Объекты исследования лаборатории физико-химического моделирования

Прикладные исследования, выполняемые в рамках НИР лаборатории, основаны на построении физико-химических моделей реальных геохимических и технологических процессов:

– разработана обобщенная схема многорезервуарной термодинамической модели вулканогенно-гидротермальной рудообразующей системы эпитермальных золотосеребряных месторождений Северного Приохотья (рис. 9);

Рис.9. Обобщенная схема многорезервуарной термодинамической модели вулканогенно-гидротермальной рудообразующей системы эпитермальных золотосеребряных месторождений Северо-Востока Азии. 1 - резервуары с номерами; 2 - восходящий поток глубинного флюида; 3 - метеорные воды; 4 - нисходящий поток инфильтрационных вод; 5 - границы гидротермальной системы; 6 - граница, отделяющая область гидростатического давления от нижней области с преобладанием литостатического давления; 7 - трещиноватый канал, по которому происходит транзит восходящих потоков гидротермальных растворов; 8 – разгрузка гидротермальных растворов в режиме рассеяния и растекания; 9 - изотермы.

– произведена оценка основных параметров формирования различных минеральных ассоциациях метаморфических пород Охотского, Чогарского комплексов и Ларбинской глыбы, метаморфизованных в условиях гранулитовой фации, и определены ТР-условия образования переслаивающихся пачек вулканогенно-осадочных пород иликанской серии станового метаморфического комплекса в центральной части Джугджуро-Станового блока, метаморфизованных в условиях амфиболитовой фации (рис. 10);

Рис.10. Переслаивание гранатовых амфиболитов с биотит-амфиболовыми гнейсами в обнажении метаморфических пород правобережья р. Гилюй. Gr – гранат, Hb – амфибол , Pl – плагиоклаз, Bi – биотит, Q – кварц.

– изучена специфика особенностей взаимодействия органического вещества с природными водами. Динамические равновесия, устанавливающиеся в системе органическое вещество – вода, далеко не всегда определяются исключительно химическими процессами. Невозможно исключить из физико-химической модели такие процессы как испарение, биотрансформацию и седиментацию органики, механическую миграцию эмульсий и продуктов их преобразования и распада. Следовательно, термодинамическая система органическое вещество – вода должна быть подразделена на неравновесно взаимодействующие системы – резервуары. Количество таких резервуаров, их размеры, фазовый и компонентный состав определяются геолого-геохимическими, экологическими и другими особенностями моделируемых систем. В рамках данного подхода нами разработана методика и построена термодинамическая модель изучения изменений химического состава озерных и речных вод под воздействием естественных антропогенных факторов (рис. 11). Выполнено исследование изменения состава водных экосистем на примере озера Большой Вудъявр (Кольский полуостров) под воздействием стоков горнопромышленного производства. Результаты имеют практическое и методическое значение для прогнозирования долговременных антропогенных воздействий на водные экосистемы Сибири и Субарктики.

Рис.11. Схема динамической модели экологического мониторинга химического состава природных водоемов под воздействием внешних антропогенных факторов (числа у стрелок показывают, какая часть подвижных фаз переходит из резервуара в резервуар за один временной интервал).

– построена базовая физико-химическая модель «вода-осадки» озера Байкал на основе данных, полученных по программе международного научного проекта «Байкалбурение» (рис. 12). С помощью этой модели установлено, что образование железистых карбонатов, обнаруженных в колонках скважин, происходит в ограниченной области реально возможных в природных обстановках значений pH-Eh. Проведено сопоставление составов донных отложений, взвесей и минерального вещества вод оз. Байкал, которое позволяет установить взаимосвязь их химических составов как следствие единого процесса формирования континентальных донных отложений;

Рис.12. Обобщенная структурно-гидрогеологическая схема физико-химической модели формирования гидросферы Байкальского рифта: Q полигенетические фации молассовой формации четвертичного возраста; N2 грубообломочная молассовая формация верхнего неогена; N1 тонкообломочная молассоидная формация нижнего неогена; AR + PR магматические и метаморфические образования архейско-протерозойского возраста

– выполнена оптимизация процесса получения алюминиево-кремниевых лигатур с учетом влияния примесей на качество готового продукта. На основе результатов опытно-промышленных испытаний на Братском алюминиевом заводе предложена технологическая схема получения высококремнистых алюминиевых лигатур и силуминов методом смешения жидких компонентов. Модель может быть использована для исследования условий существования примесей и легирующих компонентов в алюминиево-кремниевых сплавах, а также как основа для построения моделей приготовления сплавов, основанных на других металлических системах;

– с использованием результатов экспериментальных исследований процессов химического анализа разработан метод аналитической реконструкции состава электролита алюминиевых электролизеров, позволяющий с высокой точностью определять криолитовое отношение и содержание глинозема при температурах электролиза на основе анализа состава закристаллизованных проб электролита. Предложенный метод использован в ОАО «СибВАМИ» при совершенствовании методов химико-аналитического контроля физико-химических параметров криолит-глиноземного расплава;

– предложенная модель взаимодействия «шлам – оборотные воды» Ачинского глиноземного комбината позволила оценить физико-химические условия процесса, которые проявляются, прежде всего, в увеличении минерализации водного раствора, образовании карбоалюмината кальция и перекристаллизации двухкальциевого силиката в тоберморит (рис. 13). В условиях шламоотвала переход двухкальциевого силиката в тоберморит происходит с частицами шлама крупностью менее 0.1 мм, находящихся длительное время в глубоких горизонтах шламохранилища (W < 20 %). Рентгенно-структурный анализ показал, что в шламохранилище гидратированно от 2 до 8 % шлама. Невысокая степень преобразования исходного материала снижает его способность к цементации. Характер физико-химических процессов, протекающих в шламохранилище, показывает, что цементацию шлама можно интенсифицировать за счет введения в шламовую пульпу специальных минерализаторов – кольматантов, т. к. образование карбонатов и карбоалюминатов или клинкерного минерала тоберморита определяется, главным образом, содержанием кремнезема в растворе. Как показывают результаты термодинамического моделирования, наибольшего эффекта можно достичь, используя тонкодисперсный, высокореакционный SiO₂;

Рис.13. Эволюция минерального состава белитового шлама в закрытых по отношению к атмосфере условиях при взаимодействии с подшламовыми водами в процессе транспортировки (I), складирования (II) и нахождения в глубоких горизонтах шламоотстойника (III).

– на основе исследованной системы комплексной утилизации твердых и жидких отходов глиноземного производства была разработана компьютерная модель, реконструирующая основные закономерности физико-химических превращений белитового шлама и техногенных растворов в условиях действующих шламохранилищ (рис. 14). Анализ процессов, протекающих в шламохранилище, показывает, что полимеризацию частиц можно интенсифицировать за счет введения в шламовую пульпу специальных минерализаторов – кольматантов. Физико-химическая модель системы «оборотные воды – белитовый шлам – кольматант» позволяет подобрать оптимальные условия, способствующие образованию цементоподобных структур, существенно повышающих противофильтрационные свойства складируемого шлама. Предложенные физико-химические способы модификации белитового шлама позволяют сократить удельный расход модульных добавок (известняка и соды), повысить степень извлечения ценных компонентов из сырья, улучшить систему водооборота, снизить нагрузку складируемого шлама на гидротехнические и природоохранные объекты.

Рис.14. Схема потоков (тыс. т/мес.) в шламоотстойнике ОАО «АГК»

– предложен метод, позволяющий сократить время и затраты на химико-аналитическое исследование свойств электролита алюминиевых ванн без которых не возможно стабильное ведение процесса электролиза. Показана возможность определения форм существования элементов криолитового расплава, образующихся на стадии плавления и испарения криолита (рис. 15). Сформированная резервуарно-динамическая физико-химическая модель позволила точно определить: формы существования элементов в расплаве и определить влияние температур на устойчивость этих форм; разницу между поступающим и реально анализируемым материалом, что в дальнейшем позволит: повысить эффективность аналитических исследований за счет подбора условий проведения эксперимента, учесть особенности самого образца электролита и правильно реконструировать его состав и свойства; оптимизировать процесс анализа и разработать пути улучшения технико-экономических показателей электролитического производства алюминия.

Рис.15. Модель конденсированной и газовой фаз электролита в зависимости от температуры и криолитового отношения (КО)