Квантово-химическое обоснование выбора реагента-собирателя для извлечения меди и цинка из техногенных вод Докладчик: Л. А. Амангусова, студентка ФГБОУ ВПО «МГТУ» , г. Магнитогорск , laura_amangusova@mail. ru Научный руководитель: Н. Л. Медяник, профессор, д. т. н. ФГБОУ ВПО «МГТУ» , г. Магнитогорск , chem@magtu. ru
Слайд 2 Цель исследования: Квантово-химическое обоснование выбора реагента-собирателя для извлечения меди и цинка из техногенных вод горных предприятий. Задачи исследования: 1) провести исследования по выбору реагентов-собирателей для напорной флотации на основе расчета их квантово-химических дескрипторов; 2) разработать технологию по извлечению меди и цинка из техногенных вод и оценить ее эколого-экономическую эффективность.
Слайд 3 Актуальность исследования: Техногенные воды медно-цинковых месторождений Урала, объемы которых достигают 20 млн. м 3/год. , характеризуются аномально высоким содержанием катионов цинка (от 20 -653 до 9734 мг/дм 3) и меди ( ) (от 75 -644 до 1884 мг/дм 3) рассматриваются в настоящее время только как токсичные отходы, однако технологические параметры рудничных вод позволяют отнести их к дополнительному минеральному ресурсу. Разработка технологии по извлечению меди и цинка из техногенных вод позволит получить новые товарные продукты, очищенную воду для оборотного водоснабжения ГОКов, а также снизить экологический ущерб от нерегулируемого сброса токсичных вод. При этом перспективным, высокоэффективным и экономически обоснованным представляется извлечение металлов методом напорной флотации с применением эффективных реагентов – собирателей, прогнозирование свойств которых рекомендуется осуществлять на основе квантово-химических расчётов.
Слайд Описание проекта Для извлечения меди и цинка из техногенных вод впервые предлагается квантово-химический подход к выбору эффективных реагентов для селективного извлечения ценных компонентов. В работе проводятся квантово-химическое расчёты: абсолютной жесткости, абсолютной мягкости, химического потенциала, электрофильности, нуклеофильности извлекаемых металлов, реагентов-собирателей и образующихся в процессе напорной флотации сублатов - «металл-реагент» . Квантово-химические исследования проводятся методом параметризации РМ 3 с использованием программных пакетов Hyper. Chem 7. 5 Pro.
Слайд 5 Техногенные воды горно-обогатительных комбинатов медно-колчеданных месторождений В техногенных водах предприятий, добывающих медноцинковые руды, содержится меди от 75 – 644 и до 1884 мг/дм 3, цинка- от 220 -653 мг/дм 3 до 9734 мг/дм 3 V свыше 20 млн. м 3/год Внешний вид Маканского карьера , затопленного минерализованными водами, имеющими купоросную окраску Затопленный кислыми водами карьер № 3 ОАО «Гайский ГОК» Карьер ОАО «Гайский ГОК» 5
![Слайд 6 Структура и графическое представление молекулярных орбиталей аквакатионов цинка [Zn(H 2 O)6]2+ заряд](https://present5.com/presentation/254038848_427084293/image-6.jpg "Слайд 6 Структура и графическое представление молекулярных орбиталей аквакатионов цинка [Zn(H 2 O)6]2+ заряд")
Слайд 6 Структура и графическое представление молекулярных орбиталей аквакатионов цинка [Zn(H 2 O)6]2+ заряд на атоме [Zn(H 2 O)6 2+] Zn( Zn O H (средн) 0. 442 -0. 263 EВЗМО, э. В EНСМО, э. В 0. 261 -11. 361 0. 623 субстрат EНОМО, э. В ELUМО, э. В [Zn(H 2 O)6 2+] Zn( -21, 484 -9, 648 Проекции ВЗМО (НОMO) Проекции НСМО (LUMO) 6
Слайд 7 Структура и графическое представление молекулярных орбиталей Cu(OH)2 заряд на атоме Cu O H EHOМО, э. В ELUМО, э. В Cu(OH)2 0. 134 -0. 253 0. 186 -11. 510 -0. 275 катион Проекции НСМО (LUMO) для Cu(OH)2(симметрия 3 Bg) ELUМО, э. В Cu 2+ Проекции ВЗМО (HOMO) для Cu(OH)2 (симметрия 1 Au) EHOМО, э. В -48. 159 -28. 194 Проекции электронной спиновой плотности для Cu(OH)2
![Слайд 8 Проекции молекулярного электростатического потенциала субстратов [Zn(H 2 O)6 2+] Zn( [Cu(H 2](https://present5.com/presentation/254038848_427084293/image-8.jpg "Слайд 8 Проекции молекулярного электростатического потенциала субстратов [Zn(H 2 O)6 2+] Zn( [Cu(H 2")
Слайд 8 Проекции молекулярного электростатического потенциала субстратов [Zn(H 2 O)6 2+] Zn( [Cu(H 2 O)6]2+ Cu(OH)2 Zn(OH)2
Слайд 9 Требования к выбору реагентов-собирателей для извлечения цинка и меди (II) q наличие в составе молекулы реагента активных нуклеофильных (IN ≥ 1 э. В-1) центров, ) способных к эффективному взаимодействию с субстратом с образованием прочных сублатов - малорастворимых внутрикомплексных соединений Ме. L. ПР(Ме. L)<ПР(Ме(ОН)n), Куст (Ме. L)>Куст[Ме(Н 2 О)6] (ОН)n; q близость значений ЕHOMO реагента и ЕLUMO субстрата для образования системы «субстрат-реагент» преимущественно по орбитально-контролируемому механизму, либо значительное различие значения ЕHOMO реагента и ЕLUMO субстрата для осуществления «жёстко-жёсткого» взаимодействия между субстратом и реагентом для образования системы «субстрат-реагент» преимущественно по зарядо-контролируемому механизму; q возможность реагента при селективном извлечении двух металлов реагировать с одним из них - субстратом I – преимущественно по орбитально-контролируемому, а с другим - субстратом II - преимущественно по зарядо-контролируемому механизму; q высокое значение абсолютной жесткости реагента (η не менее 8 э. В); q значение химического потенциала реагента χ > 4 э. В; q наличие в извлекаемых системах «субстрат-реагент» нескольких внутримолекулярных водородных связей (не менее трёх), способствующих повышению их устойчивости;
Слайд 10 Структура молекулы, графическое представление орбитальной и электронной плотностей молекулярных орбиталей Мono. Etgl-t. Pht Соединение ELUМО, э. В η, э. В χ, э. В IN, э. В- Mono. Etglt. Pht Проекции MEP Мono. Etgl-t. Pht ЕНОМО, э. В -10, 538 1, 201 11, 739 4, 669 1, 076 I¯N(О), э. В O=(C) 0, 319 -O(H) 0, 272 Проекции ВЗМО (HOMO) Мono. Etgl-t. Pht
Слайд 11 Соединение ЕНОМО, э. В ELUМО, э. В η, э. В χ, э. В IN, э. В- Di. Etgl-t. Pht -10, 621 1, 256 11, 877 4, 683 1, 083 Структура молекулы, графическое представление орбитальной и электронной плотностей I , э. В молекулярных орбиталей O=(C) 0, 327 -O(H) 0, 272 Di. Etgl - t. Pht ¯ N(О) Проекции ВЗМО (HOMO) Di. Etgl t. Pht Проекции MEP Di. Etgl t. Pht
Слайд 12 Реагент-собиратель РОЛ Хроматограмма реагента РОЛ Элементный анализ соединений входящих в состав реагента РОЛ Вычислено, % Найдено, % С Н О 55, 29 5, 26 39, 45 55, 73 5, 17 39, 10 Лимитирующий показатель вредности – общий, ПДК РОЛ = 0. 3 мг/дм 3, класс опасности – 4 ИК - Фурье - спектр реагента РОЛ (осушенного)
Слайд 13 Схема цепи аппаратов технологии селективного извлечения ионов цинка и меди(II) из кислых подотвальных вод Эколого-экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии в условиях ОАО «Гайский ГОК» составит 217, 51 млн. р. /год. На схеме указаны: 1 – Сборник - усреднитель 2 - Реактор 3 - Установка напорной флотации MCV - 20 4 - Сборник шлама 5 - Камерный фильтр-пресс 6 - Реактор 7 - Установка напорной флотации MCV - 20 8 - Сборник шлама 9 - Камерный фильтр-пресс 10 - Реактор 11 - Отстойник-флокулятор 12 - Сборник шлама 13 - Камерный фильтр-пресс 14 - Сборная емкость воды 15 - Самопромывные фильтры KSF 5. 1 (4 шт)
Слайд Практическая значимость Результаты работы могут быть использованы для создания новых научных подходов к переработке различных водных техногенных потоков, при проведении научных исследований по созданию любых способов селективного извлечения тяжелых металлов из них, позволяя получить новые знания в теории обогащения полезных ископаемых на горно-обогатительных предприятиях, результаты работы могут быть использованы для получения новых товарных продуктов и очищенной до норм ПДК воды, что позволит существенно снизить экологическую нагрузку в регионе.
Слайд Организации, которые способствуют развитию исследования : РАН Институт проблем комплексного освоения недр (Россия) Организации, которые проводят аналогичную работу и достигли похожих результатов за рубежом: Z. Liu, F. M. Doyle, University of California at Berkeley (США) L. O. Filippov, Laboratoire Environnement et Mine& ralurgie, INPLENSG, (Франция) G. Casey, G. R. Wentworth, I. P. Hamilton, H. A. Al-Abadleh, Wilfrid Laurier University (Канада) S. Hou, Ocean University of China (Китай).
Слайд Сроки реализации проекта: 2015 -2017 гг Общая сумма планируемых расходов на реализацию проекта, ресурсное обеспечение проекта: 1000000 рублей. 1) прикладной квантово-химический программный продукт Gaussian 09 с использованием гибридного метода функционала плотности (B 3 LYP), базиса 6 -31 G* и полуэмпирического метода (PM 3). Стоимость – 2800 $ США; 2) прикладной квантово-химический программный продукт ADF® modeling suite с функциями полуэмпирического метода MOPA C 2012 (PM 6, PM 7) с приближением DFT для молекул, с оценкой реакционной способности молекул в динамике, с возможностью расчета констант растворимости, констант кислотности p. Ka. Применяется для расчета квантово-химических параметров переходных металлов, структуры и реакционной способности различных соединений. Стоимость – 3400 $ США)
Слайд 17 План-график реализации Изучение физико-химических и технологических свойств техногенных вод Проведение расчетов квантовохимических дескрипторов извлекаемых форм тяжелых металлов, реагентовсобирателей; подбор эффективных реагентов-собирателей 3 -4 квартал 2015 г 1 -2 квартал 2016 Квантово-химическое моделирование извлекаемых систем «металл-реагент» 3 -4 квартал 2016 г Разработка технологической схемы извлечения тяжелых металлов из техногенных вод, оценка экологоэкономической эффективности применения комплексной переработки техногенных вод 1 -2 квартал 2017 17
Слайд 18 Литературные источники проекта • • • Pearson R. G. Chemical hardness and density functional theory // J. Chem. Ski. 2005. V. 117. № 5. P. 369377. Parr R. G. , Pearson R. G. Absolute hardness: companion parameter to absolute electronegativity // J. Am. Chem. Soc. 1983. V. 105. P. 7512 -7516. Chattaraj P. K. , Maiti В. , Sarkar U. A Unified Treatment of Chemical Reactivity and Selectivity // J. Phys. Chem. 2003. V. 107. P. 4973 -4975. Hyper. Chem 7. 5 Pro (2010). Hypercube Inc. Gainesville, FL. Trial version from http: //www. hyper. com. Klopman G. Chemical reactivity and paths // J. Amer. Chem. Soc. 1968. V. 90. P. 223 -230. Koopmans T. Über die Zuordnung von Wellenfunktionen und Eigenwerten zu den Einzelnen Elektronen Eines Atoms // Physica (Elsevier). 1934. № 1 (1– 6). Р. 104 -113. Mahne E. J. , Pinfold N. A. Precipitate flotation. II. Separation of palladium from platinum, gold, silver, iron, cobalt and nickel // J. Appl. Chem. 1968. V. 18. № 5. Р. 140 -142. Yekeler M. , Yekeler H. Predicting the efficiencies of 2 -mercaptobenzothia-zole collectors used as chelating agents in flotation processes: a density functional study // J. Mol. Model. 2006. № 12. Р. 763 -768. Medyanik N. L. , Chanturia V. A. , Shadrunova I. V. Quantum-chemical method for selection of a collecting agent to recover zinc and copper(II) cations in flotation of mine waste waters // Journal of Mining Science. 2012, vol. 48, no. 1, pp. 167 -176. Реутов О. А. , Курц А. Л. , Бутин К. П. Органическая химия: Учебник для студентов вузов. В 4 -х ч. М. : Бином. Лаборатория знаний, 2004, 2005. 2493 с. 18
Спасибо за внимание!! © Всероссийский Инженерный Конкурс 19
Скачать презентацию Квантово-химическое обоснование выбора реагента-собирателя для извлечения меди и
Амангусова Л.А., Медяник Н.Л..pptx