульпы (А1,А2) в основной медно-свинцовой флотации в лабораторных и промышленных условиях - граничное значение параметров оптимизации А1.А2.

Сопоставление средних величин параметров Аі и Аг для оборотных вод (соогв.

0,61 и 0,48) с граничными их значениями показывает, что оборотная вода обладает “активирующими свойствами” по отношению к депрессируемым сульфидам, и возникает необходимость ее предварительного кондиционирования.

Для разработки физико-химических моделей гидрофобизации флотации несуль-фидпых минералов проведен термодинамический анализ систем Са-01-С0з и №-01-СОз[6].В качестве модельного гидрофоби-зирующего соединения выбрана олеиновая кислота (1101), что обусловлено данными о реальном составе оборотных вод ряда обогатительных фабрик. Адекватность термодинамических расчетов подтверждена результатами спектральных исследований состава продуктов, образующихся при заданном составе жидкой фазы.

Сопоставление необходимой для г идрофобизации кальциевых породообразующих минералов ( 0,35 мг/л) и измеренной в жидкой фазе пульпы коллективной флотации (1,8 - 4,2 мг/л) концентрации жирнокислотных соединений показывает, что гидрофобизация и флотация кальциевых минералов может быть обусловлена образованием и закреплением на их поверхности олеатов кальция. В этом случае для процесса гидрофобизации кальциевых минералов справедлива модель:

А3 = ^ [01 ] - 0,5 pH - 0,5 1ё [НС03]

Управление реагентными режимами флотации по разработанным моделям основано на поддержании оптимальных соотношений между концентрациями реагентов-собирателей и реагентов-депрессоров с организацией отдельных контуров регулирования расходов реагентов.

Так система управления реагентным режимом разделения медно-свинцового концентрата включает два контура (рис.З ). Первый контур регулирования по соотношению величины pH и концентрации ксан-

тогената поддерживает оптимальный расход активированного угля.

Второй контур регулирует расход цианида натрия по величине pH, концентрации ионов меди, ксантогената, цианида. В качестве функции-задатчика используют физико-химические модели депрессии гсульфидов меди в цианидной среде (1,2) и депрессии галенита (3) [4]:

А| = - 3/13р11 + 12/131ц[Х ] +

+ 1ё[Си

А2=- 1/6рН + 2/ЭДХ'] +

+ ^[СиССЫЫМСЫ]2,

Промышленные испытания системы автоматического регулирования реаген гно-го режима медно-свинцового разделения на Зыряновской обогатительной фабрике показали возможность снижения потерь свинца и меди на 3-5% при сокращении расхода цианида натрия на 14 г/т руды [8].

ПР

РиС.З. Принципиальная схема системы автоматического регулирования реагентного режима флотационного разделения медно-свинцовых кон центратов.

I- фильтр-пробоотборник; 2- насос; 3-6 датчики щелочности пульпы, концентрации ионов и комплексов ксантогената, меди, цианида; 7-9 -пробоотборники медно-свинцового, свинцового и медного концентратов; 10- аначизатор твердой фазы пульпы; II- ЭВМ; 12 - дисплей, 13-15 - дозаторы активированного угля, сернистого натрия и цианида натрия

На основе моделирования оптимального ионного состава в различных производственных циклах разработана модель водооборота промышленного узла горнообогатительного комбината и других объектов водопользования. В рассматриваемую схему водооборота включены стоки промышленных. автотранспортных предприятий, являющихся основным источником нефтепродуктов, жиров, растительных масел, синтетических ПАВ и технических жирных кислот.

Оптимальная структура водооборота является трехступенчатой и предполагает очистку как стоков производств, так и поступающих на обогатительную фабрику оборотных вод. Первая стадия водоочистки специфична для каждого объекта водосброса, что позволяет создать оптимальные условия для удаления основного вида загрязнений. Вторая стадия водоочистки предполагает объединение всех стоков в общих очистных сооружениях и их окислительную обработку. Третья стадия водоочистки предполагает удаление из оборотной воды загрязнений, нежелательных только для флотационного процесса. При этом очистке подвергается лишь часть потока, поступающая в циклы измельчения и коллективной флотации.

Для интенсификации очистки циансодержащих сливов сгустителей разработан сорбционно-электрохимический метод, позволяющий повысить эффективность извлечения металлцианистых комплексов. При этом нейтрализуется свободный цианид, остающийся в сливах после сорбционной очистки. Разработанная технология позволяет понизить концентрацию в сточных водах цианида до 1,5 мг/л, меди до 1,5 мг/л и органики до 1,0 мг/л [9].

Необходимым условием эффективной работы систем регулирования реагент-ных режимов флотации и водоочистки является надежный оперативный ионного состава сточных, оборотных вод и флотаци-

онной пульпы. На Зыряновской ОФ был создан и испытан опытный аналитический комплекс по контролю ионного состава жидких фаз. Комплекс (рис.4) включает подсистему проверки и корректировки датчиков, измерителей pH. концентраций ионов ксантогената, цианида, медь - и цинк-цианистых комплексов, блок управления, подсистему приема и обработки информации.

*._________________________*______________________________*_________________________*--------------------------*__________________________.♦

Рис. 4 Структурная схема опытного аналитического комплекса контроля ионного состава пульпы и оборотных вод

1.- коллективная медно-свинцовая флотация. 2-коллективная цинково-пиритная флотация; 3оборотная вода, 4.- свинцовая флотация; 5-цинковая флотация; 6 -сливы сгустителей; 7,-емкости с калибровочными растворами; 8 -подсистема проверки и калибровки анализаторов; 9.- поОсистема рободоставки; 10 - установка Реагент - З Б; 11.-полярографический анализатор АЖЭ - 12; 12.- спектрофотометрический анализатор АЖФ 2.4; 13 -

вольтамперометрический аначизатор АР - 1 - Я; 14.- ЭВМ, 15.- дисплей.

Работа комплекса была проверена на жидких фазах пульп коллективных и селективных циклов флотации, стоков гидрометаллургической установки для очистки сливов сгустителей, оборотной воде. По результатам эксплуатации разработаны рекомендации по созданию службы аналитиче-

ского контроля, включающая три подразделения: лабораторию контроля жидких фаз флотационных пульп; лабораторию контроля сливов сгустителей; лабораторию контроля оборотных вод.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Woods, R. and Richardson, Р.Е., The flotation of sulphide minerals - electrochemical aspect. In Advances in Mineral Processing. Ed. P. Somasundaran. Soc. Mining. Engrs., Inc., 1986, pp. 154170.

2. Chander, S., Electrochemistry of sulphide mineral flotation. Mineral Metallurgical Process., 1988,

5, pp.104-114.

3. Fuerstenau, M.C., Miller, J.D., and Kuhn, M.C., Chemistry of Flotation. Society of Mining Engineers (SME) of the American Institute of Mining, Metallurgical, and Petroleum Engineers (A1ME), Inc., New York, 1985. (a) pp. 45-90; (b) pp. 115-118.

4. Авдохин B.M. Абрамов А.А., Окисление сульфидных минералов в процессах обогащения руд. М., Недра, 1989, 231 с.

5. Авдохин В.М. Физико-химические основы оптимизации флотации сульфидов.- Горный инфор-мационнно-аналитический бюллетень. N6 стр.3-9, ИАЦ, МГГУ - М.: МГГУ, 1995. стр. 3 - 9.

6. Морозов В.В. Моделирование взаимодействия органических компонентов оборотных вод с породообразующими минералами при обогащении полиметаллических руд.- Горный информационноаналитический бюллетень N6 стр.65-70, ИАЦ МГГУ - М.: МГГУ, 1995. стр.65 - 70.

7. Морозов В.В., Николаева Т.С., Акилбаев М.А. Моделирование процессов активации и разработка комплексных оптимизационных параметров ионного состава для циклов измельчения и коллективной флотации.- Обогащение минерального сырья: Сб. науч. тр. МГИ.:МГИ, 1990,стр. 47 - 55.

8. Абрамов А.А., Авдохин В.М., Морозов В.В. Управление реагентным режимом флотационного разделения медно-свинцовых концентратов по ионному составу пульпы.- Цветные металлы. - 1991. стр.65 - 69

9. Морозов В.В., Авдохин В.М. Повышение экологической безопасности флотационного обогащения на основе оптимизации ионного состава пульпы и оборотных вод .- Горный журнал. - 1996. -N7-8 стр.65-71

©В.М. Авдохин, В.В. Морозов