Основные области применения и технический анализ диатомитовых фильтрующих добавок в горнодобывающей и металлургической промышленности

1. Обзор фильтрующих материалов на основе диатомита и их ключевое значение в горнодобывающей промышленности и металлургии

Фильтрующие материалы на основе диатомита, являясь эффективной и экономичной средой для разделения твердой и жидкой фаз, играют незаменимую роль в современных процессах горнодобывающей промышленности и металлургии. Образованный из древних ископаемых отложений диатомовых водорослей, этот природный пористый материал обладает уникальной микро- и наномасштабной иерархической структурой пор и стабильными химическими свойствами, что делает его идеальным выбором для ключевых процессов, таких как фильтрация пульп, очистка сточных вод металлургических заводов и извлечение драгоценных металлов. Горнодобывающая промышленность предъявляет чрезвычайно высокие требования к фильтрующим материалам. Фильтрующие материалы на основе диатомита, благодаря своей превосходной кислото- и щелочестойкости (диапазон pH 2–11), высокой механической прочности (твердость по шкале Мооса 4,5–6) и превосходной термической стабильности (выдерживают температуры до 600 °C), могут удовлетворить потребности в фильтрации в различных сложных условиях горнодобывающей промышленности и металлургии.

В горнодобывающей и металлургической промышленности фильтрующие материалы на основе диатомита в основном используются в различных процессах, включая обезвоживание концентрата, кислотную обработку отходов плавки, очистку электролита и очистку оборотной воды хвостов. По сравнению с традиционными фильтровальными тканями, мембранными фильтрами и другими фильтрующими материалами, фильтрующие материалы на основе диатомита обладают более высокой пористостью (80–90%), большей удельной поверхностью (2–20 м²/г), более высокой способностью к предотвращению загрязнений и т. д. Фильтрующие материалы на основе диатомита, предназначенные для горнодобывающей и металлургической промышленности, обычно требуют прокалки при высокой температуре (900–1200 °C) и сортировки для получения гранулометрического состава (D50 обычно составляет 5–50 мкм) и пористости, подходящих для различных технологических требований.

2. Применение диатомитового фильтрующего материала при обезвоживании концентрата

В процессе обезвоживания концентрата на обогатительных фабриках диатомитовые фильтрующие материалы демонстрируют отличные технико-экономические показатели. Например, при использовании медного концентрата влажность фильтрационного кека после обработки на традиционном вакуумном фильтре обычно составляет 10–12%, тогда как после применения технологии предварительной фильтрации с использованием диатомитового фильтрующего материала влажность фильтрационного кека может быть снижена до менее 8%, что значительно снижает энергозатраты на последующую сушку. Диатомитовый фильтрующий материал играет в этом процессе основную роль двумя способами: один заключается в формировании слоя предварительной фильтрации толщиной 3–5 мм на поверхности фильтрующей среды для создания равномерного начального канала фильтрации; другой заключается в непрерывном добавлении необходимого количества диатомитового фильтрующего материала в пульпу (обычно 0,5–2,0 кг/т руды) для улучшения структуры фильтрационного кека и повышения скорости фильтрации.

В зависимости от характеристик различных типов руд применение диатомитовых фильтрующих добавок необходимо целенаправленно оптимизировать. Для высоковязких пульп (например, при обогащении бокситов) требуются диатомитовые фильтрующие добавки с более крупным размером частиц (D50 = 20–30 мкм) для поддержания воздухопроницаемости фильтрационного кека; для тонкозернистых минералов (например, концентратов редкоземельных металлов) требуются диатомитовые фильтрующие добавки мелкой фракции (D50 = 5–10 мкм) для обеспечения точности фильтрации. Практика крупного обогатительного предприятия железной руды показывает, что оптимизация гранулометрического состава диатомитовых фильтрующих добавок (крупный:средний:тонкий = 3:5:2) позволяет повысить эффективность фильтрации железного концентрата более чем на 40%, а срок службы фильтровальной ткани увеличить в 2–3 раза.

Особое значение имеет диатомитовый фильтрующий материал при обогащении драгоценных металлов. В процессе обогащения таких драгоценных металлов, как золото и серебро, диатомитовый фильтрующий материал способен не только эффективно улавливать мелкозернистые минералы драгоценных металлов (≈10 мкм), но и адсорбировать растворенные ионы драгоценных металлов на своих активных центрах поверхности, снижая потери металла. Данные показывают, что использование модифицированного диатомитового фильтрующего материала (обработанного тиомочевиной) для очистки золотосодержащего цианидного шлама может повысить извлечение золота на 0,3–0,5 процентных пункта, что обеспечивает значительный экономический эффект.

3. Ключевая роль диатомитового фильтрующего материала в очистке сточных вод металлургического производства

В гидрометаллургическом процессе диатомитовый фильтрующий материал превосходно справляется с очисткой кислотных стоков и стоков от тяжёлых металлов. Кислотные стоки, образующиеся при плавке цветных металлов, таких как медь и цинк, обычно содержат большое количество токсичных тяжёлых металлов, таких как As, Cd и Pb. Традиционный метод известкования приводит к образованию большого количества опасного шлама, который трудно поддаётся обработке. Двухступенчатый процесс очистки с использованием диатомитового фильтрующего материала в сочетании со специальными коагулянтами (например, сульфидом натрия) позволяет одновременно регулировать кислотность и глубоко удалять тяжёлые металлы. Многоуровневая структура пор диатомитового фильтрующего материала обеспечивает идеальную среду для осаждения сульфидов тяжелых металлов, а его адсорбционные свойства позволяют поддерживать содержание тяжелых металлов в сточных водах на уровне менее 0,1 мг/л, что соответствует требованиям стандарта GB25467-2010 «Стандарты выбросов промышленных загрязняющих веществ меди, никеля и кобальта».

В области электролитической плавки очистка электролита является ключевым звеном в обеспечении качества катодной продукции. Диатомитовые фильтрующие материалы эффективно удаляют из электролита такие примеси, как взвешенный анодный шлам и коллоидный кремнезем, благодаря своей тонкой фильтрации (точность фильтрации может достигать 1–3 мкм), обеспечивая стабильную работу процесса электролиза. Эксплуатационные данные завода по электролизу никеля показали, что после использования системы фильтрующих добавок на основе диатомита содержание взвешенных веществ в электролите снизилось с 50 мг/л до менее 5 мг/л, процент годности катодной никелевой пластины увеличился с 92% до 98%, а выход по току увеличился на 2 процентных пункта.

Диатомитовые фильтрующие добавки демонстрируют уникальные преимущества при очистке сточных вод, образующихся при промывке дымовых газов металлургических заводов. Эти сточные воды обычно содержат высокие концентрации SO₄²⁻, F⁻ и тяжёлых металлов, а традиционный процесс очистки сложен и имеет ограниченный эффект. Диатомитовые фильтрующие добавки способны селективно адсорбировать F⁻ и некоторые ионы тяжёлых металлов (например, Hg²⁺) благодаря своим особым поверхностным химическим свойствам (богатым силанолом). Адсорбционная способность диатомитовых фильтрующих добавок, модифицированных солями алюминия, по F⁻ может достигать 10–15 мг/г, что обеспечивает экономичное и эффективное решение для глубокой очистки сточных вод металлургических производств.

4. Инновационное применение диатомитовых фильтрующих добавок для очистки оборотных вод хвостохранилищ и восстановления ресурсов

Очистка оборотных вод хвостохранилищ является ключевым звеном в деле сохранения шахтных вод и сокращения выбросов, и диатомитовые фильтрующие добавки находят все более широкое применение в этой области. Традиционная очистка оборотных вод хвостохранилищ в основном осуществляется методом естественного осаждения, а содержание взвешенных веществ в сточных водах обычно составляет 100–200 мг/л, что затрудняет их прямое повторное использование. Использование технологии динамической мембранной фильтрации с диатомитовым фильтрующим добавкой (точность фильтрации 5–10 мкм) позволяет снизить содержание взвешенных веществ в сточных водах до уровня ниже 10 мг/л, а мутность — до <5NTU, что полностью соответствует требованиям технологии переработки минерального сырья для оборотной воды. По сравнению с традиционными процессами очистки система с диатомитовым фильтрующим добавкой обладает выдающимися преимуществами, такими как компактность (занимает всего 1/5 отстойника), быстрый запуск (достижение проектной производительности в течение 30 минут) и высокая устойчивость к ударным нагрузкам.

Диатомитовые фильтрующие добавки играют особую роль в процессе извлечения сопутствующих ресурсов. Многие хвосты рудников содержат значительные запасы редкоземельных и рассеянных металлов, но их эффективное извлечение затруднено из-за сложного состояния их залегания. Поверхностно-функционализированные диатомитовые фильтрующие добавки (например, модифицированные фосфатом) способны селективно адсорбировать ионы редкоземельных металлов, такие как La³⁺ и Y³⁺, из раствора с адсорбционной емкостью до 20–30 мг/г. В проекте очистки оборотных вод из хвостов вольфрама процесс адсорбции-десорбции с использованием диатомитового фильтрующего порошка позволяет дополнительно извлекать 2,5 тонны оксида иттрия в год, что обеспечивает экономический эффект более 3 миллионов юаней.

Стоит отметить, что диатомитовые фильтрующие добавки хорошо зарекомендовали себя при очистке кислых шахтных вод (AMD). AMD характеризуется низким pH (2–4) и высоким содержанием тяжелых металлов, а стоимость традиционной очистки высока. Система пассивной очистки, состоящая из диатомитового фильтрующего материала и известняка, обеспечивает глубокое удаление тяжёлых металлов (степень удаления Cu, Zn, Cd > 99%), нейтрализуя кислотность. Она проста в эксплуатации и обслуживании, что особенно подходит для очистки сточных вод в отдалённых горнодобывающих районах. Данные долгосрочного мониторинга показывают, что система сохраняет хорошие результаты очистки даже после 5 лет стабильной эксплуатации: pH сточных вод поддерживается на уровне 6-8, а содержание тяжёлых металлов значительно ниже норматива выбросов.

5. Технологические инновации и тенденции развития диатомитовых фильтрующих добавок

В связи с растущими требованиями к защите окружающей среды и потребностями в восстановлении ресурсов в горнодобывающей и металлургической промышленности, технология диатомитовых фильтрующих добавок продолжает совершенствоваться и развиваться. Современные диатомитовые фильтрующие добавки для горнодобывающей и металлургической промышленности представляют собой полную линейку продукции, которая в зависимости от назначения подразделяется на стандартные фильтрующие, адсорбционные для тяжелых металлов и специально модифицированные; в зависимости от способа применения их можно разделить на фильтрующие с предварительным покрытием и шламовые. Новый композитный диатомитовый фильтрующий порошок дополнительно повышает эффективность и селективность удаления загрязняющих веществ за счет добавления активных компонентов, таких как наночастицы железа и оксиды марганца.

В будущем развитие диатомитовых фильтрующих добавок будет демонстрировать следующие тенденции: во-первых, точная работа, разработка специальных формул для конкретных типов руды и процессов плавки; во-вторых, интеллектуальный процесс, основанный на онлайн-мониторинге и алгоритмах искусственного интеллекта для достижения динамической оптимизации добавления диатомитового фильтрующего добавки; В-третьих, экологичность и низкоуглеродность, разработка низкоэнергетических производственных процессов, а также технологий регенерации и повторного использования отходов диатомита; в-четвертых, интеграция приложений в сочетании с новыми технологиями, такими как мембранное разделение и электрохимия, для создания скоординированной системы очистки.

Интеграция нанотехнологий и диатомитовых фильтрующих материалов открыла новое направление. Благодаря модификации наноматериалами (такими как TiO₂, графен) удельная площадь поверхности диатомитовых фильтрующих материалов может быть увеличена в 5-8 раз, а адсорбционная способность низкоконцентрированных тяжелых металлов значительно повышена. В то же время, разработка магнитных диатомитовых фильтрующих материалов позволила добиться быстрого процесса разделения твердой и жидкой фаз (время магнитной сепарации <5 мин), что обеспечивает более эффективное решение для очистки сточных вод металлургических предприятий.

6. Заключение

Диатомитовый фильтрующий материал, являясь ключевым фильтрующим материалом в горнодобывающей и металлургической промышленности, играет незаменимую роль в повышении эффективности разделения твердой и жидкой фаз, обеспечении стабильности технологического процесса, достижении извлечения ресурсов и контроле загрязнения окружающей среды. Диатомитовый фильтрующий материал применяется на всех этапах горнодобывающей и металлургической производственной цепочки: от обезвоживания минерального концентрата до очистки сточных вод плавильных цехов, от очистки оборотных вод хвостохранилищ до извлечения сопутствующих ресурсов. Его уникальные структурные характеристики, превосходная химическая стабильность и высокая экономичность позволяют поддерживать надежную эффективность фильтрации в различных сложных условиях эксплуатации.

В связи со снижением содержания полезных ископаемых в рудах и ужесточением требований к охране окружающей среды, технологии диатомитового фильтрующего материала будут продолжать совершенствоваться и внедряться инновации. При применении диатомитового фильтрующего материала горнодобывающие и металлургические предприятия должны учитывать специфические характеристики руды, условия процесса и цели очистки, научно обоснованно подбирать типы продукции и параметры процесса, а также создавать комплексную систему контроля качества. Оптимизируя синергию между диатомитовыми фильтрующими добавками и другими очистными установками, можно построить более эффективную, экономичную и устойчивую систему добычи и плавки, что обеспечит мощную поддержку экологически чистому развитию отрасли и эффективному использованию ресурсов.