CC BY
28
------------------------------------- © С.В. Чмыхалова, О.В. Морозова,
2006
УДК 622.014.3:502.76
С.В. Чмыхалова, О.В. Морозова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ И ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕДИ ИЗ МИНЕРАЛОВ В СКЛАДИРОВАННЫХ ХВОСТАХ ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИК
Семинар № 10
Складированные хвосты обогатительных фабрик представляют собой значительную угрозу окружающей среде. Негативное воздействие связано в первую очередь с загрязнением природных вод продуктами окисления минералов тяжелых металлов: меди, свинца, цинка и железа. Необходимо отметить, что максимальные концентрации ионов тяжелых металлов содержатся в дренажных водах, скапливающихся в фильтрационных слоях.
Хвостовое хозяйство обогатительной фабрики СП «Эрденет» представляет собой комплекс гидротехнических сооружений, включающий в себя:
- систему гидротранспорта и гидравлической укладки хвостов в хвостохранили-ще;
- систему сооружений складирования хвостов;
- систему сооружений оборотного водоснабжения;
- систему сооружений охраны окружающей среды.
Площадка хвостохранилища расположена в 5 км к северу от обогатительной фабрики в долине реки Зуны-Гол. С двух сторон хвостохранилище ограничено бортами долины, с третьей - плотиной (дамбой). Хвостохранилище обеспечит складирование хвостов в течение 40 лет эксплуатации. Проектная емкость хвостохра-нилища составляет 507 млн м3 (свыше 1,3 млрд т площадь - 1800 га (3х6 км).
Из общего водного баланса 85 % воды (осветленные воды) направляется на фабрику. Около 10 % от поступающей в хво-стохранилище воды фильтруется через его основание и выводится совместно с входящими грунтовыми потоками под основанием дамбы. Часть фильтрата поступает в русло реки, более глубокие потоки (дренажные воды) перехватываются специальным каналом, играющим роль как отстойника, так и дополнительного резервуара оборотной воды, и используются для нужд технологического процесса. Осветленная вода из отстойного пруда хвостохранилища и дренажные воды поступают в насосную станцию оборотного водоснабжения, откуда перекачиваются в резервуары на промп-лощадке ОФ.
На рис. 1 схематически изображен разрез хвостохранилища. Анализ строе-ния хранилища отвальных продуктов флотационного обогащения медно-
молибденовых руд с учетом различий в протекающих в них химических и электрохимических процессов позволяет выделить четыре основные зоны, существенно отличающиеся по химизму протекающих в них процессов.
Состав дренажных вод значительно отличается от состава верхних стоков хво-стохранилищ (табл. 1). Причиной таких отличий являются окислительные процессы, протекающие в массиве складированных хвостов.
Таблица 1
Результаты анализа состава жидкой фазы складированных хвостов обогатительной фабрики, перерабатывающей медно-молибденовые руды
Параметры Зона осветл. воды Зона свежих песков Зона окисл. песков Зона фильтрации
РО2, атм. 0.12 0.12 0.01 - 0.12 0.01
Рсо2, атм. 0.03 0.02 10-5 - 0.02 10-5
рн 10.4 10.0 5.6 - 10.0 5.4
[Си], моль/л 10-9 10-8 10-5 - 10-8 10-5 - 10-4
[БО42-], моль/л 10-4 10-37 10-3 7 - 10-3’3 10-3’3
[Б2О32"], моль/л 10-37 10-35 сп гп 0 - гп 0 10-33
[Ее], моль/л 10-10 10-9 10-9 - 10-5 10-5 - 10-4
Моделирование и анализ процессов в водной среде и на минералах в массе складированных хвостов может быть осуществлены на основе термодинамического анализа состояния сульфидных минералов и продуктов окисления, выполненного в виде диаграммы термодинамически стабильных соединений в координатах Lg [С03] - pH. Методика расчетов соответствовала классической, изложенной в работе [1]
В расчет принимались реакции, проходящие с участием продуктов окис-лении медных минералов (табл. 2).
Номера реакций, соответствующие реальным переходам в рассматриваемой термодинамической системе, обозначены на полях диаграммы термодинамической стабильности соединений меди, представленной на рис. 1.
Выбор в качестве координат диаграммы суммарной концентрации карбонатных ионов и угольной кислоты [С03] и рН обусловлен тем, что именно эти параметры изменяются в наибольшей мере в объеме складированных хвостов.
Зона 1 характеризуется высокими концентрациями кислорода и углекислого газа, щелочной средой и крайне низкими концентрациями ионов тяжелых металлов. Зона 2 по составу незначительно отличается от зоны 1, однако в ней происходят интенсивные окислительные процессы на сульфидных минералах, описываемые для сульфидов меди и железа уравнениями:
2СиБе82 + С02 + 4Н20 + 602 —► 2Бе(0Н)3 + Си2(0Н)2С03 + 8Н+ + +48042-(1)
2Бе82 + 602 + 7Н20 -
2Ее(ОИ)3 + +8И+
Оборотная вода ---------►
Рис. 1. Структура хвостохранилища: 1 - зона осветленной воды; 2 - зона свежих песков; 3 - зона окисленных песков; 4 - зона фильтрации; 5 - подпорные слои глины; 6 - дренажные воды (сборный колодец)
Таблица 2
Термодинамические параметры реакций с участием меди в твердой и водной среде складированных хвостов
№№ Уравнения реакций ДО0 LgK
1 Си2+ + Н2С03 = СиС03 + 2Н+ 9,67 -7,09
2 Си2+ + НС03- = СиС03 + Н+ 0,98 -0,71
3 Си2+ + С032- = СиС03 -13,11 9,62
4 2Си2+ + Н2С03 +2Н20 = Си2(0Н)2С03 + 4Н+ 14,88 -10,91
5 2Си2+ + НС03- + 2Н20 = Си2(0Н)2С03 + 3Н+ 6,19 -4,54
6 2Си2+ + 2Н20 = 2Си(0Н)2 + 2Н+ 12,55 -9,2
7 Си2(0Н)2С03 + 2Н20 = 2Си(0Н)2 + НС03- 18,91 -13,87
8 Си2(0Н)2С03 + 2Н20 = 2Си(0Н)2 + С032- + 2Н+ 33,0 -24,21
9 Си(0Н)2 = Си022- + 2Н+ 41,8 -30,67
+ 48042" (2)
Образующиеся продукты окисления -гидроксокарбонаты и гидроокислы металлов (рис. 2. зона 2) остаются в твердом состоянии на поверхности минеральных зерен. Высокое значение рН и относительно высокая концентрация карбонатных ионов препятствует их переходу в фильтрат. Зона 3 принципиально отличается от зоны 2 тем, что в ней происходит инверсия рН от щелочной к кислой (рис. 2). Причиной за-кисления фильтрата являются образую-
щиеся продукты окисления серы сульфидных минералов (уравнения 1,2). В нижней области зоны 3 величина рН достигает значений, при которых становится термодинамически возможным растворение окисленных форм меди и переход катионов меди в фильтрат. Именно в нижней части зоны 3 происходит интенсивное выщелачивание меди из твердой фазы. В зоне 4 в отсутствии интенсивного привно-са компонентов с приповерхностными водами состав дренажных вод остается ста-
рн
Рис. 2. Диаграмма термодинамической стабильности меди в окислительных условиях в условиях доступа углекислоты с обозначением основных структурным зон хвостохранилища: 1 - зона осветленной воды; 2 - зона свежих песков; 3 - зона окисленных песков; 4 - зона фильтрации
Таблица 3
Соотношения между концентрациями компонентов фильтрата в условиях равновесия реакций окисления с участием соединений меди
№№ уравнений реакций Уравнения связи Зона для адекватного применения
4 lg[Cu2+] = 5,45 - 0,5lg[H2CO3] - 2pH 3,4
5 lg[Cu2+] = 2,27 - 0,5lg[HC03-] - 1,5pH 3
б lg[Cu2+] = 9,2 - 2pH 3
7 lg[HC03-] = -13,83 + pH 2,3
8 lg[HC03'] = -24,21 + 2pH 1,2
бильным.
Анализ полученных результатов показывает, что необходимым условием роста в дренажных водах концентраций ионов тяжелых металлов до технологически и экологически вредных значений (10-5 - 10-4 моль/л или 0,5-5,0 мг/л) является интенсивное окисление и выщелачивание меди. Очевидно, что интенсифицирующим фактором является проникающий в массу хвостов кислород и повышенная температура. Сдерживающими факторами являются щелочная среда сбрасываемых свежих хвостов. Влияние карбонатных ионов имеет неоднозначный характер. С одной стороны, как видно из диаграммы на рис. 2, увеличение концентрации карбонатных ионов ведет к связыванию меди в нерастворимый гидроксокарбонат. С другой стороны, если источником карбонатных ионов является углекислота воздуха, ее диссоциация сопровождается снижением рН, что ведет к растворению окисленных соединений меди. Ответ о характере влияния на процесс окисления и выщелачивания меди углекислого газа может быть получен на основе количественных соотношений для условий конкретного объекта.
В табл. 3 представлены полученные из выражений для констант реакций соотношения между компонентами жидкой фазы фильтрата. Представленные соотношения позволяют например рассчитать концентрации ионов меди в фильтрате в равновесных условиях.
Так, для хвостохранилища ГОКа «Эр-дэнэт» на текущий период эксплуатации кислотность фильтрационных вод характеризуется значением рН около 5,4. Суммарная концентрация раство-ренных карбонатных форм составляет около 10-5 моль/л. В этих условиях расчетная концентрация ионов меди определяется реакцией 4 в табл. 1 и составляет около 5 мг/л (10-5 моль/л). Фактические замеры показывают, что реальная концентрация ионов меди в фильтрационных водах составляет в среднем 4,5 мг/л. Такая концентрация представляет серьезную экологическую опасность, и в отношении фильтрационных вод хвостохранилища принимаются мероприятия по их обезвреживанию с утилизацией содержащихся металлов. Разработанная модель позволяет провести анализ и дать оценку возможным изменениям концентрации ионов меди в фильта-ционных водах при изменении технологии или применении специальных мероприятий.
Так, переход на флотационную технологию с пониженным расходом извести (на 30 %) привел к снижению рН фильтрата с 5,4 до 5,1. Суммарная концентрация карбонатных форм заметно не изменилась. Расчетная концентрация ионов меди составляет в этих условиях 7,2 мг/л. Замеры концентрации меди в фильтрационных водах хвостохранилища обогатительной фабрики показали среднее значение около 6,8 мг/л, что близко к расчетному значению.
Таким образом, проведенный анализ позволил разработать пространственную модель складированных хвостов обогатительной фабрики как источника загрязнения дренажных вод ионами тяжелых металлов и физико-химическую модель химических процессов, определяющих ион-
но-молекулярный состав сточных вод. Разработанные модели позволяют оценить степень влияния природных или техногенных факторов и оценить эффективность используемых или проектируемых природозащитных мероприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаррелс Ч., Крайст Г. Растворы, минералы, равновесия. - М.: Мир, 1967.- 407 с.
— Коротко об авторах
Чмыхалова С.В. - Московский государственный горный университет.
Морозова О.В. - аспирантка, Московский государственный горный университет.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор
Название работы
Специальность Ученая степень
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА
ЗАЦЕПИН Владислав Вячеславович Исследование устойчивости возвышающейся части ствола скважины при проведении подземного ремонта с использованием мобильной гидравлической установки 05.02.13 к.т.н.
ТАРАСОВА Дариса Николаевна Метод повышения безопасности труда работников потенциально опасных производственных объектов на примере «Салаватнефтеоргсинтез» ) 05.26.01 к.т.н.
