Процессы извлечения полезных компонентов из природных и техногенных вод

Физические и химические процессы извлечения полезные компонентов из природных и техногенных вод - это наука о методах и средствах извлечения полезных компонентов из природных и техногенных вод при помощи физических и химических воздействий. Она включает в себя учения о химическом равновесии, растворах, фазовых переходах, процессах на границе раздела фаз, а также охватывает процессы получения твердых фаз химических элементов, металлов, минеральных солей и органических соединений из природных и техногенных вод без изменения их химического состава и свойств.
Объектом изучения данной науки являются промышленные, сточные, рудничные, шахтные, карьерные воды; высокоминерализованные воды природных источников и Мирового океана.
Предмет науки - изучение термодинамического равновесия, протекания фазовых превращений и закономерностей распределения полезных компонентов в продуктах разделительного массопереноса при физических, химических и биохимических методах воздействия на минерализованные водные системы.
Структура науки и основные научные направления включают в себя:
- извлечение грубодисперсных компонентов, находящихся в виде твердых взвесей, физическими методами в гравитационных полях (отстойники, сгустители), центробежных полях (гидроциклоны, центрифуги) и путем вакуумной фильтрации с применением флокулянтов;
- извлечение тонких и сверхтонких минеральных взвесей физико-химическими методами с применением электрофлотации в сочетании с флокуляцией или электрокоагуляцией;
- извлечение из водных растворов химических элементов, металлов, минеральных солей, ионов и молекул органических соединений физико-химическими, химическими и биохимическими методами.
Извлечение химических элементов и минеральных солей осуществляют:
- гомогенным или гетерогенным ионным обменом с применением специальных веществ (сорбентов, ионитов);
- переводом компонента из одной жидкой фазы в другую (экстрация); вытеснением более электроположительными компонентами (цементация);
- химическим осаждением с применением реагентов и последующим механическим отделением осадков фильтрованием или центрифугированием;
- электролитическими методами с выделением металлов на катоде;
- методом обратного осмоса с применением фильтрующих селективных мембран;
- электросмотическими методами.
Для извлечения из водных растворов ионов и молекул органических соединений используют методы флотации, основанные на различиях физико-химических свойств компонентов: вакуумную; компрессионную; химическую или газовую; электрофлотацию; ионную; пенное фракционирование; флотацию гидрофобных осадков; флотоэкстрацию. При этом извлекаемые соединения закрепляются на выделяющихся пузырьках газов и всплывают вместе с ними на поверхность.
Наука о физических и химических процессах извлечения компонентов из природных и техногенных вод обеспечивает повышение комплексности использования и рост экономической эффективности переработки минерального сырья и высокоминерализованных вод. Она тесно связана со смежными науками: общей, органической и физической химией; электрохимией; биохимией; гидрологией и гидрогеологией; геотехнологией; горным делом.
Обогатительные фабрики ежегодно направляют в хвостохранилища и очистные сооружения до 10 км3 твердых и жидких отходов. Co сточными водами за год сбрасывается до 17,8 Mt растворенных веществ по сухому остатку, в том числе: 8 Mt - хлоридов; 5,4 Mt - сульфатов; 0,126 Mt - нитратов. Анализ солевого сброса показал, что 17,8 км3 природных вод содержат солей более 1 г/л и, следовательно, уже не относятся к категории пресных.
Поступление в год других биогенов составляет: по углероду - 0,8 Mt, общему азоту - 96,6 кт, общему фосфору - 60 кт. Распределение загрязняющих компонентов по содержанию (кт/год) следующее: танниды - 285; железо — 51; нефтепродукты, масла, жиры - около 40; алюминий - 12,5; СПАВ - около 9. Сброс тяжелых металлов составил (кт/год): Zn - 1,6; Си - 0,93; Cr - 0,8; Ni - 0,6; Pb-0,2; Mn-0,1.
Главными источниками загрязнения биосферы соединениями тяжелых металлов, серы, фосфора, мышьяка являются обогатительные, металлургические и металлообрабатывающие предприятия. На обогатительных фабриках образуются следующие виды производственных сточных вод:
- технологические хвосты - твердые и жидкие отходы непосредственно процесса обогащения;
- сливы и фильтрат от сгущения и обезвоживания концентратов - жидкие отходы вспомогательных процессов обогащения;
- смывные стоки - стоки смыва полов и стен, после охлаждения масел, подшипников, компрессоров, гидрообеспыливания и др.;
- стоки мокрой газоочистки - сточные воды после мокрой очистки отходящих дымовых газов в скрубберах.
Объединенный поток сточных вод всех категорий образует отвальные хвосты. Объемы водопотребления и сброса сточных вод, солевой и ионный составы сточных вод обогатительных, особенно флотационных, фабрик определяются химическим составом перерабатываемых руд и продуктами реакций, протекающих во флотационной пульпе в результате взаимодействия вводимых флотационных реагентов с минералами руды и ионами жидкой фазы пульпы. Все это обусловливает формирование достаточно многокомпонентных растворов.
По составу производственные сточные воды можно разделить на два вида: с высоким содержанием взвешенных веществ и относительно низкой концентрацией растворенных солей и ионов; с высоким содержанием растворенных солей и низкой концентрацией взвешенных веществ.
К первому - относятся технологические хвосты флотации и отвальные хвосты, в которых содержание взвешенных веществ составляет 10-20 %. Летучая часть минеральной взвеси не превышает 2 % и представляет собой флотореагенты, адсорбированные на поверхности частиц, и остатки органических примесей, содержащихся в рудах. Плотный остаток этих сточных вод представлен водорастворимыми солями минералов руд, органическая часть загрязнений составляет остаточные флотореагенты флотации.
Ко второму виду относятся сливы сгустителей и фильтрат вакуум-фильтров, основными загрязнителями которых являются растворенные соли, являющиеся остатками коагулянтов, использованных в процессах сгущения и обезвоживания концентратов. Содержание взвешенных веществ, как правило, небольшое. Следует отметить высокое содержание основных минералов в осадке этих вод, которые являются потерями технологического процесса.
Содержащиеся в сточных водах полезные компоненты являются вторичным сырьем для предприятий металлургической и химической промышленности. Использование их в значительной мере снижает себестоимость очистки, так что в некоторых случаях процессы очистки сточных вод становятся самоокупаемыми.
Новое направление - извлечение полезных компонентов из природных вод. В одних случаях утилизация ценных компонентов связана с водоочисткой природных вод, поступающих в промышленное или бытовое водопользование, в других - с промышленной переработкой высокоминерализованных вод (источников, озер, океанов), содержащих в значительных количествах драгоценные, редкие и радиоактивные металлы, а также иные дефицитные вещества.

---