Қазақстан Республикасының Білім және ғылым Министрлігі Д. Серікбаев атындағы ШҚМТУ | Министерство образования и науки Республики Казахстан ВКГТУ им. Д. Серикбаева |
УТВЕРЖДАЮ
Декан горно-металлургического
Факультета
---------А. Адрышев
«___»_______2014г.
МИНЕРАЛДЫҚ ШИКІЗАТТЫҢ БАЮШЫЛЫҚТЫҢ ҮДЕРІСТЕРІНДЕ
Өңдеудің физико-химиялык заңдылықтары
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ
МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ В ПРОЦЕССАХ ОБОГАЩЕНИЯ
Методические указания к выполнению СРОП и СРО работы
Специальность: 6М073700 – Обогащение полезных ископаемых
Өскемен
Усть-Каменогорск
2014
Методические указания разработаны на кафедре химии, металлургии и обогащении на основании учебного плана магистерской профильной подготовки магистрантов специальности 6М073700 – Обогащение полезных ископаемых
Методические указания обсуждены на заседании кафедры
Зав. кафедрой
Протокол № ___ от «____»__________2014г.
Одобрены методическим Советом горно-металлургического факультета
Председатель
Протокол № ___ от «____»__________2014г.
Разработал
к. т.н., доцент
Нормоконтроль
УДК 628.57;519 (0.75.18)
Реутова -химические закономерности переработки минерального сырья в процессах обогащения. Методические указания по СРОП и СРО для магистрантов специальности 6М073700 «Обогащение полезных ископаемых. / ВКГТУ.- Усть-Каменогорск, 2014. - 13 с.
Методические указания содержат современные положения физико-химического анализа технологии обогащения металлургического сырья на примерах исследования инновационных процессов: теоретический материал по вопросам основных научных и экспериментальных методов дробления, измельчения, флотации, гравитационных, электромагнитных методов обогащения, включая выщелачивание рудного сырья с протеканием химических реакций вскрытия минералов с учетом требования к решению практических задач выполнения научных исследований в области обогащения полезных ископаемых.
Утверждены на заседании методического Совета горно-металлургического факультета
Протокол № ____ от ___________2014
© Восточно-Казахстанский
государственный
технический университет
2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Физико-химические закономерности переработки минерального сырья в процессах обогащения как научный инструмент объяснения результатов исследований по оптимизации процессов обогащения полезных.
1 Физико-химический анализ на примерах процессов обогащения, обеспечивающих вскрытие целевых компонентов руды в окислительно-восстановительной среде. 1.1 Стехиометрический баланс окислительно-восстановительных реакций как основа к расчету физико-химических характеристик исследуемых процессов обогащения.
1.2 Термодинамический метод анализа физико-химического моделирования исследуемого процесса обогащения.
1.3 Совершенствование технологии обогащения с применением
физико-химических закономерностей переработки минерального сырья.
2Индивидуальные задания:
2.1 Стехиометрический баланс окислительно-восстановительных реакций к расчету физико-химических характеристик исследуемых процессов обогащения.
2.2 Термодинамические расчеты по уравнениям окислительно-восстановительных реакций вскрытия минералов;
2.3 Анализ физико-химических исследований процессов обогащения к задачам в области диссертационной темы.
Список литературы.
Приложения:
ермодинамические характеристики металлургических процессов.
Рис. А1
Приложения:
ермодинамические характеристики металлургических процессов.
Приложение Б
Физико-химический анализ технологических процессов в обоГАЩЕНИИ РУДНОГО СЫРЬЯ, связанных с протеканием химических реакций
Научное и методическое значение законов физической химии определяют их общность и универсальность в применении к сложным технологическим процессам вскрытия руды с последующей технологической схемой получения металлов. Выщелачивание руды в присутствии сильных окислителей используют при переводе в раствор благородных металлов. В приложении к химическим реакциям различных технологических процессов необходимо при выполнении любых количественных расчётов по уравнениям реакций использовать стехиометрические коэффициенты, подтверждающие соблюдения материального, электронного и эквивалентного балансов. В частности, для перевода в раствор серебра из серебряных сплавов, содержащих золото, применяют методы селективного выщелачивания серебра. Так как серебро растворимо в азотной кислоте, а золото нерастворимо, при выщелачивании сплава азотной кислотой протекает реакция:
4Ag + 6HNO3 = 4AgNO3 + NO + NO2 + 3H2О (1)
Серебро переходит в раствор, с дальнейшим осаждением из раствора в виде хлорида и восстановлением до металла с помощью железного скрапа. Золотой осадок промывают, сушат и плавят в слитки. Технологический расчёт включает определение следующих показателей:
- количество окислителя на один моль растворенного серебра;
- объем выделившихся газов (NO и NO2) на моль-эквивалент восстановителя при нормальных условиях (V1);
- объем «нитрозных» газов (NO и NO2), при условии, что на один моль серебра взять один моль азотной кислоты (нитрозные газы окисляют с целью регенерации азотной кислоты).
Для определения n(Ox) необходимо схему реакции заменить уравнением с указанием стехиометрических коэффициентов.
Метод электронного баланса позволит одновременно с нахождением коэффициентов определить количество окислителя, что указывает: на 4 моля серебра приходится по одному молю оксидов NO и NO2.
Таким образом, из шести молей азотной кислоты только два моля являются окислителями; значит на 1 моль растворенного серебра приходится 0,5 молей окислителя при условии практической необратимости реакции.
Число эквивалентности серебра {z(Ag)} равно одному молю, определяемому количеством молей электронов, отданных молем восстановителя. Это указывает, что один моль серебра содержит один моль эквивалентов восстановителя. По уравнению реакции на один моль серебра выделяется 0,5 моль нитрозных газов (NO + NO2), что при нормальных условиях по закону Авогадро соответствует 11,2.
При соотношении исходных Ag и HNO3 в количестве 1 : 1 с одним молем HNO3 прореагирует 2/3 моль серебра, а 1/3 моль серебра останется в избытке.
Значит, объем выделившихся газов составит (2/3)V1, т. е. 11,2 × (2/3) = 7,47.
2 Термодинамический метод анализа в технологии процессов обогащения
Термодинамические характеристики. Критериями направленности технологических процессов являются термодинамические потенциалы (энтальпия, внутренняя энергия, энергии Гельмгольца и Гиббса) при постоянстве их естественных переменных. В электрохимических гидрометаллургических системах важным критерием направленности процессов являются электродные потенциалы окислительно-восстановительных систем. В соответствии с первым и вторым началом термодинамики в каждом состоянии системы сохраняется взаимосвязь термодинамических функций: энтальпии (Н), энтропии (S) и свободной энергии Гиббса (G) при постоянных Т и Р:
ΔG = ΔH – TΔS (2)
т. е. переход системы из начального состояния в конечное сопровождается изменением всех термодинамических функций системы; при этом следует помнить, что по определению функции Н, S и G – функции состояния системы, а это значит: их изменение не зависит от пути процесса и определяется только начальным и конечным состоянием системы. С помощью этих функций можно выразить все термодинамические свойства, поэтому они носят название «характеристические функции». Характеристичность термодинамической функции имеет место только при наборе ее естественных переменных
Н (S, Р, ni); S (U, V, ni)
G (P, T, ni); S (H, P, ni)
Характеристические функции называют термодинамическими потенциалами, если их убыль в равновесных процессах, происходящих при условии постоянства соответствующих естественных переменных, равна максимальной полезной работе процесса, что характеризует функции: энергии Гиббса и Гельмгольца (G и F), энтальпию и внутреннюю энергию.
Частные производные термодинамических потенциалов по интенсивным параметрам дают сопряженные экстенсивные параметры, а частные производные по экстенсивным параметрам – сопряженные интенсивные параметры.
; 
(3)
Термодинамическая возможность, направление и полнота протекания процесса (химических реакций, образования раствора и т. п.) определяются знаком и численным значением свободной энергии Гиббса (в общем случае, значением термодинамических потенциалов).
Для реакции общего вида:
aA + bB ⇔ rR + dD + ΔH, ΔS, ΔG (при Р, Т – idem) (4)
ДG < 0 процесс протекает самопроизвольно в прямом (
) направлении;
ДG = 0 химическое равновесие.
Изменение энтальпии в уравнении (4) называют энтальпийным фактором процесса, а выражение «ТДS» - энтропийным фактором общего критерия (ДG) при оценке направленности процесса.
Самопроизвольному процессу способствует сочетание условий: ДН < 0; ДS > 0.
Реакции, для которых ДН > 0; ДS < 0 термодинамически невозможны. Таким образом, разные знаки ДН и ДS свидетельствуют о термодинамической возможности лишь односторонних процессов, а одинаковые знаки ДН и ДS указывают на возможность протекания процесса как в прямом, так и в обратном направлении; если факторы (ДН) и (ТДS) соизмеримы по абсолютной величине, то реакция практически обратима; критерием равновесия служит равенство:
ДН = ТДS; (5)
В частных случаях, когда ДS = 0, критерием термодинамической возможности процесса служит энтальпийный фактор (знак и величина теплового эффекта процесса); при ДН = 0 критерием служит энтропийный фактор. Таким образом, изоэнтропийные процессы могут быть только экзотермическими, а изоэнтальпийные самопроизвольно протекают с ростом энтропии.
При расчете ДG, ДН и ДS необходимо привести все термодинамические характеристики к одинаковым стандартным условиям при температуре Т: для газов – парциальное давление каждого газообразного компонента равно 1 атм (101325 ПА); для индивидуальных твердых и жидких веществ – чистые (100 %) конденсированные фазы при Рi = 1 атм и для компонентов раствора, в том числе и для ионов, Сi = 1 моль/дм3.
ДGТ связано с ДGо уравнением:
ДGТ = 
(6)
Необходимо учесть, что стандартная энергия Гиббса по определению не зависит ни от давления, ни от концентрации, а лишь от температуры и природы веществ. Если знак ДG позволяет судить однозначно о направлении процесса, то знак 
в общем случае, этой информации не несет, так как 
отвечает процессу при стандартных условиях. Но можно считать, что при 
<< 0 процесс осуществим не только в стандартных, но и в заданных реальных условиях. Ориентировочно принято считать, если 
кДж/моль процесс можно считать в принципе реализуемым в прямом 
или в обратном 
направлениях. Если величина 
по абсолютному значению невелика, то путем соответствующего изменения условий можно изменить направление процесса. Очевидно, что условие 
= 0 не является критерием равновесия, можно лишь однозначно судить о величине константы равновесия: Кр = 1.
Аналитические методы исследования рудного сырья на основе фазовых диаграмм
Кристаллизация из водного раствора – один из простых способов регенерации солей и метод извлечения ценных металлов из раствора после выщелачивания.
Диаграмма состояния водного раствора двух солей с эвтоникой и одноименным ионом, представленная треугольной диаграммой (приложение В), позволяет графо-аналитическим методом определить состав сопряженной фазы для любого интересующего состава одной из двух фаз и массы равновесных фаз.
Вершины концентрационного треугольника отвечают чистым Н2О и солям: S1 и S2. Точка е1 показывает массовую долю соли S1 в водном насыщенном растворе. Кривая е1Е определяет растворимость S1 в водных растворах соли S2 разного состава, а кривая е2Е – растворимость S2 в растворе соли S1. В точке Е раствор насыщен обеими солями (эвтоника). Любая точка на поле между вершиной Н2О и кривой е1Ее2 отвечает ненасыщенным растворам солей. Любые точки на поле S1е1Е и S2е2Е отвечают двухфазным системам, соответственно, раствор соли – S1 и раствор соли – S2.
Точки поля S1ЕS2 определяют трехфазные системы: водный раствор состава Е и кристаллы солей S1 и S2.
Фазовое равновесие в водном растворе двух солей с одноименным ионом на примере испарения воды (изотермический процесс) из ненасыщенного раствора двух солей, состав которого отвечает (•) О (рисунок Б.1).
При изотермическом испарении воды соотношение масс обеих солей не изменяется и фиг. (•) О будет перемещаться по прямой ОК. В точке «а» начинается кристаллизация соли S2, в точке «b» в равновесии с кристаллами S2 находится водный раствор состава «b1», в точке «d» из раствора состава «Е» начинает кристаллизоваться одновременно с солью S2 соль S1 (трехфазное равновесие). При дальнейшем испарении воды (до полного удаления) состав раствора «Е» не изменяется, что соответствует нонвариантному равновесию. Массы сопряженных (равновесных) фаз определяют по правилу рычага в области двух фаз: массы равновесных фаз относятся как обратные плечи коноды; конода - линия соединяющая составы двух равновесных фаз. Состав равновесных фаз определяют по концам коноды (приложение Б).
Индивидуальные задания: определить составы и массы равновесных фаз при кристаллизации из раствора для фигуративной точки (n) по заданию преподавателя (приложение В).
2Индивидуальные задания: по заданию преподавателя.
2.1 Стехиометрический баланс окислительно-восстановительных реакций к расчету физико-химических характеристик исследуемых процессов обогащения.
2.2 Термодинамические расчеты по уравнениям окислительно-восстановительных реакций вскрытия минералов;
2.3 Анализ физико-химических исследований процессов обогащения к задачам в области диссертационной темы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
, , . Пути совершенствования технологии обогащения кварц-флюоритовых руд Казахстана // Инновационные разработки в горно-металлургической отрасли: Материалы VI Международной конференции ВНИИцветмет, - Усть-Каменогорск, 2011. – С.147-151. Тропман реагенты для интенсификации процессов флотации / // Передовые технологии добычи и перерпботки рудного минерального сырья: сб. науч. Тр./ ВНИИцветметю – Усть-Каменогорск, 2007.- С. 27-30. Влияние некоторых физико-химических характеристик на флотационные свойства диалкилдитиофосфатов, получ]нных путем комбинирования исходного сырья / и др. //Цветные металлы. -2008, - №5, С. -17 Физико-химические свойства новых реагентов собирателей / // Инновационные разработки для горно-металлургической отрасли: сб. науч. Тр. / ВНИИцветмет.-Усть--Каменогорск, 2008. – С. 67-72.-
5 Космуханбетов испытания комбинированной технологии переработки золотосодержащей сульфидной руды месторождения «АСИ» (КНР) с предварительным электрохимическим окислением сульфидной руды и цианидным выщелачиванием золота / , , и др. // Инновационные разработки в горно-металлургической отрасли: Материалы VI Международной конференции ВНИИцветмет, - Усть-Каменогорск, 2011. – С.171-173..
6 Турнов применения технологии биоокисления при переработке упорных руд Суздальского золотосульфидного месторождения/ , , // Инновационные разработки для горно-металлургической отрасли: сб. науч. Тр. / ВНИИцветмет.-Усть--Каменогорск, 2011. – С. 137-141..
7 Глембоцкий физико-химии флотационных процессов / .- М,: Недра, 1980. – 471 с.
8 Сулаквелидзе флотации сплошной и вкрапленной медных руд / , , // Современное горно-металлургическое производство: : сб. науч. Тр. / ВНИИцветмет.-Усть--Каменогорск, 2008. – С. 45-48.
9 , Крагачев -химические методы исследования флотационного процесса, - Ереван: Из-во Айастану, 1980. – 205 с.
10 Бектурганов -химические и флотационные свойства новых флотореагентов / , , // Инновационные разработки для горно-металлургической отрасли: сб. науч. Тр. / ВНИИцветмет.-Усть--Каменогорск, 2011. – С. 157-161..
11 Сопоставление вариантов цианирования окисленных золотосодержащих концентратов / // Цветные металлы, - М.: 2005, №2, С.18-20
12 Испытание ионита нового поколения в оборотных циклах сорбции золота из пульпы / // Цветные металлы, - М.: 2005, №1, С. 48-50
13 Проблемы россыпной золотодобычи /// Цветные металлы, - М.: 2007, №2, С.69-71
14 Новый способ извлечения золота из техногенных песков / // Горный журнал, - М.: 2002, №2, С.47-50
15 Абрамов обогащения окисленных и смешанных руд цветных металлов, - М.: 1986, - 302с.
16 Абрамов , обогащение и комплексное использование полезных ископаемых: Учебник для вузов в
-х томах: Т.1 Обогатительные процессы и аппараты, - М.: МГУ, 2009, -470с.; Т2 Технология обогащения полезных ископаемых, - М.: МГУ, 2009, -510с.
17 , , Самыгин полезных ископаемых на обогатимость. М.: Недра, 1974. С. 59-73.
18 Космуханбетов свойства и точки нулевого заряда сульфидных минералов/ , , // Инновационные разработки в горно-металлургической отрасли: Материалы VI Международной конференции ВНИИцветмет, - Усть-Каменогорск, 2011. – С.184-185..
19 Космуханбетов оценка устойчивости сульфгидрильных комплексов цветных металлов/ , , // Инновационные разработки в горно-металлургической отрасли: Материалы VI Международной конференции ВНИИцветмет, - Усть-Каменогорск, 2011. – С.171-173..
20 Пирматов разложения флотационного ренийсодержащего молебденитового концентрата с карбонатом натрия методом спекания/ , . // Инновационные разработки для горно-металлургической отрасли: сб. науч. Тр. / ВНИИцветмет.-Усть--Каменогорск, 2007. – С. 141-143..
21 , , Ходаковский термодинамических величин. – М: Атомиздат, 1971. – 239 с.
Приложение А
(рекомендуемое)
Термодинамические характеристики образования растворов, сопровождающихся химическими реакциями
1 – Энтальпийный и энтропийный факторы образования растворов
1 – Изменение термодинамических функций при образовании растворов
Термодинамические функции | ||||
|
|
| a |
|
Идеальный раствор | ||||
0 |
|
|
|
|
Регулярный раствор | ||||
|
|
|
|
|
Реальный раствор | ||||
|
|
|
|
|
