Обоснование выбора эффективных водорастворимых полимеров для практического применения их при биологической рекультивации хвостохранилищ (на примере объекта ЗАО «Новоорловский ГОК»)

УДК 631.481; 574.42; 631.618; 626.874.1

Шекиладзе Валерий Тариелович Valeriy Shekiladze

Отмечена проблема накопления техногенных месторождений горнорудной промышленности на территории Забайкальского края. В отношении накопленного техногенного минерального сырья предлагается реализовывать первоочередные мероприятия, направленные на решение двух основных проблем:

1) предотвращение выноса из хвостохранилищ ценных компонентов для будущего использования;

2) исключение влияния вредного воздействия хвостов на компоненты окружающей среды.

Приведены методика и результаты лабораторных исследований использования водорастворимых полимеров, применяемых для формирования защитного каркаса с целью предотвращения выноса взвешенных частиц воздушным потоком с поверхности хвостохранилищ при биологической рекультивации на примере объекта ЗАО «Новоорловский ГОК».

Доказана перспектива использования водорастворимых полимеров в операциях биологической рекультивации. Результаты применения данной методики показали, что масса выносимых взвешенных частиц воздушным потоком снижается в 50 раз и более

Ключевые слова: техногенное месторождение, хвостохранилище, водорастворимый полимер, биологическая рекультивация, физико-химическая обработка, Забайкалье

In the given article the problem of accumulation of mining technological fields in Transbaikal region was noted. Regarding to the accumulated mineral waste it is offered to realize such priority measures aimed at solving of two main problems:

1) prevention of valuable components runoff from the tailings for future use;

2) excluding the impact of the harmful effects of tailings on environment.

The methodology and results of laboratory tests of using water-soluble polymers applied for forming the protective frame to prevent suspended particles runoff by the air stream from the surface of the tailings during biological revegetation on the example of JSC «Novoor-lovsky mine» are given.

The perspective of water-soluble polymers use in biological revegetation processing was proved. The results of this technique introduction have displayed that the mass of removed suspended particles of air flow is reduced in 50 and more times

Key words: technogenic deposit, tailings dump, water-soluble polymer, biological revegetation, physic-chemical treatment, Transbaikalie

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНЫХ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ИХ ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ХВОСТОХРАНИЛИЩ

SUBSTANTIATION OF THE EFFECTIVE WATER-SOLUBLE POLYMERS CHOICE FOR PRACTICAL USE IN BIOLOGICAL RECULTIVATION OF TAILINGS DUMP

Работа выполнена под руководством заслуженного деятеля науки РФ, д-ра техн. наук, профессора В.П. Мязина

Богатая минерально-сырьевая база и

_ о о

развитый горнопромышленный комплекс провинции Забайкалья обуславливают образование огромного количества отходов переработки сырья, заскладированного в хвостохранилищах. Предварительными исследованиями на территории Забайкальского края установлено более 75 скоплений техногенного сырья, образованных от разработки 31 месторождения 19 горнорудными предприятиями [1]. В экологическом аспекте накапливаемое техногенное сырье является основным источником загрязнения окружающей среды.

В общей сложности на конец 2012 г. на действующих предприятиях хранится свыше 675 млн т отходов [2]. На рис. 1 показана карта скоплений техногенного сырья горнорудных предприятий Забайкальского края [1]. Действующие и брошенные хвостохранилища горнодобывающего комплекса являются основным источником выброса пыли, накрывающей близлежащие населённые пункты [3]. Загрязнение воздушного бассейна вызвано сильной ветровой эрозией, характерной для климатических условий Забайкалья, где в некоторые периоды года скорость ветра может достигать более 5 м/с. Для Забайкальского края характерно то, что при одинаковых выбросах загрязняющих веществ в атмосферу на близлежащей территории формируется повышенный уровень загрязнения, вдвое превышающий уровень загрязнения на территории европейской части России [4].

В экономическом аспекте накопленные техногенные образования (хвостохранили-ща) являются вновь сформированными месторождениями полезных ископаемых, извлекать ценные компоненты из которых на данном этапе развития техники и технологии пока не эффективно. Поэтому возникает необходимость сохранения накопленных техногенных образований с целью будущей переработки минерального сырья.

В отношении ныне накопленных техногенных месторождений приходится реа-лизовывать первоочередные мероприятия, направленные на решение двух основных проблем:

1) предотвращение выноса из хвостохра-нилищ ценных компонентов для будущего использования;

2) исключение влияния вредного воздействия хвостов на компоненты окружаю-

о /По

щей среды. С этой целью нам представляется наиболее эффективным использование биологической рекультивации, поскольку это техническое решение не приводит к разубоживанию техногенного месторождения по сравнению с горнотехническим этапом рекультивации. Причём, достигаемый положительный эффект при биологической рекультивации наиболее долгосрочен по сравнению с физико-химическим закреплением пылящих поверхностей.

Под биологической рекультивацией понимается комплекс мелиоративных (известкование, гипсование, промывка, пескование, глинование и др.) и агротехнических (обработка и удобрение поверхностного слоя, посадка растений и др.) мероприятий по восстановлению плодородия и хозяйственной ценности отчуждённых земель [5].

Приводим известные технические решения биологической рекультивации [6, 7, 8], представляющие собой использование различных комбинаций биологически активных веществ, влагоёмких материалов, смеси семян и химических реагентов. Однако данные о применении этих решений на различных типах хвостовых продуктов обогащения отсутствуют. Для их использования требуется дополнительное проведение специальных исследований с учётом особенностей климатических условий Забайкалья, технологии переработки руд и способов намыва хвостохранилищ.

В научной школе ЗабГУ под руководством заслуженного деятеля науки РФ профессора, В.П. Мязина разработана патентно-защищённая инновационная технология биологической рекультивации, которая заключается в формировании почвообразующего слоя на поверхности хвостов и последующее использование агротехнических операций, направленных на создание устойчивого травостоя на сформированном приповерхностном слое по-

верхности хвостохранилища [1, 8]. Однако реализация предложенной технологии биологической рекультивации сдерживается из-за сильной ветровой эрозии на территории Забайкалья, ведущей к выносу мелкодисперсных частиц и семян трав из обрабатываемого слоя хвостохранилищ. С целью предотвращения выноса мелкодисперсной смеси частиц хвостов и семян предложена физико-химическая обработка поверхности хвостохранилищ водорастворимыми

полимерами, позволяющая создать защитный каркас из сшитых макромолекул полимеров и хвостов.

Для обоснованного выбора типов водорастворимых полимеров и соответствующих режимов их нанесения на поверхностный слой хвостохранилищ использованы экспериментальные исследования на пробах хвостов обогащения Спокойнинского и Орловского месторождений (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика объекта исследования, с учётом климатических особенностей и географического положения

Наименование объекта Единицы измерения Хвостохранилище Спокойнинского и Орловского месторождений

Месторождение объекта Агинский район, п. Орловский

Емкость хвостохранилища тыс. м2 400

Объем уложенных хвостов тыс. т 5575,7

Объем воды в хвостохранилище - Практически осушено

Преобладающее направление ветров % Северо-западное до 50 %, западное до 24 %

Среднегодовая температура воздуха Со -1,8

Наличие ближайших населенных пунктов — п. Орловский, в 3 км на юг

По гранулометрическому составу хвосты до 75 % представлены классом -0,2 мм. Из числа преобладающих агрегатов превалируют кварц-слюдистые минералы, общий процент которых в пробах достигает 80.

В качестве реагентов для закрепления поверхностей хвостохранилищ исследованы две марки водорастворимых полимеров

- ПАА — ГС и Праестол 2540, физико-химическая характеристика которых представлена в табл. 2 [9]. Особенностью используемых реагентов является то, что они хорошо растворимы в воде и находят широкое применение в качестве флокулянтов в сгущении пульп на обогатительных фабриках [10].

Таблица 2

Физико-химическая характеристика флокулянтов

Название Праестол 2540

Аббревиатура Праестол 2540 ТУ 2216-001-40910172-98 ПАА-ГС ОСТ 95-284-74

Тип, химическая формула элементарного звена [-СН2-СН-СН2-СН-]„ 1 1 сощ соон [-СН2-СН-СН2-СН-]„ 1 1 ащ соон

Содержание основного вещества, % 93 52-59

Молекулярная масса, у.е. 4 1055*10 6 (1,5-2)*10

Рис. 1. Карта-схема размещения накопленного техногенного минерального сырья горнорудных и металлургических предприятий в Забайкалье

Методика проведения лабораторных исследований

Для оценки эффективности закрепляющего действия водорастворимых полимеров изготовлена установка (рис. 2), позволяющая определять массу выносимых взвешенных частиц при различной скорости воздушного потока. В качестве основных критериев оценки эффективности применения водорастворимых полимеров использованы: масса выносимых взвешенных веществ (Мр) скоростным воздушным потоком; механическая прочность верхнего слоя хвостов ^ ) на сформированных брикетах. Переменным фактором являлся расход водорастворимых полимеров. Ско-

рость воздушного потока выбрана экспериментально и составляет 5 м/с.

Методика проведения исследований заключается в следующем: на пробы, уложенные в лоток 4, равномерно наносили водорастворимый полимер в виде водных растворов 0,1 % концентрации с помощью разбрызгивателя. После чего они были помещены в камеру устройства 5 для испытаний под воздействием воздушного потока. Скорость потока в камере создавали встроенным вентилятором 1. Продолжительность каждого эксперимента составляла 5 мин.

Рис. 2. Устройство для оценки выноса взвешенных частиц при скоростном потоке воздуха: 1 -вентилятор, 2 - электродвигатель, 3 - реостат, 4 - лоток, 5 - камера

Массу выносимых взвешенных веществ из проб, размещённых на лотках, в объёме камеры определяли по формуле

Мр = т1-т2/ V, г/м3,

где т1; т2 — масса лотка с пробой до и после воздействия потока воздуха соответственно, г;

V — объем воздушного потока в камере устройства, м3.

Удельный вынос взвешенных частиц воздушным потоком определяли по формуле

, о

Ч = , г/м--с,

где Мр — масса выносимых взвешенных частиц в камере, г/м3;

V — скорость воздушного потока в аэродинамической трубе, м/с;

S — сечение рабочей секции аэродинамической трубы, м2;

S — площадь исследуемой поверхности, м2. §фф ективность физико-механической обработки проб водорастворимыми полимерами оценивали на экспериментальном прессе путём определения временного сопротивления при одноосном сжатии брикета. Брикеты изготавливали кубической формы размером 5*5*5 см. Далее образец помещали на нижнюю плиту пресса и прикладывали сжимающую нагрузку до тех пор, пока не произойдет разрушение образца. Временное сопротивление образца при

одноосном сжатии определялось по известной формуле

Rcp = Р^, МПа,

где Р — нагрузка, при которой происходит разрушение образца, кг*с;

F — площадь первоначального поперечного сечения образца, м2.

1400

Обработка полученных данных по массе выносимых веществ и временному сопротивлению образца при одноосном сжатии делалась с использованием методов математической статистики.

Обработанные результаты опытов представлены на рис. 3, 4, 5, 6.

1200

211000

800

з И 600 я а

400

200

у = 316,23 ,0,11X

♦

♦

0,0

2,0

4,0 Скорость I

6,0

8,0 . м/с

10,0

12,0

. воздушного потока,

Рис. 3. Зависимость массы выносимых взвешенных частиц в камере установки от различной скорости воздушного потока

600

500

еэ 3

Р о я т

И

Я п 400

3 и

5 % ¡а о

а ПЗОО

Г: « Й & 3 а

5 3

£ 200 X

¡0 я

о 100

Я

11

у = 335,02е-1'-75!

у =283:03е-2'«х | , _ •

—— ~~

0,5 1

Расход водорастворимого полимера, 10 3 г/м2

1.5

Рис. 4. Зависимость массы выносимых взвешенных частиц в камерелабораторной установки от расхода водорастворимых полимеров:

> ПАА-ГС

'Праестол 2540

3" 70000

I «

0 *

~ 3 60000

л л

1 о

о X

а

'3

х -а

Ч

о £

" 50000

г'

О У

^ 40000

О

X

2 зоооо X

3

>>

4 20000 л

О

а

у =41878е1.7*

у = 35383е~2-4х |------

0,5

1,5

Расход водорастворимого полимера, 10 3 г/м1

Рис. 5. Зависимость удельного выноса взвешенных частиц в камере лабораторной установки от расхода водорастворимых полимеров:

*ПАА-ГС  Пр аестоп 2 540

о. о и:

0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02

у = -0,06 х 2 + 0,16х + 0,01

<

<  / 1 1

1

у = -0,021 4х2 + 0,08 х +0,018

0,5

1,0

1,5

2,0

Расход водорастворимого полимера ,10 г/м

Рис. 6. Зависимость механической прочности обработанных брикетов из хвостов при различном расходе водорастворимых полимеров:

ПАА-ГС

Праестол 2^40

Из рис. 3 прослеживается экспонен- верхностного слоя пробы возрастает. Ко-циальная закономерность, при которой с эффициент корреляции составил 0,8. увеличением скорости воздушного потока После физико-химической обработки

масса выносимых взвешенных частиц с по- водорастворимыми полимерами масса вы-

носимых взвешенных частиц резко снижается (рис. 4). Коэффициент корреляции составил 0,8.

Удельный вынос взвешенных частиц убывает по экспоненте (рис. 5), что характеризует снижение пылящей способности поверхности хвостохранилища. Коэффициент корреляции составил 0,8.

Результаты исследования физико-механических свойств обработанных полимерами проб представлены на рис. 6. Коэффициент корреляции составил 0,9.

На основе полученных данных следует заключить, что наиболее эффективным водорастворимым полимером для закрепления поверхностного слоя хвостохранилищ

Литература-

1. Котельников A.M., Вотах О.А., Возмилов A.M. [и др.]. Окружающая среда и условия устойчивого развития Читинской области. Новосибирск: Наука, 1995. 248 с.

2. Доклад министерства природных ресурсов «Об экологической ситуации в Забайкальском крае за 2013 год». Чита, 2014.

3. Мязин В.П., Шекиладзе В.Т. Разработка природоохранных мероприятий по рекультивации хвостохранилищ с целью снижения загрязнения территории Забайкалья отходами горно-перераба-тывающего комплекса // Вестник ЗабГУ. 2013. № 6(97). С. 30-38.

4. Островский А.П. Региональные проблемы устойчивого развития. Чита: Поиск, 2001. 508 с.

5. Моторина Л.В., Овчинников В.А. Промышленность и рекультивация земель. М.: Мысль, 1975. 240 с.

6. Патент РФ № 2032704 от 10.04.1995.

7. Патент РФ № 2032319 от 10.04.1995.

8. Патент РФ № 2449001 от 19.11.2010.

9. Патент РФ № 2513468от 20.04.2014.

10. Мязин В.П., Литвинцева О.В. Оборотное водоснабжение обогатительных фабрик. Чита: Чит-ГУ, 2010. 154 с.

является Праестол 2540. Это объясняется физико-химическими свойствами и лучшей способностью макромолекул данного полимера образовывать мостичные связи. При использовании Престола 2540 прослеживается чёткая тенденция к снижению массы выноса взвешенных частиц до значений в 50 раз и более. По показателю механической прочности полимеры весьма близки.

В результате проведённых исследований показана перспектива эффективного использования водорастворимых полимеров для формирования защитного каркаса по предотвращению выноса взвешенных частиц с поверхности хвостохранилищ при биологической рекультивации.

_References

1. Kotelnikov A.M., Votakh O.A., Vozmilov A.M. [8nd etc.]. Okruzhayushhaya sreda i usloviya ustoy-chivogo razvitiya Chitinskoy oblasti [Environment and conditions for sustainable development of the Chita region]. Nauka, Novosibirsk, 1995. 248 p.

2. Doklad ministerstva prirodnyh resursov«Ob ekologicheskoy situatsii v Zabaikalskom krae za 2013 god» (Report of the Ministry of Natural Resources «On the environmental situation in the Transbaikal region for 2013»). Chita, 2014.

3. Myazin V.P., Shekiladze V.T. Vestn. Zab.Gos. Univ. (Transbaikal State University Journal), 2013, no. 6(97), pp. 30-38.

4. Ostrovsky A.P. Regionalnye problemy ustoy-chivogo razvitiya [Regional issues of sustainable development]. Chita: Search, 2001. 508 p.

5. Motorina L.V., Ovchinnikov V.A. Promyshlen-nost i rekultivatsiya zemel [Industry and land revegetation]. Moscow: Mysl, 1975. 240 p.

6. Patent RF № 2032704 ot 10.04.1995 (RF patent number 2,032,704 on 10.04.1995).

7. Patent RF № 2032319 ot 10.04.1995 (RF patent number 2,032,319 on 10.04.1995).

8. Patent RF № 2449001 ot 19.11.2010 (RF patent number 2,449,001 on 19.11.2010).

9. Patent RF № 2513468ot 20.04.2014 (RF Patent number 2513468ot 20.04.2014).

10. Myazin V.P., Litvintseva O.V. Oborotnoe vodosnabzhenie obogatitelnyh fabrik [Water recycling concentrators]. Chita: ChitGU, 2010. 154 p.

11. Мязин В.П. Трофимова С.С., Бейм A.M. [и др.]. Методические указания по применению водорастворимых полимеров при разработке россыш-ных месторождений. Иркутск: ИрГТУ, 1995. 96 с.

11. Myazin V.P., Trofimov S.S., Beim A.M. [and etc.]. Metodicheskie ukazaniya po primeneniyu vodorastvorimyh polimerov pri razrabotke rossypnyh mestorozhdeniy [Methodical instructions for use of water-soluble polymers in the development of alluvial deposits]. Irkutsk: Irkutsk State Technical University, 1995.96 p.

Коротко об авторе _

Шекиладзе В.Т., зав. лабораторией кафедры «Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия Shoko_val@m ail. ru

Научные интересы: обогащение полезных ископаемых, биологическая рекультивация техногенных месторождений, снижение вредного воздействия отходов добычи и переработки минерального сырья на окружающую среду, борьба с пылением поверхностей хвостохранилищ

_ Briefly about the author

V. Shekiladze, head of the laboratory, Mineral and Recycled Materials department, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: mineral processing, biological revegetation of technogenic deposits, reduction of harmful impact of waste production and processing of mineral raw materials on the environment, struggle with dusting surfaces of the tailing dumps