Развитие методов оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании вторичного сырья в дальневосточном регионе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Развитие методов оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании вторичного сырья в дальневосточном регионе

Александрова Татьяна Николаевна

Хабаровск - 2008

Работа выполнена в Институте горного дела

Дальневосточного отделения Российской Академии наук

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Секисов Геннадий Валентинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мязин Виктор Петрович

доктор технических наук, профессор Гордиенко Павел Сергеевич

доктор технических наук, профессор Шестернев Дмитрий Михайлович

Ведущая организация - Институт геологии и природопользования ДВО РАН

Защита состоится «12» февраля 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.02 при Читинском государственном университете по адресу: 672039 г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, зал заседаний ученого совета

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю совета Д 212.299.02

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

Читинского государственного университета

Автореферат разослан « ___ » _________ 200_ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук Шарапов Н.М.

1. Общая характеристика работы

Актуальность. В Дальневосточном регионе по глубине и охвату преобразования экосистем выделяются горное производство и лесозаготовка. Эти отрасли занимают лидирующее положение и в перечне источников негативного воздействия на природную среду. Золотодобыча в Дальневосточном регионе на протяжении многих лет базировалась на отработке россыпных месторождений. Однако, с 2001 года - с началом освоения новых золоторудных месторождений и выходом на проектную мощность добычи металла на Многовершинном месторождении - добыча рудного золота (более 70 процентов) превышает добычу из россыпей. Несмотря на значительное количество научно-технических разработок в области металлургического передела, преобладающее применение получили технологии цианидного вскрытия золота на действующих предприятиях (ЗАО «Многовершинное»; рудники: Покровский, Рябиновый; ГОКи: Тас-Юрях, Хаканджа) и проектируемых предприятиях (Албазинское, Дурминское и др.). В экологическом отношении рудные месторождения и их первичные ореолы представляют собой природные очаги химического загрязнения среды тяжелыми металлами, а возникающие при промышленном освоении продукты техногенеза формируют экологически опасные ореолы и потоки рассеяния, негативно влияющие на состояние и метаморфизацию экосистем. В этой связи достоверная оценка экологического воздействия на окружающую среду применяемых и разрабатываемых технологий является актуальной проблемой.

Существующие методы оценки техногенной нагрузки на окружающую природную среду основываются на использовании разнообразных показателей, которые позволяют характеризовать как состояние среды в целом, так и её отдельных компонентов, зачастую не связанных друг с другом, и не отражающие в должной мере экосистемную целостность природной среды. Поэтому развитие методических основ оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании вторичного сырья является актуальной проблемой в регионе.

Диссертационная работа выполнялась с 1990 по 2008 годы по плановым темам НИР Института горного дела ДВО РАН (при непосредственном участии и под руководством автора): «Создание новых и совершенствование применяемых методов и технологий извлечения ценных компонентов из минерального сырья Дальневосточного региона» (отчет ГР № 01960003059), «Создание научных основ новых методов и технологий обогащения полезных ископаемых» (отчет ГР № 01200613510); в рамках инновационного проекта № 22-ИН-07 ДВО РАН «Разработка технологии и оборудования для переработки техногенных золотосодержащих продуктов»; в соответствии с целевыми научно-техническими программами, координируемыми Министерством науки и технологий РФ, Министерством образования и науки РФ, в том числе по программе «Исследование и комплексное использование биомассы дерева»; по Федеральной целевой научно-технической программе «Комплексное использование древесного сырья».

Цель работы - усовершенствовать методы оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании вторичного сырья в регионе на основе рациональных технологических способов.

Идея работы заключается в достижении значительного снижения негативной нагрузки рудной и россыпной золотодобычи на окружающую среду обоснованием, разработкой и реализацией рациональных методов оценки и управления эколого-технологическими системами и использованием вторичного сырья.

Задачи исследования:

· Развить методы оценки эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче на основе разработки комплекса оценочных показателей, отражающих влияние систем на окружающую среду и предопределяющих рациональные пути использования золотосодержащего минерального и вторичного сырья.

· Разработать алгоритм управления эколого-технологических систем при рудной и россыпной золотодобыче и использовании вторичного сырья.

· Установить характер и степень влияния на окружающую среду эколого-технологических систем при рудной золотодобыче в Дальневосточном регионе.

· Осуществить развитие научно-методических основ и обосновать технологические методы, направленные на снижение негативного влияния эколого-технологических систем при рудной золотодобыче на окружающую среду.

· Установить влияние эколого-технологических систем на окружающую среду при россыпной золотодобыче и разработать организационно-технологические методы управления, направленные на существенное снижение минеральных отходов.

· Обеспечить развитие концепции управления минеральными отходами золотодобычи и вторичными волокнистыми отходами, провести эколого-технологическую оценку их свойств с целью разработки рекомендаций по их рациональному использованию, учитывая экологические требования к охране окружающей среды.

· Разработать рациональные технологические методы, обеспечивающие эффективное использование вторичного волокнистого сырья, и осуществить практическую реализацию организационно-методических принципов управления отходами.

· Осуществить промышленную апробацию и реализацию разработанных технологических методов и оценить их экономическую и экологическую эффективность.

Научная новизна работы:

1. Обоснованы методы оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании вторичного сырья в Дальневосточном регионе, основанные на расчетах экологических характеристик технологии, показателей экологичности и технологичности минерального и вторичного сырья, а также на алгоритмах управления качеством окружающей среды.

2. Разработан комплексный критерий экологической индикации технологий при россыпной и рудной золотодобыче и использовании вторичного сырья, представляющий собой интегральный логарифмический показатель, величина которого рассчитывается по каждому ингредиенту сброса, выброса и отходов; установлена область его применимости для экологической оценки действующих и проектируемых предприятий.

3. Установлены закономерности изменения реакционной способности измельчаемого золоторудного минерального сырья, кинетики процессов измельчения, флотации, цианирования, а также их влияния на технологические показатели извлечения ценных компонентов из руд и песков россыпей.

4. Разработаны инновационные технологические методы интенсификации процессов переработки упорных труднообогатимых золотосодержащих руд, основанные на использовании созданных реагентов селективного действия.

5. Установлены закономерности растворения золота в цианистых растворах, отражающие электрохимические параметры и условия нестационарной диффузии и обоснованы методы интенсификации процесса путем введения галогенсодержащих окислителей. Использование данных закономерностей позволяет повысить экологичность технологических процессов при рудной золотодобыче.

6. Получила развитие концепция управления вторичным сырьем, основанная на управлении материальными и энергетическими потоками в эколого-технологических системах и разработана методология ее реализации.

7. Получили развитие методические основы оценки и создания эффективных технологических методов переработки минеральных отходов россыпной и рудной золотодобычи.

Практическая значимость работы:

Создан алгоритм оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании вторичного сырья, реализация которого позволяет снизить ресурсоемкость технологий и нагрузку на окружающую среду.

Разработаны и апробированы физико-химические методы интенсификации технологических процессов при рудной золотодобыче: измельчения, флотации, выщелачивания; доводки золотосодержащих концентратов при россыпной золотодобыче.

Разработаны и реализованы новые способы эффективного использования вторичного волокнистого сырья, направленные на повышение выхода и качества получаемой из него продукции.

Разработаны и реализованы рекомендации по повышению экологичности технологий переработки золотосодержащих руд месторождений Дурминское и Многовершинное.

Осуществлена эколого-технологическая оценка отходов золотодобычи ряда предприятий региона и разработаны рекомендации по их практическому использованию.

Реализованы методика экологической оценки воздействия технологий переработки золотосодержащего минерального сырья на окружающую среду и программное обеспечение для его оперативной оценки.

Реализация результатов работы:

На золотодобывающем предприятии ООО «Рос-ДВ» в практике опытно-конструкторских работ реализованы режимы и параметры технологии измельчения руд.

На золотоизвлекательной фабрике ЗАО «Многовершинное» принята к внедрению технологическая схема измельчения руд.

На предприятиях, перерабатывающих вторичное волокнистое сырье, внедрены эффективные технологические методы, направленные на повышение степени использования вторичных ресурсов.

Основные результаты исследований и разработок, методы технико-химических расчетов, компьютерные программы реализованы в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета посредством использования учебных пособий и лекционных курсов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на конференциях и конгрессах различного уровня и, прежде всего, на международных научно-технических симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка - 2006, 2007, 2008», Москва; V, VI, VII Конгресс обогатителей стран СНГ, Москва, 2005, 2007, 2008; Международное совещание «Плаксинские чтения - 2005, 2006, 2008»; Международная конференция «Проблемы экологии безопасности жизнедеятельности и рационального природопользования Дальнего Востока и стран АТР», Владивосток 2006; «Современные проблемы комплексной переработки природного и техногенного сырья», Санкт - Петербург, 2005; Международная научно-практическая конференция «ЦБП России - взгляд в будущее», Санкт-Петербург, 2006; «Принципы и процессы создания неорганических материалов (Третьи Самсоновские чтения), Хабаровск, 2006; «Экономическая, научно-техническая кооперация в лесной промышленности», Харбин, 2003; Международный форум молодых ученых Азиатско-Тихоокеанского региона», Владивосток, 2001; «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса», Екатеринбург, 1999; «Актуальные проблемы научного и технологического прогресса в ДВ регионе», Хабаровск, 1993, Харбин, 1995, Хабаровск, 1997; «The second international symposium on promotion of the scientific and technological progress in the Far East», Harbin, 1992; «Современные проблемы НТП Дальневосточного региона с учетом развития советско-китайских связей», Хабаровск, 1991 и др.

Личный вклад автора состоит в постановке задач, их решении, в разработке физических и математических моделей процессов, проведении экспериментальных исследований; анализе полученных результатов, их обработке и обобщении, обосновании защищаемых научных положений; реализации результатов исследований и, в частности:

- разработке методических основ комплексной оценки воздействия эколого-технологических систем при рудной и россыпной золотодобыче и использовании отходов на окружающую среду;

- установлении влияния эколого-технологических систем при рудной золотодобыче и разработке методов снижения нагрузки на окружающую среду;

- выявлении закономерностей влияния эколого-технологических систем при россыпной золотодобыче и разработке методов повышения экологичности и снижения ресурсоемкости;

- развитии концепции и совершенствование методов управления отходами.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием физико-химических методов, методов математической статистики и современных достижений вычислительной техники; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем (относительная погрешность сопоставимых результатов аналитических, лабораторных и производственных исследований не превышает 5 %); значительным объемом экспериментальных исследований; а также положительным эффектом внедрения результатов исследований на предприятиях Дальневосточного региона.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 95 опубликованных работах, включая 17 статей в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 3 монографии, 3 учебных пособия и 15 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 328 стр. компьютерного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, приложений и библиографии из 353 наименований, содержит 109 рисунков и 64 таблицы.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Совокупность методов количественной оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании отходов, разработанных на основе комплекса оценочных показателей, включая интегральный критерий экологической индикации технологий, позволяющих прогнозировать изменения окружающей природной среды.

2. Методы и средства эффективного управления эколого-технологическими системами при рудной золотодобыче, в основу которых положены установленные кинетические, энергетические, физико-химические закономерности процессов на стадиях технологической трансформации минерального сырья, позволяющие повысить экологическую безопасность золотодобычи в регионе при снижении ресурсоемкости.

3. Закономерности влияния на окружающую среду эколого-технологических систем при россыпной золотодобыче и рациональные методы экологизации ее основных технологических процессов, при реализации которых достигается повышение экологической безопасности и снижение ресурсоемкости.

4. Методы управления использованием вторичного сырья, включая золотосодержащее и органическое волокнистое, при использовании рациональных технологических способов их переработки, позволяющих повысить выход и качество получаемой продукции и снизить нагрузку на окружающую среду.

2. Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи исследования, приведена оценка научной новизны полученных результатов и их практическая значимость.

В главе 1 представлен анализ состояния разработки проблемы оценки и управления природно-техническими системами, при этом, первостепенное внимание уделено золотодобывающим предприятиям Дальневосточного региона. Проанализирована экологическая ситуация природно-техногенных комплексов региона.

Решением экологических проблем, связанных с геологической средой и горным производством занимались и внесли большой вклад крупные и известные ученые: Вернадский В.И., Ферсман А.Е., Трубецкой К.Н., Мирзаев Г.Г., Реймерс Н.Ф., Перельман А.И., Певзнер М.Е., Костовецкий В.П., Ковальский В.В., Чаплыгин Н.Н., Галченко Ю.П., Шапарь А.Г., Емлин Э.Ф., Мязин В.П., Овешников Ю.М., Крупская Л.Т., Саксин Б.Г., Глазовская М.А., Бачурин Б.А., Иванов В.В., Елпатьевский П.В. и многие другие. Значительный вклад в решение проблемы оценки природных ресурсов и рационального недродопользования внесли работы ученых-горняков: академиков Н.В. Мельникова, М.И. Агошкова, В.В. Ржевского, Б.Н. Ласкорина, К.Н. Трубецкого, Н.Н.Мельникова, В.А. Чантурия, чл.-корреспондентов РАН: Д.Р.Каплунова, В.Л. Яковлева, профессоров А.И. Арсентьева, В.Н. Неберы, Г.В. Секисова, Р.Г. Совенко, В.С. Хохрякова и некоторых других; в области освоения россыпных месторождений - профессоров: С.М. Шорохова, В.Г. Лешкова, А.В. Рашкина, В.П. Мязина, В.И. Емельянова, Ю.А. Мамаева, В.С. Литвинцева и других.

На основании анализа данных, приведенных в первой главе, представлена концепция работы - системная перестройка производственного цикла, направленная на экономию минерального сырья, материалов и энергии; на более полное извлечение полезных компонентов из минерального и вторичного сырья.

Определены основные направления развитие научных основ совершенствования ресурсосберегающих технологий переработки минерального сырья с использованием селективных реагентов направленного действия, в том числе из отходов территориально-смежных отраслей промышленности.

Глава 2 посвящена раскрытию состава и структуры эколого-технологической системы, а также обоснованию комплекса методик экспериментальных исследований: оптимальной пробоподготовки; рентгенофлуоресцентной спектрометрии; атомно-абсорбционную спектрометрию; рентгеновской и терморентгеновской дифракции, растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Использовались методы количественной масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой для определения содержания тяжелых металлов. Для анализа гранулометрических характеристик и удельной поверхности частиц применялся лазерный дифракционный анализатор частиц «Анализетте 22». При проведении исследований использовались также минералогический и петрографический анализы. Экспериментальные данные анализировались с привлечением методов математической статистики. Для обработки данных по кинетике измельчения и при анализе диффузионно - адсорбционных процессов использовались авторские программы в среде MatСad. Для разработки алгоритмов управления использовались статистические методы управления качеством, диаграммы Парето, Исикавы.

В главе 3 изложены усовершенствованные методы и критерии оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании отходов, на основе комплекса оценочных показателей, включая интегральный критерий экологической индикации технологий, позволяющих прогнозировать изменения окружающей природной среды. Приведен расчет геоэкологической нагрузки коэффициентов напряженности экологической ситуации по каждому ингредиенту выброса, сброса, отходов для ГОК «Тас-Юрях», ЗИФ «Многовершинное» и Уссурийского картонного комбината.

Глава 4 посвящена установлению влияния эколого-технологических систем при рудной золотодобыче и разработке технологических методов снижения этого влияния; определены кинетические и энергетические параметры процесса измельчения руд. В данной главе обоснованы пути повышения эффективности процессов переработки мышьякосодержащих минералов на примере руды Албазинского месторождения; уточнены физико-химические основы и обоснованы технологические методы интенсификации процессов выщелачивания золота в цианистых растворах; приведены результаты экспериментальных исследований процессов выщелачивания руд Многовершинного и Албазинского месторождений; выполнена оценка экологичности технологий при рудной золотодобыче как совокупности взаимосвязанных химических, физико-химических и минералогических свойств. Разработана эколого-технологическая классификация золотосодержащих руд и определены рациональные пути экологизации технологических процессов.

В главе 5 изложены выявленные закономерности влияния эколого-технологических систем при россыпной золотодобыче на окружающую среду; уточнены закономерности седиментации золотокварцевых сростков и расчета коэффициента формы золотин.

Разработаны методы интенсификации процессов переработки золотосодержащих песков россыпей с целью ресурсосбережения путем использования: обоснованных методов адсорбционной флотации; методов повышения гидрофобизации на стадии доводки золотосодержащих концентратов.

Глава 6 посвящена развитию концепции управления отходами и разработке методологии ее реализации на примере переработки отходов золотодобычи и вторичных волокнистых отходов. В данной главе обосновываются: разработанные технологические схемы переработки отходов рудной и россыпной золотодобычи; комплекс технологических решений переработки вторичного волокнистого сырья, при которых достигается максимальное качество целевого продукта и снижается нагрузка на окружающую среду.

В приложении представлены акты о промышленном внедрении результатов работ, расчеты экологического и экономического эффектов.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их обоснование.

Первое защищаемое положение - совокупность методов количественной оценки и управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании отходов, разработанных на основе комплекса оценочных показателей, включая интегральный критерий экологической индикации технологий, позволяющих прогнозировать изменения окружающей природной среды.

Под экологичностью горнопромышленных производств при освоении месторождений твердых (преимущественно рудных) полезных ископаемых принимаем определенный экологический уровень производства, при котором минимизируется или ослабляется техногенное воздействие на природную среду и ослабляются процессы техногенеза.

Концептуальный подход к оценке и управлению качеством ЭТС приведен на рис. 1.

Ресурсный потенциал образующихся на предприятии отходов задействуется как в процессе вовлечения отходов в технологический процесс самого предприятия, так и при передаче отходов другим организациям на обезвреживание и их дальнейшую переработку. Это приводит к частичному сокращению используемого сырья, за счет рекуперации отходов, и к снижению объемов размещения отходов на предприятии. Экологический аспект представляет отходы как потенциально опасный фактор негативного воздействия на ОПС, нейтрализовать который можно за счет безопасного их размещения и внедрения малоотходных технологий. В сравнении различных вариантов производственных процессов целесообразно пользоваться показателями вовлекаемости ресурсов на единицу продукции: О¹=Д•Р и П= к•Р, где О¹ - часть отходов, содержащих определенную долю ресурсов; Д - доля отходов, использованных в качестве восстановленного ресурса; к - выход продукции из восстановленного ресурса.

Рис. 1. Концептуальный подход к оценке и управлению ЭТС: у - отходы; х - ценный компонент; КГИТ - комплексный геоэкологический индикатор технологий; ГЭИ - геоэкологические индикаторы; ТИ - технологические индикаторы.

С учетом баланса ресурса и отходов получим общий объем продукции:

,

где: П - продукция; Р - вовлекаемые ресурсы.

Показатель ресурсоемкости:

. (1)

Следовательно, для каждого компонента вводимого ресурса можно определить глубину его использования для производства продукции. При этом величина к - оценивает возможную экологичность вторичного ресурса, а величина Д - полезность материала.

Для первичного ресурса Р_у зависит от содержания ценного компонента и степени его извлечения:

, (2)

где б -содержание ценного компонента, г/т; ж - извлечение ценного компонента по данной технологии.

Связь ресурсоемкости с извлечением ценного компонента приведена на рис. 2.

Определим экологическую характеристику технологии ЭХТ как сумму трех слагаемых, характеризующих ресурсоемкость, энергоемкость трудоемкость технологического процесса:

, (3)

где Э_п - характеризует полезный расход электроэнергии; Э_ф - фактический расход электроэнергии; Т_п - необходимое время технологического цикла; Т_п - фактическое время технологического цикла.

Каждое слагаемое имеет свои особенности с позиций управления их количественным значением. Первое слагаемое характеризует ресурсоемкость и материалоемкость продукции и зависит от качественных характеристик сырья и от потерь сырья и готового продукта. Второе слагаемое характеризует уровень организации производства, третье - характеризует общий уровень технической культуры производства. Чем выше ЭХТ (максимальное значение 3), тем ниже экологический ущерб и выше уровень технологичности.

Рис. 2. Зависимость ресурсоемкости от содержания ценного компонента и его извлечения по данной технологии

При выработке продукции из первичного сырья выражение для расчета ЭХТ с учетом (2) примет вид:

(4)

При выработке продукции из вторичного сырья выражение для расчета ЭХТ с учетом (1) примет вид:

. (5)

Становится методически оправданным рассмотрение возможности и целесообразности кооперации предприятий по ресурсообеспечению: группы производств, которые могут относится к одной или нескольким отраслям, к одной или нескольким близким производственным единицам; территориально-производственные сочетания, в том числе территориально-производственные комплексы.

Принципиальная схема разработанных технологических решений снижения нагрузки на окружающую природную среду производств золотодобывающего и лесоперерабатывающего комплексов, обеспечивающих оптимизацию материальных потоков, направленную на максимальную замкнутость антропогенного цикла отходов представлена на рис. 3.

Материальные потоки отходов и ценного компонента связаны с нагрузкой на ОПС по модифицированной функции потерь Тагути.

Основные свойства минеральных отходов золотодобычи характеризуются модулем основности, силикатным модулем и коэффициентом качества; и, предлагаемыми, нами показателями «вмещающей матрицы» и удельной золотоемкости, которые позволяют оценить их ресурсный потенциал.



Рис. 3. Принципиальная схема разработанных технических решений снижения нагрузки на окружающую природную среду производств золотодобывающего и лесоперерабатывающего комплексов

Комплексный геоэкологический индикатор технологий (КГИТ) предложено рассчитывать как интегральный показатель нагрузки на компоненты природной среды. Для экспрессной оценки КГИТ рассчитывается по формуле

КГИТ= , (6)

где M_i - масса i-того компонента, т; - коэффициент нагрузки на атмосферу, гидросферу и почвенный покров для i-того компонента; k = 1/S; S - площадь воздействия. Показатель А j-того вещества характеризует степень его агрессивности относительно агрессивности вещества, принятого в качестве эталонного для рассматриваемой среды. При оценки агрессивности веществ принимались показатели, используемые для санитарной оценки воздушной среды (,,), воды водоемов (, ,), химических соединений в почве (, ). Для оценки влияния новых технологических решений рассчитывался Д КГИТ_в как разница индикаторов до и после применения новых технических решений. По предложенной методике произведена оценка воздействия на окружающую среду горно-обогатительного комплекса Тас-Юрях, золотоизвлекательной фабрики ЗАО «Многовершинное» и Уссурийского картонного комбината. Графическая интерпретация геоиндикации для УКК приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Комплексный геоэкологический индикатор:

1 - нагрузка на гидросферу, 2 - нагрузка на атмосферу, 3 - нагрузка на литосферу:

а) существующее положение б) после внедрения разработанных мероприятий

КГИТ для существующей технологии составляет 41,95k - предприятие оказывает достаточно сильное влияние на окружающую среду, для предлагаемой технологии составляет 30,64k - предприятие оказывает умеренное влияние на окружающую среду.

Разработанная база данных отходов, которая реализована программно, позволяет оперативно оценить нагрузку на экосистемы с учетом технологических особенностей процесса.

Второе защищаемое положение - методы и средства эффективного управления эколого-технологическими системами при рудной золотодобыче, в основу которых положены установленные кинетические, энергетические, физико-химические закономерности процессов на стадиях технологической трансформации минерального сырья, позволяющие повысить экологическую безопасность золотодобычи в регионе при снижении ресурсоемкости.

Процессы извлечения металлов из руды можно представить последовательностью, отражающей основные этапы трансформации и выделения ценного компонента в товарный продукт: - этап рудоподготовки к последующему извлечению ценного компонента; - этап механического обогащения, - этап химико-металлургической переработки, позволяющей изменить кристаллическую структуру, состав, свойства ценного компонента и выделить его в черновой металл или товарный продукт; этап аффинажа или рафинирования для очистки черновых металлов от примесей и получение продуктов, удовлетворяющих требованиям рынка. Исходя из доминирующей роли гидрометаллургического передела, а именно выщелачивания, все подготовительные процессы необходимо нацеливать на получение наиболее высоких показателей именно в цикле цианирования.

На основании большого объема эмпирических данных по измельчению золотосодержащих руд, в том числе, и при изменении ионного состава пульпы, проведено кинетическое исследование (анализ первичных кинетических зависимостей, установление порядка процесса путем последовательной линеаризации в координатах различных порядков, моделирование в условиях интегрального реактора), установлены закономерности измельчения, позволяющие определять оптимальное время процесса.

Уравнения кинетики измельчения имеют вид:

dR/dt = kR² (мокрое измельчение);

dR/dt = kR^0,5 (сухое измельчение),

dR/dt = kR^0,5•с^0,5 (в присутствии щелочи),

dR/dt = - kR•с₁^1,5 (в присутствии борнилацетата), (7)

где с - концентрация щелочи; с₁ -концентрация борнилацетата.

Для интегральной оценки, процесс измельчения рассматривался через кинетическую задачу типа односторонней последовательной реакции методом ее решения через Лаплас-трасформацию средствами MatCad. Проведено математическое моделирование процесса измельчения для различных видов руд и условий ведения процесса. Разработанный комплекс программ позволяет определить динамику раскрытия трудных зерен. Показано, что в щелочной среде ускоряется процесс раскрытия «трудных» зерен (максимум кривой С_в в 2 раза ниже, чем при сухом измельчении).

Разработан способ определения удельной поверхностной энергии, включающий процесс измельчения в лабораторной мельнице и измерение удельной поверхности частиц до и после измельчения. Удельную энергию физического воздействия, потраченного на измельчение минеральных зерен, определяем расчетно-эмпирическим путем из соотношения:

, (8)

где Е - энергия, затраченная на измельчение; - изменение площади межфазной поверхности дезинтегрированных частиц минералов: , где S_o - начальная величина удельной поверхности дезинтегрированных частиц, м^-1; - значение удельной поверхности дезинтегрированных частиц после физико-химического воздействия, м^-1; V - объем дисперсной фазы системы частиц, м³. Удельную поверхность определяли на лазерном дифракционном анализаторе частиц.

На рис. 5 приведены коэффициенты поверхностного натяжения руд некоторых месторождений Дальневосточного региона.

Рис. 5. Полуэмпирический коэффициент поверхностного натяжения руд месторождений Дальневосточного региона:

1 - Многовершинное; 2 - Боргуликанское мест. зона Иканская 1; 3 - Боргуликанское мест. зона Иканская 2; 4 - Боргуликанское мест. зона Иканская 3; 5 - Боргуликанское мест. зона Иканская 4; 6 - Куранахское мест. зона 4; 7- Куранахское мест. зона 5; 8 - Куранахское мест. зона 6.

Исследована возможность использования эффекта механической активации для повышения реакционной способности различных руд (рис. 6).

Разработаны методы повышения эффективности процессов переработки мышьякосодержащих минералов на примере руды Албазинского месторождения. Исследования проведены по нескольким направлениям. На первом этапе изучены основные технологические свойства пробы, на основании которых были получены данные, подтверждающие чрезвычайно-трудную обогатимость материала пробы. На втором этапе работы проведены углубленные исследования по вскрытию золотонесущих сульфидов и арсенидов.



Рис.6. Динамика изменения энергии активации для различных классов (мест. Албазино):

Измельчение по классам: ряд 1- 0,63 + 0,4 мм; ряд 2 -0,4 + 0,315 мм; ряд 3 -0,315 + 02 мм; ряд 4 - -0,2 + 0,1 мм; ряд 5 - 0,1 мм.

Установлено, что руда чрезвычайно упорная, по «базовой» технологии - «сорбционное цианирование» - можно извлечь не более 34 % золота, при условии интенсивного воздействия на пленки и покрытия при рудоподготовке до 38,4 %, Ф = 0,66, где Ф - фактор упорности.

Для вовлечения резерва и снижения фактора упорности по отношению к цианистому процессу, определены пути интенсификации процесса извлечения: - интенсификация рудоподготовки, путем направленного изменения свойств минералов и руд (применение химических реагентов на стадии измельчения); - повышение эффективности процесса флотации путем подготовки поверхности минералов к сорбции традиционных и разработанных реагентов-собирателей.

С использованием интегрированной среды MathCad оценены показатели эффективности процесса измельчения V_i - относительный эффект добавок, %/мин; W_i - логарифмический показатель или коэффициент измельчения.

В таблице 1 приведены экспериментальные показатели б - коэффициента, учитывающего влияние химических добавок.

Таблица 1. Эмпирические коэффициенты уравнения кинетики процесса измельчения руд

№ группы веществ	1 комплексные добавки	2 щелочные добавки	3 ПАВ	4 отходы производства	5 галогены и их комплексы
б	1,04	1,016	1,009	1,029	1,033

Измельчение материала, содержащего золотонесущие пирит и арсенопирит, при введении в мельницу трехкомпонентной комплексной добавки (смеси реагентов: гидроксида натрия (50 г/т), сернистого натрия (50 г/т) и йода (10г/т)), сопровождается локальным нагреванием поверхности минеральных частиц, интенсифицирующим развитие окислительных процессов, что в условиях постоянного обновляющейся поверхности, характерных для процесса измельчения, позволяет получать более однородный гранулометрический состав по готовому классу, способствует снижению доли «трудных классов» и повышает степень извлечения золота при флотации и выщелачивании. Уточнен химизм взаимодействия активаторов поверхности с минералами.

Рассчитаны автокорреляционные (АКФ) спектры для основных рудных элементов и вмещающих пород. Предложена зависимость для прогнозного извлечения золота, с учетом параметрических коэффициентов, определенных по данным рационального анализа.

Прогнозное извлечение золота определим по зависимости:

(9)

где е - извлечение золота, %; b - доля золота, извлекаемого по данной технологии; б - общее содержание золота в пробе; F - коэффициент детерминации в АКФ.

Экспериментальные исследования по извлечению золота по гравитационно-флотационной, флотационной и флотационно-сорбционной технологии показали высокую (97 %) сходимость расчетных и экспериментальных данных. С использованием методов математической статистики проведена интерпретация экспериментальных данных, которая позволила получить априорные зависимости для оценки содержание золота в концентрате и хвостах флотации:

_к=0,033х²-4,173 х+193,29 (10)

_х=0,0018х²-0,295х+15,7

где х = 19,5; t - время измельчения.

Экспериментальные исследования по интенсификации флотационных процессов упорных руд с введением новых реагентов в процесс флотации показали, что наиболее эффективным является добавка к бутиловому ксантогенату калия (в качестве активатора процесса гидрофобизации ) 3, 4 дигидро, 2, 5, 7, 8 тетрамитил -2 [4, 8, 12 триметил тридецил] 2Н-1 бензопиран - 6 - ола-ацетат с добавками фосфолипидов («ФУЗ») (рис.7).

Кинетические закономерности растворения золота и серебра в цианистых растворах уточнены с учетом электрохимического механизма. Согласно этому механизму, на поверхности металла образуются локальные электрохимические ячейки (анодные и катодные участки). Количественное описание диффузионных процессов проведено на основании установления функциональной зависимости между плотностью тока i и величиной электродного потенциала Е. Установление этой зависимости проведено с использованием трех основных уравнений диффузионной кинетики:



Рис. 7. Зависимость содержания золота и железа в концентрате при флотации, в т.ч. и с применением «ФУЗ»: 1тип - бутиловый ксантогенат 100г/т, Т-80 - 40 г/т; 2 тип - «ФУЗ» 100г/т, Т-80 - 40 г/т; 3 тип - бутиловый ксантогенат 100г/т, «ФУЗ» 20 г/т, Т-80 - 40 г/т.

; ; . (11)

Программная реализация для заданных граничных условий позволяет моделировать процессы нестационарной диффузии цианида в присутствии окислителей. Установлено, что введение галогенов интенсифицирует процессы выщелачивания.

Уточнена кинетика процесса цианирования с учетом диффузии CN^- в пору минерала за счет реакции на поверхности поры. Проведено математическое моделирования кинетики процессов выщелачивания с учетом пористой структуры минерала. Проведены экспериментальные исследования по вскрытию золота в присутствии различных окислителей и режимных параметрах экспериментов. Доказано, что присутствие йода в щелочной среде интенсифицирует процессы окисления сульфидов, вероятно, за счет развития процесса йодоцианирования, аналогично бромоцианированию, широко рекомендуемому для переработки чрезвычайно упорных руд.

За основной критерий эффективности цианирования К_ц принято отношение расхода циана к доле извлеченного компонента:

К_ц= CN/е, (12)

где: CN - расход цианида,кг/т; е - степень извлечения золота.

Нагрузка на окружающую среду по цианиду составит: Н=К_ц/К_цн, где К_цн= 0,6/0,99 = 0,606 - нормированный показатель; где 0,6 кг/т - расход циана по ГОСТ; 0,99 - максимальная степень извлечения золота.

По всем исследованным пробам для месторождения Многовершинное нагрузка на окружающую среду по цианиду натрия превышает от 2,78 до 6,27 от технологической нормы. По всем исследованным пробам по месторождению Албазинское нагрузка на окружающую среду по цианиду натрия превышает от 3,2 до 8,22 от технологической нормы. Применение разработанных методов позволит снизить нагрузку по цианиду на окружающую среду и повысить степень извлечения золота.

Приведена эколого-технологическая характеристика разработанных технологических способов интенсификации процессов переработки рудного минерального сырья, включая:

1. Способ извлечения тонкодисперсного золота из золотосодержащих руд, заключающийся в добавлении борнилацетата на стадии измельчения, реализация которого повышает извлечение золота на 3,6 %, снижает расход электроэнергии на 5 %; экологический эффект заключается в снижение ресурсоемкости на 1342 т, снижении непроизводственного расхода циана на 24,5 %, повышении ЭХТ на 0,2.

2. Способ извлечения золотонесущих халькогенидов из труднообогатимого сырья, заключающийся в том, что в процесс измельчения перед флотацией в присутствии сернистого натрия и йода, повышает извлечение на 3 - 4,1%, реализация которого снижает время технологического цикла цианирования. Экологический эффект заключается в снижении ресурсоемкости на 2300 т; снижении непроизводственного расхода циана на 30 - 35 %, повышении ЭХТ на 0,25.

3. Реализация метода определения удельной поверхностной энергии руд, позволяет оптимизировать режимы рудоподготовки, снизить удельный расход электроэнергии. Экологический эффект заключается в повышении ЭХТ на 0,38; снижении КГИТ на 10,1.

Разработанные инновационные способы интенсификации процессов переработки рудного золотосодержащего сырья имеют значительный экологический и технологический эффект.

Третье защищаемое положение - закономерности влияния на окружающую среду эколого-технологических систем при россыпной золотодобыче и рациональные методы экологизации ее основных технологических процессов, при реализации которых достигается повышение экологической безопасности и снижение ресурсоемкости.

Существующие технологии извлечения золота из песков россыпей, использующие в основе технологического процесса шлюзовые и шлюзо-отсадочные схемы, достаточно эффективно извлекают золото крупностью более 0,25 мм. Мелкое, очень мелкое и пылевидное золото при гравитационном обогащении извлекается неудовлетворительно, оно накапливается в хвостах и переходит в техногенный комплекс месторождения. Расчетная номограмма ресурсоемкости от содержания золота и степени его извлечения приведена на рис. 8.

Для анализа и управления технологическими потерями на основе обобщения эмпирического материала и литературных данных составлена диаграмма Исикавы, учитывающая, влияние факторов на целевую функцию. Учитывая, что морфология и гранулометрия золота оказывает значительное влияние на степень извлечения золота, уточнены закономерности седиментации и расчета коэффициента формы золотин. Применение разработанного метода интерпретации гранулометрических характеристик, с применением разработанного программного обеспечения, позволяет повысить точность седиментационного анализа и прогнозировать морфологию золота.

Рис. 8. Номограмма ресурсоёмкости для песков россыпей

Электронномикроскопическое изображение золотин, выделенных гравитационными методами представлено на рис. 9.

Рис. 9. Формы золотин, выделенных гравитационными методами

Проведены экспериментальные исследования по повышению эффективности извлечения золота гравитационными методами. Для экспериментов из материала пробы крупностью -0,071+0 мм (шламовая часть) отобрано три параллельные пробы массой по 10 кг каждая. Одну пробу подвергли центробежной концентрации на лабораторном гидроциклоне в 2 стадии с последующей концентрации на столе с отбором из головок и концентратов свободного золота. Вторую пробу подвергли предварительной реагентной обработке содово-галогенидной смесью при Т:Ж=1:3 в течение 40 мин. Подготовленный материал пробы обогащали аналогично первой пробе. Третью пробу подвергли предварительной реагентной обработке гексаполифосфатом натрия в присутствии соды при Т:Ж=1:3 в течение 40 мин.

Применение реагентной обработки позволяет в 2,2 раза повысить извлечении золота. Из двух исследуемых вариантов предпочтительней обработка гексаполифосфатом, в т.ч. и с экологической точки зрения

Экспериментальными исследованиями по повышению эффективности извлечения золота из песков россыпей флотационными методами установлено, что наиболее перспективными являются методы ионной флотации и агломерационной флотации. Определены основные реагенты и режимные параметры пенного фракционирования, позволяющие осуществлять концентрирование золота на уровне 80 - 85 % в обогащенные продукты, направляемые для дальнейшей переработки. Следует отметить, что в процессе пенного фракционирования наблюдается изменение элементного состава пенного продукта. При исследовании адсорбционной флотации глинистых фракций «Кремень» с использованием комплекса флотореагентов на основе отходов МЖК проводился полнофакторный эксперимент. В качестве адсорбента применялись модифицированные гексаполифосфатом опилки лиственницы даурской.

Уравнение аппроксимирующего многочлена имеет вид:

Y=3,446-0,026х₂+0,196х₃+0,036х₁х₂, (12)

где Y - содержание золота в концентрате флотации (определенное методом атомной адсорбции); х₁- расход ФУЗ; х₂ - расход модифицированного сорбента; х₃ -расход бутилового ксантогената.

Эксперимент подтвердил, что значимыми являются не только линейные эффекты, но и некоторые парные взаимодействия. Из трех факторов, линейно влияющих на функцию отклика, выделилось два: концентрация адсорбента и полифосфата натрия, причем концентрация полифосфата натрия, судя по количественной оценке коэффициентов, оказалась наиболее сильно влияющим фактором. Характер влияния обоих факторов различен: при увеличении концентрации адсорбента отклик (содержание золота) уменьшается, а при увеличении концентрации полифосфата натрия отклик увеличивается. Концентрация ФУЗ в выбранных интервалах варьирования не влияет значимо на отклик, но влияние этого фактора проявилось в парном взаимодействии.

Электронно-микроскопическое исследование продуктов флотации в зоне оптимальных расходов реагентов, показало, что в концентрате фиксируются железо, циркон, наблюдаются единичные знаки золота.

Применение методов «рудной» технологии позволит повысить извлечение золота из хвостов гравитации, особенно при переработке песков россыпей, содержащих мелкодисперсное золото.

Четвертое защищаемое положение - методы управления использованием вторичного сырья, включая золотосодержащее и органическое волокнистое, при использовании рациональных технологических способов их переработки, позволяющих повысить выход и качество получаемой продукции и снизить нагрузку на окружающую среду.

Определим систему управления отходами как систему информационного взаимодействия между ее компонентами и окружающей средой, осуществляющей управление материальными и энергетическими потоками и обеспечивающей самоорганизацию эколого-технологической системы и ее устойчивое развитие при сохранении устойчивости биосферы. Разработаны методы снижения нагрузки на окружающую среду в условиях россыпной золотодобычи путем совершенствование оборотного водоснабжения. Для совершенствования оборотного водоснабжения в условиях россыпной золотодобычи предложено вводить полимерные добавки. Разработанный способ осветления воды и извлечения золота с использованием отходов лесозаготовок позволяет снизить содержание твердой фазы в оборотных водах россыпной золотодобычи в 2,2 - 2,5 раза. С целью повышения сорбционной емкости по золоту фитосорбентов исследования проводилось методом планирования эксперимента с использованием плана второго порядка. В результате обработки экспериментальных данных на ЭВМ было получено уравнение регрессий второго порядка, описывающее сорбцию золота на модифицированных опилках, которое имеет вид:

Y = 0,0323 -0,0014*X₁ -0,0002*X₂ -0,0004*X_3, (14)

где Х₁ - концентрация Na₃PO₄, г/л; Х₂ - температура процесса активации; С⁰, Х₃ - продолжительность процесса сорбции, мин.

На основании полученных экспериментальных данных можно определённо утверждать, что модифицированные опилки показывают хорошие сорбционные свойства по золоту. Особенно высокие результаты наблюдались при Х₁ - концентрации 2 г/л, Х₂ - температуре 35⁰С и Х₃ - продолжительности сорбции 5 мин.

Технические методы управления отходами рудной золотодобычи включают оценку отходов с позиций экологичности и технологичности и разработку технологических решений переработки с целью извлечения ценных компонентов и снижения нагрузки на окружающую природную среду. Учитывая экологический фактор, автор считает, что совместная переработка первичных руд месторождения с лежалыми хвостами обогащения не является оптимальной и предлагается новый рациональный метод переработки золотосодержащих отходов.

В настоящее время в регионе сбором и переработкой вторичных волокнистых ресурсов и выпуском изделий из него занимаются более 20 предприятий всех форм собственности. Объемы переработки и утилизации отходов в крае недостаточны и требуют всемерного развития. Предложена функционально-предметная модель организации обращения вторичных волокнистых отходов (ВВО) в регионе, ориентированная на максимально полный учет принципов комплексного управления, включающая следующие блоки: источники образования ВВО; сбора и транспортировки ВВО; переработки и сортировки ВВО; захоронения отходов.

С целью разработки оптимальных технологических параметров подготовки волокнистой массы, позволяющих снизить себестоимость продукции и повысить впитывающую способность волокнистой массы, были проведены экспериментально-теоретические исследования по влиянию основных технологических параметров на впитывающую способность вторичного волокнистого сырья.

Расхождение теоретических и экспериментальных данных (менее 2 %) свидетельствует об адекватности разработанных моделей оценки качественных показателей макулатурной массы. На основании эксперимента и регрессионной обработки данных получены эмпирические уравнения W= f (c₁, c_2, t, k), где W - впитывающая способность; c₁, c₂ - концентрация щелочи и перекиси водорода в гидроразбивателе, соответственно; k - композиция ПАВ. На основании балансовых расчетов установлено, что при получении бумаги из макулатуры (по сравнению с деловой древесиной) загрязнение воздуха сокращается на 73 %, воды - на 40, твердых отходов - на 39 %. Однако, в процессе обесцвечивания макулатуры дополнительно образуется 80 - 85 кг/т шлама, содержащего остатки типографской краски, мелкого волокна и наполнителя. Причем флотационные шламы содержат тяжелые металлы, которые при определенных концентрациях делают эти отходы высокотоксичными, класс опасности, рассчитанный по составу шламов - третий, что позволяет отнести их к умеренно опасным, т.е. экологическая система нарушена. Период восстановления составляет не менее 10 лет после снижения вредного воздействия от существующего источника. В результате проведенных исследований разработан технологический режим обработки вторичного волокнистого сырья, позволяющий значительно увеличить впитывающую способность волокнистой массы и снизить себестоимость вырабатываемой продукции. Предложена новая композиция ПАВ. Измененный режим подготовки исходного макулатурного сырья позволил повысить основные качественные показатели на 15 - 20 %. Разработан способ обработки вторичного сырья, который рекомендован к внедрению на Уссурийском комбинате. Способ изготовления многослойного картона внедрен на Хабаровском рубероидном заводе.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, комплексные методические обоснования и разработки, практическая реализация их результатов, позволили внести существенный вклад в решение актуальной научной проблемы - достоверной оценки и эффективного управления эколого-технологическими системами при рудной и россыпной золотодобыче и использовании вторичного сырья, имеющей важное экологическое, организационно-технологическое и методологическое значение.

...