CC BY
49
Труды Карельского научного центра РАН № 4. 2011. С. 98-102
УДК 622.341.1: 6222.772
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ РУДЫ КОСТОМУКШСКОГО И КОРПАНГСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Н. Е. Кулакова, П. А. Лозовик
Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН
Методом лабораторного моделирования выявлены особенности выщелачивания минеральных компонентов из железной руды различных карьеров Костомукшского ГОКа. Проведенные опыты позволили понять причины и установить, что изменение химического состава воды хвостохранилища связано в основном с добычей и переработкой руды центрального карьера.
Ключевые слова: выщелачивание, кумулятивные кривые накопления, Косто-мукшский ГОК.
N. E. Kulakova, P. A. Lozovik. EXPERIMENTAL LEACHING OF ORE FROM THE KOSTOMUKSHA AND KORPANGA IRON ORE DEPOSITS
The parameters of the mineral compounds leaching from iron ore from various quarries of the Kostomuksha mining and ore processing plant was determined by laboratory modeling. The experiments allowed us to understand the causes, and find that the tailings chemical composition changed mostly under the impact of extraction and processing of ore from the central quarry.
Key words: leaching, cumulative curve accumulation, Kostomuksha mining &
processing plant.
Введение
Костомукшский ГОК (ОАО «Карельский окатыш») является крупнейшим предприятием горнодобывающей промышленности в Республике Карелия на протяжении долгих лет. Комбинат производит железные окатыши из руды Костомукшского и Корпангского месторождений и располагается на северо-западе республики, вблизи г Костомукши. Для производственных целей на месте бывшего оз. Костомукшского было создано хвостохранилище, которое используется для захоронения отходов производства (хвостов) и оборотного водоснабжения комбината. Формирование химического состава воды хвостохранилища происходит в основном за счет выщелачивания минеральных компонентов из руды при контакте с оборотной
водой в технологическом цикле и при взаимодействии «хвостов» с водой непосредственно в хвостохранилище. К особенностям состава воды хвостохранилища следует отнести сравнительно высокую ее минерализацию, а также преобладание в ионном составе К+(49 %-экв.) и Э042- (71 %-экв.). Кроме того, вода хвостохранилища отличается высоким содержанием нитратов (7,3 мг Ы/л), лития (75 мкг/л) и алюминия (62 мкг/л) (по данным 2010 г.). Многолетняя динамика состава воды хвостохранилища описана ранее [Феоктистов, Сало, 1990; Феоктистов и др., 1992; Пальшин и др., 1994; Поверхностные воды..., 2001; Лозовик и др., 2007, 2010]. В последнее десятилетие в воде хвостохранилища отмечается рост суммы главных ионов (£и) (650 мг/л в 2010 г. против 454 мг/л в 2000 г.), а также содержания К+(159 и 115 мг/л) и Э042-
®
(298 и 125 мг/л) соответственно. В предшествующий период наблюдался рост концентрации нитратов, содержание которых в последние го ды ос та ет ся от но си тель но по сто ян ным, но на высоком уровне (среднее значение за 1998-2010 гг. составило 8,8 мг Ы/л) по сравнению с началом эксплуатации хвостохранилища (в среднем 0,7 мг/л за период 1984-1989 гг.).
Целью работы было выяснить причины изменения химического состава воды хвостохранилища за последнее десятилетие.
Материалы и методы
Для достижения поставленной цели были про ве де ны лабо ра тор ные опы ты по вы ще ла чи-ванию руды из различных карьеров Костомукш-ского ГОКа аналогично методике [Феоктистов, Сало, 1990]. В опытах названных авторов после каждого пробоотбора использовались свежие образцы руды, и они имитировали работу оборотного водоснабжения в системе «обогатительная фабрика - хвостохранилище». В наших опытах использовался один и тот же образец руды, и эти опыты имитировали выщелачивание ком по нен тов при тех но ло ги че ской пе ре работке руды и после поступления отработанной пульпы в хвостохранилище.
Образцы руды были взяты с трех действующих карьеров Костомукшского (центрального и северного) и Корпангского (западного) месторождений. Мелко раздробленную руду (фракция частиц менее 1 мм) массой 200 г заливали дистиллированной водой объемом 1 дм3 (соотношение «порода - вода» по весу - 1 : 5). Исходное количество опытных сосудов было 8, и оно уменьшалось на единицу после каждого пробоотбора. Ежедневно опытные растворы тщательно перемешивали и после суточного (или более по схеме опыта) отстаивания сливали воду из всех стаканов в одну емкость, отбирали 1 литр на химические анализы, а остаток воды разливали в оставшиеся с рудой опытные стаканы по 1 литру. В опытах с рудой западного карьера отбор проб на хи ми че ский ана лиз осу ще ст в ля ли на 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 и 15 сутки с момента их постановки, а в опытах с рудой центрального и северного карьеров - на 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25 и 30 сутки. В связи с наличием большого количества мелкодисперсной взвеси, которую невозможно было удалить фильтрованием, пробы воды для анализов подвергались центрифуги-ро ва нию.
В водных вытяжках измерялись электропроводность и pH, а также определялось содержание следующих компонентов: К+, Ыа+, Са2+, Мд2+,
НС03-’ ^042-* ^ Ы02-’ Ы0^ ЫоРг РМиН,
Ре, Мп, Э1 по аттестованным методикам [Ефре-менко, 2007] в соответствии с областью аккредитации Госстандартом России лаборатории гидрохимии и гидрогеологии ИВПС КарНЦ РАН.
Результаты и их обсуждение
Опы ты по вы ще ла чи ва нию по зво ли ли по лучить кумулятивные кривые накопления веществ в воде при взаимодействии ее с рудой различных карьеров Костомукшского ГОКа и выявить особенности поступления минеральных веществ из руды в воду.
На большинстве кумулятивных кривых накопления отмечается быстрый рост концентрации веществ в первые сутки и более медленное их поступление в последующие (рис. 1). Это связано с тем, что в первый момент контакта руды с водой происходило поступление легкорас-тво ри мых со лей с по верх но сти час тиц по ро ды (конгруэнтное растворение), чему способствовал мелкий размер частиц. Далее шло медленное выщелачивание компонентов из труднорастворимых пород (инконгруэнтное растворение). Наглядным подтверждением этого является характер выщелачивания ЫН4+ и Ы03-, которые появились в воде на первые сутки, а да лее их кон цен тра ции ос та ва лись не из мен-ными, т. е. в воду сразу перешли остатки легко-рас тво ри мой ам ми ач ной се лит ры - ком по нен та взрывчатых веществ.
0 5 10 15 20 25 30 35
сутки
» центральный карьер —*— северный карьер западный карьер
Рис. 1. Изменение минерализации воды при выщелачивании компонентов из руды карьеров Костомукшского ГОКа
По результатам опытов по выщелачиванию отдельных компонентов были рассчитаны скорости накопления веществ в воде (табл. 1) за первые и последующие сутки контакта руды с водой. Для большинства минеральных компонентов, за исключением Мд2+, начиная с третьих суток и до конца опытов наблюдался линейный рост их концентрации, поэтому для этого периода рассчитывалась средняя скорость выщелачивания. Среди минеральных компонентов наиболее быстро происходило выщелачивание
®
Таблица 1. Скорость выщелачивания минеральных компонентов из руды Костомукшского и Корпанг-ского месторождений (мг ■ л-1 ■ сут-1)
Западный Центральный Северный
Компо- нент ка рьер карьер карьер
1-е сутки 3-15-е сутки 1-е сутки 3-30-е сутки 1-е сутки 3-30-е сутки
К+ 8,9 1,6 14,3 0,2 5,7 0,3
Са2+ 2,5 0,3 16,0 0,95 5,8 0,4
Ыа+ 1,3 0,2 2,3 0,1 1,1 0,1
Мд2+ 0,1 1,8 0,1 0,1
Б042- 1,9 0,4 7,6 2,0 2,5 0,2
НС0- 36,5 3,2 24,8 1,7 29,2 1,9
НС0-, К+
„3, , Са2+ и Э042
воду Ыа+ и Мд2+
то гда как по сту п ле ние в шло значительно медленнее. При этом из руды центрального карьера больше выщелачивалось ионов К+, Са2+ и Э042-, но несколько меньше НС03-, чем из руды остальных карь е ров. Сле ду ет от ме тить, что в мно го лет нем плане в воде хвостохранилища наблюдается тенденция роста концентрации Э042- и уменьшения гидрокарбонатов [Лозовик и др., 2010]. Окисление сульфидных пород в руде приводит к образованию серной кислоты и, как следствие этого, к уменьшению щелочности воды. Аналогичную картину удалось наблюдать в опытах с рудой западного карьера, когда к концу эксперимента резко возросла концентрация сульфатов, но уменьшилась щелочность и рН воды (рис. 2). Величина рН в опытах с рудой север-но го и цен траль но го карь е ров уве ли чи ва лась в на чаль ный пе ри од и да лее ма ло ме ня лась до конца эксперимента, что связано с высокой щелочностью воды, обусловленной содержанием гидрокарбонатов.
Рис. 2. Изменение величины рН (а), содержания гидрокарбонатов и сульфатов (б) в опытных растворах с рудой западного карьера
Сравнение поступления азотистых веществ по ка за ло, что боль ше все го их вы ще ла чи ва-ется из руды центрального карьера. Так, к концу опытов содержание ЫН4+ и Ы03- в водных вытяжках из руды этого карьера составило 15 и 29 мг Ы/л, тогда как в северном - 0,6 и 0,3 мг Ы/л, а в западном - 0,2 и 0,04 мг Ы/л со от вет ст вен но. Как уже ука зы ва лось ра нее, их максимальное поступление наблюдалось в пер вые су тки и да лее ос та ва лось без из ме нений до конца опытов.
На ион ном со ста ве во ды ска зы ва лось выщелачивание всех минеральных компонентов и азотистых веществ. В связи со значительным поступлением ЫН4+ и Ы03- из руды центрального карьера вода в первые трое суток проведения опыта относилась к нитратно-аммониевому типу, в дальнейшем в результате увеличения доли Са2+ - к нитратно-кальциевому. В опытах с рудой западного карьера вода сначала была гидрокарбонатного класса группы кальция, а к концу опытов класс изменился на сульфатный. Следует отметить, что в начальный период эксплуатации хвостохранилища вода также относилась к гидрокарбонатно-калиевому типу, а в настоящее время - к сульфатно-калиевому. Такие изменения ионного состава воды, по-видимому, связаны с сульфидными породами, которые присутствуют в виде примесей в руде и влияние которых усиливается при длительной эксплуатации карьеров.
Поступление в воду литофильных элементов (Ре, Мп), а также Р и Р , имело свои от' ’ 75 мин общ
личительные особенности. Так, выщелачивание Реобщ (рис. 3, а) было наибольшим в 1-е сутки, затем его концентрация в опытной воде умень-ша лась до ми ни маль но го зна че ния, а к 20-м суткам - снова нарастала. Такая динамика со-дер жа ния Реобщ, по-ви ди мо му, свя за на с особенностями поведения форм Ре (II) и Ре (III). Вначале наблюдался активный переход Ре2+ в воду, затем было его окисление кислородом, содержащимся в воде, с образование нерастворимых гидроксидов Ре (III) и, как следствие, уменьшение концентрации Реобщ. Далее снова на чи на лось вы ще ла чи ва ние Ре2+ из породы в во ду.
Аналогично железу изменялось содержание Робщ и Рмин (рис. 3, б), что свидетельствует об определяющей роли форм железа в миграции соединений фосфора (фосфат железа (II) более растворим, чем Ре (III)).
Подобно выщелачиванию железа выглядит и распределение концентрации марганца, как спутника железа (рис. 3, в), но оно менее контрастно, поскольку Мп2+окисляется до Мп (IV) более медленно, чем Ре2+ до Ре (III).
100
а
б
Ере™, СуТИИ
Рис. 3. Изменение содержания железа общего (а), фосфора (б) и марганца (в) в опытных растворах с рудой центрального карьера
На основе проведенных опытов выполнена оценка выноса компонентов из руды и «хвостов» в воду (при данном соотношении порода - вода) от различных карьеров (т = 5С , где
ср
т - поступление вещества из руды, г/т руды,
Сср - среднее количество вещества в 1 литре водных вытяжек за весь период (Сср= ЕС/8, мг)) (табл. 2). Проведенные опыты в соответствии с их схемой позволяют оценить поступление веществ из 1 т руды при ее технологической переработке и при дальнейшем взаимодействии отработанной пульпы с водой хвостохранилища. Для этих целей больше подходят средние значения показателей выщелачивания за весь промежуток опытов, отражающие как конгруэнтное, так и инконгруэнтное растворение.
Как видно из табл. 2, из руды центрального карь е ра по сту па ет в во ду очень мно го ми не-ральных веществ (618 г/т руды), в том числе калия (89 г/т руды) и сульфатов (74 г/т руды), и азотистых соединений (199 г N/т руды), тогда как из руды остальных карьеров вынос этих веществ был в 2-20 раз меньше. По сравнению с дру ги ми карь е ра ми, цен траль ный карь ер вносит основной вклад в поступление азотистых веществ и минеральных солей в воду хвостохранилища.
Сравнение результатов опытов, выполненных в 2010 г. и 1980-х гг. [Феоктистов, Сало, 1990], представляет определенные сложности, поскольку в последнем в каждом последующем цикле использовались новые порции руды, а вода - предшествующего. Эти опыты фактически фиксировали только конгруэнтное растворение в отличие от наших, в которых учитывалось как конгруэнтное, так и инконгруэнтное рас тво ре ние.
Ориентировочный расчет Сср и выноса веществ из 1 т руды в опытах 1980-х гг. был вы-пол нен по со от но ше нию сред ней кон цен тра-ции и наблюдаемой в первые сутки (С1) по данным опытов 2010 г. Сравнение среднесуточного поступления веществ в первые сутки в наших опытах и в течение пяти суток в опытах 1980-х гг. (табл. 2) показывает, что большее выщелачивание K+, SO42- и главных ионов наблюдается в последние годы, чем это имело место 20 лет назад. В то же время выщелачивание
а
б
в
Таблица 2. Концентрация компонентов в водных вытяжках и их поступление в воду из руды карьеров Костомукшского ГОКа по результатам опытов 2010 г
Компо- нент С1 С ср m С1 С ср m С1 С ср m
мг/л г/т мг/л г/т мг/л г/т
Центральный карьер Северный карье р Западный карьер
К+ 14,3 (11,8*) 17,7 89 (73*) 5,7 10,0 50 8,9 19,6 98
SO42- 7,6 (4,0*) 14,8 74 (39*) 2,5 5,0 25 1,9 9,3 47
HCO3- 24,8 (35,7*) 54,6 273 (393*) 29,2 55,6 278 26,5 41,0 205
£ 68,0 (59,9*) 123,6 618 (544*) 45,4 86,7 434 41,7 78,1 391
N б общ 37,6 39,8 199 1,3 1,6 8 0,6 0,6 3
Si 0,32 1,4 7 1,2 3,4 17 1,3 2,6 13
Реобщ 0,54 0,21 1,1 1,2 1,7 9 1,0 2,5 13
P б общ 0,02 0,01 0,05 0,03 0,02 0,1 0,06 0,07 0,4
Примечание. * - по результатам опытов 1989 г. [Феоктистов, Сало, 1990].
HCO3- имеет обратную картину, чем для ионов K+ и SO42-. Выносы веществ из 1 т руды соотносятся аналогичным образом, что и среднесуточное поступление (табл. 2).
Установленные особенности выщелачивания различных лет наблюдений согласуются с общей тенденцией изменения состава воды хвостохранилища в многолетнем плане. Кроме того, эти результаты подтверждают вывод о том, что основной вклад в формирование химического состава воды хвостохранилища вносит руда центрального карьера.
Таким образом, проведенные опыты позво-ли ли вы явить осо бен но сти вы ще ла чи ва ния минеральных компонентов, определить их скорости, а также выполнить оценку их выноса из 1 т руды и понять причины изменения химического состава воды хвостохранилища за последние де ся ти ле тия.
Выводы
Методом лабораторного моделирования вы яв ле ны осо бен но сти вы ще ла чи ва ния ми не-ральных компонентов из железной руды различных карьеров Костомукшского ГОКа. При взаимодействии руды с водой в начальный момент наблюдается быстрое поступление в воду легкорастворимых веществ, находящихся на поверхности руды (конгруэнтное растворение). В дальнейшем происходит медленное выщелачивание компонентов из труднорастворимых пород (инконгруэнтное растворение).
Из руды центрального карьера в воду минеральных и азотистых веществ поступает больше, чем из руды северного и западного карье-
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Кулакова Наталия Евгеньевна
инженер-исследователь
Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия, Россия, 185030
эл. почта: lozovik@nwpi.krc.karelia.ru тел.: (8142) 576541
Лозовик Петр Александрович
зав. лаб. гидрохимии и гидрогеологии, д. х. н.
Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН
пр. А. Невского, 50, Петрозаводск, Республика Карелия, Россия, 185030
эл. почта: lozovik@nwpi.krc.karelia.ru тел.: (8142) 576541
ров. Поскольку основная добыча руды осуще-ст в ля ет ся из цен траль но го карь е ра, ос нов ные изменения состава воды хвостохранилища в последнее десятилетие связаны с эксплуатацией именно этого карьера.
Литература
Ефременко Н. А. Методы отбора и химического анализа проб воды // Состояние водных объектов Республики Карелия. По результатам мониторинга 1998-2006 гг. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН, 2007. С.10-12.
Лозовик П. А., Калмыков М. В., Дубровина Л. В. Водоемы района Костомукши. Озерно-речная система Кенти. Химический состав техногенных вод//Там же. С. 100-106.
Лозовик П. А., Калмыков М. В., Кулакова Н. Е. Многолетняя динамика изменения режима системы р. Кенти под влиянием техногенных вод Костомукшского ГОКа // Экологические проблемы Северных регионов и пути их решения: Материалы докл. Все-рос. конф. (Апатиты, 4-8 окт. 2010 г.). Апатиты, 2010. С.203-208.
Пальшин Н. И., Сало Ю. А., Кухарев В. И. Влияние Костомукшского ГОКа на экосистему р. Кенти. Гидрологические и гидрохимические аспекты // Исследование и охрана водных ресурсов Белого моря (в границах Карелии). Петрозаводск: Карельский Нц РАН, 1994. С. 140-161.
Поверхностные воды Калевальского района и территории Костомукши в условиях антропогенного воздействия / П. А. Лозовик, С.-Л. Марканен, А. К. Морозов и др. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН, 2001. 168 с.
Феоктистов В. М., Сало Ю. А. Режим эксплуатации хвостохранилища Костомукшского ГОКа. Практические рекомендации. Петрозаводск: Карельский НЦ АН СССР, 1990. 42 с.
Феоктистов В. М., Тимакова Т. М., Калугин А. И. Влияние Костомукшского ГОКа на водную систему Кенти-Кенто // Водные ресурсы Карелии и экология. Петрозаводск, 1992. С. 63-78.
Kulakova, Natalia
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Science
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: lozovik@nwpi.krc.karelia.ru tel.: (8142) 576541
Lozovik, Pyotr
Northern Water Problems Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Science
50 A. Nevsky St., 185030 Petrozavodsk, Karelia, Russia e-mail: lozovik@nwpi.krc.karelia.ru tel.: (8142) 576541
