В статье приводятся результаты исследований по применению импульсного электрического  разряда в водных средах для подготовки (предварительного дробления и промывки) кварцевого песка в стекольной промышленности. Исследован усредненный гранулометрический и элементный состав кварцевых песков месторождения «Мураевня» (разведанные запасы составляют 31 млн. тонн). Показана эффективность предложенного способа обработки кварцевого песка для его последующей очистки промыванием от нежелательных примесей (прежде всего оксидов железа и глины), определены предварительные параметры процесса обработки, изменения гранулометрического и элементного состава сырья, удельные энергозатраты на его обработку. Основным преимуществом технологии является то, что она позволяет получать недостижимую при стандартно промывке степень очистки кварцевого песка от примесей за счет разрушения агрегированных с частицами оксида кремния загрязнений.

Ключевые слова: устойчивое развитие, минимизация отходов, промышленная экология, импульсный электрический разряд в водной среде, очистка кварцевого песка

Введение

Концепция устойчивого развития в числе прочего подразумевает необходимость снижения удельного количества промышленных выбросов и отходов на единицу продукции. В крупнотоннажных производственных процессах данное требование является безусловным приоритетом совершенствования технологий, поскольку даже минимальное сокращение выбросов и отходов приводит к значительному абсолютному снижению воздействия на окружающую среду и экономических издержек. Так же важен отказ от использования (минимизация использования) уникальных видов сырья, запасы которых ограничены (трудны для разработки), поскольку их истощение (удорожание) ставит под вопрос устойчивую работу предприятий в будущем. Стекольная промышленность сочетает в себе масштабность,  потребность в качественном сырье и высокую энергоемкость, поэтому использование инновационных способов очистки и подготовки сырья является важным элементом обеспечения ее устойчивого развития.

Материалы и методы

Исходным материалом является кварцевый песок Горно-обогатительного комбината «Мураевня» (Милославский район, Рязанская область, Россия – координаты Google Maps
53.4828254,39.4700061).

Для общей характеристики песка месторождения было отобрано 30 проб из различных участков, для технологических экспериментов песок был отобран с карты намыва «ГОК «Мураевня» в количестве 150 кг.

Изучение образцов проводили с использованием оптического микроскопа «МБС-10» производства ОАО «ЛОМО» (Россия) и сканирующего электронного микроскопа «TESCAN VEGA 3 SBH2, производства компании TESCANBRNO (Чешская Республика). Электронно-оптическая система: источник электронов — вольфрамовый катод с термоэлектронной эмиссией. Детекторы сигналов: детектор вторичных электронов типа Эверхарта–Торнли и детектор отраженных электронов сцинцилляторного типа на основе высокочувствительного кристалла YAG (алюмо-иттриевого граната). Подготовка образцов — напыление золотом.

Подготовка опытной электрогидравлической установки.

Электрогидравлическая установка [1,2] (Рисунок 1) состоит из электрической части (на рисунке не показана) и механической части, представляющей собой емкость, оснащенную разрядной камерой с рабочим разрядником и системой циркуляции рабочей жидкости и пульпы.

Приемная часть, в которой скапливается раздробленный материал выполнена в виде прямой вертикальной трубы.

Рисунок 1 -  Схема установки

На рисунке 2 показан общий вид экспериментальной установки. В рабочую емкость вода подается снизу и вытекает через четыре верхних полиэтиленовых сливных трубопровода на фильтр из геотекстиля.

Первая ступень разделения фракций происходит в рабочей емкости. Крупность вымываемой фракции определяется скоростью потока жидкости внутри рабочей емкости. Регулируя скорость подачи воды можно регулировать размер вымываемой фракции.

Вторая ступень разделения происходит на фильтре из геотекстиля. На геотекстиле остаются фракции, которые он не пропускает.

Фракции, проходящие через геотекстиль отстаиваются в специальной емкости под геотекстилем. Это еще одна ступень разделения фракций. Расход вымывающего потока воды по опыту подобной работы был установлен на уровне 17 л/мин.

Рисунок 2 - Опытная электрогидравлическая установка для обогащения кварцевого песка.

 

Результаты и обсуждение

На первом этапе была получена усредненная гранулометрическая характеристика песка месторождения и проведено его сравнение с песком из отобранной для исследования партии (рисунок 3). 

Рисунок 3 - Образец исходного песка

 

Сравнительная диаграмма (рисунок 4) показывает, что в целом исходный кварцевый песок не слишком сильно отличается по фракционному составу от среднего по карьеру песка. Но в исходном песке значительно больше крупных фракций и меньше самых мелких фракций.

Рисунок 4 -  Сравнительная гистограмма гранулометрического состава песка, отобранного для эксперимента (фиолетовый цвет столбцов) и среднее значение по месторождению (коричневый цвет столбцов)

 

Элементный состав песка, отобранного для эксперимента, определялся с помощью электронного микроскопа (рисунок 5). Количественные данные представлены в таблице 1.

Рисунок 5 – Исследование микроэлементного состава песка из исходной партии

 

Таблица 1 – Элементный состав образца песка из исходной партии

Точка на изображении, приведенном на рисунке 3	Содержание элементов, % масс.									Σ
	C	O	Mg	Al	Si	K	Ca	Ti	Fe
Спектр 1		67.82		2.44	29.74					100.00
Спектр 2		54.86		3.14	22.80				19.20	100.00
Спектр 3	4.01	54.91	0.33	3.01	36.32	0.37			1.05	100.00
Спектр 4	0.00	62.78	0.58	7.48	25.27	0.72	0.30	0.18	2.69	100.00
Спектр 5	7.44	54.26	0.41	3.10	32.44	0.20	1.63		0.52	100.00
Спектр 6		69.51		2.20	28.29					100.00
Спектр 7	7.94	59.36		1.88	29.97				0.85	100.00

 

Наличие большого количество железа в исходной пробе песка подтверждается общеизвестной качественной реакцией с использованием роданида аммония [3] (рисунок 6).

Рисунок 6 – Качественная реакция на железо с исходным песком

Таким образом, необходима обработка исходного песка, для удаления нежелательных примесей, прежде всего, оксида железа (Fe₂O₃). Нами предлагается обработка песка электрическим разрядом в водной среде, при этом происходит дробление части песка и высвобождение частиц примесей, что  позволяет получить практически чистый кварцевый песок.

Подбор условий обработки песка проводился методом полного факторного эксперимента. Изучали выход фракций, элементный состав, цвет песка и затраты электроэнергии. План эксперимента, выход  фракций и затраты энергии приведены в таблице 2 (масса экспериментальной пробы 5 кг по сухому весу).

Таблица 2 – План и результаты эксперимента по очистке песка

Номер опыта		1.1	2.1	3.1	4.1	5.1	6.1	7.1	8.1
Факторы:	Емкость рабочего конденсатора, мкФ	25	25	40	40	25	25	40	40
	Напряжение разряда, кВ	0,25	2	0,25	2	0,25	2	0,25	2
	Количество разрядов	200	200	200	200	600	600	600	600
Унос мелких фракций, % масс. по сухому весу		5,75	14,66	6,59	52,28	4,12	31,68	20,62	69,21
Затраты энергии, кВт/ч		0,05	0,05	0,06	0,16	0,06	0,14	0,10	0,30

Для дальнейшего исследования пробы отбирались по цвету органолептически. Наиболее чистый белый цвет имели пробы из опытов 6.1., 7.1. и 8.1. Эти пробы рассеивались на аналитических ситах и в них определялось содержание железа.

Полученные данные гранулометрического состава отобранных вариантов, сведенные в одну гистограмму,  (Рисунок 7), позволяют провести сравнительный анализ изменения фракционного состава кварцевого песка в процессе обогащения.

Из рисунка 7 видно, что режимы обработки влияют на фракционный состав - во всех вариантах происходит существенное уменьшение самой крупной фракции. Т.е. имеет место додрабливание крупных фракций и размыв глинистых агрегатов. Резко уменьшается количество фракций до 2.5 мм и меньше 0.1 мм. Мелкие фракции вымываются рабочей жидкостью. Вместе с тем и в связи с этим идет устойчивое увеличение содержания фракций 0,2-2 мм.

Далее было проведено определение элементного состава обогащенного кварцевого песка. Результаты приведены на рисунках 8-10 и в таблицах 3-5. Из таблиц 3-5 видно, что в опыте 7.1. содержание железа уменьшилось в два раза, а в опытах 6.1. и 8.1. они совсем отсутствуют. Поскольку в варианте 7.1. обнаружено железо, данный режим следует исключить из рассмотрения.

Рисунок 7 -  Гранулометрический состав проб, полученных в результате обработки исходного кварцевого песка (цвет столбцов: красный – варианта 6.1; зеленый - 7.1; синий – 8.1)

Рисунок 8 – Исследование микроэлементного состава песка (варианта 6.1.)

 

Таблица 3 - Элементный состав образца обработанного песка (варианта 6.1)

 

Рисунок 9 – Исследование микроэлементного состава песка (варианта 7.1.)

 

Таблица 4 - Элементный состав образца обработанного песка (варианта 7.1)

 

Рисунок 10 – Исследование микроэлементного состава песка (варианта 8.1.)

 

Таблица 5 - Элементный состав образца обработанного песка (варианта 8.1)

 

Выводы

1.Обработка кварцевого песка импульсным электрическим разрядом в водной среде позволяет практически полностью удалить нежелательные примеси, в первую очередь, оксиды железа.

2.Фракционный состав получаемого материала и степень его обогащения регулируются подбором режимов.

3.Затраты энергии на обогащение одной тонны исходного кварцевого песка могут составить до 12 кВтч.

 

Список литературы

1. N Martynov, V Dobromirov, D Avramov, V Miroshkin, Electrohydraulic pretreatment method for the purpose of complex enrichment of fine clay ores of weathering crust, Journal of Physics: Conference Series 1614, 012056, https://doi.org/10.1088/1742-6596/1614/1/012056
2. N Martynov, D Avramov, G Kozlov, M Pushkarev, Pulsed electric discharge in an aqueous medium for
   processing raw amber, Journal of Physics: Conference Series 1614, 012060, https://doi.org/10.1088/1742-6596/1614/1/012060
3. Основы аналитической химии практическое руководство Учебник для высшей школы Под редакцией акад. Ю. А. Золотова, д-ра хим. наук Т. Н. Шеховцовой и канд. хим. наук К. В. Осколка М.: Лаборатория знаний, 2017. — 462 с. : ил. ISBN 978-5-00101-037-1