CC BY
39
УДК 622.7-027.32./.33;622.7: 502.174
КУКУРУЗНЫЙ ФИТОМАЙНИНГ КАК ЭЛЕМЕНТ ЭКОЛОГОЗАЩИТНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
© Е.В. Филиппова,
кандидат технических наук, доцент,
Забайкальский государственный университет,
ул. Александро-Заводская, д. 30, 672010, г. Чита, Российская Федерация, эл. почта: [email protected]
В статье рассмотрена эффективная комплексная геотехнология минимизации отходов из техногенных образований горнодобывающей отрасли, включающая применение фитомайнинга, внедрение которой ведет к восстановлению экосистем в зоне действительных горнодобывающих предприятий. Идея работы заключается в комплексности и эффективности доизвлечения техногенного золота, сопутствующих элементов, выщелачивающих растворов за счет разработки новой геотехнологии. В задачи исследований входило: разработать эффективную комбинированную технологию доизвлечения полезных компонентов из техногенных отходов на основе направленных электрохимических воздействий; разработать методики обоснования параметров процесса для восстановления штабелей кучного выщелачивания с применением специального раствора, тем самым, подготавливая к довыщелачиванию остаточное золото, окисляя и переводя в малопассивную форму сульфидные руды, снижая нагрузку на экосистемы; доизвлечь компоненты из пульпы перед заполнением хвостохранилища; достичь управляемой трансформации минеральной массы в хвостохранилище с получением воды технической прозрачности; учесть перспективы закладки сконцентрированных токсикантов в глубокие горизонты подземного рудника, отделить самотеком для предокисления, направить очищенную воду для полива; минимизировать отходы за счет доизвлечения золота, химически связанных с ним элементов и активных выщелачивающих растворов. Применялись разнонаправленные методы исследований, включающие теоретические исследования, обобщения, многофакторное планирование экспериментов, математическую обработку экспериментальных данных, гранулометрический, минералогический, спектральный, химический, рентгено-фазовый, оптический, электронно-микроскопический, микроскопический, бактериоскопический, атомно-абсорбционный, пробирный, рент-геноструктурный и другие методы анализа, технологическое тестирование, лабораторные исследования, укрупненные лабораторные и полупромышленные испытания довыщелачивания золота с предварительной подготовкой минерального сырья, находящегося в растворах и пульпах. В результате эксперимента по кукурузному фи-томайнингу достигнуты значительные результаты, суммарный вес извлеченного золота составил 235 мг, а извлечение золота - 78,3%.
Для снижения разубоживания техногенных месторождений и доизвлечения элементов из этих объектов предложен комплексный подход, который ведет к минимизации отходов. При таком подходе негативное воздействие на природные экосистемы сводится к минимуму. Доказано, что фитомайнинг может использоваться для извлечения дисперсного золота из отходов горнорудного производства в условиях Забайкалья.
Ключевые слова: экологозащитные технологии, фитомайнинг, извлечение химических элементов, отходы горнорудной отрасли, хвостохранилища, комплексные технологии, активные выщелачивающие растворы, золото, сопутствующие элементы, электрохимические методы
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/21
2017, том 23, № 2 (86) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
© E.V. Filippova
MAIZE-BASED PHYTOMINING AS AN ELEMENT
OF THE ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNO-SCHEME
Transbaikal State University, 30, ulitsa Aleksandro-Zavodskaya, 672010, Chita, Russian Federation, e-mail: [email protected]
The article deals with an efficient integrated geotechnology to minimize mining wastes. It includes a phytomining approach and is intended to help restore ecosystems in mining areas. The idea of the work is in comprehensive and efficient additional recovery of gold, accompanying elements and leaching solutions through the development of a new geotechnology. The research objectives were: to develop an efficient combined technology for additional recovery of valuable components from industrial waste on the basis of intentional electrochemical effects; to develop techniques for studying the process parameters in the recovery of heap leach piles with a special solution, thereby preparing the residual gold extraction, converting sulphide ores into the non-passive form and reducing the impact on ecosystems; to additionally extract valuable components from slurries prior to filling tailing pits; to achieve a controlled transformation of the mineral mass in the tailings to produce technically transparent water; to assess the prospects for burying concentrated toxicants deep into underground mine horizons, separate them by gravity for pre-oxidation and send the recycled water for irrigation; to minimize waste due to additional recovery of gold, chemically bonded elements and active leaching solutions. A wide range of research methods were used, including theoretical research, synthesis, multi-factorial design of experiments, mathematical processing of experimental data, particle size distribution, mineralogical, spectroscopic, chemical, X-ray phase, optical, electron microscopic, microscopic, bacterioscopic, atomic absorption, assaying, X-ray and other analytical methods, technological tests, laboratory tests, larger-scale laboratory and pilot tests gold extraction with mineral processing in solutions and slurries. As a result of the maize-based phytomining experiments, the total weight of gold was 235 mg and the percentage of gold was 78.3%.
This comprehensive approach makes it possible to minimize mining waste and mitigate the negative impact on ecosystems. Phytomining is proved to be used for extracting dispersed gold from mining waste products in the conditions of Transbaikalia.
Key words: environment protection technologies, phytomining, extraction of chemical elements, mining waste, tailing pits, integrated technologies, active leaching solutions, gold, accompanying elements, electrochemical methods
В отвалах и хвостохранилищах накапливается значительное количество золота, иногда его содержание выше, чем в природных объектах. Это происходит из-за несовершенства оборудования, технологий, отсутствия определенного комплекса необходимых мероприятий, а, главное, из-за способности частиц мигрировать на значительные рассто-
...........ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ.
яния. Размер частиц в техногенных месторождениях представлен в основном мелкими и тонкими классами, что, в свою очередь, сказывается на скорости осаждения частиц золота. Так, самой большой скоростью осаждения обладают частицы золота пластинчатой и таблитчатой структуры, поэтому оно чаще встречается в отвалах [1].
'17, том 23, № 2 (86) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!^|23
Е. В. Филиппова
Многочисленные эксперименты, проведенные группой специалистов из ЗабГУ и ЧФ ИГД СО РАН с участием автора, показали, что миграция золота из техногенных образований, в частности, из сульфидсо-держащих типов месторождений протекает по-разному. Так, из Балейского хвостохра-нилища миграции золота не наблюдается, на это указывает его постоянное содержание в пробах. Данный эффект объясняется нахождением золота в виде вкраплений в кварце, что осложняет его миграцию.
Золото в россыпи Алия в Нерчинском Заводе Приаргунского района также находится в сочетании с кварцем, но в дисперсном виде, напротив, обладает высокой подвижностью в коллоидной форме. Это подтверждают пробы, взятые из хвостохрани-лища, где концентрация его падает с 2 г/т до 0,15 г/т. Такая значительная разница наблюдается в пробах, взятых сразу после сброса хвостовой пульпы и по прошествии времени. Снижение объясняется миграцией золота в моноэлементной коллоидной форме либо в комплексе с кремнием. Несмотря на то, что данные месторождения относятся к одной формации, формы миграции золота различные.
К примеру, на гале-эйфельных отвалах Кручининского месторождения россыпного золота обнаруживается активная миграция золота и сорбция его на илы. Кроме того, ил быстро образуется на новых прудках, в результате миграция только усиливается и значительно сказывается на дальнейшем вскрытии и доизвлечении из техногенных образований. В ходе таких экспериментов сделан вывод, что некоторые хвостохрани-лища способны удерживать накопленные элементы, в том числе, и полютанты, а на других объектах необходимо предусматривать систему доулавливания, предложенную автором и рассмотренную ниже, для снижения экологической нагрузки на природные объекты.
Вначале для разработки технологии отработки техногенного месторождения проводилось исследование ассоциируемости золота и химически связанных элементов, формы их нахождения в рудах и ореолах рассеяния. Присутствие с золотом химически связанных элементов, приводит к тому, что они также попадают в хвостохранили-ще, что ведет к загрязнению ими водной и воздушной сред. Перед разработкой технологии выявлялись общие закономерности совместного нахождения элементов и их форм в пределах ореолов рассеяния соответствующих техногенных месторождений. Встречается, что в ореолах рассеяния от отвалов и хвостохранилищ содержание некоторых элементов превышает их фоновый показатель в природных объектах. Зная закономерности ассоциирования элементов можно произвести предварительный эколого-геохи-мический анализ состава возможных загрязнителей. Для определения эколого-геохими-ческого состава элементов, загрязняющих окружающую среду, необходимо, в первую очередь, ориентироваться на элементный состав основных руд и производить прогноз по генетически связанному с ними ассоциирующему ряду и его ближайшему окружению по периодической системе Д.И. Менделеева. Такие вопросы комплексного использования техногенных месторождений имеют экологический вектор.
Золото и сопутствующие элементы из бедных пульп и отходов предлагается извлекать комплексным методом, который включает в себя следующее: сбросные пульпы на входе в хвостохранилище насыщают электролитическими газами с помощью встроенных в трубопроводы электродных блоков и полученную суспензию подают в электрофлотационные колонны, в которые дополнительно закачивают диспергированный воздух. Полученный флотоконцентрат направляют на переработку гидрометаллургическим методом, а обедненные хвосты
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/2017, том 23, № 2 (86) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
размещают в первой секции хвостохрани-лища, на выходе из которого осуществляют электросорбцию из образовавшихся кислотных стоков в две стадии. Первоначально электросорбции подвергаются растворенные в процессе хранения промышленно ценные металлы, которые к тому же оказывают токсичное воздействие на биоту, на второй стадии доизвлекается коллоидное золото ани-онитами, подготовленными в формах и ОН-. Конечный кислотный раствор, содержащий взвешенные минеральные частицы, направляют во вторую секцию хвостохра-нилища, на выходе из которого осуществляют контрольную электросорбцию указанных выше элементов, а насыщенный электролизными газами кислотный раствор направляют на шахтное или кучное выщелачивание. Твердую минеральную фазу пульп из второй секции хвостохранилища после выщелачивания из нее металлов и серы используют в качестве материала закладки на подземном руднике. Для восстановления природных экосистем территория подвергается биологической рекультивации. Используются растения, пригодные для фиторемедиации в условиях Забайкалья.
Данная схема рассчитана на доизвлече-ние растворенного золота, а для доизвлече-ния мелкого, глубокорасположенного золота, оставшегося в минеральных частицах, находящихся в растворах и пульпах, автором совместно с коллегами ЧФ ИГД СО РАН и За-бГУ разработаны два варианта электросор-беров (для малых и крупных предприятий).
На завершающем этапе технологической схемы предусмотрен кукурузный фитомай-нинг. Для данного эксперимента использовалось в большой кювете 300 кг хвостов обогащения Илинской руды. Содержание в них золота 1 г/т. За время эксперимента (2,5 месяца) израсходовано 38 л активного тиосуль-фатного раствора. После кукуруза была извлечена из материала и высушена. Сухой материал сожжен в алюминиевом поддоне.
Зола смешана с флюсами, включая свинцовый глет. После тигельной плавки на свинцовый сплав полученные веркблеи откупе-лированы для удаления свинца. Купелирование велось при температуре 950-1000 °С. В конце процесса наблюдалось явление цветения королька, после чего он тускнел, а затем становился светлым. Через 1-2 минуты капели вынимали из муфеля, снимали корольки и помещали их на медную доску, далее обжимали плоскогубцами, чтобы выкрошить частицы капели с нижней поверхности, и очищали щеткой.
Корольки золота, полученные с присадкой серебра, отжигались для эластичности при 700-800 °С в течение 1-2 мин и прокатывались на полированных валках в длинную корточку. Затем уже корточку отжигали при 700-800 °С в течение 1-2 минут, после чего свертывали с обеих сторон и разваривали в азотной кислоте для удаления серебра.
Корточки заливали кипящей, разбавленной 1:1 азотной кислотой и разваривали на горячей бане в течение 20 минут. Затем вынимали из раствора корзинку и сливали раствор. Далее снова заливали разбавленной 2:1 кипящей азотной кислотой и разваривали корточки 20 минут. Снова вынимали корзинку и снова сливали. Затем корзинку погружали на 2-3 минуты в четырехпроцентный раствор аммиака, промывали 2-3 раза водой, просушивали на бане, прокаливали в муфельной печи при температуре 600800 °С до тех пор, пока корточки не принимали желтый цвет и охлаждали. Охлажденные корточки взвешивали на пробирных весах и вычисляли процентное содержание. В результате суммарный вес всех золотых корточек, полученных после разварки корольков, составил 2,35 гр, а извлечение золота составило 78,3%.
Предварительно хвосты обогащения Илинской руды укладывали в кювету, где осуществляли посадку в верхнем слое рассады растений, способных к накапливанию
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/ ,
/2017, том 23, № 2 (86) lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll
Е. В. Филиппова Ш//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
в своих тканях золота. Была использована рассада кукурузы, т. к. известно, что она является хорошим концентратором. Образцы рассады представлены на рисунке. Как видно, рассада кукурузы, выращенная на специальном растворе, гораздо больше (слева), чем контрольная, политая простой водой в том же количестве (справа).
Рис. Образцы рассады
Активный раствор готовился следующим образом [2]: в воду вводился гидрокарбонат натрия в количестве 1 г/л, при этом производился барботаж воздухом в течение 1 часа до концентрации кислорода в воде 30 мг/л. После этого раствор подвергался электролизу в течение 30 минут до повышения концентрации кислорода 50 мг/л. В раствор далее подавалась перекись водорода в количестве 100 мг/л, после чего он подвергался облучению погружной ультрафиолетовой лампой в циркуляционном режиме. В завершение в раствор добавляется
тиосульфат аммония до концентрации 0,15 моль/л. На производстве приготовлением раствора тиосульфата аммония можно пренебречь, используя для этой цели остаточные выщелачивающие растворы, уже находящиеся в пульпе, транспортируемой с ЗИФ, активность которых сохраняется еще достаточно продолжительное время.
Заранее готовили рассаду кукурузы из замоченных зерен, после чего высаживали в верхний слой хвостовой массы в лунки глубиной 30 см, на дно которых выкладывалась почва для быстрого укоренения. Глубина лунки выбиралась в соответствии с рекомендациями специалистов по сельскохозяйственным наукам. Подачу активного выщелачивающего и одновременно питательного для растений раствора начинали через 10-15 дней после высадки рассады. При этом начиналось активное развитие корневой системы кукурузы, размножение сопутствующих почвообразующих микроорганизмов и, соответственно, частичное разрушение органическими кислотами минеральных матриц полевого шпата, кварца, с обеспечением возможности контакта растворов с дисперсным золотом, а с другой - его взаимодействие с тиосульфатом аммония. Тиосульфатные комплексы золота остаются преимущественно в растворе, а органометаллические преимущественно накапливаются в пленочной воде, окружающей минеральные частицы, и усваиваются кукурузой. При этом активный раствор, благодаря нахождению в нем углекислого газа, активного кислорода и тиосульфата аммония, не только обеспечивает окисление и комплексообразование золота, но и способствует быстрому росту кукурузы как серо- и азотсодержащее удобрение.
После извлечения золота фитомайнин-гом необходимо применить фиторемедиа-цию для извлечения оставшихся полютан-тов.
Есть мнение, что засаживать золоотва-лы различными культурами не рационально,
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/2
2017, том 23, № 2 (86) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
т. к. требуется контролировать ПДК токсичных элементов [3]. Данное замечание необоснованно, т. к. согласно поправкам к ФЗ «Об отходах производства и потребления» необходимо проводить экологический мониторинг на объектах хранения отходов.
Такие растения, как злаки, хорошо переносят содержание бора, никеля, кобальта и других токсичных элементов [4], поэтому попытки использовать их при биологической рекультивации в золоторудных районах достаточно оправданы.
В следующих работах отмечается, что дикоросы более устойчивы к накоплению химических элементов, чем культурные растения, они способны давать новые виды [4; 5; 6], следовательно, на завершающем этапе для доизвлечения полютантов рационально использовать их.
Таким образом, для снижения выноса элементов в ореолы рассеяния и разубо-живания техногенных месторождений, для
дальнейшего доизвлечения этих элементов и минимизации отходов автором предложен комплексный подход. При таком подходе обеспечивается доизвлечение полезных компонентов, минимизируется негативное воздействие на природные экосистемы, окупаются экологозащитные мероприятия.
Разработка месторождений с мелким золотом и его доизвлечение из отходов актуальна для развития горнорудного производства, повышения прибыльности предприятий, уменьшения платы за негативное воздействие на окружающую среду.
Фитомайнинг может использоваться для извлечения дисперсного золота из отходов горнорудного производства в условиях Забайкалья. Экономическая эффективность технологии не вызывает сомнения, т. к. финансовые затраты при ее внедрении незначительные по сравнению с прибылью, полученной при извлечении из хвостов оставшегося золота.
ЛИТЕРАТУРА
1 Ермаков С.А., Бураков А.М. Комбинирование процессов предварительной концентрации полезного компонента как основа для создания геотехнологий нового типа // Неделя горняка. 2008. Семинар № 14. С. 102-107.
2. Секисов А.Г., Конарева Т.Г., Резник Ю.Н., Тру-бачев А.И., Королев В.С., Лавров А.Ю. Патент РФ № 2474683. Способ выщелачивания благородных металлов из техногенного сырья (за-явл. 06.03.2011, опубл. 10.02.2013) // URL: http://
www.freepatent.ru/images/patents/256/2474683/ patent-2474683.pdf.
3. Школа экологической геологии и рационального природопользования. СПб: СПбГУ. 2000. 158 с.
4. Ивлев А.М. Биогеохимия. М.: Высшая школа. 1986. 127 с.
5. Ильин В.Б. Биогенная и техногенная аккумуляция химических элементов в почве // Почвоведение. № 7. 1988. С. 49-52.
6. Вадковская И.К. Химические элементы и жизнь в биосфере. Минск: Высшая школа. 1981. 175 с.
REFERENCES
1. Ermakov S.A., Burakov A.M. Kombinirovanie pro-tsessov predvaritelnoy kontsentratsii poleznogo kompopnenta kak osnova dlya sozdaniya geo-tekhnologiy novogo tipa [Combining useful component pre-concentration processes as the basis for creating a new type of geotechnology]. Nede-
lya gornyaka - Miner's Week, 2008, pp. 102-107. (In Russian).
2. Sekisov A.G., Konareva T.G., Reznik Yu.N., Truba-chev A.I., Korolev VS., Lavrov A.Yu. Sposob vysh-chelachivaniya blagorodnykh metallov iz tekhno-gennogo syryaMethod leaching of precious metals from technogenic raw materials [Method for leach-
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/21
2017, том 23, № 2 (86) lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll
Е. В. Филиппова ШШШШШШШШ^
ing precious metals from technogenic raw materials] RF patent 2474683 (applied March 6, 2011; published October, 2, 2013). Available at: http:// www.freepatent.ru/images/patents/256/2474683/ patent-2474683.pdf. (In Russian).
3. Shkola ekologicheskoy geologii i ratsionalnogo prirodopolzovaniya [School of environmental geology and efficient environmental management]. St. Petersburg, St. Petersburg State University. 2000. 158 p. (In Russian).
4. Ivlev A.M. Biogeochemistry [Biogeochemistry]. Moscow, Vysshaya shkola, 1986. 127 p. (In Russian).
5. Ilyin V.B. Biogennaya i tekhnogennaaya akkumuly-atsiya khimichesikh elementov v pochve [Biogenic and anthropogenic accumulation of chemical elements in the soil]. Pochvovedenie - Soil Science, 1988, no. 7, pp. 49-52. (In Russian).
6. Vadkovsky I.K. Khimicheskie element i zhizn v bios-fere [Chemical elements and life in the biosphere]. Moscow, Vysshaya shkola, 1981. 175 p. (In Russian).
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/2011, том 23, № 2 (86) jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj
