ВОЗМОЖНОСТИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ МЕДЕПЛАВИЛЬНЫХ ЗАВОДОВ С ЦЕЛЬЮ МИНИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОПОТЕРЬ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты исследований по разработке эффективных методов переработки техногенных хвостов с высоким извлечением ценных компонентов. Кроме того, представлены результаты экспериментов по переработке отходов медеобогатительных фабрик, их гранулометрический, минералогический и химический составы. Хранение этих отходов сопряжено с большими материальными затратами и, одновременно, наносит определенный ущерб окружающей среде. Важно, что возможности разделения железных минералов электромагнитным методом возросли в связи с тем, что количество железа с момента получения диоксида кремния из отходов медеобогатительных фабрик увеличилось в несколько раз. Этот вид отходов служит дополнительным источником для извлечения железа, золота, серебра, меди и других ценных компонентов. Разработанная технология переработки промышленных отходов медеобогатительной фабрики эффективно утилизируется за счет таких факторов, как герметизация при низких температурах, экологическая безопасность и энергоэффективность, которые позволяют эффективно перерабатывать отходы обогатительных фабрик.

ABSTRACT

This article presents the results of research on the development of effective methods for processing technogenic tailings with high recovery of valuable components. In addition, the results of experiments on processing waste from copper concentration factories and their granulometric, mineralogical, and chemical compositions are presented. Storing this waste involves large material costs and, at the same time, causes some damage to the environment. It is important that the ability to separate iron minerals by the electromagnetic method has increased due to the fact that the amount of iron has increased several times since the extraction of silicon dioxide from waste from copper processing plants. This type of waste serves as an additional source for the extraction of iron, gold, silver, copper, and other valuable components. The developed technology for processing industrial waste from a copper concentration plant is effectively disposed of as a result of factors such as hermetically sealing at low temperatures, environmental safety, and energy efficiency, which make it possible to effectively process waste from processing plants.

Ключевые слова: техногенные отходы, медеперерабатывающие заводы, хвостохранилища, полиметаллические руды, твёрдый сплав WC-Co, гидрометаллургическая переработка, алюмосиликатные отходы, (NH₄F), (NH₄)₂SiF₆, (АГМК), металлургия

Keywords:  man-made waste, copper processing plants, tailings, polymetallic ores, WC-Co hard alloy, hydrometallurgical processing, aluminosilicate waste, (NH₄F), (NH₄)₂SiF₆, (AMMC), metallurgy

Введение

Сегодня в мире важна разработка эффективных методов переработки минерального сырья и полиметаллических руд, полное извлечение из них полезных ископаемых, увеличение мощностей по производству редких и благородных металлов, создание малоотходных и безотходных технологий. [1-3] А также вовлечение в производство всех видов техногенных отходов горнодобывающей промышленности, обогатительных фабрик, жидких и твердых отходов гидрометаллургических и пирометаллургических процессов), разделение силикатных соединений сложного состава на отдельные оксиды путем возврата отработанных реагентов в процесс и, как следствие, обеспечение извлечения полезных компонентов из техногенных отходов является актуальной проблемой в этой области. Технология извлечения полезных компонентов из руд выбирается в зависимости от химической природы перерабатываемых руд, в частности, медные руды обогащаются в основном флотационным методом. [4-6] Выход концентрата составляет 3-4 процента. 96–97 % добываемой руды относится к отходам (вмещающим) и направляется в хвостохранилище. В настоящее время в результате длительной переработки руд среднее содержание меди в двух хвостохранилищах Алмалыкского горно-металлургического комбината составляет 0,11 %, накоплено 1459,5 млн тонн техногенных отходов [7].

Материалы и методы исследования

Общие запасы драгоценных металлов были рассчитаны с учётом отходов, накопленных в хвостохранилищах за многие годы. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Количество отходов и содержащихся в них металлов по состоянию на 2024 год

В таблице 2 представлены результаты химического анализа образцов, накопленных за многие годы. Из представленных данных следует, что полученные образцы характеризуются типичным алюмосиликатным составом: 67,31% SiO₂ и 13,26% Al₂O₃.

Таблица 2.

Полный химический состав техногенных отходов

Образец, отобранный из отходов ЦЭФ Алмалыкского ГМК, содержит 2,36% сульфидов. Также были изучены фракционный состав отходов и распределение металлов по размерным фракциям; результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Фракционный состав отходов медеперерабатывающих заводов и распределение металлов в них

Из данных таблицы видно, что большая часть благородных металлов (более 80%) приходится на фракцию +0,1, что объясняется тем, что элементы, содержащиеся в крупных кварцевых минералах, остаются в хвостах флотационного обогащения медных руд.

Результаты и обсуждения

Оксиды алюминия и кремния составляют основную часть отходов медеперерабатывающих заводов и содержатся в следующих количествах: 67,31% SiO₂ и 11,57% Al₂O₃. Если при переработке отходов основное внимание уделить выделению FeO, SiO₂ и Al₂O₃, то содержание ценных металлов в алюмосиликатных отходах увеличится в несколько раз. Это создаёт возможность комплексной безотходной переработки. [8–10]
Исходя из этого, была выбрана технология переработки техногенных отходов с использованием галоаммонийных солей (NH₄F). В основном протекает следующая реакция:

SiO₂ + 6NH₄F = (NH₄)2SiF₆ + 4NH₃ + 2H₂O (1)

Гексафторосиликат аммония, полученный в результате реакции (1), обладает технологически выгодными физико-химическими свойствами. Это вещество является твёрдым при нормальных условиях, однако при температурах выше 320 °C оно сублимирует и переходит в газовую фазу. Ещё одним преимуществом использования фторида аммония в качестве реагента для десиликации является возможность его регенерации. При температуре 700 °C растворимость гексафторосиликатa аммония достигает 370 г/л. HFSA (гексафторосиликат аммония) реагирует с аммиаком, вызывая осаждение SiO₂. [11–19]

(NH₄)2SiF₆ + 4NH₄OH = SiO₂ + 6NH₄F + 2H₂O (2)

Возможность регенерации фторида аммония обеспечивает непрерывный цикл десиликации и извлечения кварца из отходов в виде мелкодисперсного SiO₂. После фильтрации кремнезёма из раствора фторид аммония остаётся в растворе и после выпаривания и кристаллизации возвращается в процесс десиликации отходов.

Для извлечения полезных компонентов из техногенных отходов медеперерабатывающих заводов первоначально необходимо удалить оксид кремния и оксид железа. С этой целью была разработана технологическая схема десиликации хвостов обогащения с использованием аммонийных галогенидов (NH₄F или NH₄F∙HF). На рисунке 1 показан цикл десиликации промышленных отходов с использованием фторида аммония.

Рисунок 1. Схема цикла десиликации техногенных отходов с использованием фторида аммония

Как видно из диаграммы на рис. 2, при повышении температуры сублимационного обжига отходов медеперерабатывающих заводов в течение 1 часа степень извлечения SiO₂ увеличивается и достигает высокой величины — 75% при 450 °C; дальнейшее повышение температуры не приводит к существенному увеличению степени извлечения SiO₂ [9]. Исходя из этого, оптимальную температуру сублимационного обжига можно принимать равной 450 °C [19–21].

Рисунок 2. График зависимости степени извлечения SiO₂ из отходов медеперерабатывающих заводов от температуры сублимационного обжига

Кроме того, при оптимальной температуре 450 °C была изучена зависимость степени извлечения SiO₂ от времени сублимационного обжига. Эксперименты проводились в интервале времени от 0,5 до 3 часов. Построенная по результатам исследования диаграмма зависимости представлена на рис. 3.

Рисунок 3. График зависимости степени извлечения SiO₂ из отходов медеперерабатывающих заводов от продолжительности сублимационного обжига при оптимальной температуре

Как видно из диаграммы на рис. 3, степень извлечения SiO₂ увеличивается с ростом времени обжига отходов медеперерабатывающих заводов при температуре 450 °C и достигает высокой величины — 99,77% за 120 минут; дальнейшее увеличение времени обжига не приводит к повышению степени извлечения SiO₂. Исходя из этого, оптимальную продолжительность сублимационного обжига можно считать равной 2 часам.

Для выделения SiO₂ из состава HFSA, полученного в результате сублимационного обжига, его обрабатывали аммиачной водой (NH₄OH). Эксперименты проводились с растворами NH₄OH концентрацией 2, 4, 6, 8, 10 и 12%. В результате исследований установлено, что оптимальная концентрация NH₄OH для отделения SiO₂ из состава HFSA составляет 10%-ный раствор. Одним из преимуществ выделения SiO₂ из состава HFSA с использованием аммиачной воды является возможность получения необходимого NH₄OH путём абсорбции аммиачных газов, образующихся при сублимационном обжиге отходов медеперерабатывающих заводов с применением NH₄F.

Таким образом, NH₄F, полученный после отделения SiO₂ путём выпаривания и кристаллизации, возвращается в процесс сублимационного обжига. Это позволяет осуществлять процесс десиликации непрерывно и извлекать из отходов мелкодисперсный оксид кремния в виде белого порошка с чистотой 99,9%. Кроме того, извлечение металлов из шлака, остающегося после удаления SiO₂ из отходов медеперерабатывающих заводов методом сублимационного обжига, с использованием гидрометаллургических и пирометаллургических методов не представляет сложности [19–22].

Заключение

Таким образом, NH₄F, полученный после отделения SiO₂ путём выпаривания и кристаллизации, возвращается в процесс сублимационного обжига. Это позволяет осуществлять процесс десиликации непрерывно и извлекать из отходов мелкодисперсный оксид кремния в виде белого порошка с чистотой 99,9%.

Поскольку основная часть отходов медеперерабатывающих заводов представляет собой оксид кремния (67,31% SiO₂), при уделении основного внимания его отделению количество благородных металлов в десиликатных отходах увеличивается в несколько раз, что делает возможным эффективное извлечение цветных и благородных металлов.

Для удаления SiO₂ из отходов медеперерабатывающих заводов были определены следующие оптимальные параметры сублимационного обжига с добавлением NH₄F: температура обжига — 450 °C; продолжительность обжига — 2 часа; оптимальная концентрация NH₄OH при выщелачивании HFSA — 10%. В этих условиях степень извлечения SiO₂ достигает 99,77%, а сам SiO₂ получается с чистотой 99,9%.

Список литературы:

1. MA. Mutalova, AA. Khasanov, EM. Masidikov, International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, 7, 5 (2020)
2. EM. Masidiqov, S. Karshiboev, Academic research in educational sciences, 2, 3 (2021)
3. A. Samadov, N. Askarova, R. Toshkodirova, N. Akhmedova, O. Boltayev, K.  Mirzayev, A. Kambarov,  E3S Web of Conferences, 524,  02014 (2024)
4. S. Parmonov, K. Sharipov, A. Kambarov, M. Khoshimkhanova, A. Abdurimov, D. Mirzavaliyev, G. Yusupova, E3S Web of Conferences, 498, 03013  (2024)
5. M. Ernazarov, N. Askarova, S. Kenjayeva, R. Toshkodirova, A. Toshpulatov, N. Akhmedova, A. Kambarov, E3S Web of Conferences,  498, 01010 (2024)
6. A. Nimchik, G. Pulatov, F. Yusupov, B. Haydarov, A. Kambarov, E3S Web of Conferences, 494, 02003  (2024)
7. S. Parmonov, S. Shakirov, G. Yusupova, N. Kuchkarova, S. Shonazarova, D.  Tursunova, A. Kambarov, E3S Web of Conferences, 494, 02007 (2024)
8. N. Askarova, RN. Toshqodirova, NI. Nosirov, SI. Ibragimov, J. Sunnatov, E. Masidiqov, AIP Conference Proceedings, 2432, 1  (2022).
9. M. Kurbanov, L. Andriyko, J. Panjiev, S. Tulaganov, V. Gun’ko, A. Marynin, S. Pikus, Journal of Nanoparticle Research, 25, 10 (2023)
10. B. Abdullayev, I. Usmanov, M. Samadiy, T. Deng, International Journal of Engineering Trends and Technology, 70, 9 (2023)
11. B. Abdullayev, N. Askarova, R. Toshkodirova, M. Rifky, N. Ayakulov, B. Kurbanov,  M. Samadiy. Asian Journal Of Chemistry, 36, 2  (2024).
12. M. Mavlyanov, M. Adilova, A. Erkayev, J. Makhmudov, A. Nuriddinov, S. Abdujabborov, M. Ochilov, E3S Web of Conferences,  524, 03008 (2024)
13. J. Li, W. Fan, W. Qin, C. Ma, L. Yan, Y. Guo, T. Deng, Chemical Engineering Journal, 493, 152476  (2023)
14. M. Mirsaidov, A. Nimchik, O. Khodjiyev, M. Jesfar, K. Zokirov, S. Shamatov, A. Kambarov, E3S Web of Conferences (498, 02016 (2024)
15. Y. Laziz, T. Djumakulov, Z. Turdibaev, M. Rifky, E3S Web of Conferences, 537, 08023 (2024)
16. M. Sobirova, M. Rifky, K. Dissanayake, J. Farmonov, Y. Boynazarova, A. Meyliyev, S. Samadiy, M. Samadiy, BIO Web of Conferences, 95, 01039 (2024)
17. R. Khudoyor, N. Fayzullaev, F. Buronov, S. Matmuratov, Y. Takhirov, M. Rifky, K. Dissanayake, M. Samadiy. E3S Web of Conferences, 524, 03018 (2024)
18. F. Jasur, D. Hunupolagama, K. Dissanayake, Y. Boynazarova, K. Serkaev, M. Samadiy, M. Rifky, E3S Web of Conferences, 494, 04025 (2024)
19. F. Normurot, K. Rаhmatov, B. Makhkamov, Z. Mukhamedbayeva, J. Asamov, K. Azizova, M. Rifky, E3S Web of Conferences, 524, 03005 (2024)
20. O. Ziyodullo, D. Absattorov, M. Rifky, S. Rakhimkulov, I. Usmanov, D. Ramazonova, Z. Matkarimov, M. Samadiy. E3S Web of Conferences, 411, 02035 (2023)
21. B. Abdullayev, M. Rifky, J. Makhmayorov, I. Usmanov, T. Deng, M. Samadiy, International Journal of Engineering Trends and Technology, 71, 9 (2023)
22. K. Dissanayake, M. Rifky, K. Zokirov, M. Jesfar, J. Farmonov, E. Sanaev,  J. Makhmayorov, M. Samadiy, New Materials, Compounds and Applications, 8, 2 (2024)