СПОСОБ ОБЕСШЛАМЛИВАНИЯ ОБОРОТНЫХ САПОНИТСОДЕРЖАЩИХ ВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для обесшламливания технических (оборотные воды, сливы хвостохранилищ и др.) вод, содержащих тонкодисперсные взвешенные вещества, образованные разрушением минералов монтмориллонитовой группы (напр., сапонита).

Известен способ очистки растворов от взвешенных (в т.ч. глинистых) частиц, в котором сточную воду отстаивают, затем фильтруют через гранулированный графитовый материал со степенью угловатости 200-400 м^-1, помещенный между катодом и анодом. Плотность тока поддерживают в пределах 20-50 А/м² [Патент RU 2038319, Кл. C02F 1/46, опубл. 27.06.1995].

Известен способ очистки жидкости от взвешенных и коллоидных примесей, в котором она проходит через последовательно установленные электролизер, флотатор и фильтр [Патент SU 1761676, Кл. C02F 1/00, опубл. 15.09.1992].

Известен способ обезвоживания илового осадка, включающий его обработку в диафрагменном электролизере в области положительного электрода с последующим разделением на сгущенный продукт и осветленную жидкость. Обработку осадка проводят при pH 1-4 при плотности электрического тока 1-3 - мА/см² в течение 0,5-2,0 часов, затем насыщают воздухом под давлением, далее разделение осуществляют флотацией [Патент RU 2006477, Кл. C02F 1/46, опубл. 30.01.1994].

Все перечисленные способы и устройства обесшламливания технических вод, содержащих тонкодисперсные взвешенные вещества, не позволяют извлечь сапонитсодержащие вещества из оборотных вод с одновременным получением осветленного слива и непригодны для очистки вод с концентрацией глинистых частиц до 257 г/дм³.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ интенсификации процесса обесшламливания оборотных сапонитсодержащих вод, включающий обработку оборотной воды электрическим током в пластинчатом монополярном электролизере бездиафрагменного типа [статья: В.А. Чантурия, Б.Е. Горячев. Обогащение алмазосодержащих кимберлитов. Горный журнал, 2007, №2, с.43-44]. Способ основан на перезарядке минеральных частиц при контакте с анодной поверхностью с целью их последующей коагуляции (укрупнения).

Недостатками указанного способа являются:

1. Способ не позволяет сразу разделить сапонитсодержащие воды на сгущенный сапонитсодержащий продукт и осветленный слив, а только интенсифицирует последующий процесс обесшламливания оборотных сапонитсодержащих вод: содержание шламов в оборотной воде в зависимости от продолжительности процесса последующего осветления после предварительной электрохимической обработки воды снижается в 1,6-5,6 раз.

2. Конструкция электролизеров не предусмотрена для обработки вод с высокой (более 50 г/дм³) концентрацией твердой фазы, так как при этом происходит зарастание анодов, выполненных в виде пластин, тонкодисперсными минеральными частицами, что приводит к выходу электролизеров из строя.

3. Низкое содержание (менее 240 г/дм³) твердой фазы в осадке после процесса осветления, а также высокое ее содержание в осветленном сливе (3-12 г/дм³) при низком содержании шламов в исходной воде.

Целью изобретения является повышение степени очистки и интенсификации процесса обесшламливания оборотных вод от сапонитсодержащих веществ.

Технический результат заключается в снижении содержания сапонитсодержащих веществ в оборотной воде до требуемого уровня качества воды оборотного водоснабжения обогатительной фабрики (менее 30 г/дм³) при степени очистки оборотных вод до 99,5%. Изобретение может быть использовано для обесшламливания технических (оборотные воды, сливы хвостохранилищ и др.) вод, характеризующихся высоким (до 257 г/дм³) содержанием тонкодисперсных взвешенных веществ, образованных разрушением минералов монтмориллонитовой группы (напр., сапонита).

Указанная цель достигается обработкой вод электрическим током с одновременным разделением на сгущенный продукт и осветленную жидкость, включая воздействие электрического тока на барабаны-катоды и барабан-анод, и, как следствие, на пропускаемую между ними оборотную воду, при этом одновременно с барабанов-катодов извлекают осветленный слив, а с барабана-анода - сапонитсодержащие вещества.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема сепаратора для реализации электрохимического воздействия на сапонитсодержащие воды; на фиг.2 - изменение выхода слива с аппарата в зависимости от частоты вращения барабанов-катодов; на фиг.3 - изменение содержания твердой фазы в сливе аппарата в зависимости от его производительности при исходном содержании шламов 82 г/дм³; на фиг.4 - изменение содержания твердой фазы в сливе аппарата в зависимости от содержания шламов в питании при производительности аппарата 40 дм³/ч и напряжении 30 В; на фиг.5 - изменение извлечения сапонита в зависимости от величины напряжения на электродах при производительности аппарата 40 дм³/ч; на фиг.6 - зависимость степени очистки сапонитсодержащих вод от производительности аппарата по осветленному сливу и исходного содержания шламов при напряжении 30 В; в таблице приведены рабочие параметры опытной установки.

Устройство (электрохимический сепаратор) содержит два отрицательно заряженных барабана - 1 (катоды), положительно заряженный барабан - 2 (анод), элеваторное колесо - 3, приводы элеватора - 4, шнек - 5, переливные карманы - 6, подшипниковые узлы - 7, пружинное скребковое устройство - 8, токосъемники - 9, прижимные пластины - 10.

Способ реализуется следующим образом.

На сапонитсодержащую оборотную воду воздействуют электрическим током при ее прохождении объема между барабанами-катодами и барабаном-анодом, выполненными из электропроводящего материала (напр., сталь марки Ст.3). Барабаны-катоды наполовину погружают в оборотную воду. Барабан-анод находится под барабанами-катодами ровно посередине (поверхности всех барабанов параллельны). Расстояние между барабаном-анодом и барабанами-катодами регулируют поднятием или опусканием барабана-анода. Напряжение между разноименно заряженными барабанами выдерживают от 30 до 60 В. Вращение барабанов-катодов осуществляют в противоположные стороны с частотой от 10 до 40 мин^-1. При этом частоту вращения барабана-анода выдерживают в пределах от 0,5 до 2,0 мин^-1, т.к. ее увеличение приводит к обводнению сгущенного сапонитсодержащего продукта. Извлечение сапонитсодержащих веществ с поверхности барабана-анода осуществляют непрерывно.

Оборотную воду, содержащую сапонитсодержащие взвешенные вещества, имеющие отрицательный заряд, подают сверху между двумя барабанами-катодами в направлении вращения барабанов (вращаются в противоположные стороны).

Устройство работает и при вращении барабанов-катодов навстречу подаваемой исходной шламосодержащей воде - в противоточном режиме.

Устройство оборудуют прижимными пластинами - 10 для более эффективной работы и снятия осветленного слива с барабанов-катодов после выхода поверхности барабанов из оборотной воды (рабочего объема) при их вращении. В случае отсутствия прижимных пластин осветленный слив получается переливом.

Таким образом, оборотную воду, содержащую сапонитсодержащие вещества, подвергают воздействию электрического тока. На барабанах-катодах из оборотной воды за счет электроосмотических явлений извлекают водную фазу, а глинистый материал за счет электростатических (электрофоретических) сил закрепляют на положительно заряженной поверхности барабана-анода. При этом в проточном режиме контролируют параметры сепарации: производительность, линейный ток, напряжение, частоту вращения барабанов.

Устройство работает следующим образом.

Поверхность барабанов - 1 и 2 выполнена из электропроводящего материала, а сами барабаны крепятся к корпусу через подшипниковые узлы - 1, оборудованные уплотнителями-сальниками для предотвращения попадания шламов внутрь подшипников, барабаны-катоды - 1 приводятся во вращение от одного двигателя, через редуктор, карданный вал и цепную передачу, барабан-анод - 2 приводится во вращение от серводвигателя через планетарный редуктор, элеваторное колесо - 3 также приводится во вращение от двигателя через редуктор, поверхность барабанов-катодов - 2 через токосъемники и шины подключена к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения, поверхность барабана-анода - 2 через токосъемники и шины подключена к положительному полюсу источника постоянного напряжения.

Исходная сапонитсодержащая вода подается в устройство (электрохимический сепаратор) сверху между барабанами-катодами - 1, частицы минералов монтмориллонитовой группы, имеющие отрицательный заряд и находящиеся в воде, проходя по двум питающим полостям, образованным между барабанами-катодами - 1 и барабаном-анодом - 2, за счет электростатических сил закрепляются на положительно заряженной поверхности барабана-анода и удаляются с нее пружинным скребковым устройством - 8 в область дна ванны электрохимического сепаратора и далее разгружаются с помощью шнека - 5 в ванну элеваторного устройства, а далее черпаками элеваторного колеса; а осветленный слив за счет осмотического движения воды к катодам собирается в области барабанов-катодов - 1 и отводится при их вращении с помощью прижимных пластин - 10 через отверстия в двух переливных карманах - 6.

Описание экспериментов

Напряжение между барабанами-катодами и барабаном-анодом - 30 В (данная величина выбрана на основании теоретических исследований электроповерхностных свойств частиц сапонита, их электрофоретической скорости и осмотической скорости воды в сапонитсодержащих водах). При этом, рациональная производительность аппарата, обеспечивающая требуемое качество осветленного слива при степени очистки от 75 до 88,3% (в зависимости от содержания шламов в исходной оборотной воде - 80-257 г/дм³), составляет 40 дм³/ч. Увеличение производительности аппарата по сливу до 60 дм³/ч, регулируемое частотой вращения барабанов-катодов (фиг.2), при величине напряжения между барабанами-катодами и барабаном-анодом 30 В, приводит к повышению содержания твердой фазы в осветленном сливе до 40 г/дм³ (фиг.3), что выше требуемого содержания - 30 г³/дм.

На фиг.4 представлены результаты изучения зависимости содержания твердой фазы в сливе аппарата от содержания шламов в исходной оборотной воде при производительности аппарата по сливу - 40 дм³/ч и напряжении 30 В. Установлено, что содержание шламов в исходной воде практически не влияет на качество осветленного слива: увеличение содержания шламов в исходной воде более чем на 200 г/дм³ (с 50 до 257 г/дм³) приводит к незначительному увеличению содержания шламов в осветленном сливе с 20 г/дм³ до 30 г/дм³, т.е. всего на 10 г/дм³.

Повышение напряжения между барабанами до 60 В позволяет повысить производительность аппарата по сливу до 60 дм³/ч и/или повысить извлечение сапонита (шламов) до 93% (фиг.5).

В зависимости от частоты вращения барабанов-катодов (6-20 мин^-1), обеспечивающей заданную производительность по сливу от 10 до 40 дм³/ч (фиг.2), и напряжения обеспечивается:

- выход осветленного слива из исходной оборотной воды, характеризующейся содержанием твердой фазы до 257 г/дм³, до 76%, при степени очистки шламосодержащей воды до 99,5% (фиг.6) и содержании твердой фазы в сливе от 1 до 30 г/дм³ (фиг.3);

- извлечение в сгущенный продукт до 93% минералов монтмориллонитовой группы (сапонита). При этом сгущенный продукт характеризуется содержанием твердой фазы от 450 до 600 г/дм³.

В соответствии с вышеизложенным:

- выход осветленного слива из исходной оборотной воды, характеризующейся содержанием твердой фазы до 257 г/дм³, до 76%, при степени очистки шламосодержащей воды до 99,5% и содержании твердой фазы в сливе от 1 до 30 г/дм³;

- извлечение в сгущенный продукт до 93% минералов монтмориллонитовой группы (сапонита). При этом сгущенный продукт характеризуется содержанием твердой фазы от 450 до 600 г/дм³.

На основе разработанной схемы устройства была изготовлена действующая модель сепаратора, технические характеристики которого приведены в таблице, и проведена его апробация в условиях обогатительной фабрики №1 (ОФ №1) ОАО «Севералмаз».

Результаты проведенных экспериментов подтвердили высокую эффективность электрохимического метода и аппарата для обесшламливания оборотных вод ОФ №1.

Пример

Исходные параметры электрохимической сепарации:

- производительность аппарата по исходной воде - 60 дм³/ч (по осветленному сливу - 40 дм³/ч, по сгущенному продукту - 20 дм³/ч);

- частота вращения барабанов-катодов - 20 мин^-1;

- частота вращения барабана-анода - 1 мин^-1;

- содержание твердой фазы в исходной воде - 200 г/дм³;

- величина напряжения на электродах - 30 В;

- величина линейного тока - 10 А;

Результат:

- извлечение воды в осветленный слив - 72,4%;

- извлечение твердой фазы в сгущенный продукт - 90,8%;

- содержание твердой фазы в осветленном сливе - 27,6 г/дм³;

- содержание твердой фазы в сгущенном продукте - 545 г/дм³;

- степень очистки слива - 86,2%.

Таблица Технические характеристики опытной установки № Наименование параметра Ед. измерения Величина 1 Производительность по исходному питанию до дм³/ч 80 2 Производительность по осветленному сливу до дм³/ч 60 3 Производительность по сгущенному продукту дм³/ч 10-40 4 Производительность по твердому осадку до кг/ч 12 5 Удельный расход электроэнергии на получение 1 м³ осветленного слива кВт*ч/м³ 4-12 6 Величина потребляемого линейного тока (постоянного) А 9-12 7 Величина рабочего напряжения В 20-60 8 Расстояние между барабаном - катодом и барабаном - анодом мм 11-30 9 Частота вращения барабанов - катодов мин^-1 10-40 10 Частота вращения барабана - анода мин^-1 0,01-2 11 Объем ванны аппарата дм³ 120 12 Частота вращения вала элеватора мин^-1 0,2-5 13 Объем ковша элеватора дм³ 0,3 14 Количество ковшей элеватора шт 3

Изобретение может быть использовано в горнодобывающей промышленности и относится к обесшламливанию оборотных сапонитсодержащих вод. Обесшламливание осуществляют посредством воздействия электрическим током на пропускаемую между барабанами-катодами 1 и барабаном-анодом 2 оборотную воду с последующим разделением на сгущенный продукт и осветленную жидкость. Одновременно с барабанов-катодов 1 извлекают осветленный слив, а с барабана-анода 2 - сапонитсодержащие вещества. В проточном режиме контролируют параметры сепарации: производительность, линейный ток, напряжение, частоту вращения барабанов. Изобретение позволяет снизить содержание сапонитсодержащих веществ в оборотной воде до требований оборотного водоснабжения обогатительной фабрики при степени очистки оборотных вод до 99,5%. 2 н.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ обесшламливания оборотных сапонитсодержащих вод, заключающийся в обработке вод электрическим током с последующим разделением на сгущенный продукт и осветленную жидкость, отличающийся тем, что, воздействуя электрическим током на барабаны-катоды и барабан-анод, воздействуют на пропускаемую между ними оборотную воду, одновременно с барабанов-катодов извлекают осветленный слив, а с барабана-анода - сапонитсодержащие вещества, при этом в проточном режиме контролируют параметры сепарации: производительность, линейный ток, напряжение, частоту вращения барабанов.

2. Устройство обесшламливания оборотных сапонитсодержащих вод, отличающееся тем, что оно выполнено в виде двух отрицательно заряженных барабанов-катодов, положительно заряженного барабана-анода, элеваторного устройства, приводов элеваторов, шнека барабанов, переливных карманов, подшипниковых узлов, скребкового устройства, прижимных пластин и токосъемников, при этом поверхность барабанов выполнена из электропроводящего материала, а барабаны прикреплены к корпусу через подшипниковые узлы, оборудованные уплотнителями-сальниками, выполненные с возможностью предотвращения попадания шламов внутрь подшипников; барабаны-катоды выполнены с возможностью вращения от одного двигателя через редуктор, карданный вал и цепную передачу; барабан-анод выполнен с возможностью вращения от серводвигателя через планетарный редуктор; элеваторное колесо выполнено с возможностью вращения от двигателя через редуктор; поверхность барабанов-катодов через токосъемники и шины подключена к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения; поверхность барабана-анода через токосъемники и шины подключена к положительному полюсу источника постоянного напряжения; между барабанами-катодами и барабаном-анодом образованы две питающие полости, при этом скребковый механизм выполнен с возможностью удаления с положительно заряженной поверхности барабана частиц минералов, прижимные пластины - с возможностью удаления осветленного слива в переливные карманы, отверстия в двух переливных карманах выполнены с возможностью отвода осветленного слива электрохимической сепарации, при этом в устройстве установлен шнек для разгрузки твердой фазы сепарации в ванну элеваторного устройства и черпаки элеваторного колеса для дальнейшей выгрузки твердой фазы.