Научно-технический прогресс постоянно увеличивает антропогенное воздействие на природную среду, и особое место здесь занимают горнодобывающая и горно-перерабатывающая промышленности. Отходы горных предприятий, сконцентрированные в различного рода отвалах, хвостохранилищах и складах, являются источниками загрязнения, как почв, так и водоемов [5–9].
В тоже время не нуждается в доказательстве тот факт, что значительная часть накопленных и продолжающих накапливаться отходов может быть использована для получения, как металлов, так и других полезных компонентов, ранее недоизвлеченных.
Координальным решением проблемы рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей природной среды от загрязнений является широкое внедрение малоотходных и ресурсосберегающих технологий, которые позволили бы более комплексно использовать природные минеральные ресурсы.
Одним из направлений выше изложенной проблемы является проблема доизвлечения ценных металлов, из техногенных вод горнодобывающих предприятий [4, 10]. Особенно актуальным является извлечение из сточных вод горнодобывающих предприятий Южного Урала меди и цинка, содержание которых колеблется в широких пределах и достигает 450 мг/дм3 меди, 950 мг/дм3 цинка (таблица) [5, 10, 11].
Содержание металлов в сточных водах ГОКов Челябинской области
|
Элемент |
Ед.изм |
Гайский ГОК |
Сибайский ГОК |
||
|
Сброс в карьер |
Вода до очистки |
Подотвальные воды |
Сброс в хвостохранилище |
||
|
Сu2+ |
мг/дм3 |
38,51 |
248,01 |
35,91 |
18,91 |
|
Zn2+ |
мг/дм3 |
– |
163,56 |
106,93 |
– |
|
Fе3+ |
мг/дм3 |
172,60 |
309,27 |
0,67 |
156,53 |
|
Рb2+ |
мг/дм3 |
8,41 |
0,086 |
– |
1,47 |
|
Са2+ |
мг/дм3 |
265,87 |
102,55 |
108,37 |
210,99 |
|
Мg2+ |
мг/дм3 |
12,00 |
449,31 |
1282,53 |
16,64 |
Нерациональное использование имеющихся в стране природных ресурсов приводит к тому, что только 1,5–2,0 % из них превращается в товарный продукт, а остальное в виде систематических выбросов, стоков и других отходов поступает в окружающую среду [1,2]. Последующая отработка этих объектов и разработка технологий использования конечных продуктов позволяет повысить рентабельность производства, улучшить состояние атмосферы и водных ресурсов, а также сократить накопление отходов и отчуждение земель под их хранение.
Традиционные способы переработки сточных вод этих предприятий предполагают их нейтрализацию с использованием классических методов осаждения [3, 5]. Практически все горнопромышленные предприятия Уральского региона для обработки сточных вод в настоящее время используют метод известкования, позволяющий выделять основную массу тяжелых и цветных металлов в виде гидроксидов и основных солей без их разделения, и, следовательно, без дальнейшей переработки получаемых осадков в техногенные продукты и выделения из них цветных металлов. Осадки после известкования в дальнейшем не используются, поступают в хвостохранилища, из года в год, увеличивая их объемы.
В связи с этим, возникает проблема селективного извлечения меди либо до, либо после нейтрализации сточных вод, а также возможности дальнейшего использования получаемых осадков.
На сегодняшний день существует множество методов извлечения металлов из сточных вод в зависимости от концентрации металлов в них и объемов производства. На эффективность извлечения меди из раствора существенно влияет начальная концентрация катионов в растворе. При высоких концентрациях степень извлечения существенно увеличивается и в некоторых методах может достигать 100%. Поэтому наиболее актуально стоит вопрос об эффективности извлечения меди из вод с низкой концентрацией.
В связи с этим в рамках представленной работы исследовали свойства различных реагентов, позволяющих достаточно селективно и эффективно извлекать малые концентрации катионов меди и цинка (0,5–5 мг/дм3) из сточных вод горно-перерабатывающих предприятий Южного Урала, что позволило бы осуществлять практически безотходное извлечение меди и цинка из природных минеральных ресурсов, а также снизило бы негативное воздействие на водоемы Южного Урала (ПДК Сu2+).
На начальном этапе исследования изучались условия излечения цветных металлов и в первую очередь – меди из кислых рудничных вод горно-обогатительных предприятий Южного Урала. Реализация указанной цели возможна только при наличии соответствующего комплекса методов исследования. В связи с этим была поставлена задача выбора достаточно чувствительной, надежной и экспрессной методики определения содержания меди (II) в анализируемых водных растворах.
В сточных водах обогатительных фабрик содержание меди варьируется в широких пределах в зависимости от места отбора проб в технологической цепочке, температуры, сезонности. Поэтому в ходе исследования возникла необходимость: во-первых, подбора соответствующих методик определения высоких, средних и низких содержаний меди (II); во-вторых, их адаптации к целям исследования с учетом возможности совместного определения нескольких элементов (Сu2+, Fе3+, Zn2+, Мn2+, Сd2+ и др.) и, в-третьих, с учетом устранения мешающего влияния на результаты анализа присутствия сопутствующих элементов.
Изучение степени осаждения ионов меди (II), цинка, железа (II) и железа (III) проводилось в двухкомпонентных и четырехкомпонентных модельных системах. рН модельных систем устанавливали в интервале от 0,90 до 12,50. С целью учета колебаний суточного и сезонного состава сточных вод исходные концентрации катионов металлов в системах задавались в следующих пределах: для ионов меди (II) – от 0,01 до 1,0 г/дм3; для ионов цинка – от 0,01 до 2,5 г/дм3; ионов железа (II) и железа (III) – от 0,1 до 5,0 г/дм3.
В ходе исследования для установления содержания меди (II) мы выбрали следующие методики:
– для высоких и средних концентраций меди (II) – метод йодометрического титрования и аммиачный спектрофотометрический метод;
– для микроколичеств меди(II) – фотометрические методы с пикрамин эпсилоном и диэтилдитиокарбаматом свинца.
Основной целью нашего исследования являлось извлечение меди и др. тяжелых металлов из сточных вод горных предприятий, то методы определения остаточного содержания ионов меди (II) после ее извлечения, то есть методы определения микроколичеств меди оказались особенно значимыми для работы.
Сущность метода спектрофотометрического определение ионов меди(II) с пикрамин эпсилоном заключается в том, что катионы Сu2+ в слабокислой среде образуют с пикрамин эпсилоном стойкое комплексное соединение малиново-красного цвета.
Также при отработке методики и ее адаптации к целям исследования была изучена возможность определения меди (II) в присутствии катионов железа (III). Для этого проведено две серии экспериментов: серия 1 – в отсутствии ионов Fе3+ (фоновая концентрация ионов меди 0,005–0,06 мг/дм3) и серия 2 – в присутствии 1 мг/см3 ионов Fе3+ (концентрация 0,5 и 1,0 мг/дм3).
Экспериментальные данные, полученные для построения калибровочных графиков представлены на рис. 1 и 2.
Сущность метода спектрофотометрического определения ионов меди (II) с диэтилдитиокарбаматом свинца основано на образовании окрашенного внутрикомплексного соединения желтого цвета – диэтилдитиокарбамат меди при взаимодействии ионов меди(II) с диэтилдикарбаматом свинца по схеме:
Сu2+ + Рb(ДДК)2 => Сu(ДДК)2 + Рb2+,
где (ДДК)2 – ион диэтилдикарбамат.
Рис. 1. Калибровочные кривые зависимости оптической плотности раствора от концентрации ионов Сu2+ (при введении мешающих катионов и без введения)
Рис. 2. Калибровочные кривые зависимости оптической плотности раствора от концентрации ионов Сu2+ (при введении мешающих катионов железа III и без введения)
Полученные зависимости свидетельствуют об отсутствии мешающего влияния катионов железа (III) на определение меди данным методом – калибровочные кривые практически совпадают.
Таким образом, выбранная и адаптированная к исследуемым технологическим растворам методика в ходе дальнейшей работы позволяет с достаточной точностью определять остаточные макроколичества меди в исследуемых растворах.