Separace olova

Datum vydání: 25.02.2009

Již od počátku existence naší firmy se zabýváme čistším prostředím obklopující lidskou společnost. Málokdo si uvědomuje, kolik nebezpečných látek se kolem nás nalézá. V tomto článku se pokusíme Vám přiblížit alespoň zlomek toho, kde vsude nás obklopuje olovo. Zde si bereme na mušku olovo na střelnicích, kde se s ním setkáte, máte možnost jej s velikým úspěchem identifikovat a dozvíte se co s ním dále.

Obsah:

Úvod

Zemité materiály cílových ploch střelnic – střelničních valů – vykazují, pokud jsou nebo byly střelnice často využívány, výrazně anomální koncentrace olova. Obsahy tohoto těžkého kovu se zpravidla pohybují v rozmezí 0.1–1 % (tj. 1-10 kg/m3) a lokálně dosahují až 5 %. Ačkoliv je ryzí olovo geochemicky poměrně stabilní prvek, vlivem defragmentace na malé části po dopadu na cílovou plochu se mnohonásobně zvyšuje aktivní povrch částic a při kolísání pH se poměrně brzy začíná přeměňovat na sekundární minerály – především uhličitany hydrocerusit a cerusit. Ve formě bikarbonátu je olovo mnohem mobilnější a zvýšené obsahy Pb se mohou objevit i v okolním prostředí. Z tohoto důvodu je nutno periodicky materiál valů regenerovat odseparováním jak kovových olověných částic tak i novotvořených Pb minerálů.

Ve firmě působí pracovníci, kteří se již více než 20 let zabývají vyhledáváním zdrojů těžkých kovů a minerálů (včetně zlata) a technologiemi k jejich získávání. Odtud pramení bohaté zkušenosti, které se podařilo zúročit jak v ČR, tak i ve Švédsku na lokalitě Umea při řešení obdobného projektu, kde bylo v roce 1999 zpracováno 6500 t zeminy.

Technologické řešení problému předpokládá použití gravitační mokré separace (vibrační třídič, sazečky, centrifugální separátory a hydrocyklony) v kombinaci s permanentním magnetem. Pro úpravu technologické vody a separaci kalové frakce je do linky začleněna koagulační a dehydratační jednotka.

Předpokládaná kapacita linky je cca 120 t/den.

 nahoru 

 

Charakteristika materiálu

V převážné většině se pro materiály střeleckých valů používají jemnozrnnější štěrkopísky – je to jednak materiál dostupný ve stávajících těžebnách pro stavební účely a jednak vzhledem k vyššímu obsahu hrubšího klastického podílu má pro střely výrazné tlumící vlastnosti. Kovové Pb částice se objevují zpravidla do hloubky 0.5 m. V separačním procesu je tento materiál snadno upravitelný, ovšem na druhou stranu obsahuje silně deformované střely nejrůznějších tvarů a mnoho jemnějších fragmentů a otěrů Pb. Štěrkopísky mají rovněž vyšší transmisivitu vody a šíření Pb v takovém prostředí může být intenzivnější.

Některé valy jsou vytvářeny z materiálu, vzniklého při úpravách terénu střelnice – z hlinito-jílovitých sedimentů svrchního půdního horizontu. Střely jsou v tomto případě zpravidla málo deformované, ovšem nacházejí se i v hloubkách přes 1 m. Také technologie úpravy takového materiálu je většinou komplikovanější, obzvláště je-li střelnice využívána již dlouho a materiál obsahuje významný podíl sekundárních minerálů.

Setkali jsme se i s různými jinými typy materiálů – balvanitými štěrkopísky, humusovými hlínami s množstvím kořínků rostlin, štěrkopísky s dřevěnou drtí, se stromovou kůrou apod. V takových případech je většinou nutno začlenit do technologie předúpravu materiálu.

Zrnitostní křivka uvedená níže představuje nejběžnější typ materiálu střelnic z okolí Umea.

Materiál střelničních valů lze na podkladě zrnitostních křivek rozdělit do tří kategorií:

  1. dobře vytříděné jemnozrnné štěrkopísky
  2. špatně vytříděné jemnozrnné štěrkopísky
  3. písčito-hlinité sedimenty

Pokud je průměrný obsah kalové frakce, tj.frakce pod 75 µm, vyšší než je povolených 5 % materiálu, který může být deponován, pak je nutné třídit kalovou frakci na zrnitosti nižší. Podle našich zkušeností se vyšší obsahy Pb objevují až ve frakcích pod 20 mm. Separaci kalového podílu je tedy nutno provádět na zrnitostní hranici mezi 25–50 mm, což je úkol, který obvykle technicky řešíme použitím speciálního typu maloprůměrového plochého hydrocyklonu. Následně vzniká další technologický úkol – zachycení a odvodnění nejjemnější frakce, mající zahuštění okolo 15 g/l suspenze a její uvedení do rýpatelného stavu. Tento problém řešíme pomocí odkalovací linky, jenž představuje finančně i operačně nejnáročnější část technologie.

 nahoru 

 

Distribuce olova

Separace olova / StřelyVelikost nejhojněji používaných střel se pohybuje v intervalu 1–25 mm. Od 1 do 4 mm se jedná většinou o broky, větší jsou protáhlé střely nejrůznějších typů, nad 10 mm mohou být oplášťované – v oceli či mosazi. Na lokalitě Umea byly nalezeny i klasické kule o průměru 16 mm. Některé typy střel z této lokality ukazuje fotografie.

Střely o velikosti nad 25 mm se v materiálech neobjevují a proto je podání do separační linky omezeno na zrnitostní frakci 0–25 mm. V každém případě vychází určení rozsahu upravované frakce z výsledků vzorkování individuálně pro každou střelnici, respektuje zrnitostní škálu zjištěné munice a je v průběhu úpravy podle potřeby měnitelné.

Orientační zrnitostní distribuce Pb částic ve vzorcích odebraných na lokalitě Umea přináší následující graf:

 

Průměrný obsah Pb v tomto materiálu byl okolo 6000 ppm a vidíme, že maximální obsahy jsou, jak je to běžné, v hrubozrnnějším materiálu. Obsah Pb v siltové a jílové frakci je způsoben přítomností velmi jemnozrnných sekundárních minerálů, majících zemitý charakter, resp. adsorbovaným Pb a Pb-sloučeninami na povrchu submikroskopických krystalů jílových minerálů.

Pro posouzení distribuce Pb v materiálech střelnic, lze vycházet z předpokladů:

  • primární zrnitostní rozložení včetně minimální a maximální velikosti projektilů bude obdobné výše uvedenému grafu
  • vzhledem k vesměs jemnozrnnému materiálu střelnic budou deformace a otěry projektilů minimalizovány , což znamená, že obsahy Pb v zrnitostním intervalu 0.02–1 mm budou velmi nízké

Obsah Pb v kalovém podílu (= výsledek sekundárních procesů) je funkcí mnoha proměnných (koncentrace kovového Pb, tvar Pb částic a velikost aktivního povrchu, doba setrvání Pb částice v zemině, složení a zrnitost substrátu, pH a Eh parametry prostředí, teplota, filtrace podzemní vody apod.). Z těchto důvodů jsou tato obsahy velmi variabilní (mezi 1000 a 35000 ppm), nicméně jejich hodnota nijak neovlivňuje účinnost technologie při separaci této formy kontaminačního Pb.

 nahoru 

 

Technologie separace olova

Problém separace Pb ze střelničních valů může být rozdělen do dvou dílčích úkolů – separace kovového olova a oddělení jílového podílu – nositele sekundárních Pb produktů - s následným odvodněním jílové hmoty do rýpatelného stavu.

Cílem prvního úkolu je získat více než 95 % z upravovaného materiálu s obsahem olova nižším než 300 ppm a zároveň vyprodukovat koncentrát o maximální kovnatosti Pb částic, tento úkol vyžaduje použití několikastupňového procesu úpravy. Vzhledem k tomu, že námi používané stupně separace (zvláště sazečky) umožňují velmi vysoké účinnosti při snižování obsahu olova v separovaném materiálu (méně než 150 ppm), bude možné kalový podíl materiálu částečně sloučit s vytříděným upraveným materiálem Toto opatření bude provedeno jen v případě, že objem kalů v upravovaném materiálu představuje více než 5 % materiálu povoleného k depozici na skládce.

Cílem druhého úkolu je dokonalé odstranění kontaminované jílové frakce. Vzhledem k různým formám výskytu Pb v této frakci (jemná suspenze Pb minerálů, pravé a nepravé roztoky Pb sloučenin a adsorbované Pb na povrchu jílových minerálů) neexistuje finančně, technicky a ekologicky únosný způsob dekontaminace odseparovaného kalu a je nutno tuto frakci začlenit do povolených 5 % materiálu určeného k depozici. Zároveň je nutno průběžně tuto frakci odstraňovat, aby se neakumulovala v technologické vodě a nekontaminovala vyčištěný materiál.

Separace kovového olova

Charakter materiálu, distribuce Pb a velký rozdíl specifických hmotností mezi separovaným kovem a ostatním substrátem nabízejí pro separaci Pb mokrou gravitační cestu. Aparatury, které jsou zařazeny do technologické linky respektují granulometrii jak vlastní zeminy, tak separované složky. Hranice samostatně zpracovávaných zrnitostních frakcí definitivně určeny až na lokalitě v rámci záběhového procesu.

S ohledem na očekávanou zrnitostní škálu používaných střel (primárně 1–25 mm) a zrnitost velké většiny materiálů střelnic (do 8 mm), je možné očekávat, že nejhrubozrnnější Pb koncentrát bude možno vytvořit pouhým sítováním materiálu na vibračním třídiči.

Protože většina projektilů je obalena kovovým magnetickým pláštěm, je do technologie vřazen permanentní magnet s vynášecím pásem, který je umístěn nad vibrační skluz z třídiče do sazečky. Získaný koncentrát je velmi čistý a navíc je možné získat i deformované části plášťů střel se zbytky olova, jenž představují problematický materiál pro gravitační separaci.

Dalším stupněm úpravy jsou dvoukomorové sazečky zařazené paralelně podle zpracovávané frakce. Dolní hranice této frakce bude 1 mm, což je velikost zrna, kterou lze bezpečně upravit na sazečkách. Koncentrace kovových Pb částic ve frakci pod 1 mm rapidně klesá a tento fakt umožňuje použít pro jejich zachycení centrifugální protiproudý separátor ve dvoustupňovém provedení. Zakončení separační linky představují dvě baterie hydrocyklonů pracujících paralelně s možností vysoké regulace vstupních i výstupních parametrů.

Výše uvedená sestava gravitační linky je pochopitelně jen jednou z mnoha možností, ale na základě našich dlouhodobých zkušeností představuje jak z hlediska výkonu tak z hlediska náročnosti na seřízení, obsluhu a energie jednu z nejoptimálnějších a nejefektivnějších variant řešení. Pro hrubozrnné frakce sazečky prakticky nemají konkurenci, v písčitých a siltových frakcích je možné použít též vibrační stoly, spirálové či kuželové separátory, které však vesměs mají nižší koncentrační schopnosti, v případě stolů i malý výkon a jsou operačně náročné na nastavení chodu a výkyvy množství podání.

Základní charakteristika technologických jednotek

  1. Třídění
    Přestože zrnitostní analýzy ukazují, že téměř veškerý materiál bude mít maximální velikost zrna 11 mm, nelze vyloučit, že při odtěžování nebude přibrána i okolní zemina s možným výskytem hrubších valounů či balvanů. Vstup takových klastik do technologie by zapříčinil zhoršené separační schopnosti některých aparatur a proto je nutno předtřídit materiál na 25 mm roštu ještě před vstupem do úvodního zásobníku.
    Tato operace je rovněž jediným proveditelným bezpečnostním opatřením, limitující možnost exploze nevybuchlé munice úderem větších valounů.
    Na provozní třídění vstupu do linky je použit dvoupatrový vibrační třídič s kruhovou charakteristikou budících kmitů. Pracovní plocha třídiče je 3.6 m2 na každém patře. Kapacita třídiče je mezi 20–120 t/hod podle zrnitosti a dalších vlastností materiálu. Každé patro je sprchováno zvlášť celkovými cca 6 l vody za sekundu. Příkon motoru třídiče je 5,5 kW. Velikost oka (resp. štěrbiny) spodního síta bude 1,4 mm, osazení svrchního patra bude vycházet ze zrnitosti vstupního materiálu, ale předpokládá se velikost oka 6 mm.
     
  2. Permanentní magnet
    Používáme nadpásový samovynášecí permanentní magnet o maximální intenzitě pole do 15 cm nad dopravní cestou. Rozměry pracovní plochy jsou 600 x 450 mm. Pro spolehlivější separaci je vhodné, aby materiál tvořil rovnoměrně rozprostřenou, tenkou vrstvu. Toho je docíleno nerezovým vibračním skluzem pro hrubozrnný materiál z vibračního třídiče do sazečky. Hmotnost zařízení je 450 kg a příkon elektromotoru je 1,1 kW.
     
  3. Sazečky
    Do linky jsou začleněny dvě dvoukomorové sazečky. Velikost všech komor je stejná – 0.6 m2, propustnosti roštu budou různé podle zrnitosti upravovaných frakcí. Spotřeba vody je mezi 3–5 l/sec pro každou sazečku. Příkon motoru jedné sazečky je 2 kW. Nastavení každé sazečky bude odpovídat typu vstupního materiálu. Výsledkem separačního procesu je koncentrát s 60-90 hmot.% Pb.
     
  4. Protiproudé centrifugální koncentrátory
    Tyto koncentrátory, pracující na principu hybnost versus odpor prostředí, budou opět 2 s vrchním průměrem rotační misky 12". V dvoustupňovém uspořádání očekáváme 95 % a vyšší účinnost při separaci nejjemnějšího (až mikronového) podílu kovového Pb. Použitý tlak vody se bude řídit typem materiálu, spotřeba tlakové vody jedním separátorem je 1-2 l/sec. Příkon motoru separátoru je 0,75 kW.

Separace kalového podílu

Vzhledem k nutnosti dokonalého a poměrně ostrého odtřídění kalové frakce (na hranici mezi 25-50 mm – upřesní první provozní analýzy) budou do linky začleněny dvě baterie maloprůměrových plochých hydrocyklonů, které mají vynikající třídící schopnosti. Zahuštění vstupního rmutu je okolo 100g/l suspenze a vstupní tlak 0.05-0.1 MPa (dle výsledků analýz). Tlak je udržován dvěma rmutovými čerpadly. Příkon jednoho čerpadla je 5.5 kW.

Zahuštění a odvodnění kalové frakce

Oddělená kalová frakce pod 40 mm, mající zahuštění max 15 g/l suspenze, je přiváděna do zahušťovací nádrže. Cestou bude přidáván polymerní flokulant 1. typu , a to v množství a naředění stanovenými na základě výsledků předběžných testů.

Ze zahušťovací nádrže půjde přepadem čistá voda zpět do rezervoáru a ze dna se je odpouštěn zahuštěný kal o sušině 100 – 150 g/l do akumulační nádrže. Z této nádrže je dopravován čerpadlem do pásového lisu, přičemž opět cestou je přidáván tentokráte flokulant 2. typu. Výstupný odvodněný kal má sušinu vyšší než 60 % a je pásovým dopravníkem sypán na zpevněnou mezideponii.

Odpadní voda z lisu (filtrát a odpadní voda z ostřiku sít) je po oddělení kalové frakce využíván k dodatečnému ředění roztoků flokulantů a znovu k ostřiku sít v uzavřeném okruhu. Odsazený kal z nádrže odpadní vody je cyklicky přečerpáván do akumulační jímky před zahušťovací nádrž.

Veškeré přísady použité v procesu úpravy jsou látky běžně využívané v oboru úpravy a čištění pitných, technologických a odpadních vod, které nemají toxické ani jiné nebezpečné vlastnosti.

 nahoru 

 

Technologická voda

Vzhledem k relativně vysokému průtoku technologické vody, kterou gravitační technologie vyžaduje (50 – 70 m3/hod.), je zpravidla nutné pracovat v uzavřeném cyklu a používat jako zdroj technologické vody uměle vytvořeného rezervoáru s kapacitou dvou provozních hodin, což je v našem případě cca 130 m3. Úbytky vody, vzniklé odparem a vlhkostí výstupního materiálu (zhruba 10-15 %) je nutno doplňovat.

Je nutné dno rezervoáru pokrýt izolační pogumovanou tkaninou, abychom zároveň zabránili úniku vody infiltrací a jejímu znečistění okolními materiály (jílem, úlomky rostlin apod.).

Za běžného provozu kvalita technologické vody splňuje kriteria pro vypouštění do vod povrchových. Po ukončení provozu linky bude akumulovaná voda v rezervoáru analyzována na obsah Pb, nerozpuštěných látek a pH a budou podniknuty kroky vedoucí k případnému snížení obsahů uvedených ukazatelů na limity pro vypouštění do povrchových vod. Bude-li to nutné, bude použito na přečištění vody tlakového filtru s náplní speciálního sorbentu.

Sumární přehled všech strojů a zařízení včetně jejich spotřeby elektrické energie a vody přináší následující tabulka:

 soupis zařízení počet kusů spotřeba [kW] voda [l/s]
 násypka 1 1,1  
 vibrátor násypky 2 2  
 podavač 1 2  
 dopravník 1 5,5  
 vibrační třídič 1 5,5 6
 centrifugální protiproudý separátor 1 1 0,75 2
 centrifugální protiproudý separátor 2 1 0,75 2
 vibrační skluz 1 1  
 permanentní magnet 1 1,1  
 sazečka 1 1 1,5 3
 sazečka 2 1 1,5 3
 kalové čerpadlo MAPE 1 1 4  
 kalové čerpadlo MAPE 2 1 4  
 baterie HC 1    
 čerpadlo KC1 1 3  
 čerpadlo KC2 1 3  
 čerpadlo sazečky 1 3  
 kalová jednotka MAPE 1 1 4  
 kalová jednotka MAPE 2 1 4  
 flokulantová stanice 2 1 1-2
 míchadlo 2 2,2  
 dávkovací čerpadlo 2 0,35  
 čerpadlo EQP 2 2  
 lis na kal 1 0,59  
 čerpadlo oplachové vody 1 5,5  
 čerpadlo kalu za lisem 1 0,4  
 kompresor pro lis 1 2  
 dopravník kalu 1 2  
 nahoru 

 

Organizace pracovní plochy

Základní jednotkou pracovní plochy je sektor pro umístění linky s horizontálním vyasfaltovaným povrchem, který bez deformací snese zatížení tlakem 4000 kg/m2. Rozměry této plochy by měly být minimálně 18x13 m, aby byl dostatečný prostor i pro manipulaci s produkty a odpady.

Na tuto plochu bude navazovat podél delší strany vodní rezervoár na 130 m3 vody, tedy o rozměrech cca 18x5x1.5 m. Stěny a dno rezervoáru budou pokryty gumotextilií a část přiléhající k asfaltové ploše bude pokryta asfaltem.

Pro operační skladování odvodněných kalů bude vhodné zřídit speciální zahloubené úložiště, uzpůsobené pro vjezd nakládacích mechanizmů. Jeho objem bude záviset na celkovém harmonogramu manipulace s produkty a odpady.

Dále bude nutno zřídit sektor pro deponii materiálu určeného ke zpracování a sektor pro skladování produktů. Povrch těchto sektorů by měl být horizontální, tvořený nejlépe zhutněným hrubozrnným štěrkopískem, aby byl snadno odlišitelný od materiálu střelnic.

Sektor pro deponii vstupního materiálu bude dále rozčleněn na tři dílčí prostory, určené k deponování tří různých typů materiálu střelnic (viz. Charakteristika materiálu). Tento systém je nutný s ohledem na zásadní rozdíly v povaze materiálů.

 nahoru 

 

Kontrolní program

Kontrolní program se týká pouze množství vstupního materiálu a kvality (= obsahu Pb) produktů.

Pro vstupní materiál kontrola jeho množství probíhá přímým vážením. Vzájemnou dohodou s klientem je určeno, bude-li se vážit každý náklad, nebo bude-li pro jeden typ vozidla a materiálu vytvořen standard a bude se registrovat počet standardně naplněných vozidel.

Obsahy Pb v odseparovaných materiálech budou kontrolovány průběžně při provozu linky a sice jedním směsným vzorkem na 300 t upravovaného materiálu. Vzorek by měl být proveden podle platných legislativních předpisů pro vzorkování daného typu, pokud takový předpis neexistuje, doporučujeme následující postup:

Vzorkování bude prováděno během manipulace s materiálem po výstupu z technologie na separaci olova.

Vzorkovaný objekt rozdělíme na jednotky tvořené objemem lžíce nakladače o velikosti cca 1,2 m3, což představuje cca 2 t materiálu. Každá jednotka bude vzorkována samostatně a bude z ní odebrán 1 vzorek o hmotnosti 0,1 kg. Vzorkování se bude provádět nerezovou lopatkou vhodné velikosti přímo ze lžíce nakladače. Vzorkování ze lžíce bude prováděno zcela náhodně. Po vzorkování jedné jednotky (lžíce nakladače) se lopatka omyje saponátem , opláchne destilovanou vodou a nechá oschnout nebo otře suchým hadrem. Takto se odebere 150 vzorků,které se spojí v plastové nádobě vhodného objemu (např. kbelík pro 15 kg pevného materiálu - Pozn. v nádobě musí být po vložení 15 kg materiálu volný objem, aby bylo možno směs promíchat za účelem jeho homogenizace). Tím získáme reprezentativní vzorek pro 300 t zpracovaného materiálu o celkové hmotnosti 15 kg (150 vzorků po 0,1 kg). Vzniklá směs o hmotnosti 15 kg se protřepe nebo zamíchá v nádobě po dobu 15 sekund a odebere se z ní 0,5 kg vzorku. Nádoba se po odebrání vzorku vyprázdní, vymyje saponátem, vypláchne destilovanou vodou a nechá uschnout. Vzorek se odebere nerezovou nebo plastovou lopatkou vhodné velikosti, která se po odebrání vzorku omyje saponátem, opláchne destilovanou vodou a nechá oschnout.

Pozn.: Veškeré vzorkovací náčiní musí být před použitím očištěné a suché. Doporučujeme vytvořit dostatečnou zásobu vzorkovacích prostředků tak, aby pokryla celodenní vzorkování.

Laboratorní vzorek získaný uvedeným způsobem bude nadrcen nebo rozemlet na částice o velikosti menší než 0,2 mm. K oddělení větších částic se použije sítování na sítě s velikostí ok 0,2 mm. Z takto upraveného vzorku odebereme analytický vzorek o hmotnosti 250 g (částic o velikosti < 0.2 mm).

Rozklad vzorku musí být proveden podle normy DIN 38414, Teil 7. K vlastnímu stanovení bude použito techniky atomové absorpční spektrofotometrie podle metody DIN 38406, Teil 6. Z každého vzorku budou provedena tři paralelní stanovení a výsledek bude vyjádřen jako aritmetický průměr.

Cílem analýzy je rozhodnutí, zda sledovaný kontaminant je na úrovni vyšší nebo nižší než předepsaná kritická koncentrace 300 mg/kg olova v sušině.

Celkový výsledek bude vyjádřen jako x ± IS (ppm olova v sušině), kde x je aritmetický průměr a IS interval spolehlivosti získaný na základě statistického hodnocení dat.

Vyhovující celkový výsledek musí ležet uvnitř intervalu s dolním limitem 0 a horním limitem 300 ± 30 ppm olova v sušině.

 nahoru