Вода является жизненно важным ресурсом, на который полагаются многие отрасли промышленности и который можно использовать более экономно. Примером может служить обогащение минеральных руд. Взяв в качестве примера сырьевой флюорит, исследователи из Фрайбергского института ресурсных технологий Гельмгольца (HIF) показали, как можно оптимизировать использование воды. Они разработали новую процедуру, расширяющую возможности моделирования процесса обогащения. Он указывает на обстоятельства, при которых целесообразно повторно использовать воду без потерь при обогащении руды. Таким образом, потребление пресной воды может быть значительно снижено. Это приносит пользу не только окружающей среде, но и горнодобывающим компаниям, поскольку делает добычу сырья более эффективной. Исследователи представили свою новую процедуру в Journal of Environmental Management. HIF является частью Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf и работает в тесном сотрудничестве с TU Bergakademie Freiberg.
Найденные в смартфонах, современных автомобилях, экологически безопасных фотогальванических установках и во многих других отраслях, высокотехнологичные материалы стали неотъемлемой частью повседневной жизни. Хотя переработка может частично покрыть спрос на сырье, большая часть по-прежнему поступает из горнодобывающей промышленности. Воздействие на окружающую среду хорошо известно: землепользование, создание дополнительной транспортной инфраструктуры и индустриализация зачастую отдаленных районов. Горнодобывающая промышленность также требует огромного количества воды и, соответственно, производит большие объемы сточных вод. Работая в партнерстве с коллегами из Финляндии, группа исследователей HIF под руководством инженера-технолога Бруно Мишо разработала метод более рационального использования воды при переработке минерального сырья. На примере минерального флюорита они показали, как можно значительно сократить потребление воды с помощью моделирования процесса.
Флюорит, также известный в минералогии как плавиковый шпат и его химическое название фторид кальция, является важным сырьем для промышленности. Он используется, например, при выплавке железа, извлечении алюминия и в химической промышленности в качестве сырья для производства фтора и плавиковой кислоты. Вероятно, самым известным продуктом химии фтора является ПТФЭ, фторполимер, который продается в виде мембраны под торговыми марками Teflon и Gore-Tex..
Обогащение руды как пожиратель воды
«Для добычи флюорита требуется много воды», - объясняет Бруно Мишо. «В зависимости от местного климата, а тем более от конструкции обогатительной фабрики, она может составлять до 4000 литров на тонну руды». Очевидно, что исследователи HIF ничего не могут сделать с погодой, но они, безусловно, могут внести свой вклад в оптимизацию самой обработки. На этом этапе процесса пустая порода отделяется от добытой руды, чтобы поднять содержание флюорита с менее чем 50 процентов до примерно 98-процентной отметки. Для этого инженеры применяют процесс флотации. Проще говоря, это работает следующим образом: руда измельчается и смешивается с большим количеством воды; затем в смесь добавляют различные химические вещества, чтобы сделать поверхность флюорита водоотталкивающей (гидрофобной). Затем в указанную смесь нагнетают воздух, создавая маленькие пузырьки, которые выносят гидрофобные частицы на поверхность. Таким образом, флюорит накапливается в образующейся пене, а пустая порода остается. Прежде чем последний можно будет разместить на дамбах отходов или вернуть под землю в качестве наполнителя, необходимо провести стадию обезвоживания. Для достижения нужной концентрации флюорита флотацию повторяют несколько раз, что требует большого количества воды.
«Горнодобывающие компании пытаются сократить потребление воды, используя ее несколько раз, - говорит Мишо. «Однако использованная вода содержит вещества, которые могут повлиять на производительность процесса, и этого следует избегать». Примерами таких веществ могут быть ионы кальция и магния, препятствующие гидрофобизации поверхности флюорита. Сила этого эффекта зависит от концентрации ионов. Новый метод теперь учитывает влияние химического состава воды на флотацию. В результате обширных лабораторных экспериментов с флюоритовой рудой исследователи получили данные, отражающие сложное взаимодействие растворенных веществ, и интегрировали их в программу моделирования HSC Sim. HSC Sim уже используется в горнодобывающей промышленности для картирования перерабатывающих заводов и управления процессом обогащения полезных ископаемых.
Цифровой мониторинг потребления воды и энергии
«Благодаря разработанным нами дополнительным функциям программное обеспечение теперь может учитывать состав технологической воды», - объясняет Мишо. «Это дает возможность рециркуляции воды без ущерба для эффективности процесса». Моделирование также позволяет операторам оптимизировать использование различных водоемов вблизи рудника, таких как озера, реки, водоносные горизонты или море. Дальнейшие этапы процесса, такие как измельчение и обезвоживание руды, должны быть интегрированы в будущем. В идеальном сценарии потребление воды может упасть ниже 1000 литров на тонну руды.
Исследовательская группа надеется в ближайшее время подвергнуть новый метод практическим испытаниям в реальной добыче полезных ископаемых. «Поскольку для этого требуется полностью оцифрованный процесс очистки, в котором датчики непрерывно измеряют свойства потоков и сообщают о них для управления технологическим процессом, только более крупные шахты могут рискнуть на такие инвестиции на этом раннем этапе», - добавляет Мишо.«Однако потенциал цифровизации огромен: мониторинг в реальном времени и действительно интеллектуальное моделирование процессов позволяют извлекать больше сырья, используя меньше энергии и меньше природных ресурсов». Это относится ко всем рудам, а не только к повторному использованию воды при переработке флюорита, для которого команда HIF разработала метод моделирования.