Исследование магнитных способов обогащения техногенного тонкодисперсного сырья с использованием предварительной обработки материала

© К.В. Прохоров, А.И. Чугаева 2013

УДК 622.55; 622.7

К.В. Прохоров, А.И. Чугаева

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СПОСОБОВ ОБОГАЩЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ТОНКОДИСПЕРСНОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА

Исследован процесс переработки золошлакового материала ТЭС как аспект экологической безопасности. Рассмотрен новый, значительно отличающийся по структуре объект - техногенные донные отложения. Разработаны методы интенсификации выхода полезных компонентов при обогащении.

Ключевые слова: исследование, золошлаковые отходы, использование, магнитное обогащение, магнитный концентрат.

Введение

Производство электроэнергии и тепла приводит к образованию большого количества различного рода отходов. Золошлаковые отходы - один из самых распространенных отходов современной цивилизации. Количество накопленных золошлаков составляет по Хабаровскому краю 28*106 тонн, в том числе в г.Хабаровске - 16,5*106 тонн. Эффективным способом сокращения отходов является их переработка с расширением номенклатуры товарной продукции. Приоритетное значение приобретает переработка с извлечением полезных и ценных компонентов на основе современных методов обогащения.

Золошлаковые материалы (ЗШМ) представляют собой такой же товарный продукт, как электроэнергия и теплота. В зарубежной практике их называют попутными продуктами сжигания угля. Использование золошлаковых отходов в народном хозяйстве занимает особо важное место в научных и производственных разработках. Необходимость вовлечения их в промышленную переработку очевидна, однако разнообразие химического и вещественного состава золошлаковых отвалов, как по основным компонентам, так и по элементам-примесям сви-

детельствует о необходимости комплексного подхода к изучению подобного нетрадиционного сырья.

Проблема и методы переработки ЗШМ все чаше встречается в научных трудах и публикациях [1-3], однако вопрос мало изучен на примере золошлаковых отходов юга Дальнего востока.

В последнее время объектом магнитного обогашения становятся все более труднообогатимые тонковкрапленные руды, требуюшие для полного раскрытия высокой степени измельчения (до - 50 мк и даже до - 30 мк). Все большее внимание привлекают магнитные свойства малых частиц ферромагнетиков [4].

Материалы и методика

Цель исследований - изучение физико-химических и технологических свойств процессов магнитного обогашения, а так же определение возможности извлечения ценных компонентов.

Объектом исследования явились донные техногенные отложения ТЭЦ Хабаровского края. Гранулометрический и седиментационный анализ донных отложений показал, что материал пробы в основном представлен тонким классом -шламами, суммарное содержание класса -0,071+0,0 мм составляет 99,41 %.

В ходе работы осушествлялась пробоподготовка технологических проб, изучение технологических свойств материалов, отбор навесок для проведения различных анализов (физико-химический анализ, атомно-абсорбционный, рентгенофлуо-ресцентный и метод атомно-эмиссионной спектрометрии).

Технологические исследования по разделению исходного материала проводили на магнитном сепараторе ЭБМ 32/20 по утвержденным методикам изучения вешественного состава и технологических свойств нерудного сырья.

Экспериментальные и аналитические исследования были выполнены в Институте горного дела ДВО РАН, Институте тектоники и геофизики ДВО РАН, Дальневосточном федеральном университете с использованием комплекса методов: рентгено-флуоресценции (S4 PIONEER, Innov X Mobilab X-50), атомной абсорбции (Shimadzu AAC-6800), спектрометрии с индукционно-связаной плазмой (Shimadzu ICPE-9000), энергодисперсионной спектрометрии («INCA-ENERGY»), спектрофо-тометрии, электронно-микроскопических исследований (Carl Zeiss) и др.

Вскрытие проб, переведение пробы в раствор и количественный химический анализ проводилось по методике ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98 [5].

При определении валового содержания элементов используется способ разложения пробы смесью азотной, фтористоводородной и хлорной кислот для полного вскрытия навески. Навеску пробы массой 0,1 - 1,0 г помешают во фторопластовую или стеклоуглеродную чашку, добавляют 20 см концентрированной азотной кислоты (марки о.с.ч.) и 10 см3 концентрированной фтористоводородной кислоты (х.ч.), осторожно перемешивают, нагревают на электрической плите до 95 °С. При этой температуре пробы доводят до состояния "влажных солей", затем добавляют 5 см3 концентрированной хлорной кислоты (х.ч.) и осторожно перемешивают. Нагревают чашки с анализируемыми пробами до прекраше-ния выделения паров хлорной кислоты, затем охлаждают. Охлажденные пробы вышелачивают в 20 см раствора хлористоводородной кислоты молярной концентрации 6 моль/дм при слабом нагревании в течение 30 минут. После охлаждения анализируемый раствор переносят в мерную колбу вместимостью 50 или 100 см3 в зависимости от навески и предполагаемых содержаний определяемых элементов, доводят деионизированной или бидистиллированной водой до метки, тшательно перемешивают и помешают в полиэтиленовый флакон вместимостью 50-100 см3. "Холостую пробу" готовят параллельно с партией анализируемых проб, и она содержит те же реактивы и в тех же количествах, что и анализируемая проба.

Полученные растворы были проанализированы методами атомной спектрометрии.

Определение содержания валовых форм химических элементов Ре, Со, N1, Сг, Мп в золошлаковых отходах проводилось методом атомно-абсорбционной спектроскопии с использованием атомно-абсорбционного спектрометра модели АА-6800 «БН1МА02и» (рис. 1), для атомизации использовалась пламенная горелка на газовой смеси ацетилен-воздух с температурой горения 2300оС.

Для анализа более широкого спектра элементов в продуктах обогашения ЗШМ применялся метод атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (рис. 2).

Рис. 1. Атомно-абсорбционный спектрометр АА-6800 «SHIMADZU»

Рис. 2.- 1СР-спектрометр 1СРЕ-9000 «SHIMADZU»

Важным достоинством атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой АЭС-ИСП по сравнению с другими оптическими спектральными, а также многими хими-

ческими и физико-химическими методами анализа, являются возможность экспрессного, одновременного количественного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы.

Результаты и обсуждение

Рудная минерализация исследуемых проб в основном представлена железосодержащими компонентами (рис. 3), целевым компонентом переработки отходов в донном исследовании является магнитная фракция. Материал был разделен по классам крупности и изучен на элементный состав рентгено-флуоресцентным анализом. Выявлено, что наибольшее количество железосодержащих компонентов сосредоточено в классе крупности -0,2 + 0,071 мм и -20 + 10 мкм.

На основе анализа литературных данных установлено, что магнитная восприимчивость материала падает при уменьшении размера частиц материала. По данным [6], при измельчении до 40 мкм магнетит теряет 15-20% своих магнитных свойств. Основной целью исследования явилась разработка способа повышения эффективности разделения тонкодисперсного материала на основе гетерофлокуляции в магнитном поле. В качестве центров гетерофлокуляции использовался магнетит класса крупности - 0,4 + 0,2 мм. В качестве флокулянта - высокомолекулярный полиэлектролит (ПЭ).

Экспериментальные исследования по разделению железосодержащих компонентов проводились на сепараторе барабанного типа ЭБМ-32/20. Исследование включало четыре серии экспериментов. Первая сравнительная серия сепарации проводилась без добавления реагентов и магнитных частиц. Вторая серия проводилась в аналогичных условиях с добавлением в исходную пульпу частиц магнетита в качестве центров магнитной гете-рофлокуляции. В третьей серии использовался коагулянт - высокомолекулярный ПЭ. В четвертой серии исследовалось совместное действие ПЭ и магнитных частиц в процессе разделения.

Минералогический анализ полученных концентратов показал, что магнитная фракция 1 серии (рис. 4, а) представлена тончайшими шариками магнетита 0,05 мм - 95 %, реже полуразрушенного пирротина и гётита. Остальная фракция состоит из разрушенных тепловым эффектом обломков породы: кварцитов, карбоната, глинистых частиц и железистых охр в виде

40мкт 1 Электронное изображение 1

Рис. 3. Частицы техногенного материала различного состава

чешуек. Магнитная фракция серии 3 по содержанию магнетита более богатая - 98 %, силикатная часть несколько сократилась, обломки кварца находятся в конгломератах, легко рассыпающиеся при нажатии, чешуйки железистых охр скомкованы в ржавые корки размером 0,2 - 0,315 мм. Не наблюдается карбонатов и карбонатизация пород, а так же не отмечается серицит. Не изменились оплавленные стекловидные матовые шарики кварца.

В ходе исследования выявлено, что при использовании совместного процесса гетерокоагуляции (4 серия) улучшается качество магнитной фракции, выход фракции при одностадийном разделении увеличивается в 8 раз.

При совместном использовании ПЭ и магнетитовых частиц интенсифицируется механизм гетерофлокуляции между магне-титовыми частицами класса -0,4 + 0,2 мм и тонкодисперсными шламами. За счет связывания тонкодисперсных шламов молекулами ПЭ, а так же образования «мягких» флокул вокруг магнитных центров (рис. 4б) увеличивается скорость коагуляции. За счет возрастания напряженности на дополнительных частицах

магнетита происходит повышение степени магнитной восприимчивости магнитных частиц исходного материала.

Для определения наиболее эффективной серии эксперимента по извлечению железа и сопутствующих элементов (Со, N1, Сг, Мп) методами атомной спектрометрии был выполнен

количественный анализ концентрата и хвостов обогащения ЗШМ. Результаты элементного анализа исходного материала и продуктов обогащения сведены в таблице.

Выводы

С применением современных химических и физико-химических методов анализа проведена оценка ЗШО как источника ценных компонентов (железа, алюминия, благородных и др. металлов), представляющих экономическую ценность, и с другой стороны, источника негативного воздействия на окружающую среду.

Проведено исследование по извлечению магнитной фракции методом магнитной сепарации.

Разработанные методы предварительной обработки пробы в процессе магнитного обогащения значительно увеличивают выход концентрата при одностадийном процессе. Аналитические исследования подтвердили результаты минералогического анализа об улучшении качества концентрата (по целевому компоненту).

б)

Рис. 4. Магнитная фракция техногенных отходов первой серии

Таблица 1

Сравнение выхода и состава продуктов обогащения по сериям эксперимента

Серия Фракция Выход фракции, % Элемент, мг/кг

Ре Мп № Со Сг Мо РЬ

исх 100.00 26903 316.3 96.04 634.9 23.70 7.336 80.104

1 м/ф 99.51 391496 8173.3 398.14 3379.9 85.09 11.801 54.348

хв 0.05 36064 694.0 108.29 854.8 29.81 6.198 106.037

2 хв 99.89 25122 410.8 110.52 1523.1 25.22 6.394 106.869

м/ф 0.11 430631 18791.9 353.75 3826.4 84.27 14.201 39.990

3 м/ф 0.05 409935 17925.0 321.10 1635.0 92.60 11.150 45.350

хв 99.95 31598 650.6 103.51 1382.4 30.93 6.111 104.711

4 м/ф 0.12 469005 15203.9 373.40 3568.0 100.05 17.379 64.903

хв 99.88 30319 700.5 108.08 1097.1 32.01 5.679 98.639

С применением методов гетерофдокудяции в магнитном поде подучены концентраты наибодее богатые жедезом и сопутствующими компонентами.

Реадизация данного способа обеспечит экономическую эффективность процесса переработки техногенного тонкодисперсного сырья с исподьзованием магнитного обогащения за счет снижения перечистных операций и снизит нагрузку на окружающую природную среду за счет вовдечения отходов в хозяйственный оборот.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Черепанов A.A. Бдагородные метадды в зодошдаковых отходах дальневосточных ТЭЦ. // Тихоокеанская геодогия. - 2008. Том 27. Ш2.- С. 16-28.

2. Ценные и токсичные элементы в товарных угдях России. Справочник. М.: Недра, 1996.

3. Пашков Г.Л. Зоды природных угдей - нетрадиционный сырьевой источник редких эдементов // Соровский образоватедьный журнад. - 2001. Том 7. №11.-С. 67-72.

4. Гончаров C.A., Чернегов Н.Ю. Нанотехнодогии и нанокристадди-ческие материады в горной промышденности: Учебное пособие. - 2-е изд., стер.-М.: Издатедьство Московского государственного горного университета, издатедьство «Горная книга», 2009. -100 с.

5. Количественный химический анализ почв. Методика выподнения измерений содержания метаддов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связаной пдазмой. ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98. М. 1998. 28 с.

6. Кармазин В.В., Кармазин В.И. Магнитные, эдектрические и специадьные методы обогащения подезных. Том I, Москва, Издатедьство МГГУ. 2005, 672 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Константин Валерьевич Прохоров - аспирант, мдадший научный сотрудник, Институт горного деда ДВО РАН,

Чугаева А.И. - ассистент, Дадьневосточный федерадьный университет.

А_.