Національна академія наук України

Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка

Ващенко Олександр Олексійович

УДК 544.77.052.5

КОЛОЇДНО-ХІМІЧНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ БІОФЛОКУЛЯРНОЇ ТА ЗВОРОТНОЇ КАТІОННОЇ ФЛОТАЦІЇ ЗОЛОТОВМІСНИХ РУД

Спеціальність: 02.00.11 – колоїдна хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі фізико-хімічної геомеханіки Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка Національної академії наук України

Науковий керівник: | доктор хімічних наук, професор

академік РАПН Перцов Микола Валерієвич

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник

Рульов Микола Миколайович,

Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України, завідувач відділу фізико-хімічної гідродинаміки ультрадисперсних систем.

Офіційні опоненти: | доктор хімічних наук, старший науковий співробітник

Поп Григорій Степанович,

Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України,

завідувач відділу поверхнево-активних речовин;

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник

Алексєєв Олег Леонідович,

Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України, головний науковий співробітник.

Провідна установа: | Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова

Міністерства освіти і науки України

(кафедра фізичної та колоїдної хімії), м. Одеса.

Захист відбудеться “ 02 ” червня 2005 р. о 1400 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .209.01 в Інституті біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України за адресою: 03142, Київ, бульв. Академіка Вернадського, 42, к. 132.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України (03142, Київ, бульв. Академіка Вернадського, 42, к. 409).

Автореферат розісланий “ 29 ” квітня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук В. А. Прокопенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Видобуток золота з кожним роком стає усе більш складною задачею, оскільки майже в усіх країнах для розробки залишаються родовища з упорними та бідними рудами. Основна маса цінного компонента таких руд знаходиться у вигляді тонкодисперсних частинок, вилучення яких потребує додаткових зусиль. Значною мірою це характерно для більшості вітчизняних родовищ. Водночас золотовмісні руди України за своїми мінеральними властивостями не мають аналогів у світовій практиці, у деяких родовищ нараховується до п’яти різних типів руд, що значно ускладнює їх переробку.

Вказана ситуація стосується не тільки золотовмісних руд. Прогнози науковців свідчать, що людство незабаром наблизиться до моменту, коли багаті поклади корисних копалин будуть майже вичерпані. Для задоволення потреб промисловості необхідно до переробки залучати руди з тонкодисперсними корисними мінералами або розробляти техногенні родовища, тобто відходи, які накопичувалися людством досить тривалий період.

У зв’язку з цим актуальною стає задача створення більш досконалих екологічно безпечних технологій, що дозволять підвищити вилучення цінного компонента, а також залучати в промислову переробку руди та відходи, збагачення яких раніше було нерентабельним.

Основна мета роботи, в рамках зазначеної проблеми, це дослідження можливості використання біотехнологічних методів, зокрема біофлокулярної флотації, а також процесу зворотної катіонної флотації для збагачення бідних і тонковкраплених золотовмісних руд. Перший заснований на використанні в якості ефективного селективного флокулянта-колектора інтактних (живих) металофільних клітин мікроорганізмів і спрямований на вилучення тонкодисперсного золота. Технологічний прийом зворотної флотації передбачає концентрацію в камерному продукті як самородного золота, так і зв’язаного з різними мінералами, та може бути застосований для вилучення мінералів пустої породи з золотовмісних концентратів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрям дисертаційного дослідження пов’язаний з планами науково-дослідних робіт в Інституті біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України зокрема з держбюджетними темами:

· “Дослідження колоїдно-хімічних процесів і розробка на їхній основі технологій вилучення золота з розчинів та рудних дисперсій; регулювання метаморфізму шламів” (2002–2004 р.р. № Держреєстрації 0102V007050);

· “Біологічні і колоїдні реакції при гетерофазних трансформаціях золота” (2002–2006 р.р. № Держреєстрації 0102V007052).

Мета і задачі роботи. Основною метою роботи було дослідження колоїдно-хімічних закономірностей селективної флокуляції металофільними мікроорганізмами, а також взаємодії катіонних поверхнево-активних речовин (ПАР) з золотовмісними продуктами різного мінералогічного складу та розробка способу флотаційного збагачення бідних та тонковкраплених золотовмісних руд методом біофлокулярної та зворотної катіонної флотації. Для досягнення зазначеної мети були поставлені наступні задачі:

? вивчити колоїдно-хімічні закономірності і механізми селективної флокуляції частинок золота і мінералів металофільними клітинами мікроорганізмів Bacillus cereus і Thiobacillus ferrooxidans;

? дослідити процеси модифікування поверхні частинок золота і мінералів катіонними поверхнево-активними речовинами на основі хлоргідратів первинних амінів (АНП) та на основі ефіродіамінів (PROCOL) і можливість їх застосування як колекторів в процесах сепарації мінеральних фаз;

? дослідити процес біофлокулярної флотації золота і зворотної катіонної флотації модельних систем і запропонувати технологічну схему збагачення бідних та тонковкраплених золотовмісних руд;

? показати можливість використання процесу зворотної катіонної флотації для збагачення золотовмісної сировини.

Об’єкт дослідження – процес флотаційного розділення мінеральних фаз.

Предмет дослідження – процеси біофлокулярної та зворотної катіонної флотації, мономінеральні фракції, модельні системи, технологічні проби золотовмісних руд, бактеріальні культури та катіонні ПАР.

Методи дослідження. Умови процесу флокуляції золота і мінералів клітинами мікроорганізмів вивчали шляхом визначення електрокінетичних потенціалів клітин та біомінеральних агрегатів методом мікроелектрофорезу. Ефективність модифікування поверхні золота і мінералів у процесі акумулювання на них клітин мікроорганізмів і ПАР знаходили експериментальним шляхом вимірюванням крайових кутів змочування і кількості адсорбованих речовин. Флотаційні дослідження проводили з використанням стандартної флотаційної машини імпелерного типу. Вміст золота в пробах визначали атомно-абсорбційним методом і пробірного аналізу. В роботі використані методи оптичної, електронної та скануючої електронної мікроскопії для характеристики предметів дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів. Набуло подальшого розвитку уявлення про вибірковість металофільних штамів бактеріальних клітин Bacillus cereus у відношенні частинок золота і мінералів, а тим самим можливість використання їх як флокулянтів-колекторів одних компонентів і депресорів інших при флотаційній сепарації багатокомпонентних мінеральних систем. Показано, що утворення біомінерального агрегату, що переходить у пінний продукт (концентрат) у процесі флотації має місце в результаті гетерокоагуляції клітин і частинок золота. При цьому клітина є основним чинником, що визначає величину заряду флокул, що утворюються, їх склад, вміст цінного компоненту та здатність до флотації, як у модельній системі клітина-золь золота, так і в більш складних мінеральних системах. Вперше досліджувався нетрадиційний спосіб флотаційного вилучення золота катіонними ПАР на основі хлоргідратів первинних амінів та на основі ефіродіамінів. Встановлено, що вказані катіонні речовини активно адсорбуються на поверхні кварцу, підвищуючи її гідрофобність та флотованість при практично повному інгібуванні переходу золота в пінний продукт, що є основною стадією процесу зворотної флотації золота.

Практична значимість роботи. Результатом проведених досліджень є запропонована технологічна схема флотаційного збагачення бідних і тонковкраплених золотовмісних руд із застосуванням процесу біофлокулярної флотації, що дозволяє підвищити вилучення золота в середньому на 10…15за рахунок використання в якості вибіркового флокулянта-колектора інтактних клітин металофільних мікроорганізмів, і зворотної катіонної флотації, що дозволяє одержувати більш якісні золотовмісні концентрати. За технологією зворотної катіонної флотації золотовмісних руд отримано патент № від 16.12.2003 р.

Особистий внесок здобувача. Відбір та підготовка зразків для експерименту та аналізів робилися автором особисто. Здійснення основного експерименту, пошук та обробка літературних джерел з досліджуваної проблеми, підготовка друкованих праць виконані автором самостійно. Планування експерименту, обговорення та узагальнення отриманих результатів виконані у співпраці з д.х.н., проф., академіком РАПН М. В. Перцовим та д.х.н. М. М. Рульовим. Частина роботи, що стосується розробки процесу зворотної катіонної флотації золота, а також інтерпретація отриманих при цьому результатів виконано за допомогою с.н.с., к.т.н. А. О. Пінчук. Дослідження з теоретичних основ і практичного використання біофлокулярної флотації виконувались при консультації та у співпраці з д.х.н., проф. З. Р. Ульберг. Електронно-мікроскопічні дослідження проводилися за участю головного спеціаліста О. Г. Савкіна, н.с., к.х.н. Л. Г. Марочко брала участь у роботах по визначенню електрокінетичних потенціалів досліджуваних об’єктів.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на всеукраїнській конференції молодих вчених з актуальних питань хімії (Україна, Київ, травень 2003 р.); четвертій міжнародній конференції CERECO’2003 (Hungary, Miskolc–Tapolca April 2003), а також на міжнародній науковій школі з механічної обробки дисперсних матеріалів і середовищ ВІБРОТЕХНОЛОГІЯ (Україна, Одеса серпень 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 наукових праць у провідних наукових журналах, у тому числі 3 тези доповідей, отримано Патент України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел (115 найменувань). Робота викладена на 104 сторінках машинописного тексту, ілюстрована 16 таблицями та 31 рисунком.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовані мета та задачі дослідження, визначені предмети і об’єкти дослідження та ідея роботи, показано її наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, а також особистий внесок здобувача.

Перший розділ містить огляд літературних джерел в якому розглянуто сучасний стан проблеми вилучення тонкодисперсного золота з руд. Розглянуто й проаналізовано переваги та недоліки флотаційного методу вилучення золота з бідних руд. При цьому було сформульовано проблему та показано, що перспективними методами для вилучення тонкодисперсного золота можуть бути флотаційні методи, а саме біофлокулярна флотація, мікрофлотація та флотація з попередньою вибірковою флокуляцією. Встановлено, що передумовами вирішення проблеми може бути поєднання методів біофлокулярної флотації та зворотної катіонної флотації. Це визначило необхідність подальшої теоретичної та експериментальної роботи по встановленню закономірностей процесу флотації, що базуються на ключових поняттях колоїдно-хімічної науки, таких як поверхневі явища, коагуляція, флокуляція та адсорбція на міжфазних межах, тощо.

У другому розділі розглянуто об’єкти та методи даного дослідження.

В якості мінеральних об’єктів дослідження використовували монофракції основних мінералів, які були виділені з технологічних проб золотовмісних руд, самі технологічні проби, модельні суміші мінеральних компонентів, а також ряд проміжних продуктів гравітаційного збагачення руд Мужіївського родовища.

Як флокулянти та колектори мінеральної фази використовувались клітини мікроорганізмів Bacillus cereus та Thiobacillus ferrooxidans, що представлені в Колекції мікроорганізмів Інституту біоколоїдної хімії НАН України м. Київ. Перша культура попередньо була адаптована до золота, а також підвищена її резистентність до інших важких металів. При проведенні флотаційних робіт використовували наступні колектори: для прямої флотації з переведенням золота в пінний продукт (концентрат) використовували бутиловий ксантогенат калію; у дослідах по зворотній флотації використовували катіонний колектор марки АНП, що є сумішшю хлоргідратів первинних амінів, та катіонний колектор фірми “Ciba” на основі ефіродіамінів з торговельною маркою PROCOL.

В експериментах по вивченню взаємодії бактеріальних клітин з мінералами використовували тонкодисперсні фракції галеніту, піриту і кварцу. Середній розмір частинок складав 0,5...2 мкм. Більш тонкі фракції одержували шляхом відмулювання з мономінеральних дисперсій.

Вивчення поверхневих взаємодій флотаційних реагентів і бактеріальних культур з досліджуваними мінералами включало: дослідження зміни електрокінетичного потенціалу; визначення адсорбції флотаційних реагентів на поверхні мінералів; визначення крайових кутів змочування. Після вивчення поверхневих властивостей проводились флотаційні дослідження. Флотаційне виділення дисперсних мінеральних фаз здійснювали на однокамерних флотаційних машинах механічного типу.

Експериментальні дані оброблялися загальноприйнятими статистичними методами. Кожне значення вимірюваної величини є середнім значенням не менш як трьох рівнобіжних вимірів.

Третій розділ присвячено дослідженням механізмів біофлокулярної флотації та особливостям взаємодій катіонних ПАР з мономінеральними фракціями.

Процес біофлокулярної флотації припускає використання інтактних клітин мікроорганізмів як активного колектора тонкодисперсного золота або вміщуючих його мінералів, поряд з використанням інших необхідних реагентів для формування біомінеральних агрегатів. Реалізація різноманітних взаємодій між компонентами складної багатофазної системи, досить складна задача, і тому у формуванні селективного процесу флотації за участю мікроорганізмів важливі наступні фактори:

? властивості мікроорганізмів, а саме, їхня спрямована взаємодія з певним металом і резистентність у відношенні до інших, що містяться в руді;

? відповідності і відмінності електрокінетичних потенціалів частинок золота, мінералів та клітин і взаємне модифікування їхніх поверхонь;

? встановлення гідрофільно-гідрофобного балансу на поверхні частинок золота і мінералів при взаємодії їх із клітинами і поверхнево-активними речовинами;

? флокуляція частинок золота клітинами мікроорганізмів з утворенням біоагрегатів з поверхнею, підготовленою до взаємодії з бульбашкою повітря і подальшої флотації.

Для демонстрації властивостей мікроорганізмів були обрані дві бактеріальні культури Bacillus cereus та Thiobacillus ferrooxidans, які підготовлені відповідним чином для взаємодії з частинками золота і мінералів — піритом, галенітом, арсенопіритом та сфалеритом. Експериментальні результати, що характеризують процес селективної гетерокоагуляції між досліджуваними клітинами і частинками обраних мінералів, представлені на рис. та 2. Проведені експерименти показали, що в однаковому ступені важлива як природа мінералу, так і особливості бактеріальних клітин. За своєю здатністю до агрегації з культурою Bacillus cereus вивчені мінерали розташовуються в порядку зменшення таким чином: золото > пірит > галеніт > арсенопірит > сфалерит. Взаємодія клітин останнім мінералом практично відсутня. У випадку з Thiobacillus ferrooxidans цей ряд значно змінюється: пірит > галеніт > арсенопірит > сфалерит > золото. Взаємодія клітин цієї культури з золотом та сфалеритом практично не спостерігалася.

Рис. 1. Залежність залишкової оптичної густини (Д/Д0) клітинної суспензії Bacillus cereus після взаємодії з частинками:

1 – золю золота;

2 – галеніту;

3 – сфалериту;

4 – піриту;

5 – арсенопіриту.

Вміст частинок твердої фази 3,5 мкг/мл. |

Рис. 2. Залежність залишкової оптичної густини (Д/Д0) клітинної суспензії Thiobacillus ferrooxidans після взаємодії з частинками:

1 – золю золота;

2 – галеніту;

3 – сфалериту;

4 – піриту;

5 – арсенопіриту.

Вміст частинок твердої фази 3,5 мкг/мл.

При цьому слід відзначити два виявлених моменти. Перший полягає в тому, що закономірності, які спостерігаються, мають місце тільки при використанні інтактних клітин і при цьому їхня ефективність істотно залежить від фізіологічної активності самих клітин. Другий момент простежується на рисунках 1, і показує, що агрегація мінеральної фази відбувається при порівняно невисокому масовому співвідношенні біомаси та мінералу і складає 0,5…2 на 1 г мінералу. Час перебігу процесу гетерокоагуляції клітин та мінеральних частинок не перевищує 5…20 хвилин.

Обрані бактеріальні культури виявляють значні розбіжності у взаємодії з поверхнею пластинок золота та мінералів. Насамперед, вони виявляються, у кількості адсорбованих на них клітин. Так, кількість адсорбованих клітин Bacillus cereus на поверхні золота значно вища ніж для інших поверхонь, при цьому досягається більш висока швидкість акумулювання клітин. Максимальна кількість біомаси зв’язується з поверхнею золота за 30 хвилин, у той час як у випадку мінералів процес закінчується тільки через 60…80 хвилин. Закріплення клітин на поверхні золота, як показали дослідження, може мати як зворотний так і незворотний характер. Клітини, адсорбовані протягом перших 30 хвилин можуть ресуспендуватися в дисперсійному середовищі. Більш тривалий контакт клітин з поверхнею золотої пластинки робить таке закріплення незворотним. Що ж стосується взаємодії клітин з поверхнею мінералів, то в цьому випадку їх закріплення має завжди незворотний характер. Інша картина виявляється у випадку культури Thiobacillus ferrooxidans. Максимальна кількість адсорбованих клітин спостерігається на поверхні піриту та галеніту, і мінімальна на золотій пластинці.

Отримані дані про взаємодію клітин Bacillus cereus і Thiobacillus ferrooxidans з частинками золота і золотовмісних мінералів дозволяють зробити висновок, що в процесі флотації золота доцільно використовувати клітини Bacillus cereus, які активно фло-кулюють частинки тонкодисперсного золота, яке найчастіше втрачається в процесах промислової флотації. Тому основну увагу в проведених дослідженнях було приділено ролі клітин Bacillus cereus щодо перебігу колоїдно-хімічних процесів у застосуванні до флотації.

Використання клітин мікроорга-нізмів як селективного флокулянта-ко-лектора одного з компонентів складної мінеральної композиції має у своїй основі значні відмінності у властивостях поверхні мінералу, який вилучається, і продуктів, що залишаються. Основним тут стає вплив клітин на гідрофільно-гідрофобні й електричні властивості мінералів при їхній взаємодії. Як відбувається взаємодія між окремими об’єктами, що характеризується певними значеннями електрокінетичного потенціалу, можна простежити на рис. …6.

Так клітини Bacillus cereus у фосфатному буфері мають значення ?-потенціалу –34 мВ. Частинки золю золота в цих же умовах мають близький
?-потенціал (–35 мВ). Додавання золю золота до дисперсії клітин (рис. ) призводить до збільшення їх ?-потенціалу до –50 мВ, який досягається при концентрації золю золота 10–3 г/дм3. Подальше збільшення концентрації золю золота призводить до падіння ?-потенціалу клітин і досягнення вихідних значень. Підвищення від’ємних значень, ?-потенціалу клітин при додаванні практично рівних за величиною і знаком заряду частинок вихідних суспензій, як показали раніше проведені дослідження, пов’язано з фізіологічною активністю клітини. Зниження ж ?-потенціалу клітин з подальшим підвищенням концентрації золю золота відбувається відповідно процесу інактивації клітин. Крім того, експериментально відзначено, що при концентраціях золю золота, що перевищують 10–3 г/дм3, заповнення поверхні клітини стає менш однорідним за рахунок агрегації частинок золю. По суті, має місце взаємодія клітин з агрегатами, що укрупнюються при підвищенні концентрації золю і вона практично припиняється при концентрації золю більше ніж 10–2 г/дм3.

На рис. представлено зміну значень ?-потенціалів клітин Bacillus cereus в залежності від їх концентра-ції в дисперсії. При цьому концентра-ція золю золота була постійною та складала 3,54 ? –3 г/дм3. Тут спосте-рігається залежність, аналогічна по-передній (рис. ) з максимумом, що дорівнює (–46 мВ) відповідним концентрації клітин 140 мкг/мл. Залежність має екстремальний характер і в обох мінімумах клітини мають
?-потенціал близький до вихідного (–36…–38 мВ).

Додавання в цю систему частинок кварцу, піриту і галеніту в значній мірі змінює картину. Причому характер їхнього впливу на систему клітини Bacillus cereus - золь золота дуже подібний (рис. …6). В усіх випадках при додаванні мінералів залишається залежність, що характеризується максимумом, який відповідає концентрації клітин у межах 160…180 мкг/мл. При цьому клітини вводилися вже в суміш суспензій золю золота й одного з мінералів. Одноманітно на трьох графіках знижується загальний рівень значень
?-потенціалів клітин. Їхні максимальні значення дорівнюють: у випадку суміші частинок золю і кварцу –33 мВ; у випадку суміші частинок золю і галеніту
–35 мВ; та у випадку суміші частинок золю і піриту –39 мВ.

Отримані результати в якійсь мірі моделюють багатокомпонентну мінеральну систему. При цьому частинки мінералів, як правило, мають низькі значення ?-потенціалів (–10…–15 мВ). Мінерали захоплюються клітинами разом із золотом і знижують загальний ?-потенціал утвореного біоагрегату. Однакова ж картина для всіх трьох мінералів вказує на реалізацію неспецифічних взаємодій цих мінералів із клітинами Bacillus cereus і їх біоагрегатів з золотом. Ці взаємодії можна пояснити як біологічну реакцію клітини та продуктів її життєдіяльності на зовнішній вплив. У той же час характер кривих, який збігається з максимумом близьким до системи Bacillus cereus - золь золота, свідчить про те, що ці взаємодії зберігаються й у більш складних мінеральних системах і що можливе встановлення певних співвідношень між клітинами та частинками золота.

Співвідношення клітин, частинок золота і мінералів в утворених агрегатах, є важливим параметром у процесі флотації, оскільки від цього залежать міцність та забезпечення їх прилипання до бульбашки. В табл. наведені значення концентрацій золю золота при яких починається коагуляція клітин Bacillus cereus.

Таблиця 1.

Пороги коагуляції суспензій клітин Bacillus cereus золем золота
(вихідна концентрація золю золота 0,0425 г/дм3)

Концентрація клітин, мкг/мл | Порог коагуляції (концентрація золю золота), г/дм3

45 | 0,7 Ч 10–3

105 | 1,32 Ч 10–3

140 | 1,2 Ч 10–3

180 | 1,3 Ч 10–3

З таблиці видно, що з підвищенням концентрації клітин Bacillus cereus від 45 мкг/мл до 105 мкг/мл, порог коагуляції (концентрація) золю золота збільшується. З подальшим підвищенням вмісту клітин до 180 мкг/мл значення порогів коагуляції, залишаються практично постійними.

Отримані результати досить добре корелюють з даними, приведеними на рис. …6. Вони також дозволяють припустити, що таке оптимальне співвідношення між кількістю золота в руді і кількістю біомаси, що вводиться в неї для забезпечення ефективної флотації, може коливатися в невеликих межах для кожної системи і, що важливо для технології, концентрація клітин, як правило, може відповідати концентрації золота.

Співвідношення між кількістю клітин і кількістю частинок золота у флокулі яка має бути флотована, визначає також інший важливий для флотаційного процесу параметр — гідрофільно-гідрофобна природа поверхні агрегату, яка залежить від крайового кута змочування поверхні частинок, що входять у його склад. В табл. наведені результати вимірів крайового кута змочування поверхні мінералів та золота.

В загальному випадку взаємодія клітин з поверхнею мінеральної або золотої пластини повинна призводити до зниження загальної гідрофобності. На відміну від класичних ПАР клітина не має значної гідрофобної складової у вигляді вуглеводневого радикалу. Але разом з тим вона має на своїй ліпідній поверхні, з якої складається її мембрана, значну кількість функціональних груп, що входять до складу білків клітинної мембрани. Це групи, що також визначають її гідрофільність. Можна думати, що при малих концентраціях клітин, (для кварцу це 10 мкг/мл у вихідній суспензії, для галеніту і золота це відповідно 20 і 60 мкг/мл), має місце зв’язування цих груп з активними центрами зазначених поверхонь. Тому гідрофільно-гідрофобний баланс на досліджуваних поверхнях підтримується з досить високим значенням крайового кута змочування для даної системи. При збільшенні концентрації біомаси досягається ефект поступового зниження кута змочування за рахунок багатошарового формування клітин або їх агрегатів. Слід відзначити, що для поверхні галеніту і пластинки золота, де наявна специфічна взаємодія з золотофільними клітинами, має місце повільне зростання гідрофільності. В той час як у випадку кварцу, де така взаємодія відсутня, кут змочування знижується дуже різко.

Отримані закономірності використані при досліджені флотації модельної суспензії тонкодисперсного золота, результати якого наведені в табл . Слід відзначити, що флокуляція та флотація тонкодисперсного золота не відбувається без наявності бактеріальних клітин, тобто у присутності лише колектора (бутилового ксантогенату калію).

Таблиця 3.

Ефективність біофлотації тонкодисперсного золота від концентрації біомаси
Bacillus cereus в присутності бутилового ксантогенату калію (БКК)

Кількість біомаси, мг/г | Час агітації, хв. | Концентрація БКК, мг/л | Вміст золота, %

пінний концентрат | фільтр | остаточна суспензія–

2 | 20 | 0 | 0 | 100

2 | 2– | 7,4 | 18,2 | 74,4

2 | 2 | 20 | 36,2 | 8,5 | 55,3

60 | 2– | 44,9 | 50,7 | 4,4

60 | 2 | 20 | 92,8 | 3,7 | 3,5

120 | 2 | 20 | 83,2 | 15,6 | 1,2

Дослідження адсорбції катіонних ПАР на поверхні мінералів показали, що за кількістю адсорбованої речовини досліджені мінерали можна розташувати в ряд у порядку збільшення: золото > пірит > галеніт > кварц. У порівнянні з кварцем (рис.  а) сорбція ПАР на поверхні золота практично відсутня (рис.  б). Важливо відзначити, що адсорбція досліджуваних амінів-колекторів на поверхні кварцу здійснюється досить швидко (рис. ). Повне насичення поверхні відбувається протягом 5 хвилин контакту. При цьому на поверхню переходить з розчину до 90…95PROCOL921 і до 70АНП. Це дуже важливий показник процесу флотації, особливо того варіанта, коли флотується основна маса пустої породи. Адсорбція досліджуваних колекторів на поверхні інших мінералів відрізняється від кварцу по двох основних параметрах (рис. 9). Насамперед, це більш тривалий час контакту для досягнення адсорбційної рівноваги (10…12 хвилин). По-друге, на поверхню галеніту переходить 10…12розчинених ПАР, на поверхню піриту тільки 8…10а на поверхню золота усього 5…6Такі кількості адсорбованого колектора на поверхні частинок не роблять істотного впливу на гідрофільно-гідрофобні властивості останніх, а, отже, і на флотованість мінералу. Значна розбіжність у часі адсорбції ПАР на поверхні кварцу і зазначених мінералів є одним з факторів, що забезпечують сепарацію кварцу від галеніту, піриту і золота в процесі зворотної флотації.

Між величиною крайового кута змочування, що характеризує гідрофобність поверхні і результатами флотації мінералів, немає прямого кількісного зв’язку. Проте, підвищення гідрофобності поверхні обумовлює поліпшення флотованості і навпаки. Так, крайовий кут змочування поверхні кварцу в присутності обох досліджених катіонних ПАР збільшується. Це дає підставу думати, що молекули обох сполук розташовуються функціональними аміногрупами до поверхні й утворення поверхневих сполук має місце з формуванням водневого зв’язку з ОН– групами силікатів. При цьому вуглеводневі ланцюги обернені у розчин, внаслідок чого поверхня гідрофобізується. Зворотна картина має місце при адсорбції PROCOLі АНП на поверхні галеніту і золота. Спостерігається практично однаковий ефект зниження величини крайового кута в досліджуваному діапазоні концентрацій ПАР. Виявлений ефект гідрофілізації поверхні свідчить про те, що адсорбція ПАР відбувається зі зворотною орієнтацією.

Отримані результати дозволяють стверджувати, що обрані як колектори ПАР будуть сприяти флотації кварцу, пригнічуючи виділення в камерний продукт сульфідних мінералів і золота. Ці висновки підтверджуються дослідженнями з флотації зазначених мінералів у присутності обраних ПАР.

У четвертому розділі отримані дані покладені в основу для розробки оптимальних технологічних показників по кожному процесу. В частині біофлотації здійснювався вибір показників по таких факторах як час агітації, час флотації, витрата біомаси і колекторів. В частині зворотної флотації був зроблений вибір найбільш придатного колектора та підібрані необхідні технологічні параметри флотаційного процесу.

На прикладі біофлотації хвостів Мужіївської ЗВФ, (табл. ) слід зазначити наступне. По-перше, досить високий ступінь вилучення золота 87,5і низький вміст золота в хвостах 0,16що цілком відповідає відвальним. По-друге, також можливість достатньо високого вилучення срібла.

Таблиця 4.

Результати біофлотації з використанням мікроорганізмів Bacillus cereus

№ з/п | Продукти | Вихід, % | Вміст, г/т | Вилучення, % | Умови флотації

Au | Ag | Au | Ag

1 | Об’єднаний концентрат
Хвости
Вихідна руда
| 6,50
93,50
100
| 3,39
0,42
0,61
| 7,92
0,54
1,02 | 35,9 | 50,5 | Т:Ж = 1:5
БКК – 100 г/т
Т-80 – 60 г/т
без мікроорганізмів
загальний час флотації – 30 хв

2 | Об’єднаний концентрат
Хвости
Вихідна руда
| 5,4
94,6
100
| 1,68
0,16
0,71
| 1,93
0,25
0,78 | 87,5 | 89,1 | Т:Ж = 1:5
БКК – 100 г/т
Т-80 – 60 г/т
мікроорганізми – 65 г/т
загальний час флотації – 30 хв

Проведені експерименти дозволяють зробити висновок про те, що використання процесу біофлокулярної флотації приводить до підвищення вилучення золота в середньому на 10…15

Дослідження селективності катіонних ПАР по відношенню до мінеральних компонентів золотовмісних руд здійснювалось на модельній системі у вигляді мономінеральних фракцій та трикомпонентної суміші, що містила золото, галеніт і кварц у співвідношенні 1:2:7 відповідно. Отримані дані показали, що в діапазоні витрат від 100 до 120 г/т колектор PROCOLдемонструє явну перевагу в селективності відносно колектора АНП. Тут слід зазначити, що процес флотації всіх модельних сумішей колектором PROCOLдуже швидкоплинний: вже після 60…90 секунд зфлотована основна частина матеріалу з цілком задовільними показниками. При цьому утворюється добре мінералізована і досить стійка піна.

Для виявлення залежностей перебігу флотаційного процесу в часі були проведені відповідні дослідження з кінетики зворотної катіонної флотації мономінеральних фракцій. Аналіз кінетики флотації кварцу і галеніту заснований на експериментальному визначенні зміни вилучення мінералу в часі та математичному опису знайденої залежності. При цьому швидкість флотації визначається часом, потрібним для досягнення необхідного вилучення.

У процесі виконання кінетичних досліджень виявлялася залежність між часом флотації і ступенем вилучення мінералу в пінний продукт, витрата колекторів при цьому складала 100 г/т. Аналіз кінетики показав, що флотація галеніту обома колекторами PROCOLта АНП і флотація кварцу (рис. , криві 2, 3 і 4 відповідно) колектором АНП проходить увесь час з постійною швидкістю, про що свідчить прямолінійна залежність. Опукла форма кривої флотації кварцу колектором PROCOL(рис. , крива ), свідчить про зменшення швидкості флотації до кінця процесу. Така залежність пояснюється тим, що на початку видаляються найбільш легкофлотовані зерна кварцу і зменшення концентрації колектора в пульпі.

П’ятий розділ містить опис схеми (рис. ) флотаційного вилучення золота на прикладі бідної руди з вмістом золота 1,28 г/т. При розрахунку показників для зворотної флотації використано дані, отримані на модельних сумішах. Тут у пінний продукт (хвости) вилучається залишок породних мінералів, що міститься в концентраті основної флотації, за рахунок чого помітно зростає вміст золота в камерному продукті (концентраті). В результаті об’єднання двох отриманих концентратів, можна одержати загальний концентрат з вмістом золота 16,83 г/т і сумарним вилученням 86Об’єднані хвости в свою чергу будуть вміщувати 0,18 г/т золота, що є цілком прийнятним показником при вилученні 14

ВИСНОВКИ

1. Дослідженнями процесів гетерокоагуляції клітин Bacillus cereus з частинками золота і мінералів (кварцу, піриту і галеніту) показано, що в процесі взаємодії частинок золота з клітинами мікроорганізмів має місце утворення біомінеральних агрегатів. Це свідчить про специфічну взаємодію колоїдного золота зі структурами клітинної поверхні, яка не виявляється при взаємодії з мінералами.

2. Показано, що інтактна (жива) клітина є базовим елементом, який визначає заряд утвореного біомінерального агрегату і склад зв’язаних у ньому різних мінеральних компонентів.

3. Показано, що використання катіонних поверхнево-активних речовин типу АНП і PROCOLдозволяє модифікувати поверхню кварцу, що сприяє ефективному переводові основної його маси в пінний продукт і накопиченню золота в камерному продукті при зворотній флотації.

4. Модельні дослідження флотації високодисперсних частинок золота з індивідуальних і складних сумішей з галенітом, піритом, і кварцем у присутності клітин Bacillus cereus і бутилового ксантогенату калію показали, що максимально ефективний процес флотації відбувається при спільному впливі клітин і бутилового ксантогенату калію.

5. Дослідженнями флотації модельних сумішей катіонними колекторами показано можливість використання процесу зворотної катіонної флотації для збагачення золотовмісної сировини.

6. Встановлено можливість використання біофлокулярної і зворотної катіонної флотації при збагаченні бідних та тонковкраплених золотовмісних руд з метою запобігання втрат тонкодисперсного золота й одержання більш чистих золотовмісних концентратів. За даними проведених експериментів пропонується технологічна схема.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Перцов Н. В., Ващенко А. А., Ульберг З. Р. Избирательная гетерокоагуляция микроорганизмов с минералами. Биофлотация // Доповіді Національної академії наук України. – 2004. – № . – С. 137–142. (проведення експерименту, участь в обговоренні результатів та написанні статті)

2. Перцов М. В., Ващенко О. О., Подольська В. І., Ульберг З. Р. Колоїдно-хімічні біотехнології в збагаченні золотовмісної сировини // Наукові вісті Національного технічного університету України “КПІ”. – 2004. – № . – С. –129. (проведення експериментальної роботи, участь в обговоренні результатів та написанні статті)

3. Патент України 70605, МКІ 7 В03D1/00, В03D1/02. Спосіб вилучення золота із мінеральної сировини / О. О. Ващенко, А. О. Пінчук, М. В. Перцов. – Бюл. № . – 15.10.2004. (участь у проведенні експерименту та оформленні Патенту)

4. Макивчук О. Ф., Пинчук А. А., Ващенко А. А., Перцов Н. В., Попов Н. И. Особенности вещественного состава руд месторождений Майское и Балка Широкая и возможности применения нетрадиционных технологий для извлечения золота из них // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2003. – № . – С. 12–20. (проведення експериментальних досліджень, участь в обговоренні отриманих результатів та написання статті)

5. Перцов Н. В., Ващенко А. А. Особенности применения обратной катионной флотации для извлечения золота из руд // Международный периодический сборник научных трудов “Обработка дисперсных материалов и сред” Одесса: НПО “ВОТУМ” – 2003. – Вып. . – С. 148–151. (постановка та проведення експерименту, обговорення отриманих результатів та написання статті)

6. VashchenkoPertsovPossibilities of application of back cationic flotation for gold extraction // The 4 th International Conference on Carpathian Euroregion Ecology “CERECO’2003” Proceedings. – April 28–30, 2003. – Miskolc–Tapolca, Hungary. – P. 359–365. (обговорення експериментальних результатів та написання тез)

7. Ващенко А. А., Перцов Н. В. Возможности применения обратной катионной флотации для извлечения золота из руд месторождений Майское и Балка Широкая // Тез. доп. Всеукраїнської конференції молодих вчених з актуальних питань хімії (26–30 травня 2003 р.). – Київ: Інститут хімії поверхні НАН України, 2003. – С. 159. (обговорення експериментальних результатів та написання тез)

8. Перцов Н. В., Ващенко А. А. Возможности применения обратной катионной флотации для извлечения золота из руд // В сб. научных трудов XIII ежегодной международной научной школы “Вибротехнология – 2003” (август 2003 г.). – Одесса: НПО “ВОТУМ”, 2003. – Вып. . – С. 101. (обговорення експериментальних результатів та написання тез)

АНОТАЦІЯ

Ващенко О. О. Колоїдно-хімічні закономірності біофлокулярної та зворотної катіонної флотації золотовмісних руд. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.11 – колоїдна хімія. Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України, м. Київ, 2005 р.

Дисертацію присвячено вивченню колоїдно-хімічних закономірностей флотаційного вилучення золота методами біофлокулярної та зворотної катіонної флотації з метою підвищення ефективності виділення тонкодисперсного золота та отримання більш чистих золотовмісних концентратів. Виявлено найбільш важливі чинники які впливають на флотаційний процес і дозволяють підвищити його ефективність та керувати ним.

Дослідженнями гетерокоагуляції мінеральних частинок з бактеріальними клітинами показано, що клітина є основним чинником, який визначає величину заряду флокули, як у модельній системі клітина-золь золота, так і в більш складних мінеральних системах. Встановлено, що катіонні речовини АНП і PROCOLактивно адсорбуються на поверхні кварцу, підвищуючи її гідрофобність та флотованість що сприяє ефективному переводу основної його маси в пінний продукт і накопиченню золота в камерному продукті, що є основною стадією процесу зворотної флотації золота.

На основі знайдених закономірностей запропоновано технологічну схему флотаційного збагачення золотовмісних руд із застосуванням процесів біофлокулярної і зворотної катіонної флотації.

Ключові слова: біофлокулярна флотація, гетерокоагуляція, зворотна флотація, катіонні колектори, тонкодисперсне золото, флокуляція.

АННОТАЦИЯ

Ващенко А. А. Коллоидно-химические закономерности биофлокулярной и обратной катионной флотации золотосодержащих руд. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.11 – коллоидная химия. Институт биоколлоидной химии им. Ф. Д. Овчаренко НАН Украины, г. Киев, 2005 г.

Диссертация посвящена изучению коллоидно-химических закономерностей флотационного извлечения золота методами биофлокулярной и обратной катионной флотации с целью повышения эффективности выделения тонкодисперсного золота и получения более чистых золотосодержащих концентратов.

В работе исследованы процессы гетерокоагуляции клеток Bacillus cereus с частицами золота, кварца, пирита и галенита. Установлено, что в процессе взаимодействия частиц золота минералов, имеет место специфическое взаимодействие коллоидного золота со структурами клеточной поверхности, которое не обнаруживается при агрегировании с минералами. Показано, что интактная клетка является базовым элементом, который определяет заряд образующегося биоминерального агрегата и избирательность во взаимодействии клетки с различными минеральными компонентами.

Модельные исследования флотации высокодисперсных частиц золота из индивидуальных и сложных систем показали, что максимально эффективный процесс флотации обнаружен при совместном воздействии клеток и бутилового ксантогената калия.

Установлена возможность использования биофлокулярной и обратной катионной флотации при обогащении бедных и тонковкрапленных золотосодержащих руд. На основе найденных закономерностей предложена технологическая схема флотационного обогащения золотосодержащих руд.

Ключевые слова: биофлокулярная флотация, гетерокоагуляция, обратная флотация, катионные коллекторы, тонкодисперсное золото, флокуляция.

ABSTRACT

Vashchenko“Colloid-chemical regularities of bioflocculation and reverse cation flotation of gold-containing ores” – Manuscript.

The thesis on the competition for scientific degree of Candidate of Sciences (chemistry) on the speciality 02.00.11 – colloid chemistry. F. D. Ovcharenko Institute of Biocolloidal Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv City, 2005.

The thesis is devoted to study of the colloid-chemical regularities of the gold flotation extraction by the bioflocculation and reverse cation flotation methods to increase the efficiency of fine disperse gold extraction and the production of purer gold-containing concentrates.

The processes of the heterocoagulation between Bacillus cereus cells and gold, quartz, pyrite, galena particles have been investigated. It has been shown that an intake cell is a basic element determining the charge of being formed biomineral aggregate and selectivity in the interaction between a cell and different mineral components. The maximum effective process of flotation was revealed during the joint influence of cells and potassium butyl xanthogenate.

The possibility of use of bioflocculation and reverse cation flotation while enriching depleted and fine ingrained gold-containing ores has been established. The mentioned processes are directed to the prevention of losses of fine disperse gold and the production of conditioned gold-containing concentrates. On the base of the found regularities the technological flowsheet for the flotation enrichment of gold-containing ores has been proposed.

Key words: bioflocculation flotation, heterocoagulation, reverse flotation, cation collectors, fine disperse gold, flocculation.