Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геоэкологическая оценка источников загрязнения окружающей среды на урупском гоке и анализ существующих методов очистки шахтных вод 12
1.1 Геоэкологическая оценка ситуации на урупском гоке 12
1.2 Анализ существующей схемы очистки шахтных вод от ионов тяжелых металлов на предприятии 23
1.3 Оценка предложенного метода очистки шахтных вод 29
1.4 Анализ существующих методов очистки шахтных вод 35
Глава 2. Анализ состава хвостов обогащения урупского гока и предложенных методов утилизации хвостов 46
2.1 Изучение состава хвостов обогащения и анализ схем очистки хвостов урупского гока 46
2.2 Минералого-технологическое изучение руд и продуктов обогащения урупского медио-колчеданного месторождения 49
2.3 Анализ работы урупской обогатительной фабрики и лабораторные исследования лежалых хвостов обогащения 50
2.4 гравитационные методы переработки хвостов обогащения 53
Глава 3. Исследование электродиффузионных и электросорбционных процессов очистки шахтных вод 62
3.1 Теоретическое обоснование возможности совмещения электрогидрофизических процессов для селективного извлечения ионов меди и цинка из шахтных вод 62
3.2 Исследования по интенсификации ионообменной сорбции тяжелых металлов в электрическом и магнитном полях 64
3.3 Конструкции разработанного электродиффузионного аппарата и результаты лабораторных исследований 67
3.4 Исследование эффективности работы электросорбционной установки 72
Глава 4. Исследование возможности использования шахтных вод для выщелачивания меди и цинка из лежалых хвостов обогащения 79
4.1 Исследование процессов окисления, происходящих в хвостах обогащения при обработке их шахтными водами 79
4.2 Обоснование предварительного насыщения шахтных вод электролитическим кислородом 81
4.3 Электрокавитационная система для насыщения шахтных вод электролитическим кислородом и результаты экспериментов 88
4.4 Лабораторные исследования процесса выщелачивания с использованием шахтных вод на пробах агломерированных хвостов урупского гока 97
4.5 Конструкция пульпового электросорбера для извлечения ионов меди и цинка при kiobethom выщелачивании 102
Глава 5. Обоснование системы комплексной очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения 107
5.1 Эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения 107
5.2 Расчет параметров 111
5. 3 Экономическая оценка 118
Заключение 121
Список использованной литературы: 123
- Геоэкологическая оценка ситуации на урупском гоке
- Изучение состава хвостов обогащения и анализ схем очистки хвостов урупского гока
- Теоретическое обоснование возможности совмещения электрогидрофизических процессов для селективного извлечения ионов меди и цинка из шахтных вод
- Исследование процессов окисления, происходящих в хвостах обогащения при обработке их шахтными водами
Введение к работе
При разработке рудных месторождений одной из главных составляющих ущерба окружающей среде является ее загрязнение тяжелыми металлами, распространяющимися в ней в различных формах преимущественно с поверхностными и подземными водами.
Тяжелые металлы, как известно, могут оказывать угнетающее действие на флору и фауну, начиная с почвенных микроорганизмов. Например, медь, цинк, серебро в форме простых ионов (в данном случае катионов) в почвенных водах резко подавляют активность азотфиксирующих бактерий, и, соответственно, ухудшают условия почвенного питания высших растений и далее по цепи питания - фауны. Но особенно чувствительны к наличию высоких концентраций тяжелых металлов в водной среде их непосредственные обитатели - рыбы и пресноводные моллюски.
В стоках горных предприятий содержание этих металлов превышает ПДК на порядки, например, по цинку превышение ПДК может достигать 400 раз. При объемах сброса в окружающую среду жидких отходов, имеющих порядок десятки миллионов м3/год, только при переработке медных и медно-цинковых колчеданных руд масштабы загрязнения окружающей среды медью, цинком и сопутствующим им кадмием определяются площадями порядка тысяч квадратных километров..
Миграция тяжелых металлов из техногенных образований; главным образом, хвостохранилищ и нарушенных в процессе разработки массивов осуществляется в форме взвешенных частиц, содержащих или сорбировавших их минералов, а также в форме растворенных ионов. Причем наибольшей миграционной активностью обладают медь и цинк, что обусловлено сравнительно низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала и высокой скоростью образования в водной среде их гидратированных катионов. В результате чего, эти
минералообразующие элементы и сопутствующие им и близкие по свойствам кадмий и свинец переходят в подвижную форму, распространяясь с поверхностными и подземными водами на значительное расстояние.
Особо значимую роль в процессах миграции этих металлов играют процессы окисления железа и серы водой и растворенным в ней кислородом, а впоследствии и тионовыми бактериями и образующимися ионами трехвалентного железа, являющегося сильным окислителем. В результате этих процессов происходит интенсивное растворение катионообразующих меди и цинка, причем их содержание в шахтных водах и поровых водах «старых» хвостов и отвалов достигает нескольких сотен миллиграмм на литр, т.е. на 3-4 порядка превышает предельно допустимые концентрации.
Очистка шахтных вод и стоков обогатительной фабрики от тяжелых металлов и образовавшихся сульфатов осуществляется на практике сравнительно дешевым реагентным методом, основанным на реакциях гидратации ионов металлов и «связывания» сульфатов кальцием в щелочЕюй среде. Однако при этом, во-первых, порождаются новые, хотя и не миграционпоактивные отходы, а во-вторых, главное, не решается задача утилизации хвостов обогащения, являющихся источниками загрязнения вод этими металлами.
Принимая во внимание, что шахтные воды по существу являются кислотными растворами, содержащими, кроме того, двухвалентное железо, которое может быть источником получения сильного окислителя-трисульфата железа, целесообразно решать задачи очистки шахтных вод от тяжелых металлов и загрязнения ими окружающей среды, обусловленной миграционными процессами, в том числе и из хвостохранилищ в едином технологическом эколого-защитном комплексе, используя шахтные воды как выщелачивающие растворы.
В такой постановке задача снижения уровня загрязнений водной среды в районах действия горно-обогатительных предприятий Cu-Zn отрасли не ставилась, соответственно научное обоснование путей ее решения актуально.
В данной работе проблема загрязнения окружающей среды шахтными водами и лежалыми хвостами обогащения рассматривается для условий Урупского ГОКа.
Основная идея диссертации заключается в том, что существенное
снижение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами при
разработке месторождений колчеданных медно-цинковых руд
обеспечивается применением системы, объединяющей
электродиффузионные и электросорбционные процессы для очистки шахтных вод с последующим их использованием как выщелачивающих растворов для извлечения меди, цинка и сопутствующих элементов из лежалых хвостов обогащения.
Целью работы является научное обоснование возможности использования безреагентной схемы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения, существенно снижающей загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды.
В соответствии с этим в диссертационной работе решались следующие задачи:
Анализ экологической ситуации на Урупеком ГОКе.
Критический анализ существующих методов очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от растворенных загрязнителей и, в частности, катионов цинка, а также катионов и комплексных анионов меди,
Теоретическое обоснование возможности повышения эффективности очистки от тяжелых металлов шахтных вод и лежалых хвостов обогащения (дренажных вод хвостохранилищ) на основе
использования комбинированных схем, включающих гидрофизические
процессы.
Создание технологии электроактивации растворов, приготовленных на основе шахтных вод для увеличения скорости очистки лежалых хвостов обогащения от растворенных форм металлов, загрязняющих окружающую среду, за счет повышения скорости окисления железа и серы.
Разработка комплексной эколого-защитной схемы очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения.
Теоретическое и экспериментальное исследование и обоснование возможности использования шахтных вод как исходного продукта для приготовления выщелачивающих медь и цинк кислых растворов, используемых с целью предотвращения миграции их в окружающую среду из хвостохранилищ.
7. Обоснование методики экономической оценки эффективности
эколого-защитных мероприятий.
Методы исследований.
Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, который включает лабораторные и опытно-промышленные эксперименты, регрессионный анализ, математическое и эколого-экономическое моделирование.
Научные положения, защищаемые автором:
1. Глубокая очистка шахтных вод от ионов'меди и цинка достигается
посредством их электродиффузии через мембранный слой ионообменной
смолы и последующей сорбции ионов в основном объеме ионитов. При
этом эффективная величина напряжения на электродах лабораторного
электродиффузионного аппарата 30 В, толщина мембраны из
ионообменной смолы - 2 см, удельная скорость фильтрации - 3,1
л час-см2
2. Насыщение подготовленных шахтных вод активным
электролитическим кислородом обеспечивается за счет эффекта
совместного воздействия кавитации и электролиза воды в специальном
электрокавитационном аппарате. Оптимальное содержание кислорода
достигается при напряжении на электродах аппарата и расходе шахтной
воды соответственно 30 В и 10 м3/час и описывается обратно-
пропорциональной зависимостью от указанных переменных.
3. Изменение содержания меди в растворе при выщелачивании
лежалых хвостов зависит от времени воздействия и содержания кислорода
по закону сложной функции вида CClJ = ——, где К - коэффициент,
1 + А-е
характеризующий предельное содержание меди в растворе, зависящий по логарифмическому закону от величины насыщения раствора кислородом, А и В - коэффициенты, характеризующие динамику процесса выхода металла в раствор.
4. Эколого-защитная система очистки шахтных вод и лежалых
хвостов обогащения обеспечивает снижение загрязнения окружающей
среды и создает возможность компенсации части затрат на очистку за счет
прибыли, получаемой от реализации дополнительно извлекаемых ценных
металлов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- с целью предотвращения загрязнения-окружающей среды тяжелыми
металлами из хвостохранилищ, обоснована возможность использования
шахтных вод как выщелачивающих растворов для извлечения их из
лежалых хвостов обогащения;
- теоретически и экспериментально доказана эффективность и
установлены параметры очистки шахтных вод, лежалых хвостов от меди и
цинка новым комбинированным методом, включающим
электродиффузионное концентрирование с последующим сорбционным
извлечением:
- обоснован новый комплексный показатель экономической оценки эффективности очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов, позволяющий количественно оценить как затратную часть эколого-защитных мероприятий, так и прибыль, полученную при их реализации за счет извлекаемых из отходов горного производства металлов.
Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается значительным объемом экспериментальных исследований, корректным теоретическим обобщением их результатов и фактических технологических данных конкретного предприятия, подтверждением результатов лабораторных и полупромышленных экспериментов.
Практическая значимость работы.
1. Разработана эколого-защитная система очистки шахтных вод и
лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов.
2. Разработана конструкция электрокавитатора - аппарата для
насыщения шахтных вод активным электролитическим кислородом;
экспериментально доказана эффективность работы электродиффузионного
аппарата и получены конкретные показатели по извлечению ионов
металлов из растворов и снижению загрязнения окружающей среды.
3. Предложены конструкции аппаратов для эффективного
концентрирования металлов при очистке шахтных вод и при
выщелачивании металлов из лежалых хвостов обогащения.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях МГГРУ (2002-2005 гг.), Урупском горно-обогатительном комбинате (2002-2004 гг.).
Реализация результатов работы.
Результаты исследований направлены на Урупский ГОК для использования при составлении технологического регламента по очистке
шахтных вод и лежалых хвостов обогащения в соответствии с предлагаемой системой.
Настоящая работа используется в учебном процессе при чтении лекций по курсу "Разработка техногенных месторождений полезных ископаемых".
Публикации, Основные положения диссертации опубликованы в восьми печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, включает 21 таблицу, 17 рисунков.
Геоэкологическая оценка ситуации на урупском гоке
На сегодняшний день значительную опасность для человечества представляет катастрофическая экологическая ситуация на планете. Наиболее серьезная проблема - недостаток питьевой воды, ее качество, которое не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям. Санитарно-гигиеническое состояние подземных источников, не удовлетворительное, так как с каждым годом увеличивается их загрязнение Fe, Mn, F и другими макроэлементами.
Интенсивными источниками загрязнения подземных вод являются, прежде всего, сточные воды промышленных предприятий, использованные для тех или иных производственных и коммунально-бытовых нужд и содержащие вещества, изменяющие первоначальный химический состав и физические свойства вод. В связи с этим концентрация нефтепродуктов в местах водозабора достигает сотен и тысяч ПДК, а ионов тяжелых металлов — десятков ПДК.
Из выше сказанного следует, что необходимо рациональное ведение водного хозяйства, проведение целенаправленной работы по улучшению использования водных ресурсов, сокращение водопотребления в промышленности, в сельском и коммунальном хозяйстве, и, самое главное, усиление охраны водной среды.
В настоящее время в связи с прогрессирующим загрязнением окружающей среды отходами промышленности, в том числе и горнодобывающей, вопросы разработки эффективных способов очистки промышленных стоков и вод, контактирующих с твердыми отходами, от токсичных элементов и их соединений приобретают особую значимость [28,61].
В связи с этим, во многих странах учеными и инженерами активно ведутся работы по разработке эколого-защитных технологий. В тоже время многие частные задачи по геоэкологии и, конкретно, задача очистки шахтных вод от тяжелых металлов, объективно требуют поиска новых технических решений, базирующихся на теоретических и экспериментальных исследованиях процессов миграции элементов в системе «минеральная среда - подземные воды - поверхностные воды -осаждающие среды». Большой научный вклад в решение этого вопроса внесли такие известные ученые как Вернадский В.И., Ферсман А.Е., Мельников Н.В., Трубецкой К.Н., Перельман А.И., Русский И.И., Комащенко В.И., Козырев Е.Н., Лобанов Д.П., Лисенков А.Б., Папичев В.И., Хохряков А.В.
Горнодобывающие и перерабатывающие предприятия цветной металлургии являются значительными потребителями водных ресурсов, забирающими из водных источников около 18% свежей воды от общего её расхода промышленностью. Эти предприятия имеют специфические особенности в использовании воды, свои источники её загрязнения и, следовательно, требуют разработки и внедрения собственных охранных мер и конкретных технологических решений с целью комплексного использования воды [62,66,67,68].
Укрупненный анализ, проведенный работниками лаборатории Урунекого ГОКа состояния водной среды на территории действующих шахт показывает, что в целях охраны окружающей среды и рационального использования водных ресурсов необходимо: - прекратить сброс загрязненных стоков в водоемы; - довести объем оборотного водоснабжения в промышленности до 84%, увеличить мощность очистных сооружений в два раза, обеспечив при этом полную очистку сточных вод с использованием новых экологически чистых технологий; - осуществить комплексную реконструкцию устаревших систем водопользования; - сократить удельный расход воды на единицу продукции.
Повышение эффективности работы очистных сооружений горных предприятий должно быть направлено на рациональное и экономное расходование воды, снижение содержания вредных компонентов и их утилизацию [91,99,105,109].
В настоящее время эксплуатирующиеся очистные сооружения построены, как правило, по устаревшим технологическим схемам, предназначенным для очистки вод с небольшим количеством загрязнений. И поэтому состояние очистных сооружений и установок на этих предприятиях, в основном не соответствует действующим экологическим требованиям. По экономическим причинам происходит задержка внедрения новых технологических процессов.
При добыче и обогащении руд цветных металлов основными видами загрязнений окружающей среды являются шахтные соды, а также стоки обогатительных фабрик.
.Указанная проблема, применительно к задачам очистки шахтных и сточных вод, решается для условий работы Урупского горнообогатительного комбината, находящегося в Урупском районе Карачаево-Черкесской республики (КЧР).
В целом в республике 86 крупных промышленных предприятий различных отраслей: машиностроение, металлообработка, химическая и нефтехимическая, радиоэлектроника, строительных материалов, горнодобывающая, лесная и т.д.
Изучение состава хвостов обогащения и анализ схем очистки хвостов урупского гока
Второй составляющей решения проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами является очистка лежалых хвостов обогащения.
Решению задач очистки лежалых хвостов обогащения от растворенных форм металлов другими методами, альтернативными химическому были посвящены разработки ряда научно-исследовательских организаций соответствующего профиля.
Изыскание возможностей переработки хвостов хвостохранилища №1 Урупской ОФ, запасы которого оцениваются в 11,6 млн.т., в т.ч. меди - 29,6 тыс.т., цинка - 25,1 тыс.т, серы - 2623 тыс.т., золота - 9,5 т, серебра - 118,9 т, кадмия - 224 т, селена - 332 т, теллура - 293 т, на предприятии ведутся с 1996 г.
Одна из первых работ проведена известным ученым, специалистом по выщелачиванию урановых руд, академиком АН РФ Б.Н. Ласкориным. После детальных ознакомлений с процессами переработки руд и состоянием хвостохранилища на месте им была составлена программа , которая намечала проведение всех работ в 3 этапа.
Первый этап предусматривает разработку технологии и создание опытно-промышленной установки по переработке хвостов производительностью 2000 т. в сутки.
В основу технологии положены современные методы гравитационного и флотационного обогащения. Данная технология позволит на стадии переработки хвостов дополнительно получить товарный медный, пиритный и цинковый концентраты, которые на первом этапе необходимо отправлять на металлургические заводы Урала, а полученные богатые концентраты, содержащие благородные металлы переработать на месте в отдельном технологическом цикле с получением кондиционных слитков золота и серебра. Кроме того, предлагаемая технология позволит получить качественно новые товарные продукты -металлические порошки: золотые марки ПЗЛ-1, серебра марки ПСР-1, технического селена марки СТ-1, технического теллура Т-1 и технические порошки меди.
Внедрение предложенной технологической схемы переработки хвостов обогащения должно обеспечить: - в ближайшие 10-15 лет решить задачу полной рекультивации хвостохранилища; - получение на стадии переработки продукции нового качества: кондиционных слитков золота и серебра повышенной чистоты (99,99%), металлических порошков золота, серебра, селена, теллура, меди; - повышение комплексности использования сырья за счет попутного извлечения и получения товарных продуктов цветных и благородных металлов, а также использования отвальных продуктов для производства строительных материалов; - повышение производительности труда за счет сокращения общей продолжительности технологического цикла; - повышение сквозного, извлечения в целом по фабрике цветных и благородных металлов в товарные продукты на уровне 85-90%; - сокращение потерь золота - 150-160 кг, серебра - 500-600 кг, теллура - 100-150 кг, меди 1000-1100ти цинка900-1000 тв год.
Этапы второй и третий предусматривают разработку технологии и создание опытно-промышленной установки по переработке на месте медных концентратов и промпродуктов с получением товарных продуктов цветных и благородных металлов. Согласно этой технологии, сгущенную пульпу медных концентратов и промпродуктов после мокрого доизмельчення в шаровой мельнице подают в электролизеры на электрохимическое растворение цветных и благородных металлов. По завершению процесса пульпу фильтруют. Из фильтрата последовательно осаждают серебро, золото, медь, цинк и другие металлы. Очищенный раствор направляют в оборот на пульпоприготовление, а кек, после электрохимического растворения, на первую стадию флотации. Полученные осадки благородных и цветных металлов подвергают перечистке с последующей плавкой на товарные слитки. Предлагаемая технологическая схема позволит раздельно получить товарные продукты благородных и цветных металлов с достаточно высоким извлечением на уровне 85-90%, значительное сокращение транспортных расходов, связанных с доставкой концентратов на Уральские заводы.
По предварительным оценкам ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии переработки хвостов обогащения за счет дополнительного извлечения и получения качественно новых продуктов благородных металлов составит 30-35 млрд.руб. в год в ценах 1996 года исходя из производительности опытно-промышленной установки 2000 тонн хвостов в сутки.
В ходе внедрения этой программы на Урупском ГОКе проведены лабораторные исследования. Получены богатые концентраты благородных металлов с содержанием золота 600 - 750 г/т. Дальнейшие работы были прекращены из-за высокой стоимости оборудования и общего ухудшения экономического положения предприятия.
Теоретическое обоснование возможности совмещения электрогидрофизических процессов для селективного извлечения ионов меди и цинка из шахтных вод
Главным вопросом, который необходимо решить для реализации системы комплексной очистки шахтных вод и лежалых хвостов обогащения от тяжелых металлов является именно вопрос технологии извлечения цинка и меди, а также сопутствующих компонентов (золота, серебра).
Прежде всего, необходимо решить задачу извлечения из шахтной воды избыточных ионов меди и цинка, которые с одной стороны, ввиду относительно большой концентрации, будут препятствовать диффузионному переходу ионов из твердой фазы в жидкую при выщелачивании, а с другой (особенно цинк) подавлять активность тионовых бактерий на второй стадии выщелачивания.
Учитывая, что при очистке вод в этом случае необходимо обеспечить селективность и то, что после выщелачивания хвостов сернокислотными шахтными водами концентрация меди и цинка может превышать 1 г/л (по каждому компоненту), то базовым способом извлечения целесообразно принять ионообменный, а в качестве дополнительного -электродиалитический, но не в мембранном варианте (недостатки которого отмечены выше) исполнения, разделяющего ионные потоки слоя, а в ионитном. То есть иониты (катиониты и аниониты) будут выполнять в этом случае роль подвижных электродиалитических пар, в локальной
области аппарата. При этом существенно снижаются проявления главных недостатков этих методов очистки, отмеченные ранее.
На первом этапе воздействие осуществлять на растворенные ионы и тонкий поверхностный слой ионита с тем, чтобы первые концентрировались только в его пленочной фазе и далее перемещались к месту накопления в результате электродиффузии. После этого ионы могут уже извлекаться основной массой ионообменных смол преимущественно в гелевой фазе. Приведем теоретическое обоснование возможности реализвации этого предложения.
Нами были изучены труды известных в этой области ученых: Ласкорина Б.Н., Водолазова Л.И., Классена В.И., Дэниса, Уитни, Секисова А.Г., Федотова Г.П., Чугаева Л.В. и проведены исследования по интенсификации ионообменной сорбции меди и цинка в электрическом и магнитном полях.
Как известно [56], процесс ионообменной сорбции растворенных металлов протекает в две стадии: в пленочных водах, окружающих зерна ионита (пленочная фаза) и в самом «теле» ионита (гелевая фаза).
Предварительная сорбция в пленочной воде, окружающей ионит (пленочная фаза сорбции), происходит в виде локального концентрирования ионов металлов в сравнительно небольшом объеме воды с повышенным поверхностным натяжением.
По представлениям. Уитни [55] сорбируемость ионообменными смолами ионов определяется не их ионным радиусом и валентностью, а «изменением структуры воды» под воздействием ионогенных групп ионитов.
Развивая эту идею применительно к сорбции ионов в пленочной фазе ионита (фактически самой пленочной водой), можно предположить, что в силу повышения энергии межмолекулярного взаимодействия в пленочных водах возрастает и энергия гидратации ионов и, следовательно, прочность связи между .ионами и поляризуемыми молекулами воды. Соответственно, растет локальная концентрация ионов и возникает концентрационный градиент между раствором (или жидкой фазой пульпы) и пленочной фазой ионита, обеспечивающий направленную диффузию в последней.
Если обеспечить такие условия, при которых будет происходить интенсивная диффузия в пленочной фазе ионита, но при этом аккумулируемые в ней ионы будут переходить не в гелевую фазу (т.е. в «тело» ионита), а перемещаться, после предварительной концентрации в пленочной воде, в смолы, где они будут окончательно извлекаться из раствора (т.е. тем же ионообменным методом), то такой способ очистки (извлечения), сохраняя отмеченные выше (см. главу 1) преимущества ионообменного метода (в первую очередь селективность и скорость процесса), позволил бы существенно снизить и проявление его недостатков (узкий диапазон эффективных для этого метода концентраций ионов - порядка 1 г/л и «отравление» железом).
Такие условия по нашему мнению могут быть обеспечены дополнительным воздействием на ионы металлов [22,84]: а) потоков высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения характеристической частоты (в ультрафиолетовой или рентгеновской области спектра); б) электрическими и/или магнитными полями,
Исследование процессов окисления, происходящих в хвостах обогащения при обработке их шахтными водами
Как было сказано в предыдущих главах диссертации шахтные воды (с предварительно извлеченными ионами меди и цинка) решено использовать в качестве выщелачивающих растворов для извлечения меди, цинка и золота из лежалых хвостов обогащения, с целью снижения миграции этих элементов в окружающую среду.
Существенный вклад в разработку эффективных систем выщелачивания металлов из некондиционных руд и техногенных образований внесли такие отечественные и зарубежные специалисты как Чантурия В.А., Арене В.Ж., Бунин И.Ж., Лобанов Д.П., Малухин Н.Г., Небера В.П., Полькин СИ., Тадеев М.Ы., Толстов Д.Е., Van Antveip, Ph. Lincoln, A.J. Chrestensen и др.
В настоящее время около 30% извлекаемой в мире меди получают геотехнологическими и биогеотехнологическими методами — кучным сернокислотным и кучным сернокислотно-бактериальным выщелачиванием.
Данные методы характеризуются высокой экономической эффективностью (полная себестоимость производства 1 т меди включая аффинаж не превышает 800$, в то время как цена 1 т меди на Лондонской бирже металлов колеблется в пределах 2700-3000$) и сравнительно незначительным экологическим ущербом - оставшаяся в выщелоченных кучач медь и сопутствующие тяжелые металлы (Zn, Pb) практически не мигрируют в последствии в окружающую среду.
Практически разделение методов сернокислотного кучного выщелачивания меди на геотехнологические и биогеотехнологические является условным, т.к. в виду продолжительного (порядка десятков суток-месяцев при объеме выщелачиваемого материала порядка сотен - тысяч тонн) периода времени в любом случае в процессе участвуют бактерии, окисляющие железо, серу и медь (типа Thiobacillus ferroxidans и Thiobacillus thiooxidans). Единственно, что при биогеотехнологическом способе используют предварительно адаптированные штаммы бактерий и активирующие их рост добавки, содержащие калий, азот, фосфор и, в отдельных случаях, поддерживается оптимальная концентрация культуры О Л оактерии (10-10 и клеток в мл раствора) и температура (25-35С, в идеале 32-35"С). Хотя бактерии, существующие в естественной среде обитания, сохраняют свою жизнедеятельность, окисляя сульфиды железа даже при +5С при концентрации клеток 10 -10 ед./мл [95].
Оптимальной рН для жизнедеятельности бактерий—окислителей является 1,5-2,5, но сохранение активности наблюдается и до рН 4,5.
Шахтные воды, формируемые при разработке медноколчеданных, медно-цинково колчеданных и в меньшей мере, полиметаллических месторождений, имеют достаточно высокие концентрации сульфат-анионов и низкие рН (3-4 и даже ниже), поэтому при уменьшении в них содержания «связывающих» сульфаты катионов (Са , Mg , Na , Fe ) и повышении содержания активного кислорода, они фактически могут представлять собой сернокислотные растворы.
Естественно, что при наличии в шахтных водах высоких концентраций меди и цинка (порядка сотен мг/л, в Урупских водах в частности 200 мг/л) из них также должны быть предварительно удалены ионы этих металлов, как для поддержания при кучном выщелачивании концентрационного градиента на границе твердой и жидкой фаз, так и для исключения подавляющего жизнедеятельность бактерий эффекта присутствия Zn. Доказано, что эти ионы можно извлекать в электродиффузионном аппарате (глава 3).
Процесс кучного сернокислотного выщелачивания протекает в несколько стадий [24,27,31,34]: I. Окисление сульфидных минералов и в первую очередь пирита серной кислотой и кислородом: а) железа 2FeS2+2H2 S04+02 - 2FeS04+2H20+4S б) серы 2S+302+2H20 -» 2H2S04 и халькопирита а) железа и меди FeCuS2+2H2S04+02 -» FeS04+CuS04+2H20+2S б) серы 2S+302+2H20 — 2H2S04
Процессы окисления первой стадии существенно ускоряются при повышении концентрации в воде растворенного кислорода, поскольку последний сам по себе в водной среде может выполнять роль окислителя: 2FeS2+702+2H20 -» 2FeS04+2H2S04 II. Образование трисульфата железа 4FeS04+H2S04+02 - 2F S04)3+2H20 Этот процесс протекает с участием тионовых бактерий. III. Окисление сульфидных минералов, образовавшимся трисульфатом железа: а) пирита FeS2+Fe2(S04)j- 3FeS04+2S 2S+302+2H20- 2H2S04 б) халькопирита 2CuFeS2+3Fe2(S04)3 8FeS04+CuS04+CuS+3S CuS+Fe2(S04)3- CuS04+2FeS04+S
