Введение к работе
Актуальность работы. Основу современной минерально-сырьевой базы России составляют тонковкрапленные и труднообогатимые руды со сложным вещественным составом. Для их глубокой, комплексной переработки требуются новые процессы, позволяющие высокоэффективно и без значительного экологического ущерба извлекать необходимые полезные ископаемые (В.А. Чантурия, 2008).
Характерная особенность сульфидных медно-никелевых руд заключается в низкой контрастности флотационных свойств пирротина и пентландита, что делает их труднообогатимыми и определяет сложность выделения высококачественного никелевого концентрата. Загрязнение пирротином медного и никелевого концентратов приводит к снижению их качества и существенному повышению содержания диоксида серы в отходящих газах на стадии металлургической переработки, а также увеличению безвозвратных потерь ценных компонентов с отвальными железистыми шлаками (И.Н. Храмцова и др., 2005).
Традиционные методы улучшения качественно-количественных показателей обогащения сульфидных медно-никелевых руд, которые направлены на совершенствование схем обогащения и процессов измельчения, сочетание гравитационных и флотационных операций, поиск новых флотационных реагентов, эффективно разрабатываются в ГНЦ РФ «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ», ЗАО «Механобр инжиниринг» и ОАО «ГМК «Норильский никель». Однако большинство известных на данный момент методов селекции пирротина и пентландита не позволяют в полной мере достичь их максимального разделения. В связи с этим, проблема разработки новых процессов и методов, обеспечивающих повышение извлечения и качества никелевого концентрата, является весьма актуальной.
В последние годы в России и за рубежом проводятся исследования по разработке нетрадиционных методов дезинтеграции минерального сырья и повышения контрастности технологических свойств минералов на основе использования энергетических воздействий, а именно, электрохимической, электроимпульсной, СВЧ-, магнитно-импульсной обработки, воздействия потоком ускоренных электронов, мощными наносекундными электромагнитными импульсами (МЭМИ). Теоретические основы воздействия наносекундных электромагнитных импульсов на процессы дезинтеграции и вскрытия тонкодисперсных минеральных комплексов и извлечения благородных металлов из руд изложены в диссертационной работе на соискание ученой степени доктора технических наук И.Ж. Бунина. В ИПКОН РАН было экспериментально показано, что обработка тонкодисперсного минерального сырья МЭМИ вызывает как селективное раскрытие сростков, так и модифицирование структуры поверхности, изменение химического и фазового состава приповерхностного слоя сульфидов (В.А. Чантурия и др., 2005, 2008; М.В. Рязанцева, 2009). Однако для обоснования перспектив применения этого способа обработки для флотационного разделения пирротина и пентландита необходимо было проведение специальных исследований по изучению влияния электромагнитного импульсного воздействия на химический и фазовый состав поверхности, обеспечивающий повышение контрастности физико-химических и флотационных свойств сульфидных минералов и, как следствие, увеличение извлечения и качества концентратов.
Цель работы – установление основных закономерностей изменения фазового состава и физико-химических свойств поверхности пирротина и пентландита от параметров электромагнитной импульсной обработки и обоснование на их основе оптимальных режимов флотационного разделения сульфидов.
Идея работы – возможность эффективного использования воздействия МЭМИ для направленного изменения химического и фазового состава поверхности, повышения контрастности флотационных свойств пирротина и пентландита.
Методы исследований: электронная микроскопия (микроскоп LEO 1420VP), рентгеноспектральный микроанализ (энергодисперсионный спектрометр INCA Oxford 350); сканирующая зондовая микроскопия (атомно-силовой микроскоп ИНТЕГРА Прима, НТ-МДТ); экстракционно-фотометрический метод для определения количества элементной серы на поверхности минералов; колориметрический метод для определения концентрации трехвалентного железа в фильтрате водной фазы минеральной суспензии; инфракрасная Фурье спектроскопия (спектрометр Nexus); УФ-спектрофотометрия (спектрофотометр "Shimadzu UV-1700"); измерение электродных потенциалов минералов; метод газоадсорбционной релаксометрии и диодно-лазерный способ мониторинга концентрации сорбируемого водяного пара на тонкодисперсных минеральных частицах (Акваспек); флотационные эксперименты; методы математической статистики для обработки результатов исследований.
Научная новизна работы:
на основе комплекса современных физико-химических методов исследования поверхности пирротина и пентландита при воздействии мощных электромагнитных импульсов впервые выявлена связь химического состава поверхностных новообразований с электрохимическими, сорбционными и флотационными свойствами сульфидов;
экспериментально установлено (ИК-Фурье спектроскопия, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ, химический анализ жидкой фазы минеральной суспензии) последовательное окисление пирротина с образованием оксидов (гидроксидов) и сульфатов двух- и трехвалентного железа при электроимпульсном воздействии, тогда как на пентландите наблюдается образование элементной серы, что обеспечивает контрастность электрохимических, сорбционных и флотационных свойств минералов;
впервые методом диодно-лазерной спектроскопии установлено, что в результате воздействия МЭМИ происходит более интенсивное поглощение молекул воды пирротином вследствие образования каналов пробоя, микродефектов поверхности и наноразмерных пленок сульфатов железа по сравнению с пентландитом, на котором обнаружено помимо оксидов (гидроксидов) железа и никеля образование элементной серы;
в процессе электромагнитного импульсного воздействия (103 импульсов) электродный потенциал пирротина вследствие образования оксидов (гидроксидов) и сульфатов железа сдвигается в отрицательную сторону, что обеспечивает снижение сорбции ксантогената и, как следствие, уменьшение флотационного извлечения минерала, тогда как электродный потенциал пентландита приобретает более положительные значения за счет дополнительного образования элементной серы, что вызывает увеличение сорбции ксантогената и, как следствие, повышение извлечения сульфида при флотации.
Практическое значение работы заключается в разработке оптимальных условий и параметров воздействия наносекундных электромагнитных импульсов на минеральное сырье для повышения селективности флотационного разделения пирротина и пентландита при обогащении сульфидных медно-никелевых руд.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в работе, подтверждается использованием комплекса современных физико-химических методов исследований, непротиворечивостью полученных результатов и выводов; способностью прогнозирования эффективности наносекундного импульсного воздействия на труднообогатимое минеральное сырье с целью повышения контрастности физико-химических свойств поверхности сульфидов в процессе их флотационного разделения; применением методов математической статистики для обработки полученных экспериментальных данных.
Личный вклад автора заключается в проведении аналитического обзора научно-технической информации о методах разделения пирротина и пентландита при обогащении сульфидных медно-никелевых руд, выполнении экспериментальных исследований по влиянию МЭМИ на физико-химические, электрохимические, сорбционные и флотационные свойства поверхности пирротина и пентландита, проведении флотации на рудном сырье, анализе и обобщении полученных результатов.
1. Физико-химическое модифицирование поверхности пирротина и пентландита в результате воздействия МЭМИ связано как с нарушениями исходной структуры их поверхности (возникновение каналов пробоя, микротрещин и микропор), так и с изменением химического и фазового состава приповерхностного слоя исследуемых сульфидов.
2. Электромагнитная импульсная обработка приводит к следующим разнонаправленным изменениям электрохимических свойств пирротина и пентландита:
- увеличению отрицательного значения электродного потенциала пирротина;
- росту положительного значения электродного потенциала пентландита, что способствует повышению контрастности флотационных свойств минералов.
Переход электродного потенциала пирротина в область отрицательных значений в результате предварительного импульсного воздействия (103 имп) препятствует закреплению ксантогената и снижает флотируемость минерала.
Сдвиг электродного потенциала пентландита в область более положительных значений способствует увеличению адсорбции анионного собирателя (ксантогената) и флотируемости минерала.
3. В результате электромагнитного импульсного воздействия поверхность пирротина приобретает большую способность к поглощению молекул воды по сравнению с контрольной пробой (диодно-лазерная спектроскопия), что может свидетельствовать об образовании каналов пробоя, микродефектов и поверхностных микро- и нанофаз. При адсорбции воды на пентландите, МЭМИ-обработка слабо влияет на интенсивность поглощения молекул воды.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на VII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в ХХI веке» (Томск, 2006г); международных совещаниях «Плаксинские чтения» (г.Красноярск, 2006; г.Апатиты, 2007; г.Казань, 2010); 3-й, 4-й и 7-й Международных научных школах молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в ХХI веке глазами молодых» (УРАН ИПКОН РАН, Москва, 2006, 2007, 2010гг); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC – 2006» (Москва, 2006г); VI и VIII конгрессах обогатителей стран СНГ (Москва, 2007, 2011гг); научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2007, 2008гг); IV, V и VII Российских ежегодных конференциях молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, ИМЕТ РАН, 2007, 2008, 2010гг); XII Балканском конгрессе по обогащению полезных ископаемых (Греция, 2007г); научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодые - наукам о Земле" (Москва, РГГРУ, 2008г); XXIV Международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых (Пекин, Китай, 2008г); международных форумах по нанотехнологиям «РОСНАНОТЕХ», (Москва, 2008, 2009гг); XIV Всероссийском симпозиуме «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (Москва – Клязьма, 2010г); XIII Международной конференции по обогащению полезных ископаемых и экологии (Чехия, 2010г); Международных конференциях молодых ученых и аспирантов «Ломоносов», (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008, 2009, 2010, 2011гг).
Результаты работы были отмечены на конкурсе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.), проводимого в рамках конференции молодых специалистов на VI Конгрессе обогатителей стран СНГ при поддержке Фонда содействия развитию малого предпринимательства в научно-технической сфере.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 39 научных работ, в том числе в рекомендованных ВАК РФ изданиях – 7, в прочих печатных изданиях – 32.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка использованной литературы из 124 наименований и содержит 107 страниц машинописного текста, 32 рисунка и 9 таблиц.
Автор глубоко признателен академику РАН, доктору технических наук, профессору В.А. Чантурия за постоянную поддержку и консультации на протяжении всей работы.
Автор выражает благодарность и признательность за помощь и поддержку на протяжении всей работы доктору технических наук И.Ж. Бунину.
Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории теории разделения минеральных компонентов научного отдела проблем комплексного извлечения минеральных компонентов из природного и техногенного сырья УРАН ИПКОН РАН к.т.н. Т.А. Ивановой, к.т.н. Т.В. Недосекиной, к.т.н. В.В. Гетман и другим сотрудникам Института за консультации, помощь и поддержку, сотрудникам Центра изучения минерального вещества при комплексном освоении недр УРАН ИПКОН РАН канд. геол.-минер. наук Е.В. Копорулиной и А.Н. Краснову, а также сотрудникам Института Общей Физики им. А.М. Прохорова РАН канд. физ.-мат. наук В.Г. Артемову и канд. физ.-мат. наук В.Д. Травкину за оказанную помощь.
