Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Достижение поставленной цели проекта будет осуществляться путём реализации научных тематик, соответствующих направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»). Финансирование этих научных тематик будет осуществляться за счёт внебюджетного и/или конкурсного бюджетного финансирования, в том числе средств гранта в форме субсидии из федерального бюджета, предоставленного на оказание поддержки Программы развития УрФУ на 2021-2030 гг. в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Постановление Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 года № 729), которые будут направлены на реализацию научной тематики «Создание новых гидрометаллургических интеллектуальных технологий вскрытия полиметаллического упорного сырья цветных металлов», прошедшей конкурсный отбор.
Описание реализуемой за счёт средств ПСАЛ «Приоритет 2030» научной тематики «Создание новых гидрометаллургических интеллектуальных технологий вскрытия полиметаллического упорного сырья цветных металлов»:
Решаемая проблема.
В настоящее время во всем мире становится актуальной проблема истощения запасов высококачественного сырья цветных металлов. Сложность строения вовлекаемого в переработку сырья, взаимное прорастание минералов друг в друге и в пустой породе, ультрадисперсное состояние благородных и редких металлов неизбежно приводят к их значительным потерям на различных стадиях технологических процессов (обогащение, фильтрация и т.д.). В переработку все чаще вовлекаются низкокачественные руды и концентраты, в том числе с повышенным содержанием токсичных компонентов (мышьяка, сурьмы, свинца и др.), что ведет к неизбежному их накоплению в полупродуктах существующих технологий, зачастую не позволяющих эффективно перерабатывать данное сырье, что приводит к их значительному накоплению и складированию на специальных полигонах. Следовательно, вовлечение в переработку подобного низкокачественного сырья выдвигает новые требования к технологическим процессам, их автоматизации, экологическому контролю на предприятиях цветной металлургии.
По нашему мнению, недостаточно изученными остаются фундаментальные научные проблемы – установление физико-химических закономерностей и описание механизмов процессов совместного окислительного выщелачивания различных упорных минералов цветных металлов, их влияние на скорость взаимного окисления в зависимости от природы реагентов – окислителей, катализаторов, растворителей, возникающих поверхностных явлений на границах раздела фаз с образованием пленок и промежуточных продуктов изучаемых взаимодействий и т.д.
Например, сульфидные минералы цветных и благородных металлов обладают полупроводниковыми свойствами и могут растворяться в окислительных условиях, образуя электрохимические пары, где один минерал выступает в роли катода, а второй – в роли анода, при этом окислительный потенциал пары может снижаться. Разность потенциалов, возникающая, когда два сульфида помещены в раствор, вызывает ускоренное окисление и растворение того сульфида, который расположен ниже в ряду потенциалов и, наоборот, задерживает окисление стоящего выше. Потенциал одного и того же сульфида значительно изменяется в зависимости от природы раствора, наличия катализаторов, природы окислителя и степени поляризации. Поэтому порядок окисления и растворения сульфидов также может изменяться в зависимости от различных условий.
В связи с этим актуально проведение комплексных исследований по созданию новых методов переработки подобных сложных полиметаллических материалов, с селективным выделением цветных, благородных и редких металлов в товарные продукты, утилизацией токсичных промпродуктов в виде экологически безопасных отходов.
Для решения поставленных научных проблем будут привлечены современные математические методы. Сложность создания моделей, позволяющих подбирать оптимальные условия и соотношения материалов с заданными параметрами, используя только математическое планирование экспериментов, для одновременного достижения наибольшей энерго-, ресурсо- и эколого-экономической эффективности, заключается в сборе значительного количества переменных данных, для анализа которых требуется проведение большого объема экспериментов. При этом полученные модели будут применимы только для конкретного вида сырья ввиду изменяющихся его свойств от месторождения к месторождению. Поэтому для решения этой проблемы будут использованы инструменты математического планирования экспериментов и последующего построения моделей с помощью нейронных сетей многослойного персептрона, а также вариантов TensorFlow с глубоким обучением, которые затем можно будет использовать на других видах сырья с предварительным дообучением.
Актуальность решения обозначенной проблемы.
Актуальность решения обозначенной проблемы заключается в необходимости поиска новых способов переработки подобного упорного полиметаллического сырья, т.к. вследствие истощения запасов руд богатых полезных ископаемых и, как следствие, необходимости вовлечения в переработку низкосортных многокомпонентных материалов рудного и техногенного происхождения, зачастую содержащих токсичные компоненты (мышьяк, сурьма, свинец и др.), действующие производственные технологии не отвечают современным требованиям экономической эффективности, ресурсо- и энергосбережения и экологического контроля. Даже современные процессы, такие как сверхтонкое измельчение, бактериальное окисление, высокотемпературное автоклавное выщелачивание, автогенные процессы и пр. не всегда позволяют достигать приемлемых показателей эколого-экономической эффективности при переработке подобного сложного сырья. Поэтому приобретает особую научную значимость создание новых гидрометаллургических процессов вскрытия подобных упорных материалов в мягких условиях (атмосферное и низкотемпературное автоклавное выщелачивание в разбавленных растворах, использование традиционных широкодоступных реагентов и стандартного технологического оборудования, производимых в России) и их физико-химическое обоснование. Это позволит достигать высоких технико-экономических показателей при одновременном сокращении негативного влияния на окружающую среду, в том числе, за счет вовлечения в переработку техногенного сырья и полупродуктов действующего производства с получением экологически безопасных продуктов и отходов. Использование специальных математических методов анализа проводимых исследований с применением нейронных сетей, в том числе, с глубоким обучением, выведенных математических моделей дадут возможность в режиме реального времени контролировать все производственные процессы, оперативно реагировать на изменения составов перерабатываемого сырья, подбирать оптимальные смеси исходных материалов и параметры технологии, обеспечивающие максимальную эффективность с точки зрения энерго- и ресурсосбережения, экологии, экономики.
Описание задач, предлагаемых к решению.
Целью планируемых исследований является создание новых гидрометаллургических процессов вскрытия полиметаллического упорного сырья цветных металлов с их последующим селективным извлечением, обеспечивающих высокий уровень цифровизации производства, экологичности, энергоэффективности и ресурсосбережения за счет ведения процессов в мягких условиях с применением интенсифицирующих реагентов.
Достижение заявленной цели проекта сопряжено с решением следующих задач:
1. Провести исследования особенностей составов, природы образования изучаемого сырья, его минералогического и кристаллического строения; установить формы нахождения благородных и редких металлов и их связь с различными минералами; оценить влияние этих факторов на последующее гидрохимическое растворение, в том числе сравнить полученные результаты на реальных рудах и концентратах и отдельных природных мономинералах.
2. Изучить физико-химические закономерности растворения основных минералов цветных и благородных металлов, таких как пирит, халькопирит, борнит, арсенопирит, теннантит, энаргит, сфалерит, стибнит и др., находящихся в электрохимическом контакте при их совместном растворении в мягких (атмосферных и автоклавных низкотемпературных) условиях в разбавленных растворах серной, азотной, соляной кислот, в том числе с использованием различных окислителей и катализаторов (Fe (III), Cu (II), NO3-, NO2-, O2, H2O2 и др.). Провести исследования по выщелачиванию реального полиметаллического упорного сырья, содержащего данные минералы, при тех же условиях.
3. Исследовать кинетические закономерности и механизмы растворения отдельных минералов и их смесей в различных сочетаниях, определить лимитирующие стадии изучаемых процессов с выводом общих кинетических моделей, позволяющих прогнозировать поведение исследуемых минералов, находящихся совместно в изучаемых гетерогенных системах.
4. Исследовать влияние дезинтеграции изучаемых минералов и содержащего их упорного сырья на последующее вскрытие в мягких условиях и извлечение ценных компонентов. Изучить влияние параметров механоактивации и механохимической активации (продолжительность, скорость вращения, плотность пульпы) на гранулометрический и фазовый составы материала, воздействие отдельных минералов друг на друга. Вывести общие кинетические уравнения и модели разрабатываемых процессов, позволяющие в численном выражении оценить влияние предварительной обработки.
5. Изучить фазовый, химический и морфологический составы образующихся после выщелачивания твердых остатков, форму нахождения в них цветных, благородных и редких металлов, железа и мышьяка, их стабильность в природных условиях, разработать способы ее повышения. Исследовать возможность доизвлечения токсичных (мышьяк, сурьма, свинец) и ценных (благородные и редкие металлы) компонентов.
6. Провести исследования по селективному извлечению всех ценных компонентов из полученных растворов и твердых остатков выщелачивания, осаждению мышьяка в виде наиболее стабильных в атмосферных условиях соединений для его утилизации и захоронения. Определить стабильность различных мышьяксодержащих соединений при длительном хранении в изменяющихся природных условиях, установить и обосновать выбор наиболее пригодных для этого форм мышьяка.
7. По результатам проведенных комплексных исследований по всем стадиям разрабатываемой технологии переработки полиметаллического упорного сырья цветных металлов вывести общие математические модели, учитывающие совокупное влияние всех исследованных факторов, с использованием математического планирования эксперимента и нейронных сетей многослойного персептрона, а также вариантов TensorFlow с глубоким обучением, выведенным кинетическим моделям процессов гидрохимического вскрытия отдельных минералов и их смесей, а также полученным математическим моделям по выщелачиванию реального упорного сырья.
8. Разработать новые технологии переработки полиметаллического упорного сырья цветных металлов, подготовить технико-экономическое обоснование, эколого-экономическую оценку эффективности предлагаемых процессов, технологический регламент на эксплуатацию создаваемой опытно-промышленной установки со спецификацией основного и вспомогательного оборудования, материальных и энергетических потоков по стадиям технологии. Апробировать полученные результаты в опытно-промышленных и промышленных масштабах с внедрением полученных теоретических и экспериментальных результатов в реальном секторе экономики (на металлургических предприятиях).
Практическая значимость ожидаемых результатов.
На основе выполненного комплекса экспериментальных и теоретических исследований будут разработаны новые научно-обоснованные технологии переработки полиметаллического упорного сырья цветных металлов в мягких условиях, позволяющие в зависимости от составов, строения, природы образования и пр. вовлекаемого в переработку сырья подбирать условия, обеспечивающие высокие показатели технико-экономической эффективности, экологичности, энерго- и ресурсосбережения производства при внедрении полученных теоретических и экспериментальных результатов в реальном секторе экономики, а именно - на металлургических предприятиях.
План работ на 2022-2024 года.
В период 01.07.2022-31.12.2022:
1. Провести исследования особенностей составов, природы образования изучаемого сырья, его минералогического и кристаллического строения; установить формы нахождения благородных и редких металлов и их связь с различными минералами;
2. Изучить физико-химические закономерности растворения основных минералов цветных и благородных металлов, таких как пирит, халькопирит, борнит, арсенопирит, теннантит, энаргит, сфалерит, стибнит и др., находящихся в электрохимическом контакте при их совместном растворении в мягких условиях в разбавленных растворах серной, азотной, соляной кислот, в том числе с использованием различных окислителей и катализаторов (Fe (III), Cu (II), NO3-, NO2-, O2, H2O2 и др.).
3. Провести исследования по выщелачиванию реального полиметаллического упорного сырья.
В период 01.01.2023-31.12.2023:
1. Исследовать кинетические закономерности и механизмы растворения отдельных минералов и их смесей в различных сочетаниях, определить лимитирующие стадии изучаемых процессов с выводом общих кинетических моделей.
2. Исследовать влияние дезинтеграции изучаемых минералов и содержащего их упорного сырья на последующее вскрытие в мягких условиях и извлечение ценных компонентов.
3. Изучить влияние параметров механоактивации и механохимической активации (продолжительность, скорость вращения, плотность пульпы) на гранулометрический и фазовый составы материала, воздействие отдельных минералов друг на друга. Вывести общие кинетические уравнения и модели разрабатываемых процессов.
4. Изучить фазовый, химический и морфологический составы образующихся после выщелачивания твердых остатков, форму нахождения в них цветных, благородных и редких металлов, железа и мышьяка, их стабильность в природных условиях, разработать способы ее повышения. Исследовать возможность доизвлечения токсичных (мышьяк, сурьма, свинец) и ценных (благородные и редкие металлы) компонентов.
5. Провести исследования по селективному извлечению всех ценных компонентов из полученных растворов и твердых остатков выщелачивания, осаждению мышьяка в виде наиболее стабильных в атмосферных условиях соединений для его утилизации и захоронения. Определить стабильность различных мышьяксодержащих соединений при длительном хранении в изменяющихся природных условиях, установить и обосновать выбор наиболее пригодных для этого форм мышьяка.
В период 01.01.2024-31.12.2024:
1. По результатам проведенных комплексных исследований по всем стадиям разрабатываемой технологии переработки полиметаллического упорного сырья цветных металлов вывести общие математические модели, учитывающие совокупное влияние всех исследованных факторов, с использованием математического планирования эксперимента.
2. Подготовить технико-экономическое обоснование, эколого-экономическую оценку эффективности предлагаемых процессов, технологический регламент на эксплуатацию создаваемой опытно-промышленной установки.
3. Апробировать полученные результаты в опытно-промышленных масштабах.
Коллектив Научного центра компетенций руководствуется в своей работе Положением о научных центрах компетенций СМК-ПВД-7-01-287-2022, введённым в действие приказом №439/03 от 04.05.2022.