CC BY
56
СЕМИНАР 20
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______
А.Е. Воробьев, д.т.н., А.Л. Никифоров, асп., Т.В. Чекушина, к.т.н.
МГГУ МГГУ ИПКОН РАН
ГРУППИРОВКА СПОСОБОВ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Золото, благодаря своим благородным свойствам , обуславливающим его значительную химическую пассивность, формам нахождения в рудах и величинам природных концентраций, зачастую относится к трудно извлекаемому металлу, требующему при получении применения дополнительных операций и реагентов. Наиболее перспективными направлениями получения золота из руд являются различные геотех-нологические методы его выщелачивания (автоклавное, кучное, скважинное или шахтное), особенно в комбинации «электрический ток - активный агент" [1].
Поэтому, для интенсификации процесса выщелачивания золота из разнообразного минерального сырья, наряду с обработкой высокоактивными химическими реагентами и микроорганизмами, целесообразно применение переменного электрического тока (низкочастотного, промышленной частоты, высокочастотного или СВЧ). Это объясняется тем, что накладываемое переменное электромагнитное поле, за счет протекания электрохимических, химических и термических явлений, благоприятно влияет на процесс выщелачивания золота. Но имеются и существенные особенности, приводящие к ограничению области оптимального применения того или иного вида электрического тока.
Так, переменный ток инфра-низкой частоты ^<3 Гц) обладает свойством чередования поляризации и деполяризации элементов, что весьма благотворно влияет на процесс выщелачивания золота из руд. Применение переменного тока промышленной частоты ^ = 50 Гц) в качестве интенсификатора также приводит к увеличению
скорости выщелачивания, объяснимое происходящим разрушением и сдиранием деполяризующих золото и включающие его минералы пленок. Но наиболее эффективным интенсификатором процесса выщелачивания золота из руд служит высокочастотное (!>400 Гц) и сверхвысокочастное (^2000 МГц) электрическое поле (в основном, за счет протекания вентильного эффекта, локальных перенапряжений и т.д.).
Способы электрохимического выщелачивания металлов необходимо подразделять по характеру наложения переменного электрического тока: его можно накладывать на обрабатываемую рудную массу постоянно или же - периодически. Вариантом периодического использования переменного электрического тока служит подача электроискрового разряда в массив предварительно увлажненного штабеля КВ, приводящая к раскрытию тонкодисперсной минерализации золота. А непосредственное разрушение и перевод в коллоидное состояние золота достигается действием импульсных электрических разрядов, создающих электрогидравлические удары.
В других случаях, высокие показатели выщелачивания металлов достигают путем предварительной закачки жидкости с более повышенной, чем у выщелачиваемых руд, электропроводностью, а также применением различного рода мембран или изменением положения электродов (по отношению к выщелачиваемому объекту -рудной залежи или телу).
На общую эффективность выщелачивания металлов переменным электрическим током оказывает влияние и направление движения электронов. Так, повыше-
ние эффективности процесса подземного выщелачивания золота можно достичь и за счет снижения расхода электроэнергии путем оптимального выбора направления движения электронов и ионов. Для чего электроды вокруг рудной залежи размещают наиболее рационально по отношению к силовым линиям электрического тока. При этом необходимо учитывать факт влияния на удельное сопротивление руд развития в них микрослоистости. В этом случае сопротивление выщелачиваемой горной массы будет зависеть от того, по какому направлению возбуждается электрический ток. Ясно, что сопротивление по направлению слоистости минералов будет значительно меньшим, чем поперек их [5]. Об отношении этих параметров в реальных условиях можно судить по данным для полиметаллической рудной массы (цинковая обманка - галенит): удельное сопротивление П поперек слоистости будет 3,6*104 а вдоль слоистости - 0,1 Ом. В результате выбора того или иного движения растворов и электрического тока в значительной мере зависят потери электроэнергии, а следовательно, и эффективность процесса выщелачивания в целом.
Для этого, электроды (а соответственно и сами скважины) размещают так, чтобы направление миграции технологических растворов и электрического тока совпадало как между собой, так и с направлением слоистости минералов, а не было поперек слоистости. В этом случае потери электроэнергии будут минимальными при максимальном извлечении металла из руд в растворы. Если руды залежи являются малопроницаемыми для растворов, то их предварительно
2 і 1999
73
взрыхляют, например, взрывами, не нарушая основную ориентацию слоистости минералов.
При закачке в скважину технических вод (если залежь не обводнена) или растворов щелочей (при интенсификации процесса выщелачивания) на электроды подают электрический ток со следующими параметрами: V=4-6В, плотность тока J=0,5-5 А* дм-2 создавая между электродами (и соответственно, скважинами) разность напряжений. В результате будет обеспечено электровыщелачивание цинка из полиметаллических руд, его миграция в составе цинксодержащих вод к скважине и извлечение через нее на поверхность. А так как при таком варианте выщелачивания сопротивление горной массы на порядка ниже ее сопротивления поперек слоистости, то и потери электроэнергии будут в 4 раза ниже.
Кроме этого уже разработана технология позволяющая добиться повышения эффективности процесса подземного выщелачивания металлов за счет снижения расхода электроэнергии путем повышения диэлектрической проницаемости выщелачиваемого массива [9]. Это достигается тем, что электроды вокруг рудной залежи размещают не только наиболее рационально по отношению к силовым линиям электрического поля, но и к анизатропии диэлектрической проницаемости.
Для минералов характерна анизотропия диэлектрической проницаемости, расхождения значений которой по разным кристаллографическим осям может достигать 30%. Большинство одноосных минералов имеет максимальные значения диэлектрической проницаемости в направлении к оптической оси. Весьма резко анизотропия диэлектрической проницаемости выражена у авгита, гипса и барита. Например, наибольшее расхождение между значениями (Е1 и Е2 ), составляющее примерно 30%, наблюдается для барита. В этом случае рассеяние электрической энергии также
74
будет зависеть от того, по какому направлению будет возбуждаться электрический ток.
Повышение эффективности процесса подземного выщелачивания металлов за счет снижения расхода электроэнергии можно достичь и путем поляризации металловмещающих зон выщелачиваемого массива [12]. При этом необходимо учитывать явление возникновения в тонкодисперсной среде (при большой адсорбционной активности горной массы) на высоких частотах значительной поляризации [13]. Однако такое возрастание имеет и предел, т.к. в порах минералах (размеры которых зачастую меньше толщины диффузной части двойного слоя) ионы имеют незначительную подвижность. В этой связи, критический размер пор равен примерно 0,1 мкм, что соответствует фракции с диаметром частиц около
0,01-0,005 мм. Поэтому глины по сравнению с песками имеют меньшую поляризуемость на низких частотах и большую - на высоких. И если металл залегает преимущественно в песках (россыпи), то применяют электрический ток с относительно низкой частотой, если в глинах - то с более высокой. Особенно это важно для высокоглинистых песков, т.е. для россыпей с золотосодержащими глинистыми зонами, обычно плохо-выщелачиваемых традиционными геотехологическими способами.
При чем, если глинистых линзочек в россыпи содержится незначительное количество или они с низким содержанием металла, то электрический ток применяют с относительно низкой частотой, а если глинистые линзочки вносят существенный вклад в общее содержание металла, то для интенсификации их выщелачивания частоту электрического тока значительно повышают. А если россыпь слабоглинистая и линзочки глин не содержат весомых концентраций золота, то применяют электрический ток с низкой частотой (например, 0,03-0,2 Гц), до первых единиц Гц. Если же рос-
сыпь содержит золотосодержащие глинистые линзочки со значительными концентрациями золота, то частоту электрического тока повышают (70-100 Гц, вплоть до 102103 Гц), что обеспечивает эффективное их выщелачивание. В результате будет обеспечено электровыщелачивание золота как из песков, так и из глинистых включений.
Зачастую можно достичь повышения эффективности процесса подземного выщелачивания труд-ноперерабатываемых металлов за счет теплового разогрева руд также путем оптимального выбора направления движения электронов и ионов [6]. В результате того или иного выбора движения растворов и электрического тока в значительной мере зависят потери электроэнергии, определяющие тепловой разогрев рудной массы, а следовательно - повышающих тем самым эффективность процесса выщелачивания в целом.
В этом случае электроды размещают так, чтобы направление миграции технологических растворов и электрического тока совпадало между собой и было направлено поперек направления слоистости минералов. В результате будет достигнуто максимальное электрическое сопротивление рудной массы, обеспечивающее ее тепловой разогрев и максимальное извлечение металла из руд в растворы.
Повышение эффективности процесса выщелачивания металлов из плохопроницаемых руд можно обеспечить и путем растворения металлов в виде ионов с максимально возможной степенью валентности [7].
В природных процессах широко известно (хотя пока и не нашло отражения в технике и технологиях) и экспериментально установлено то, что фильтрационные свойства песчано-глинистых пород в значительной степени определяются толщиной диффузных оболочек, развитых вокруг глинистых частиц [8]. Диффузные оболочки представляют собой слой гидратированных катионов, физически взаимодействующих с отри-
ГИАБ
цательно заряженной поверхностью глинистых минералов. Диффузионные оболочки заполняют определенный объем в поровом пространстве и не участвуют в процессе фильтрации. Таким образом, связанная вода создает дополнительное гидравлическое сопротивление миграции жидкости. В сильноглинистых песках и глинах этот вид гидравлического сопротивления превалирует. Но диффузионные оболочки могут увеличивать или уменьшать свой объем в зависимости от валентности обменных катионов. Катионы с большей валентностью притягиваются к поверхности частиц сильнее, в результате толщина диффузионного слоя уменьшается. Таким образом, металлоносные выщелачивающие растворы содержащие ионы металлов с наибольшей степенью валентности способствуют повышению проницаемости выщелачиваемого массива.
При подаче выщелачивающих растворов (с составом, обуславливающим растворение металлов в виде ионов с максимальной степенью валентности) достигается повышение проницаемости руд для выщелачивающих растворов. Та или иная валентность ионов металлов обеспечивается различными рН, Еh растворов и т.д.
Согласно такой технологии способом кучного выщелачивания могут быть отработаны золотосодержащие руды с пониженной проницаемостью (полученные при отработке глинистых месторождений типа "кор выветривания").
Зачастую желательно добиться повышения эффективности процесса кучного выщелачивания комплексных руд и путем уменьшения электродного потенциала минералов [10]. При изменении электродных потенциалов необходимо учитывать такое свойство, как увеличение потенциала минералов с ростом содержания в среде свободного кислорода [11]. А чем положительнее потенциал сульфидов, тем труднее проходит
реакция их электрохимического окисления. Следовательно, если добиться снижения количества свободного кислорода в технологических растворах, то повысится эффективность электрохимического выщелачивания золотосодержащих сульфидных руд.
Для этого, в выщелачиваемом штабеле формируют буферный слой мелкодисперсных пород, которые могут также являться восстановителями свободного кислорода, содержащегося в технологических растворах. При подаче технологических растворов (содержащих в виде активного агента №ОН), при прохождении ими слоев, а также при встрече с восстанавливающими растворами обеспечивается восстановление свободного кислорода.
Для электрохимического окисления минералов и вскрытия тонкодисперсного золота на электроды подают напряжение 0,1-100 в/см2. При этом обеспечится интенсивное окисление сульфидов, раскрытие минерализации и эффективное выщелачивание золота.
Интенсивность электрохимического извлечения золота из руд также определяется регулированием параметров и характеристик переменного электрического тока. Так, увеличение интенсивности растворения золота можно достичь за счет воздействия однопериодического импульсного тока.
Для технологии СПВ важную роль играет и возможность улучшения фильтрационных свойств выщелачиваемого горного массива с одновременным повышением полноты извлечения золота, достигаемые воздействием переменного тока высокой плотности, приводящего к перестройке структуры порового пространства золотосодержащих руд и минералов. Управление проницаемостью горного массива подачей переменного электрического тока в центральную часть блока СПВ, с одновременной изоляцией остальных участков, обеспечивает суще-
ственное снижение объемов применяемых реагентов и сокращение времени выщелачивания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воробьев А.Е., Чекушина Т.В. Способы электрохимического выщелачивания металлов из руд //Горный информационно-аналитический бюллетень N3, 1997.- М: МГГУ. - С. 176-180.
2. Латимер В.М. Окислительные состояния элементов и их потенциалы в водных растворах. М., 1954.
3. Яхонтова Л.К., Нестерович Л.Г. Зона гипергенеза рудных месторождений как биокосная система. М., МГУ, 1983.
4. Трубецкой К.Н., Воробьев А.Е. и др. Способ подземного выщелачивания металлов. Патент РФ N 95104679. 1998.
5. Пархоменко Э.И. Электрические свойства горных пород. - М.: Наука, 1965, с.164.
6. Воробьев А.Е., Забельский В.К., Сазонов А.Г., Чекушина Т.В. Способ подземного выщелачивания металлов. Патент РФ N 95105622. 1997.
7. Воробьев А.Е., Ануфриев А.А., Чекушина Т.В. Способ выщелачивания металлов из плохопроницаемых глинистых руд. Патент РФ N 95114480, 1997.
8. Пути интенсификации подземного выщелачивания /Под ред. Н.И. Чес-нокова - М.:Энергоатомиздат, 1988.
9. Воробьев А.Е., Голик В.И., Алборов И.Д., Лобанов Д.П., Чекушина Т.В. Способ подземного выщелачивания металлов электрическим током. Патент РФ N 95119307, 1997.
10. Чантурия В.А., Воробьев А.Е., Чекушина Т.В., Голик В.И. Способ кучного электрохимического выщелачивания руд. Патент РФ N 96105526. 1997.
11. Щеточкин В.Н. и др. Природный гальванический эффект при формировании рудоносных зон пластового окисления. - Геохимия, N2, 1995, с.264.
12. Чантурия В.А., Воробьев А.Е., Чекушина Т.В. Способ подземного выщелачивания металлов электрическим током. Патент РФ N 96105527, 1997.
13. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства криогенных пород. -М.: Недра, 1976.
© А.Е. Воробьев, А.Л. Никифоров, Т.В. Чекушина
73
