Двухстадийное осветление оборотной воды при сгущении хвостов флотации медной сульфидной руды

Часть 1

Еремеев Д.Н., технический руководитель, ТОО "ПО ASCOR", канд. техн. наук

Воропаев С.В., руководитель проектов, ООО "СИНТЕК"

Исследование показало, что при сгущении хвостов флотации в одну стадию с применением флокулянта или комбинации флокулянта и коагулянта невозможно добиться требуемого содержания взвешенных веществ в сливе. Эту проблему решает известковое молоко, но его использование снижает извлечение ценных металлов на флотации. Для получения оборотной воды установленного качества необходимо реализовать двухстадийное осветление.

Введение

Обогащение полезных ископаемых и гидрометаллургическая переработка руд и концентратов предполагают разделение твердой и жидкой фаз. Эта операция очень важна, так как в ней участвуют большие объемы суспензий и частицы довольно малых размеров.

Цели разделения твердой и жидкой фаз:

• сгущение продуктов измельчения перед последующими операциями переработки руд;
• сгущение концентрата или продукционной твердой фазы с последующим фильтрованием;
• сгущение отходов (хвостов, шламов), иногда с последующим фильтрованием, для снижения объема пульпы, направляемой в хвостохранилище, или сухого складирования;
• осветление технологической воды для организации водооборота;
• осветление и (или) очистка сточной воды для сброса в водоем.

При сгущении суспензий и пульп, как правило, обращают внимание на два параметра: скорость седиментации (отстаивания, сгущения) и качество осветленной жидкой фазы (слива сгустителя) по содержанию взвешенных веществ.

Если сгущенный продукт направляется на механическое обезвоживание методом фильтрования, еще одним значимым показателем становится содержание твердой фазы в песках сгустителя, так как от него зависит производительность фильтров. В случае перекачки пульпы хвостов или отходов в хвостохранилище (шламонакопитель) не последнюю роль также играет содержание твердой фазы в суспензии.

Процессы сгущения и фильтрования можно усовершенствовать за счет применения специальных химических реагентов: флокулянтов, коагулянтов, осветляющих добавок.

На рис. 1 показана принципиальная аппаратурно-технологическая схема сгущения хвостов на одной из обогатительных фабрик (ОФ) в Казахстане, перерабатывающей медную сульфидную руду.

Рисунок 1. Аппаратурно-технологическая схема сгущения хвостов на ОФ

Суспензия смеси хвостов основной флотации (70 %) и дофлотации (перечистной контрольной флотации; 30 %) через распределитель поступает на сгущение твердой фазы и осветление оборотной воды в два высокоскоростных радиальных сгустителя SUPAFLO диаметром 80 м и объемом 27 760 м³.

На момент проведения исследования расход пульпы питания сгустителя (ППС) составлял 4 388 м³/ч (по проекту — 4 313 м³/ч) с содержанием твердого 33 % (по проекту — 31 %). Гидравлическая нагрузка на поверхность аппарата (скорость слива) была равна 0,56 м/ч, время пребывания воды — 4,7 часа.

Из сгустителей сгущенные хвосты направляются в хвостохранилище. По проекту содержание твердого в них должно находиться в пределах 60–66 % (плотность пульпы — 1622–1729 кг/м³). Фактическая плотность сгущенной пульпы во время исследования составляла 1542–1589 кг/м³, что соответствовало доле твердого 55–58 %.

Осветленная вода из сгустителей собирается в пруду технической воды, откуда насосами подается на ОФ. Проектное содержание взвешенных веществ в осветленной воде — не более 0,2 г/дм³, фактическое — 20 г/дм³, если в качестве коагулянта не применялось известковое молоко.

Для повышения скорости сгущения хвостов и эффективности осветления оборотной воды применялся анионный порошкообразный флокулянт Magnafloc 345 с дозировкой 25–40 г/т. Его раствор подготавливался в две стадии (рабочая концентрация — 0,05 %). По проекту предусмотрена равномерная подача реагента в три точки ввода.

Дозирование только флокулянта не решало проблему содержания взвешенных веществ в сливе сгустителей, поскольку оно на два порядка превышало нормативные 0,2 г/дм³ (рис. 2).

Рисунок 2. Внешний вид стакана со сгущенной пульпой хвостов флотации, полученной без применения известкового молока

Рентгенофазовый анализ исходной руды и питания флотации показал, что основными породообразующими минералами являлись кварц и полевые шпаты (альбит, анортит), в значительных количествах присутствовали слюдисто-глинистые минералы. Также были выявлены хлорит, пироксены (диопсид, авгит) и халькопирит.

По данным компании Outotec, проектировщика и поставщика сгустителей SUPAFLO, хвосты флотации, подаваемые на сгущение, содержали каркасные алюмосиликатные минералы: хлориты (22 %), плагиоклазы — полевые шпаты (19 %), мусковит (17 %), кварц (16 %), роговую обманку (11 %).

Присутствие в пульпе тонкодисперсных глинистых частиц (каркасных алюмосиликатов), слюдистых, охристых и различных тонкоизмельченных породных примесей усложняет проведение операций обезвоживания суспензий. Наибольшие проблемы вызывают частицы размером до 0,1 мкм в связи с развитой удельной поверхностью, а также частицы с удельной поверхностью 1–10 м²/г.

Например, сгущение и фильтрование шламов марганцевых руд затрудняется при содержании 30–40 % частиц мельче 5 мкм и глинистых частиц. При сгущении каолиновой пульпы, содержащей 30–50 % частиц крупностью 1–2 мкм, получают продукт с долей твердого не более 23–26 %.

Подача в пульпу хвостов известкового молока в качестве коагулянта обеспечила качество слива радиальных сгустителей, но повысила рН оборотной воды с 8–9 до 11–12, что негативно повлияло на извлечение молибдена и золота при флотации.

Таким образом, стояла задача подобрать такую программу реагентной обработки хвостов флотации, поступающих на сгущение в радиальные сгустители, чтобы без применения известкового молока добиться содержания взвешенных веществ в осветленной воде не более 0,2 г/дм³.

Значение рН жидкой фазы (осветленной воды) не должно было превышать 9,0. При этом было необходимо, чтобы реагентная программа обеспечивала достижение минимальных показателей сгущения или их превышение: удельной производительности сгустителя 0,33 т/(м²/ч), скорости отстаивания твердой фазы 0,6 м/ч, содержания твердой фазы в сгущенных хвостах 60 %.

Концепция двухстадийного осветления оборотной воды

При обезвоживании продуктов обогащения и организации водооборота на ОФ используются два процесса, основанных на разделении твердой и жидкой фаз под действием силы тяжести:

• сгущение — процесс повышения содержания массовой доли твердой фазы в суспензии (пульпе) путем выделения из нее жидкой фазы в результате отстаивания твердых частиц под действием силы тяжести или центробежных сил;
• осветление — процесс разделения твердой и жидкой фаз под действием силы тяжести, целью которого является получение осветленной воды (чистого слива), не содержащей взвешенных частиц, либо с их содержанием в пределах технологических норм.

Если в ходе процесса, например, гидрометаллургической переработки руды или концентрата, а также при очистке сточных вод при отстаивании в сгустителях, сгущенный продукт не имеет достаточную плотность, его направляют на доуплотнение (вторую стадию сгущения). В этом случае можно говорить о двухстадийном сгущении твердой фазы (рис. 3а).

Рисунок 3. Принципиальная технологическая схема двухстадийного сгущения пульпы (а) и двухстадийного осветления воды (б)

Когда при отстаивании в сгустителях, например, хвостов обогащения или различных шламов, получаются "грязные" сливы, не соответствующие требованиям по содержанию взвешенных веществ, такая осветленная вода требует доочистки (доосветления) в случае использования ее в качестве оборотной.

Причиной получения "грязного" слива могут быть изменения состава исходной руды, увеличение содержания глинистых фракций, колебания температуры жидкой фазы, ведение процесса отстаивания при повышенных или высоких скоростях сгущения.

Доочистка сливов сгустителей может осуществляться на механических фильтрах, однако операции фильтрования воды с помощью такого оборудования являются трудоемкими, дорогостоящими и, как правило, периодическими. Альтернативой фильтрованию для удаления избыточного количества взвешенных веществ в "грязных" сливах сгустителей является вторичное осветление (доосветление), или так называемое полирование жидкой фазы.

Концепция двухстадийного осветления (рис. 3б) заключается в следующем. Твердая фаза (хвосты обогащения, шламы) отстаивается в первичных сгустителях при повышенных или высоких скоростях сгущения, чтобы обеспечить требуемое уплотнение (содержание твердого в сгущенной пульпе), удельную производительность и быстрое отделение основной массы жидкой фазы от твердой фазы.

Доосветление "грязных" сливов происходит с добавлением специальных химических реагентов — осветляющих добавок, которые могут применяться как самостоятельно, так и в комбинации с флокулянтом, используемым при отстаивании твердой фазы в первичных сгустителях.

Материалы и методы исследования

Цели исследования:

• проверка влияния реагентов (флокулянтов и осветляющих добавок), различающихся агрегатным состоянием, химическим составом, молекулярной массой, знаком и величиной заряда, на скорость сгущения твердой фазы и качество осветленной воды по содержанию взвешенных веществ при отстаивании хвостов обогащения сульфидной руды;
• подбор оптимальной программы реагентной обработки пульпы хвостов флотации, поступающей в радиальные сгустители, которая будет полностью удовлетворять критериям оценки.

Лабораторные испытания проводились с использованием двух методов:

• осветления жидкой фазы отстаиванием в стаканах на установке FP4 Portable Flocculation Tester (компании VELP Scientifica) с четырьмя лопастными мешалками и регулируемой скоростью вращения;
• сгущения в мерных цилиндрах в соответствии со стандартными процедурами.

В четыре пластиковых стакана объемом по 1 000 см³ наливалась разбавленная пульпа хвостов флотации (1 дм³), и включалось перемешивание со скоростью 200 об/мин. После гомогенизации (2–3 минуты) в стаканы с суспензией добавлялось заданное количество реагента, и в течение 1 минуты проводилось перемешивание при скорости вращения лопастных мешалок 200 об/мин.

Затем при необходимости добавлялось заданное количество второго реагента, и в течение 1 минуты осуществлялось перемешивание при той же скорости. По окончании стаканы выдерживались в покое для сгущения (уплотнения) твердой фазы хвостов флотации и осветления воды в течение 30 минут.

Через определенные промежутки времени после начала опыта фиксировалась высота границы раздела твердой и жидкой фаз — уровень сгущенных хвостов флотации (мм). По завершении опыта замерялся уровень (объем) твердой фазы в стакане (мм или см³), и рассчитывалось содержание твердого в пульпе через 30 минут сгущения.

После отстаивания в стаканах при помощи шприца с определенного уровня (на 3 см ниже зеркала) отбирались 20–25 см³ осветленной жидкой фазы для определения ее качества.

Сгущение хвостов также проводили в стеклянных цилиндрах объемом по 1 000 см³. В цилиндр с пульпой вводилось соответствующее количество флокулянта, затем суспензия перемешивалась возвратно-поступательными движениями при помощи плунжерной мешалки. Сразу по окончании перемешивания включался секундомер. Через определенные промежутки времени фиксировалась высота границы раздела твердой и жидкой фаз.

Общая продолжительность отстаивания в цилиндрах составляла 30 минут. По завершении замерялся объем сгущенного осадка (мм или см³), и рассчитывалось содержание твердого в пульпе через 30 минут сгущения. Осветленную жидкую фазу объемом 50 см³ отбирали с установленного уровня (с высоты 750 см³) для определения взвешенных частиц.

Во время тестов по двухстадийному осветлению или доосветлению оборотной воды "грязный" слив, полученный после отстаивания пульпы хвостов флотации в стаканах или цилиндрах, декантировали через край сосуда таким образом, чтобы сливалась только надосадочная жидкая фаза без захвата осевших частиц.

Далее тестирование проводилось по стандартной методике осветления жидкой фазы отстаиванием в стаканах на установке FP4 Portable Flocculation Tester. После гомогенизации (2–3 минуты) в стаканы с "грязным" сливом (суспензией) добавлялось заданное количество флокулянта, и в течение 1 минуты проводилось перемешивание при скорости вращения лопастных мешалок 200 об/мин.

Затем вводилось определенное количество осветляющей добавки, и в течение 1 минуты осуществлялось перемешивание при той же скорости. По завершении стаканы выдерживались в покое для отстаивания твердой фазы в "грязном" сливе и осветления воды. Продолжительность процесса составляла 30 минут. В некоторых тестах корректировался рН жидкой фазы добавлением кислоты.

Содержание взвешенных веществ в осветленной воде определяли стандартным гравиметрическим методом или измеряли на колориметре DR900 (компании Hach).

Были рассчитаны содержание твердого (%) в сгущенной пульпе и удельная производительность по сгущенным хвостам (т/(м²/ч). По кинетическим кривым "высота сгущенного слоя — продолжительность сгущения", используя метод Тэлмиджа и Фитча, определялась средняя скорость сгущения твердой фазы. Средняя скорость свободного падения (оседания) частиц, которую иногда называют начальной скоростью отстаивания, была установлена по начальному прямолинейному участку седиментационной кривой.

В качестве исходной суспензии использовалась смесь хвостов контрольной флотации (70 %) и дофлотации (30 %). Значение рН жидкой фазы после смешивания составляло 8,53–9,50, окислительно-восстановительного потенциала — +27…+66 мВ. Содержание твердого после смешивания находилось в пределах 27,7–33,6 %.

Учитывая, что скоростной сгуститель работает в режиме авторазбавления ППС, полученная суспензия смеси двух типов хвостов дополнительно разбавлялась водой до содержания твердого 18,7–24,5 %. Гранулометрический состав хвостов приведен на рис. 4.

Рисунок 4. Гранулометрический состав твердой фазы хвостов контрольной флотации (а) и дофлотации (б)

В лабораторных условиях были протестированы порошкообразные анионные флокулянты и жидкие катионные осветляющие добавки — органические полиэлектролиты со свойствами коагулянтов:

• Анионные флокулянты: сополимеры акриламида и акриловой кислоты (акрилата натрия) [AcAm/AcAc|AcAm/Ac-Na] с различной молекулярной массой и величиной заряда.
• Катионные осветляющие добавки: синтетические и природные органические полимеры с низкой молекулярной массой и катионным зарядом 100 %, различавшиеся химическим составом, структурой, молекулярной массой и плотностью заряда.

Реагенты приготавливались (разбавлялись) в соответствии со стандартными методиками с применением водопроводной воды. Рабочий раствор осветляющих добавок (рабочая концентрация — 1 %) подготавливался в одну стадию, порошкообразных флокулянтов — в две стадии (рабочая концентрация — 0,05 %).

В лаборатории были проверены дозировки флокулянтов от 0 до 80 г/т твердого в пульпе, осветляющих добавок — от 0 до 250 г/м³ обрабатываемой суспензии.

Работа флокулянта, показавшего наилучшие результаты в ходе лабораторного тестирования при сгущении хвостов, сравнивалась с работой анионного флокулянта Magnafloc 345, который применялся на ОФ на момент проведения исследования (дозировка — 40 г/т твердой фазы по товарному реагенту).

Во всех опытах стаканы и цилиндры в ходе отстаивания и по окончании сгущения пульпы хвостов флотации были сфотографированы.

"ЗОЛОТОДОБЫЧА" № 1 (326), ЯНВАРЬ 2026 ГОДА 

© АО "Иргиредмет", 2026