Исследование технологических особенностей флотации медных руд зоны криоминералогенеза

экологии и криологии СО РАН

Флотационный метод обогащения полезных ископаемых является одним из наиболее распространенных технологических процессов. В настоящее время в связи с вовлечением в переработку бедных и труднообогатимых руд, а также в связи с необходимостью комплексного и наиболее полного использования рудного сырья флотация приобретает все большее значение. Практика флотации достигла значительных успехов, однако закономерности флотации до настоящего времени полностью не раскрыты, поэтому вопросы развития теории и практики флотации не потеряли своей актуальности.

Особые трудности возникают при обогащении руд с высокой степенью окисления, для переработки которых рекомендуется использование гидрометаллургии. Применение флотации и в этом случае эффективно при развитии направлений ее интенсификации, особенно при поиске и использовании нетрадиционных решений. Необходимо и изучение особенностей технологических свойств окисленных минералов и их флотационного поведения, сформировавшихся в условиях многолетней мерзлоты.

Флотация является сложным и многогранным процессом, развитие теории которого связано с исследованием все новых и новых сторон его протекания. Традиционные подходы к этому методу уже не обеспечивают должной эффективности разделения минералов. Для достижения существенного прогресса в этой области необходим другой подход, где изменяется в первую очередь дисперсионная среда, в которой при флотации осуществляется разделение минералов или химических элементов. При изменении и регулировании ее структуры существенно изменяются все основные свойства жидкости, определяющие возможность осуществления флотации. Подбор условий направленного изменения структуры воды обеспечивает решение проблемы повышения эффективности обогащения многосортных руд на основе нетрадиционных физико-химических средств и методов управления процессами флотации, обеспечивающих существенное повышение извлечения полезных компонентов.

1. Проанализировать особенности минералогии зоны многолетней мерзлоты Удоканского месторождения.

2. Исследовать свойства основных окисленных минералов Удоканского месторождения – антлерита и брошантита и условия их флотируемости.

3. Исследовать влияние физико-химических воздействий на компоненты и фазы флотационной пульпы.

4. Проанализировать возможности интенсификации флотации окисленных медных минералов зоны криоминералогенеза.

5. Разработать схему флотации в условиях слабых энергетических воздействий на дисперсную систему.

1. 
   Условия минералообразования в зоне многолетней мерзлоты обеспечивают изменение свойств окисленных медных минералов и появление их технологических особенностей поведения во флотационной дисперсной системе.
   
2. 
   Эффективность управления разделением минералов зоны многолетней мерзлоты возможна с помощью флотации при использовании нетрадиционных приемов и решений: с применением слабых энергетических воздействий на флотационную систему, введением реагентов-структурообразователей, разработкой условий солевой флотации, введением процесса стабилизации энергетического состояния дисперсной системы.
   

1. 
   Доказана необходимость введения процесса стабилизации электрохимического состояния дисперсной системы до проведения флотации, контролируемая на основе измерения окислительно-восстановительных потенциалов пульпы.
   
2. 
   Повышение эффективности флотации окисленных медных руд основано на зависимости технологических показателей разделения минералов от слабых электрохимических воздействий на дисперсную флотационную систему.
   
3. 
   Выявлена роль нейтральных солей в процессе повышения эффективности флотации окисленных медных минералов – антлерита и брошантита.
   
4. 
   При изучении технологических особенностей флотации антлерита и брошантита установлено, что эти минералы, образовавшиеся в зоне криоминералогенеза, обладают повышенной гидрофобностью при увеличении кристаллизационной воды, входящей в состав их кристаллических решеток.
   

1. 
   Разработана и предложена для внедрения технологическая схема обогащения окисленных медных руд Удоканского месторождения с достижением содержания меди и извлечение ее в концентрат на уровне показателей обогащения смешанных руд.
   
2. 
   Предложена технология обогащения забалансовых окисленных медных руд, содержащих 0,3-0,4 % меди, с получением кондиционного продукта и приемлемого извлечения меди в концентрат.
   
3. 
   Предложен запатентованный способ управления процессом флотации для неметаллических полезных ископаемых, разработанный на основе изучения флотационных свойств окисленных медных минералов зоны криоминералогенеза.
   
4. 
   Результаты исследований внедрены в учебный процесс ЧитГУ при чтении лекционного курса «Технология ОПИ» для студентов специальности «Обогащение полезных ископаемых».
   
5. 
   Материалы исследований использованы ИПРЭК СО РАН в НИР, выполненной при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (ГРАНТ № 00-05-65414). Результаты диссертационной работы вошли в отчет «О деятельности научного Совета РАН и краткие результаты НИР учреждений и организаций горного профиля РФ и стран СНГ в 2003 году».
   

Автор выражает благодарность научному руководителю работы профессору Фатьянову А.В. за оказанную помощь в выполнении диссертационной работы, а также декану Горного факультета ЧитГУ, к.т.н. Никитиной Л.Г. за помощь в доработке и подготовке диссертации к защите.

Основные результаты исследований отражены в следующих научных положениях.

В условиях криолитозоны окисленные руды представляют собой законсервированные реликты формировавшихся от палеозоя до эпохи четвертичного оледенения древних кор выветривания, в которых процессы минералообразования заторможены.

Большинство исследователей в настоящее время придерживается точки зрения о двухэтапном развитии процессов минералообразования в областях с отрицательными температурами (Юргенсон, Безродных. 1966; Оленников, Шварцев, 1968; Наркелюн и др., 1968; Анисимова,1987; Птицын, Сысоева, 1995; и др.). В первый этап формируются зоны окисления с обычным минеральным составом и зольностью, а во второй, в условиях криолитозоны, - преимущественно сульфатные и сульфатно-оксидные.

Удоканское месторождение меди локализовано в зонах отрицательных температур. Многолетнемерзлые породы развиты практически повсеместно.

Отличительной чертой зоны окисления Удоканского месторождения является широкое развитие брошантита и антлерита [Бакун и др.. 1964; Юргенсон, Безродных, 1966; и др.], относящихся к основным сульфатам меди. Эти минералы присутствуют в двух разновидностях, различающихся по плотности, показателям преломления и составу.

Поздние антлериты и брошантиты содержат кристаллогидратную воду, отличаются дефицитом меди и избытком воды, а также имеют сложный катионный состав.

По минералогическому составу сульфидные руды месторождения разделяются на борнит-халькозиновые и халькопиритовые. Окисленные руды представлены двумя разновидностями – карбонатными (малахит, азурит) и сульфатными (антлерит, брошантит), вмещающие породы – песчаниками, состоящими из обломков кварца и полевых шпатов.

Руды месторождения по степени окисления медных минералов, от которой зависит их обогатимость, условно делятся на три технологических типа:

• 
  сульфидные – с содержанием окисленной меди до 30%;
  
• 
  смешанные – с содержанием окисленной меди от 30% до 70%;
  
• 
  окисленные – с содержанием окисленной меди более 70%.
  

Рис. 2. Зависимость равновесного состава системы Na - Cu – Fe – S –

- C – Cl – H –O от соотношения брошантит – H₂O – Na₂S
Таким образом, в процессе криоминералогенеза на Удоканском медном месторождении образуются сульфаты (брошантиты, антлериты), обладающие аномальными свойствами, которые существенно изменяют флотационное поведение этих минералов и требуют применения нестандартных технологических решений при разработке схемы обогащения окисленных руд.

Повышение гидрофобности поверхности антлерита и брошантита объясняется выявлением их кристаллогидратных форм, т.к. структура такой воды отличается от свойств граничных слоев минерала и структуры воды в объеме. Кристаллизационная вода имеет льдоподобную структуру, создающую гидрофобизацию поверхности минералов.

2. 
   Эффективность управления разделением минералов зоны многолетней мерзлоты возможна с помощью флотации при использовании нетрадиционных приемов и решений: с применением слабых энергетических воздействий на флотационную систему, введением реагентов-структурообразователей, разработкой условий солевой флотации, введением процесса стабилизации энергетического состояния дисперсной систем.
   

значительно расширяется при усложнении состава руд. Усиление контрастности поверхностных свойств минералов с помощью флотореагентов сопровождается изменением Еh, рН и ионного состава пульпы, значения которых являются оптимальными для каждого типа руд и должны строго выдерживаться в процессе флотации.

Регулировать флотационные свойства минералов и параметры, характеризующие состояние пульпы, можно с помощью электрохимической подготовки пульпы, которая позволяет направленно воздействовать на флотационные свойства минералов, а в отдельных случаях даже исключает применение флотореагентов.

В диссертации экспериментально доказано, что электрохимическая подготовка измельченной руды до подачи в пульпу реагентов значительно эффективнее любых других электрохимических воздействий: на реагенты, воду, пульпу после подачи в нее флотореагентов и т.д.

Особенности флотационного поведения криогенных минералов в зависимости от применяемых реагентов собирателей и регуляторов, а также от способов регулирования состояния дисперсной флотационной системы изучалась на антлерите, брошантите, халькозине, борните и песчанике. Выявлена необходимость сочетания сульфгидрильных и оксигидрильных собирателей (рис.3).

Выявленные закономерности проверялись на рудном материале различной степени окисленности.

Флотационные эксперименты, выполненные на рудном мате­риале, показывают, что введение в пульпу в небольших количествах электролитов позволяет очень резко повы­сить эффективность флотации.

В присутствии нейтральных солей (NаС1, Na₂SO₄, NаNОз) происходит расслоение воды, гидрофобизация поверхности минералов усиливается за счет сжатия диффузной оболочки двойного электрического слоя. В отдельную фазу концентриру­ются гидрофобные минералы, обладающие высокой природной гидрофобностыо, например сульфиды меди, молибденит, само­родная сера и др.

Концентрация смеси бутилового ксантогената и таллового масла , мг/л

------ Доверительные границы (по Стьюденту с вероятностью Р = 0,95)
Рис.3. Влияние концентрации смеси бутилового ксантогената и

таллового масла на извлечение антлерита (а), брошантита (б),

халькозина-борнита (в) и песчаника (г)
В отличие от них такие минералы, как вольфрамит, фосфориты, приобретают гидрофобность искусственно и также выделяются в отдельную фазу.

В работе доказано, что путем воздействия нейтральными солями на дисперсную систему и стабилизацией энергетического состояния дисперсной системы с контролем Еh возможно повысить технологические показатели обогащения окисленных медных минералов.

Были проведены опыты с совместным использованием электрохимической обработки пульпы и солевой флотации на двух типах руд Удоканского месторождения – с содержанием меди 0,9÷1,15 % и забалансовой руде с содержанием 0,36÷0,44 % меди. В обоих случаях выяснилось, что при применении совместно электрохимии и солевой флотации, извлечение меди в концентрат увеличивается на 2-3 % на рудах с низким содержанием меди и на 7 % на рудах с более высоким содержанием меди в исходном продукте (табл.1).

На основе уточненных опытов провели солевую флотацию окисленных медных минералов в открытом и замкнутом циклах совместно с электрохимией на бедной руде. Технологическая схема солевой флотации представлена на рис.4.

Таблица 1

Результаты солевой флотации с электрохимией и без нее

При флотации использовались следующие основные реагенты:

- хлористый натрий (NaCl) – 0,5 г▪экв/дм³ в качестве электролита подавался в процесс измельчения;

- сернистый натрий, предназначенный для сульфидизации минералов с окисленной поверхностью, в основную флотацию – 800 г/т, в контрольную - 350 г/т;

- бутиловый ксантогенат в качестве собирателя медных минералов в основную флотацию 120 г/т, в контрольную – 130 г/т;

- олеил-саркозин ОСV - собиратель в контрольную флотацию– 130г/т;

- талловое масло - собиратель в контрольную флотацию – 130 г/т,

- оксаль (Т-80) – пенообразователь в основную флотацию – 40 г/т.

Рис. 4. Технологическая схема обогащения окисленных медных

руд Удоканского месторождения
Результаты исследований, приведенные в табл. 2, показали, что флотация окисленных медных руд по рекомендуемой схеме с подачей в процесс нейтральной соли NaCl и применении электрохимической обработки пульпы позволяет получить медный концентрат с содержанием меди 17,72 % и извлечением 81,31 %. Качество полученного медного концентрата соответствует марке КМ-7.

Таблица 2

Результаты схемных опытов в открытом и замкнутом цикле

Наименование продукта	Выход, %	Содержание меди,%	Извлечение меди, %	Примечание
Концентрат 1 Концентрат 2 Промпродукт 1 перечистки Промпродукт 2 перечистки Хвосты отвальные Исходная руда	1,51 34,87 3,92 4,07 55,63 100,00	12,5605 0,2224 0,6941 0,9031 0,0977 0,3853	49,22 20,11 7,06 9,52 14,09 100,00	в открытом цикле
Медный концентрат Хвосты отвальные Исходная руда	2,01 97,99 100,00	17,7285 0,0836 0,4382	81,31 18,69 100,0	в замкнутом цикле

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи интенсификации процесса флотации медных руд зоны многолетней мерзлоты на основе изученных технологических особенностей минералов, позволяющее повысить эффективность переработки окисленных руд.

1. 
   Анализ научного материала по минералообразованию в зоне многолетней мерзлоты показал, что сульфаты минералов докриогенной эпохи и поздние сульфаты, формирующиеся в зоне криоминералогенеза существенно отличаются по своему составу и свойствам. Последние обладают аномальными свойствами.
   
2. 
   Выявлено, что сульфаты зоны криоминералогенеза относятся к кристаллогидратам, т.е. отличаются присутствием переменного числа молекул кристаллогидратной воды.
   
3. 
   Доказана повышенная флотационная активность основных сульфатов меди Удоканского месторождения – антлерита и брошантита кристаллогидратной формы.
   
4. 
   Выполненный термодинамический анализ состояния поверхности антлерита, брошантита и других минералов зоны криоминералогенеза в жидкой фазе показал возможность образования большого количества новых соединений, меняющих поверхностные свойства окисленных минералов и ионный состав дисперсионной среды, что существенно изменяет технологические особенности поведения окисленных минералов.
   
5. 
   Высказана рабочая гипотеза, обосновывающая различия в структуре и свойствах кристаллизационной воды, входящей в состав медных минералов криолитозоны и воды, находящейся в объеме. Повышение гидрофобных свойств криогенных сульфатов антлерита и брошантита объясняется льдоподобной структурой кристаллизационной воды, входящей в состав минералов, обладающей гидрофобными свойствами.
   
6. 
   Выявлены закономерности флотации криогенных минералов в зависимости от использования сочетания различных групп флотационных реагентов, в том числе новых, не применявшихся ранее для переработки данного типа руд.
   
7. 
   Доказано, что криогенные сульфаты меди возможно флотировать с высокими технологическими показателями, близкими к показателям флотации сульфидов, применяя нетрадиционные подходы к развитию процесса флотации.
   
8. 
   Предложено несколько направлений интенсификации флотации окисленных криогенных минералов на примере переработки окисленных и смешанных медных руд Удоканского месторождения: технология с применением электрохимических воздействий на флотационную дисперсную систему, использование солевой флотации и др.
   
9. 
   Разработанная технология рекомендована для переработки забалансовых руд, содержащих 0,4 % меди с получением медного концентрата марки КМ-7 с содержанием 17,73 % меди при извлечении 81,31%.
   
10. 
    Расчеты показали, что применение разработанной технологии флотации криогенных сульфатов позволяет получить на опытно-промышленной установке ожидаемый экономический эффект в размере 1725325,8 руб. в год.
    

1. 
   Батурина С.А.Сульфаты меди зоны вечной мерзлоты и особенности их флотации / А.В.Фатьянов, С.А. Батурина // Труды международного совещания. (Плаксинские чтения). Чита: ЧитГТУ, 2002. - Ч.3. - С.28-32.
   
2. 
   Щеглова С.А. Основные направления повышения эффективности переработки окисленных медных руд Удоканского месторождения/ А.В.Фатьянов, С.А. Щеглова [и др.] // IV конгресс обогатителей стран СНГ. Материалы Конгресса. Т.1. -М.: Альтекс, 2005.-С. 85-86.
   
3. 
   Щеглова С.А. К вопросу обогащения медных руд Удоканского месторождения / С.А. Щеглова // Четвертая научно-техническая конференция Горного института (материалы конференции). Чита: ЧитГТУ, 2003. - Ч.1. - С.134-135.
   
4. 
   Щеглова С.А. К вопросу освоения рудных месторождений севера Читинской области / А.В. Фатьянов, С.А. Щеглова[и др.] // Обогащение руд. - Санкт-Петербург: Изд. дом «Руда и металл», 2003. - № 5. - С. 3-5.
   
5. 
   Пат. 2259888 Российская Федерация, МПК С 1 В 03 Д 1/02, 1/00. Способ обогащения карбонатных флюоритовых руд и поточная линия для его осуществления / Фатьянов А.В., Никитина Л.Г., Никитин С.В., Авдеев П.Б., Щеглова С.А.; заявитель и патентообладатель Читинский гос. универ-т.- № 2004104297103 (004458); заявл. 13.02.2004; опубл.10.09.05, Бюл. № 25.
   
6. 
   Щеглова С.А. Некоторые направления повышения эффективности освоения Удоканского месторождения меди / С.А.Щеглова, Ю.П. Батура, М.В. Угловская // Материалы IX международной молодежной научно-практической конференции. - Чита: Забиижт, 2005. - Ч.II. - С. 178-181.
   
7. 
   Щеглова С.А. О роли физико-химических воздействий на компоненты и фазы при флотации / С.А. Щеглова // V Всероссийская научно-практическая конференция «Кулагинские чтения». Чита, ЧитГУ, 2005. - Ч.1. - С. 85-89.
   
8. 
   Щеглова С.А. Некоторые проблемы освоения Забайкальских месторождений флюорита / А.В. Фатьянов, С.А. Щеглова [и др.] // Труды VI международного симпозиума и чтений памяти академика С.С. Смирнова. Чита, Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2005. - С. 235-238.
   
9. 
   Щеглова С.А. Технологические особенности основных сульфатов меди зоны криоминералогенеза Удоканского месторождения / А.В. Фатьянов, Г.А. Юргенсон, С.А. Щеглова // Труды VI международного симпозиума и чтений памяти академика С.С. Смирнова. - Чита, Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2005. - С. 238-241.
   
10. 
    Щеглова С.А. Основные направления интенсификации флотации медных руд Удоканского месторождения / А.В. Фатьянов, С.А.Щеглова // Вестник. - Чита: ЧитГУ, 2006. Вып. № 40. - С. 46-50.
    
11. 
    Щеглова С.А. Особенности образования окисленных медных руд Удоканского месторождения и схема их переработки / С.А. Щеглова // Вестник. - Чита: ЧитГУ, 2006. Вып.№ 40. - С.51-54.
    

Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ N___

Читинский государственный университет

РИК ЧитГУ