Введение к работе
доктор технических наук Папичев В.И.
Актуальность работы. Длительное освоение месторождений твердых полезных ископаемых традиционными физико-техническими способами привело к существенному истощению балансовых запасов руд и снижению их качества, а также накоплению на поверхности большого количества отходов горно-металлургического производства в виде складированных хвостов обогащения и металлургических шлаков, отвалов некондиционных руд и вмещающих пород. В техногенных георесурсах, накопленных за 300 лет работы горнодобывающей отрасли России, содержится более, тыс. т: 7600 меди, 9000 цинка, 2000 никеля, 500 олова, 900 свинца, 128 вольфрама, 114 молибдена. Также необходимо отметить, что концентрации металлов в техногенных водах (шахтных, подотвальных водах и др.) зачастую близки к их концентрациям в традиционном гидроминеральном сырье – минерализованных водах и рассолах. Так, например, ежегодно с тонкими шламами, коллоидными взвесями и ионорастворенными компонентами техногенных вод безвозвратно теряются 23,1 тыс. т меди, до 50 тыс. т цинка. При этом отвалы некондиционных руд и техногенные воды являются долговременным источником загрязнения окружающей среды.
Один из способов уменьшения пагубного воздействия на окружающую среду таких объектов – организация и интенсификация принудительного процесса кучного выщелачивания до рекультивации отвалов и консервации рудников. Применение процессов выщелачивания позволит перевести значительную часть перечисленных ранее рудоносных объектов в промышленные месторождения, так как критерии их пригодности для эксплуатации методом выщелачивания принципиально отличаются от тех же критериев для их обогащения традиционными способами. В связи с этим, переработка отвалов бедных руд и лежалых хвостов методом выщелачивания является одним из существенных резервов повышения сквозного извлечения металлов и комплексности использования сырья, а вопросы интенсификации процесса весьма перспективными и актуальными.
В настоящее время методом кучного выщелачивания перерабатываются в основном окисленные медно-цинковые руды, содержащие от 0,1 до 3 % меди и цинка. При этом в качестве основного реагента-растворителя используются растворы серной кислоты. Извлечение металлов из продуктивных растворов осуществляется такими методами как цементация, гальванокоагуляция, сорбция и др.
Однако необходимо отметить, что основу минерально-сырьевой базы медно-цинковой промышленности Урала составляют колчеданные месторождения (~ 90%), главными рудными минералами которых являются: пирит, халькопирит и сфалерит. Переработка таких руд традиционными (флотационными) методами привела к накоплению в отвалах обогатительных фабрик большого количества цветных металлов, представленных в основном сульфидными минералами. Использование сернокислых растворов при выщелачивании такого минерального сырья малоэффективно, так как серная кислота не способна окислять его без дополнительных окислителей, использование которых приводит к окислению сульфидной серы до ионов SO42- и др., как следствие, переводу цветных металлов в жидкую фазу. В качестве окислителей применяются: соли Fe3+, перекись водорода, гипохлорит натрия, кислород и др.
Большой вклад в развитие теории и практики использования процесса выщелачивания для переработки минерального сырья внесли такие ученые как: И.Н. Плаксин, А.Н. Фрумкин, В.А. Чантурия, Г.И. Каравайко, И.А. Каковский, С.С. Набойченко, Б.Д. Халезов, А.Е. Соболев, М.И. Фазлуллин, Г.М. Вольдман, А. Н. Зеликман и другие российские и зарубежные исследователи.
На основе анализа литературных данных и результатов исследований была установлена возможность интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд сложного вещественного состава при использовании в качестве выщелачивающего агента электрохимически обработанных подотвальных вод, характеризующихся высокой концентрацией кислорода (патент РФ № 2354819). Однако в проведенных исследованиях была установлена только принципиальная возможность увеличения скорости выщелачивания ионов меди и цинка, но не достигнуты концентрации для промышленной реализации процесса цементации. Не был раскрыт механизм воздействия электрохимически обработанных подотвальных вод на труднорастворимые сульфиды, что позволило бы научно обосновать рациональные параметры электрохимической обработки подотвальных вод и разработать схему реализации данного процесса, который, при низких капитальных, эксплуатационных затратах и минимальном воздействии на окружающую среду, позволит вовлечь в переработку бедное и техногенное минеральное сырье.
Цель работы. Научное обоснование, разработка и апробация электрохимической технологии водоподготовки подотвальных вод в процессе кучного выщелачивания бедных медно-цинковых руд, обеспечивающей его интенсификацию, повышение извлечения цветных металлов и вовлечение в переработку кислых подотвальных вод.
Идея работы. Использование электрохимически обработанных подотвальных вод, характеризующихся высокой концентрацией окислителей, в процессе кучного выщелачивания для повышения скорости растворения минеральных комплексов за счет формирования легкорастворимых соединений на поверхности сульфидов, изменения их микроструктуры и оптимизации ионного состава жидкой фазы.
Методы исследований: электронная микроскопия (микроскоп LEO 1420VP), рентгеноспектральный микроанализ (энергодисперсионный спектрометр INCA Oxford 350); потенциометрический метод (АНИОН 4100, Аквилон); рентгеновская дифрактометрия (ДРОН-2.0, XRD 7000 «SHIMADZU»); оптическая микроскопия (ОМ, Olympus BX51); кондуктометрический метод (Radelkis); метод масс-спектрального анализа с индуктивно-связанной плазмой (Elan-6100 "Perkin Elmer",США); атомно-эмиссионный анализ с индуктивно-связанной плазмой (спектрометр Optima-4300 DV “Perkin-Elmer”,США); ИК – спектроскопия; атомно-абсорбционный метод (ААС «Спектр-5,4»); метод диодно-лазерной спектроскопии (Акваспек); титриметрический метод; методы математической статистики для обработки результатов исследований.
Технологические исследования проводились на медно-цинковых рудах Учалинского ГОКа на стендовых установках в лабораториях ИПКОН РАН. Укрупненные испытания разработанной технологии проведены в исследовательской лаборатории обогатительной фабрики ОАО «Учалинский ГОК», г. Учалы, респ. Башкортостан.
Основные защищаемые положения
1. Механизм интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд при использовании электрохимически обработанных подотвальных вод, заключающийся в интенсивном окислении сульфидов ионами активного хлора, MnO4- , Fe3+ и кислородом, разрушении матрицы минерала с образованием дефектов и микротрещин и увеличении влагоемкости руды.
2. Использование электрохимически обработанных подотвальных вод повышает скорость процесса выщелачивания за счет увеличения удельной поверхности минералов в 1,4 – 5,6 раз в результате развития микротрещин и увеличения объема пор, что подтверждается повышением влагоемкости и перколяционной проницаемости руды (в 2,5 – 6,0 раз).
3. Электрохимическая обработка модифицированных ионами хлора подотвальных вод при плотности тока Is = 250 А/м2 и продолжительности 10 минут обеспечивает образование в них окислителя гипохлорита, увеличивающего скорость растворения халькопирита, сфалерита, пирита в 2,8 – 7,3 и скорость выщелачивания бедных медно-цинковых руд в 2,8 – 6,0 раз по сравнению с сернокислотным раствором.
4. Разработана и апробирована в условиях Учалинской ОФ на сульфидных медно-цинковых рудах различных месторождений электрохимическая технология водоподготовки, предполагающая использование кислых подотвальных вод, что позволяет увеличить скорость выщелачивания руд в 1,6 21,5 раз и достичь необходимых для дальнейшей переработки концентраций меди и цинка - 1,21,8 г/дм3 в продуктивном растворе.
Научная новизна работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании механизма интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд при использовании модифицированной электрохимически обработанной кислой подотвальной воды за счет образования на поверхности сульфидов легкорастворимых соединений (сульфатов, гидроксидов и оксидов) и изменения микроструктуры минералов, приводящей к увеличению влагоемкости и перколяционной проницаемости руды.
Практическая значимость работы. Разработан способ интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд, основанный на использовании электрохимической технологии водоподготовки.
Теоретически и экспериментально обоснованы рациональные режимы электрохимической обработки подотвальных вод и предложена эффективная технологическая схема выщелачивания некондиционных медно-цинковых руд, позволяющая достичь необходимых для дальнейшей переработки концентраций меди и цинка в продуктивном растворе 1,5 – 3,5 г/дм3.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, представленных в работе, определяется и подтверждается использованием современной приборной базы и апробированных стандартных методик, непротиворечивостью полученных результатов и выводов, удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных исследований при доверительной вероятности не менее 95%.
Личный вклад автора заключается в анализе последних достижений науки, техники и технологии в области кучного выщелачивания и методов его интенсификации на основе изучения научно-технической литературы; проведении комплекса исследований по изучению свойств продуктов электролиза водных систем, оценке влияния подотвальных вод и продуктов их электролиза на изменение структуры, химического состава поверхности минералов и влагоемкости медно-цинковой руды, разработке технологической схемы интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд, участии в испытаниях электрохимической технологии с целью интенсификации процесса кучного выщелачивании, анализе и обобщении полученных результатов.
Реализация результатов работы. Разработана и апробирована в условиях Учалинской ОФ электрохимическая технология водоподготовки подотвальных вод в процессе выщелачивания медно-цинковых руд, в результате чего установлено увеличение скорости выщелачивания меди и цинка в 1,6 21,5 раз по сравнению с сернокислотными растворами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах ИПКОН РАН, Международных совещаниях Плаксинские чтения (Казань, 2010 г. и Верхняя Пышма, 2011 г), VII-VIII международных научных школах молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва: ИПКОН РАН, 2010-2011 г), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва: МГГУ, 2010, 2011 гг.), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения», 2010 г., МИСиС.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, из них: в рекомендованных ВАК РФ изданиях – 4, в прочих изданиях – 5, 1 заявка на патент РФ № 2010147041/03(067950).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованных источников из 106 наименований, 1 приложения; содержит 127 страниц машинописного текста, 43 рисунка и 10 таблиц.
Похожие диссертации на Интенсификация процесса кучного выщелачивания бедных медно-цинковых руд на основе использования электрохимически обработанных подотвальных вод
