CC BY
20
УДК 622. 234.42 С.Б. Татауров
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ДЛЯ КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ В КРИОЛИТОЗОНЕ
Семинар № 25
Общая характеристика проблемы
Растущая потребность в минеральных ресурсах, связанная с развитием наукоемких технологий, и экологические требования, предъявляемые к освоению территорий распространения многолетнемерзлых горных пород, требует совершенствования и создания ресурсосберегающих малоотходных и экологически безопасных технологий добычи и переработки полезных ископаемых. Известно, что использование современных геотехнологий в криолитозоне требует значительных энергетических затрат на сохранение температурного режима горных пород при рудоподготовке и извлечении ценных компонентов. Высокие цены на энергоносители снижают экономическую эффективность внедряемых технологий. Кроме того, даже незначительные нарушения теплового режима приводят к нарушению всего технологического процесса, а в некоторых случаях к остановке работы предприятий. Решением этих проблем может являться разработка новых технологий основанных на нетрадиционных видах энергии и физико-химических преобразованиях вещества в условиях отрицательных температур или в области знакопеременных температурных полях [6, 7, 9]. Причем в основе этих исследований должно быть изучение парамет-
рических характеристик физических и физико-химических процессов влияющих на эффективность извлечения полезных ископаемых.
В настоящее время опубликован ряд работ, в которых показана возможность использования технологии подземного и кучного выщелачивания при отрицательных температурах окружающей среды [1, 2, 5, 6]. Преимущественно в них рассмотрены вопросы использования криогенных растворов при выщелачивании цветных металлов, а также методы по интенсификации кучного выщелачивания, основанные на использовании естественных и искусственных энергоисточников. Практически остается без внимания влияние отрицательных температур на физические и водно-физические свойства выщелачивающих водных растворов электролитов, которые при обогащении минерального сырья геотех-нологическими методами, играют определяющую роль в извлечении и транспортировке ценного компонента.
В связи с этим и в соответствии с приоритетным направлением фундаментальных исследований СО РАН «Новые процессы максимального извлечения полезных компонентов из руд» были выполнены исследования по изучению влияния температуры в области положительных и отрицатель-
Анализ и систематизация существующих разработок по изучению процессов выщелачивания цветных и благородных металлов в области положительных и отрицательных значений температур
Теоретические исследования
Расчет физических и водно-физических свойств водного раствора с весовым содержанием Н>804 30%
Экспериментальные исследования
Подготовка искусственных песчаных кварцевых смесей содержащих медные опилки крупностью < 0.25 мм
Подготовка водного раствора с весовым содержанием ^80410 и 30%
Определение гранулометрического состава
Изучение коэффициента фильтрации и скорости выщелачивания меди раствором серной кислоты при положительных и отрицательных температурах на приборе КФ -1
Определение плотности скелета песчаной кварцевой смеси
Определение концентрации меди в водном растворе серной кислоты, pH, ЕЬ
Комплексный анализ результатов экспериментов по изучению параметрических характеристик выщелачивания меди водными растворами Нг804 в диапазоне положительных и отрицательных температур
Рис. 1. Структура методики изучения параметрических характеристик выщелачивания меди из песчаныгх кварцевых смесей при положительных и отрицательных температурах
ных ее значений на водно-физические и физико-химические свойства выщелачивающих водных растворов электролитов. В задачи исследований входило: 1) расчет на ЭВМ параметров физических и водно-физических свойств водных растворов электролитов; 2) экспериментальные исследования влияния положительных и отрицательных температур на степень извлечения меди водными растворами серной кислоты.
Метоаика исследований
Комплексная методика состояла из теоретических и экспериментальных исследований (рис. 1). Теоретические исследования включали расчет на ЭВМ параметров физических и водно-физических свойств водных растворов серной кислоты при отрицательных и положительных температурах.
Экспериментальные исследования проводились на искусственно приго-
товленных смесях из кварцевого мелкого песка, в качестве заполнителя использовались медные стружки крупностью < 0.2 мм. Содержание меди в искусственных смесях составляло 3 г/кг. Гранулометрический состав искусственной смеси был следующий: -1+0,5 (2,3 %), -0,5+0,25 (26,2 %), -
0,25+0,1 (54,8 %), -0,1 (16,7 %).
Исследование коэффициента фильтрации К1 и степени извлечения меди проводилось на приборе КФ-1 (ГОСТ 25584-83). Высота рабочей емкости прибора КФ была равна 100, диаметр - 53 мм. Для предотвращения взаимодействия водного раствора серной кислоты с металлической трубкой прибора, трубка была выполнена из полипропилена.
Исследуемый материал подвергался уплотнению на установке для уплотнения проб грунта с заданной плотностью с использованием переносного образцового динамометра ДОСМ. Плотность образцов изменялась от предельно рыхлого сложения, до предельно плотного сложения. Для получения образца с исследуемым материалом в предельно рыхлом состоянии, грунт в цилиндр насыпался с высоты 5-10 см без уплотнения.
Измерение температуры по глубине трубки осуществлялось при помощи температурных датчиков МКМТ-16 отградуированных в ИМЗ СО РАН, закрепленных на щупах толщиной 1,5 мм из текстолита и покрытых сверху несколькими слоями химически устойчивого клея.
Перед началом эксперимента каждая проба при температуре 105°С высушивалась до постоянной массы, затем проба засыпалась в трубку прибора КФ, в которую устанавливались три щупа с термодатчиками и помещалась в холодильную камеру, четвертый датчик фиксировал температуру воздуха в холодильной камере.
После охлаждения пробы до заданной отрицательной температуры в трубку прибора КФ подавался охлажденный водный раствор серной кислоты той же температуры. Для контроля проводилось выщелачивание меди при положительной температуре +20 °С. После каждого эксперимента проводилось определение плотности скелета грунта.
В качестве выщелачивающего раствора использовался водный раствор серной кислоты с 30% весовым содержанием НгБОф Расход растворителя при каждом опыте составлял 190 мл. Исходный раствор и растворы после выщелачивания меди анализировались на окислительный потенциал БИ на приборе Св-837 и водородный показатель pH на приборе «Анион 7000». Установление концентрации меди в растворах было выполнено на атомно-абсорбционный спектрофотометре фирмы «Регкте1шег» -3030В в режиме абсорбции.
Экспериментальные исследования выполнены в Институте природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН.
Результаты исследований
Физические свойства водных растворов электролитов во многом определяют эффективность выщелачивания полезных компонентов. Между физическими свойствами выщелачивающих растворов и коэффициентом фильтрации существует следующая связь [Грунтоведение, 2005]:
К, = К2(1) п
где К - коэффициент фильтрации, м/сут; К2 - коэффициент проницаемости грунтов, Д; р - плотность воды, кг/м3; п - вязкость воды, Па-с.
Согласно, этому уравнению при использовании водных растворов электролитов в условиях положитель-
Параметр и номер рисунка Значение статистических параметров
р, кг/м3 р = а + Ь - і
(2, кривая 1) а Ь Ы R
1232 -0.68 - 0.99
П, Па-с (2, кривая 2) П = а + Ье( і / Ь1)
0.52 3.18 28.43 0.99
ных и отрицательных температур на коэффициент фильтрации будут оказывать влияние изменение плотности и динамической вязкости растворов. Используя регрессионный анализ на ЭВМ, были получены формулы и их статистические характеристики для расчета параметров плотности и динамической вязкости водного раствора с весовым содержанием 30 % серной кислоты от температуры в области положительных и отрицательных ее значений (таблица).
Примечание: а, Ь, Ы - коэффициенты аппроксимации уравнений, К -коэффициент корреляции, t - температура песчаного материала, °С
Справочные данные для регрессионного анализа на ЭВМ плотности и динамической вязкости водного раствора с 30 % весовым содержанием серной кислоты заимствованы из работ [7, 8].
Полученные зависимости плотности и динамической вязкости водного раствора серной кислоты от изменения температуры в диапазоне от -30 до +30 °С свидетельствуют, что изменение динамической вязкости из области положительных температур в область отрицательных их значений происходит плавно и с увеличением на всем интервале температур по экспоненциальному закону (рис. 2, кривая 2), для плотности в данном диапазоне температур характерна линейная зависимость (рис. 2, кривая 1).
Расчетная ошибка по формулам регрессионного анализа при определении динамической вязкости водно-
го раствора серной кислоты на всем интервале изменения температур (от +30 до -30 °С) составила не более 3 %, для плотности не более 2 %, что позволяет использовать эту методику для технологических расчетов.
Полученные на ЭВМ численные значения плотности и динамической вязкости водного раствора серной кислоты от изменения температуры были использованы для математического моделирования изменения коэффициента фильтрации раствора через мелкий песок с эффективным диаметром частиц 0.25 мм и пористостью 35 %.
Численные эксперименты на ЭВМ проводились для водного раствора электролита с 30 % весовым содержанием серной кислоты (рис. 3).
Выполненный расчет коэффициента фильтрации по имеющимся значениям плотности р и динамической вязкости п в области положительных и отрицательных температур позволил установить, что при понижении температуры из области положительных значений в область отрицательных ее значений наблюдается понижение коэффициента фильтрации с 1.5 м/сут до 0.26 м/сут. Снижение коэффициента фильтрации выщелачивающих растворов ниже 0.5 м/сут по данным М.И. Фазлуллина [4] является ниже предела допустимых значений коэффициента фильтрации при кучном выщелачивании. Это может приводить к нарушению технологии кучного выщелачивания различных типов минерального сырья, с разви-
тием негативных процессов в штабеле КВ.
В связи с чем, при круглогодичном кучном выщелачивании полезных ископаемых следует учитывать изменение плотности и динамической вязкости водных растворов электролитов, так как повышение их значений при понижении отрицательных температур приводит к уменьшению коэффициента фильтрации. Это является неблагоприятным фактором, приводящим к увеличению времени выщелачивания и потери части полезного компонента вследствие изменения физических и физико-химических свойств растворов. Для предотвращения этого необходимо управлять параметрическими характеристиками водных растворов электролитов (концентрацией, температурой и т.д.), что позволит исключить нарушение технологических процессов и повысить эффективность извлечения полезных компонентов при круглогодичном кучном выщелачивании полезных ископаемых.
Вторым этапом исследований являлось экспериментальное изучение выщелачивания меди водным раствором с 30 % весовым содержанием
Рис. 2. Зависимость изменения плотности (1) и динамической вязкости (2) водного раствора серной кислоты (30 вес.%) в диапазоне положительных и отрицательных температур
серной кислоты из искусственно приготовленных песчаных кварцевых смесей при положительной +20 °С и отрицательной температуре -5 °С.
В результате исследований установлено, что изменение степени извлечения є от коэффициента фильтрации К1 подчиняется экспоненциальной зависимости (рис. 4). Так при отрицательной температуре (-5 °С)
водного раствора серной кислоты (30 вес.%) и искусственной грунтовой смеси степень извлечения меди при коэффициенте фильтрации 1.4 м/сут (объем выщелачивающего раствора 190 мл) составила 4.1 %, при изменении коэффициента фильтрации до 2.2 м/сут при тех же температурных условиях степень извлечения снизилась до 1.1 %. Дальнейшее увеличение коэффициента фильтрации показало незначительный разброс в значениях степени извлечения меди в раствор. Так при изменении коэффициента фильтрации до 4.8 м/сут степень извлечения меди в раствор составила 0.5 %.
При проведении контрольного опыта по выщелачиванию меди при положительной температуре 20 °С и коэффициенте фильтрации К1 равным 3.3 м/сут степень извлечения меди составила 1.4 %, что в 2.5 раза выше степени извлечения меди при отрицательной температуре (-5 °С) с
К^, м/сут 1.6-,
тем же коэффициентом фильтрации (рис. 4, (2)).
Плотность скелета грунта песчаной кварцевой смеси после выщелачивания изменялась в интервале от 1480 до 1730 кг/м3. Водородный показатель (pH) раствора практически не изменялся и равнялся нулю, окислительный потенциал (БЬ) раствора изменялся от 498 (при степени извлечения меди 4.1 %) до 533 мВ (при степени извлечения меди 0.5 %).
При охлаждении водного раствора с весовым содержанием 10 % серной кислоты ниже температуры его замерзания (1зам = -5.5 °С), наблюдалось выпадение кристаллогидратов с уменьшением объема выщелачивающей жидкости и увеличение ее концентрации. Механизм, динамика и закономерности процесса криогенного концентрирования водных растворов серной кислоты и выщелачивания полезных ископаемых путем гравитационной миграции криогенных растворов через сцементированную льдом руду (породу) подробно описана в работе А.Б. Птицына [6].
По всей видимости, наблюдаемый нами эффект будет проявляться при
Рис. 3. Зависимость изменения коэффициента фильтрации Кх водного раствора электролита (30 вес.%) в диапазоне положительных и отрицательных температур Ь с учетом изменения плотности р и динамической вязкости п
фильтрации охлажденного выщелачивающего водного раствора электролита через морозное минеральное сырье с температурой ниже температуры замерзания раствора. Так при выщелачивании руды водными растворами электролитов при температуре ниже точки замерзания раствора, будет происходить выпадение кристаллогидратов, что приведет к снижению объема и увеличению концентрации криогенного раствора. Образование кристаллогидратов может привести к частичной или полной закупорке пор в песчаной кварцевой смеси, а как следствие нарушение технологии выщелачивания до полной остановки работы предприятия. Потому при круглогодичном выщелачивании полезных ископаемых водными растворами электролитов в условиях Сибири следует четко регламентировать параметрические характеристики выщелачивающих растворов в зависимости от климатических условий территорий.
В настоящее время на кафедре обогащение полезных ископаемых Московского государственного горного университета проводятся исследования по изучению кучного выщелачивания золотосодержащих руд с отрицательной температурой, незамерзающими водными растворами электролитов. Одним из вариантов
е,% 4.5 1
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 м/сут
выщелачивающего реагента для золота рассматривается сернокислотно-хлоридный раствор, в состав, которого входят криопротекторы (вещества препятствующие замерзанию льда) -хлорид натрия (ЫаС1) и серная кислота (И2804), для выщелачивания урансодержащих и медьсодержащих руд, широко используемый водный раствор серной кислоты, содержащий криопротектор - серную кислоту (И2804).
Выводы
1. Разработана комплексная методика изучения физических и воднофизических свойств водных растворов электролитов для кучного выщелачивания руд цветных, благородных и редких металлов с отрицательной температурой.
2. Установлено, что при выщелачивании водным раствором электролита с весовым содержанием 30 % серной кислоты при отрицательной температуре ниже -9 °С наблюдается снижение коэффициента фильтрации ниже допустимых значений (< 0.5 м/сут) рекомендуемых для кучного выщелачивания.
Рис. 4. Зависимость изменение степени извлечения меди водном растворе серной кислоты (30 вес.%) от коэффициента фильтрации при отрицательной температуре -5 С (1) и положительной температуре +20 С (2)
Управление коэффициентом фильтрации и температурой кристаллизации водных растворов электролитов при отрицательных температурах рудного штабеля может достигаться путем изменения концентрации криопротекторов в выщелачивающих растворах.
3. Экспериментально установлено, что при отрицательной температуре (5 °С) водного раствора серной кислоты (30 вес.%) и искусственной грунтовой смеси содержащей медь, степень извлечения меди при коэффициенте фильтрации 1.4 м/сут (объем выщелачивающего раствора 190 мл) составила 4.1 %, при снижении коэффициента фильтрации до 2.2 м/сут степень извлечения снизилась до 1.1 %. В связи с чем, существует необходимость в регулировании параметрических характеристик водных растворов электролитов при круглогодичном кучном выщелачивании рудного штабеля в диапазоне положительных и отрицательных температур.
Таким образом, полученные результаты исследований позволили теоретически и экспериментально решить задачу управления физическими и вводно-физическими процессами кучного выщелачивания полезных ископаемых при отрицательных температурах рудного штабеля.
1. Аренс Б.Ж. Физико-химическая геотехнология: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГГУ. 2001. - 656 с.
2. Боробьев А.Е., Погодин М.А., Че-кушина Т. Б. Классификация методов выщелачивания золота при отрицательных температурах окружающей среды. /Горный информационно-аналитический бюллетень. - 1999. - С. 76-80.
3. Грунтоведение. //под ред. В. Т.
Трофимова. -6-е изд., перераб. И доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005. 1024 с.
4. Кучное выщелачивание благород-
ных металлов. /Под редакцией М.И. Фаз-луллина. - М.: Издательство академии горных наук. 2001. 647 с.
5. Пахтанов Б.А., Черных С.И. Ком-
плексное использование сырья. Переработка отходов. //Цветная металлургия. № 5-6. 1997. - С. 26-43.
6. Птицын А.Б. Геохимические осно-
вы геотехнологии металлов в условиях
мерзлоты. - Новосибирск: Наука. 1992. 120 с.
7. Справочник сернокислотчика. /под ред. проф. К.М. Малина. Издание 2-е, дополненное и переработанное. - М.: Химия. 1971. 744 с.
8. Справочник химика. //Под ред. чл.-корр. АН СССР Б.П. Никольского. - М.-Ё.: Химия. т. 3. 1008 с.
9. Татауров С. Б. Воздействие криоге-
неза на кучное выщелачивание. /«Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения: Материалы международной конференции. Т.2. -
Тюмень: ТюмГНГ, 2006. - С. 144-148 с.
10. Шестернев Д.М., Мязин Б.П., Татауров С. Б. Исследование криогенной дезинтеграции золотокварцевых руд для интенсификации процесса кучного выщелачивания золота. //Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. №1. 2006. С. 108-116. ШИН
— Коротко об авторах-------------------------------------------------
Татауров С.Б. - докторант, Московский государственный горный университет.
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ Д П ^ ^ £ Г 1 АМПП
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
НОГАЕВ Алан-Бек Хаджи- Муратович Обоснование рациональных способов управления состоянием массива при отработке ранее подработанных рудных тел (на примере Талнахского месторождения) 25.00.22 к.т.н.
