Особенности вихревого слоя ферромагнитных частиц позволяют эффективно использовать АВС для интенсификации ряда процессов горной химии. Основные из них: измельчение руды и минералов, растворение и выщелачивание, цементация металлов и т.д.

Мельницы для измельчения руды

Доизмельчение руд и концентратов. Тонина помола в шаровых и стержневых мельницах, применяемых для этих целей, ограничена размерами нескольких сотен микрон, что не позволяет полностью вскрыть тонковкрапленные руды. Большинство минералов в АВС может быть измельчено до нескольких микрон. Это открывает новые возможности по более полному извлечению полезных ископаемых. Однако следует учитывать, что на столь тонкое измельчение особо прочных минералов затраты электроэнергии составляют до 100 киловатт-часов на тонну руды, а производительность аппаратов при этом незначительна. Отсюда следует, что целесообразность применения АВС необходимо устанавливать в каждом конкретном случае по его эффективности. Здесь эффективными могут быть процессы доизмельчения руд драгоценных и редких металлов, а также малопрочных минералов типа сульфидов, мела, каолина, талька и др.

Растворение и выщелачивание

Изменение растворимости веществ в вихревом слое может быть использовано для ускорения процессов растворения и выщелачивания и увеличения процента извлечения из руды полезного продукта. В качестве примера может быть назван галургический метод получения хлористого калия, основанный на различии растворимости хлористых солей кальция и натрия в воде. Обычно сильвинитовая руда подвергается растворению в щелоке в шнековых растворителях при температуре 80-90°С. При таком способе значительное количество хлористого калия не удается извлечь из руды, так как он находится в составе малорастворимых минералов и обычно выбрасывается в отходы (галитовый остаток).

Растворение руды в вихревом слое дает возможность намного увеличить извлечение калия. В таблице 1 приведены некоторые данные по содержанию ионов Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Cl^—, SO²₁, в растворе после обработки руды в шнековых растворителях и в вихревом слое (соотношение Т:Ж=1:2, температура 80°С).

Таблица 1

Сравнительные данные по растворению руды в АВС и шнековых растворителях 

Продолжительность растворения, с		Содержание ионов в растворе, г/л
АВС	Шнековые растворители	K+	Na+	Mg2+	Cl—	SO2-1
—	3600	75,0	60,0	50,0	210,0	120,0
2	—	97,5	56,5	81,1	413,8	78,3
3	—	93,9	57,0	60,2	218,0	79,6
4	—	96,3	53,5	83,3	413,8	82,6
5	—	97,9	52,8	82,3	413,1	84,5
6	—	94,8	50,9	85,2	413,8	65,2

Как видно из таблицы, содержание калия в растворе увеличилось на 20-30%. Кроме калия, увеличилась в растворе и концентрация других ценных компонентов: магния — на 20- 70%, хлора — более чем на 90%. В то же время уменьшилось содержание натрия, что очень ценно для данного процесса. Увеличение содержания калия и магния в растворе, как показали анализы, произошло за счет практически полного растворения галита.

В гидрометаллургии широко распространены так называемые содовые методы обогащения, заключающиеся в смешении и спекании при высоких температурах руды с содой с целью перевода определенных компонентов в растворимое состояние. На этом принципе, например, разработан способ дефосфоризации марганцевых концентратов. Известно, что марганцевые руды Никопольского бассейна имеют высокое содержание фосфора (0,2—0,25%), что исключает возможность выплавки из них низкофосфористых ферромарганца и силикомарганца. Содовый метод обогащения марганцевых руд предусматривает спекание марганцевого концентрата с содой при температуре 850—900° С, в результате чего фосфор- и кремнийсодержащие минералы взаимодействуют с карбонатом натрия, образуя водорастворимые силикаты и фосфаты натрия, которые извлекаются затем выщелачиванием.

Исследования показали, что в таких процессах АВС могут быть использованы для различных целей. Во-первых, кроме интенсификации процесса смешении соды с рудой, при совместном их измельчении уже частично происходят образование водорастворимых соединений и активация, приводящая к ускорению и более полному протеканию химических превращении при спекании. Во-вторых, в процессе обработки руды в водном содовом растворе довольно интенсивно идут механохимические превращения, в том числе и приводящие к переходу в раствор фосфора. Таким образом может быть осуществлено обесфосфоривание концентрата непосредственным его выщелачиванием без предварительного спекания. В-третьих, при использовании АВС дорогостоящая сода может быть заменена менее дефицитными натрийсодержащими реагентами: сильвинитом, хлористым натрием, сернокислым натрием и др.

В табл. 2 приведены сравнительные данные по дефосфоризации и обескремниванию руд различными методами. Данные приведены для марганцевого концентрата, содержащего 38,9% Mn, 0,201% P, 23,4% SiO₂, 2,35% Fe, 1,9% CaO, 1,26% MgO, 1,37% Al₂O₃. Железная руда, на которой проводились исследования, содержала до 40% железа и до 1% фосфора.

 Таблица 2

Данные по дефосфоризации и обескремниванию руд
с применением и без применения АВС 

Состав обрабатываемой шихты, массовых долей	Способ обработки шихты	Степень очистки руды, % к исходному содержанию
		Без применения АВС		С применением АВС
		от фтора	от SiO2	от фтора	от SiO2
Марганцевый концентрат — 100	Смешение, спекание при 87ºС, измельчение и выщелачивание водой при 95ºС в течение 60 мин.	86,4	59,9	94,9	64,5
Сода — 60	Прямое выщелачивание (без спекания)	—	—	45,7	—
Марганцевый концентрат — 100	Смешение, спекание, измельчение, выщелачивание	6,9	—	70,8	46,7
Сальцинит — 60	Прямое выщелачивание	—	—	36,5	—
Железная руда — 100	Смешение, спекание, измельчение, выщелачивание	58,0	—	72,0	—
Сода — 150	Прямое выщелачивание	—	—	40,0	—

Цементация металлов

Для цементации, являющейся электрохимическим процессом, необходимо наличие разности потенциалов между отдельными участками поверхности металла. Как было уже установлено, на металлических частицах в вихревом слое разность потенциалов за счет удара и трения достигает величины, достаточной не только для процесса цементации, но и для электролиза. Это явление использовано в новых, основанных на применении вихревого слоя, способах цементации металлов. Цементация железом, никелем или кобальтом меди, золота, серебра, мышьяка, платины и других металлов может быть в АВС весьма эффективной, особенно в тех случаях, когда содержание этих металлов в растворах незначительно.

В табл. 3 приведены данные по цементации платины, палладия, иридия и родия железом в аппаратах АВС-100 при концентрации каждого из металлов 10 мг/л.

 Таблица 3

Содержание платины, палладия, иридия и родия в растворе при различной продолжительности цементации железом

Металл	Содержание металла в растворе, мг/л
	В исходном растворе	через 5 с	через 10 с	через 60 с
Pt	10	3,7	0,013	0,0
Pd	10	0,043	0,0	0,0
Ir	10	0,35	0,024	0,0
Rh	10	1,82	1,82	1,5

Как видно из таблицы, применение АВС для этого процесса весьма перспективно, так как обычно при таких концентрациях металлы практически не извлекаются и сбрасываются со сточными водами.

Важнейшие перспективы в области цементации металлов открывает тот факт, что в вихревом слое можно вести цементацию любого металла любым другим (кроме щелочных), независимо от их взаимного расположения в ряду напряжений. Правда, термин цементация может быть здесь не совсем удачен, так как в АВС при цементации металла, стоящего правее в ряду напряжений, металлом, расположенным левее, первый из них может выделяться и в виде гидроокиси.

Например, алюминий, при цементации его медью, выделяется только в виде Аl(ОН)₃.

Поскольку в вихревом слое электромагнитное поле приводит в движение только ферромагнитные частицы, то для цементации немагнитными металлами следует применять смесь ферромагнитных и немагнитных частиц. При этом необходимо использовать замечательную особенность такого комбинированного вихревого слоя: в водных растворах солей металлов преимущественно один из металлов, находящихся в вихревом слое в виде твердых частиц, переходит в раствор, вытесняя из него растворенный металл. Так, в случае, если вихревой слой создан из частиц никеля и железа, то в раствор сернокислого цинка переходят только ионы железа, вытесняя из него цинк.

В табл. 4 приведены некоторые данные по содержанию металлов после цементации цинка из водных растворов сернокислого цинка в вихревом слое из частиц двух металлов (исходная концентрация цинка — 1 г/л).

Практически для каждого раствора может быть подобран такой состав частиц вихревого слоя, при котором в раствор переходит только тот металл, который должен оставаться в растворе.

Следующей важной особенностью процесса цементации в вихревом слое является тот факт, что различные металлы, находящиеся в обрабатываемом растворе, обладают различной способностью к цементации. По способности быть вытесненным из раствора железом некоторые металлы можно расположить в следующий ряд: Са < Мg < Мn < Ni < Zn < Аl. Отсюда вытекает то важное обстоятельство, что из сложных растворов могут быть извлечены избирательно только те металлы, которые являются излишними, «загрязняющими». Взамен их в раствор могут быть введены по желанию технолога те металлы, которые являются основными. Приведенных примеров достаточно, чтобы сделать вывод о том, что вихревой слой открывает большие перспективы в гидрометаллургических процессах цветной металлургии.

Экстракция

В производстве редкоземельных элементов экстракция является одним из основных методов их получения и разделения. Изменение коэффициента распределения веществ в тройных системах при обработке их магнитными полями и в вихревом слое, а также изменение коэффициента селективности экстракции открывают широкие перспективы применения АВС и метода экстрагирования не только в производстве редких земель, но и в тех производствах, где ранее экстракция была малоэффективной.

Флотация

В обогащении руд флотационным методом большое значение имеют операции оттирки глинистых шламов от флотируемых минералов, активация поверхности частиц минерала и равномерность распределения в пульпе флотреагентов. В производстве, например, калийных солей операцию оттирки осуществляют в горизонтальных аппаратах-смесителях в течение 10—15 мин. Однако из-за больших габаритов оттирочных аппаратов около 30% продукта находится под воздействием ламинарно движущейся жидкости. В результате этого на флотацию подается продукт с большим количеством шлама. Содержащиеся в пульпе тонкодисперсные глинистые шламы, обладающие развитой  по­верхностью, способны абсорбировать значительное количество флотреагентов, что приводит к увеличению расхода реагентов, усложнению процесса и загрязнению концентрата.

В вихревом слое надежная оттирка глинистых минералов осуществляется за доли секунды. На действующих производствах диспергирование реагентов в пульпе осуществляется в контактных чанах или двухвальных смесителях. При таком способе вносимые в пульпу амины распределяются в виде крупных мицелл, что приводит к большому перерасходу аминов (используется их не более 25%). Пенная флотация водорастворимых солей калия (сильвинита) осуществляется в растворах, насыщенных KCl и NaCl. Это требует получения эмульсии флотреагентов, например мазута, в насыщенных растворах. Существую­щее оборудование не позволяет получить такие эмульсии, поэтому в качестве флотреагента применяют обычный мазут, загрязняющий получаемый продукт и мешающий процессу последующей сушки.

В АВС легко осуществляется получение эмульсии мазута в маточном растворе и равномерное распределение аминов в пульпе.

Избирательное дробление и измельчение руды

Возможность избирательного измельчения в вихревом слое может быть использована и в процессах обогащения. Опыты показали, что можно подобрать такой режим работы вихревого слоя, при котором будет интенсивно измельчаться кимберлит, а зерна природных алмазов останутся неповрежденными. Тонкое измельчение кимберлитовой руды в АВС ускоряется по сравнению с измельчением в шаровых мельницах в десятки раз. Кроме того, оно дает возможность извлекать алмазы крупностью менее 0,2 мм. Отсюда видно, что применение вихревого слоя для избирательного дробления минералов может быть весьма эффективным.

Получение дисперсных гидроокисей и карбонатов

Целый ряд производств горной химии связан с получением в качестве промежуточных или окончательных продуктов гидроокисей, карбонатов, оксалатов и других нерастворимых соединений. Образующаяся в вихревом слое в процессе химической реакции твердая фаза обладает дисперсностью, на порядок большей, чем дисперсность этого же вещества, полученного в аппарате с мешалкой. Гидроокиси, карбонаты и оксалаты могут обладать повышенной или пониженной растворимостью, иными магнитными, электрическими и оптическими свойствами, химической активностью. Осаждение их в вихревом слое может быть проведено при pH, отличных от pH осаждения в нормальных условиях. Все эти факты делают вихревой слой весьма перспективным для осуществления целого ряда технологических процессов горной химии.

Перечисленные в этой статье некоторые процессы, безусловно, не исчерпывают всех возможностей вихревого слоя.