Статья в Красноярск

ИОНООБМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ЦВЕТНОЙ И ЧЁРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

 

М.Л. Чёрный, А.Е. Машкин, А.М. Пастухов, Е.В. Кириллов, А.М. Буньков

ООО «Новая Металлургия»

Создание экологически безопасных производств, разработка и внедрение малоотходных и безотходных процессов, обеспечивающих комплексное использование сырья, является в технологии цветной и чёрной металлургии одной из важнейших задач и приобрело в последние годы приоритетное значение. В силу специфики состава исходного сырья, производство цветных и чёрных металлов обычно сопровождается образованием больших количеств высокотоксичных отходов производства, причём в таких отходах, как правило, происходит концентрирование сопутствующих металлов. Указанное обстоятельство приводит к необходимости решения двух проблем: обезвреживанию отходов от токсичных веществ и извлечению из них ценных компонентов. Для успешного решения этих задач очевидным представляются использование технологий основанных на  «щадящем» принципе межфазного распределения вещества. К исповедующим такие принципы, всецело относятся технологии ионного обмена с применением ионитов различных классов.

За последнее время ионный обмен достиг широкого развития, вместе с тем, сложность технологических задач ставит перед учёными и технологами, занимающимися ионным обменом, новые проблемы. Нужны не просто материалы, обладающие достаточной ёмкостью, а селективные ионообменники, устойчивые при высоких температурах, давлении, обладающие большой механической прочностью. По мнению учёных, в решении этих задач важная роль принадлежит хелатным, макропористым и микросетчатыи ионообменным смолам, а так же неорганическим ионообменникам.

 

Чёрная металлургия

Производство чугуна

Современный подход к решению задач модернизации металлургических  предприятий  тесно связан с вопросом рециклинга основных и сопутствующих продуктов,  опирающийся на такие основные требования, как сохранение материального баланса, минимальное внесение дополнительных компонентов в основную технологическую цепочку,  уменьшение класса опасности полупродуктов схемы рециклинга.

Большая часть железосодержащих полупродуктов предприятий чёрной металлургии РФ содержат заметное количество цинка и других цветных металлов. Это сдерживает их утилизацию и сужает сырьевую базу чёрных металлов. Эта проблема стоит, как при получении кондиционных железосодержащих концентратов, так и при производстве непосредственно чугуна. Что касается металлургического процесса выплавки чугуна, то депрессирующее влияние цинка связано здесь с окислением цинковых возгонов, что  ведет к постоянному образованию настыли. Настыли уменьшают объем рабочей зоны печи, в результате чего реакции в верхней части печи протекают не полностью. Вследствие этого понижается эффективности процесса.

В настоящее время основным направлением использования полупродуктов плавильных чугунных производств является добавка к агломерационной шихте, но уровень использования по такой схеме низок, это связано с недостаточно высокой массовой долей железа, с повышенной массовой долей кальция, цинка и других цветных металлов, что отрицательно сказывается на протекании металлургических  процессов.

Меньшее распространение получили пирометаллургические  и гидрометаллургические   способы. Это прежде всего связано с повышенными удельными расходами на очистку, которые ложатся, затем, на конечную стоимость чугуна и получением, что касается гидрометаллургии, больших объёмов дополнительных отходов, трудно утилизируемых в рамках  действующих производств.

Кроме того, конечный железный концентрат требует затем дальнейшей очистки от внесённых примесей связанных с использованием высококонцентрированных растворов кислот, щелочей, органических и не органических солей.

Применение ионного обмена может быть обосновано в таких случаях только при  условии не внесения дополнительных ионов в технологию. Это может быть сделано при проведении водного выщелачивания или при безреагентном встраивании ионного обмена в существующие технологические потоки предприятия.

Нами были проведена исследования по очистки шламов газоочистки доменных печей как из водно-щелочных фильтратов, так и при безфильтрационной организации процесса с применением различных ионообменных материалов. Показано, что только при использовании модифицированных ионитов удаётся снизить содержание цинка из такого рода продуктов до 0,1-0,2 %, при практически 60%-ом удалении кальция.

 

Производство Хрома

Хорошо известно, что в при извлечении шестивалентного хрома путем обжига хромовых руд и его последующего выщелачивания, невозможно извлечь весь шестивалентный хром. В результате, технология предполагает сброс отработанной пульпы и промывных растворов в шламохранилища, где образуется значительное количество обводнённого осадка (шлама), содержащего шестивалентный хром. Известные способы предварительного обезвреживания шламов и вод основаны на их реагентной обработке восстановителями, например, сульфатом железа, хлорид железа и т. п. которые восстанавливают хром от CrO₃ до Cr₂O₃.

Технологии извлечения шестивалентного хрома не получили широкого распространения.

Проблема полного обезвреживания  шестивалентного хрома из руд состоит в том, что при проведении обжига хромитовых руд в шихту добавляется известь. Это приводит к тому, что между солями кальция и ионами шестивалентного хрома образуются частично растворимые соединения, которые, следовательно, не могут быть обезврежены сразу же в течение обычного процесса и остаются в образованных шламах. Однако, с течением времени, если шламы подвергаются вымыванию под воздействием дождевой воды, шестивалентный хром выщелачивается и высвобождается.

Отсюда становится очевидным, что шламохранилища производств по переработке хромовых руд создают серьезные проблемы, поскольку  такие шламы классифицируются как очень токсичные отходы.

Извлечение шестивалентного хрома из шлама, было достигнуто, в наших исследованиях за счёт кислотного выщелачивания частично растворимых соединений шестивалентного хрома и кальция. Незначительный расход кислоты обусловлен введением в полученную пульпу шлама, селективного ионита, который за счёт сорбции ионов шестивалентного хрома, выводит их из системы, тем самым способствуя интенсификации процесса выщелачивания и повышению степени извлечения. Кроме того, безфильтрационная организация процесса  не  требует ресурсо-, энерго- и трудозатрат, связанных с фильтрацией и промывкой шламов.

Таким образом, разработанная технология, способствует повышению степени извлечения и упрощению процесса  извлечения шестивалентного хрома из шламов хроматного производства.

 

Цветная металлургия

 

Производство меди и цинка

 

Процесс добычи и переработки руд цветных металлов во всем мире сопряжен с образованием большого количества отходов различного агрегатного состояния. В настоящее время в них находятся миллиарды тонн прошедшей ту или иную обработку руды. Дальнейшее накопление отходов горнорудного комплекса чревато серьезным ухудшением экологической обстановки в регионах на территориях которых развёрнута добыча. В связи с этим остро встал вопрос о создании новых экологически чистых технологий добычи полезных ископаемых, ориентированных на их максимально полное использование.

Накопленные к настоящему времени отходы добычи и переработки руд содержат цветные, редкие и благородные металлы в значительных количествах. Таким образом, можно квалифицировать многочисленные отвалы и шламохранилища как «техногенные месторождения». Определенные затраты, уже понесенные при добыче руды, повышают экономическую целесообразность переработки отходов.

Для Уральского региона России, традиционно считающимся горнодобывающим, проблема переработки отходов является особенно актуальной. Одним из объектов, привлекающих внимание экологов, являются шламы, образующиеся в результате обезвреживания кислых шахтных вод медно-добывающих рудников. Процесс их щелочной нейтрализации ведет к образованию значительных количеств осадка и не предполагает утилизацию ценных компонентов. Сброс пульпы в шламохранилища несет с собой  постоянную угрозу экологической опасности для региона. Несмотря на то, что многие рудники в настоящее время выработаны и закрыты, естественный процесс образования кислых шахтных вод не прекращается. В связи с этим приходится содержать участки по их нейтрализации. Следовательно, продолжает возрастать количество образующегося шлама.

Учитывая тот факт, что как шламы, так и шахтные воды содержат цветные, редкие и благородные металлы, необходимо оценить возможность их переработки. Комплексное извлечение металлов возможно только при использовании эффективных способов, таких как цементация, электролиз, экстракция, сорбция.

Особое место в технологии переработки объектов с низким содержанием полезных компонентов занимают процессы ионного обмена. Это обусловлено специфическими особенностями этого процесса:

• высокая избирательность;
• возможность не только селективно извлекать ионы, но и концентрировать их на стадии десорбции;
• возможность гибкого регулирования избирательности путем изменения кислотности, окислительно-восстановительных условий, комплексообразования и т.п.;
• простота и компактность технологического оформления ;
• возможность осуществления непрерывного процесса и широкого применения автоматики.

Имеющиеся в литературе данные по сорбции цветных металлов позволили определить ряд ионообменных материалов, пригодных для переработки данного типа отходов. На основании результатов сорбции меди и цинка из шахтных вод сделан вывод о перспективности метода сорбционного выщелачивания для извлечения меди и цинка из гидратных шламов. Закономерности сернокислотного сорбционного выщелачивания цветных металлов из гидратного шлама, установленные в лабораторных условиях, нашли подтверждение в полупромышленных испытаниях на Левихинском руднике.