Моделирование процессов окисления и выщелачивания меди из минералов в складированных хвостах обогатительных фабрик Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© С.В. Чмыхалова, О.В.Морозова, 2006

УДК 502/504.001.57

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 хвостохра-нилище;

- 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 хвостохранилища 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 хвостохранилище 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 промплощадке ОФ.

На рис. 1 схематически изображен разрез хвостохранилища. Анализ строения хранилища отвальных продуктов флотационного обогащения медномолибденовых 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.

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)

Состав дренажных вод значительно отличается от состава верхних стоков хвостохранилищ (табл. 1). Причиной таких отличий являются окислительные процессы, протекающие в массиве складированных хвостов.

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 Ь§ [С03] - pH. Методика расчетов соответствовала классической, изложенной в работе [1]

В расчет принимались реакции,

проходящие с участием продуктов окислении 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 углекисло-

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

[БО/-], моль/л 10-4 10-37 10-37-10-3,3 10-3,3

[В2032"], моль/л 10-37 10-35 т гп О - сп 0 10-33

[Ее], моль/л 10-10 10-9 10-9 - 10-5 10-5 - 10-4

Таблица 2

Термодинамические параметры реакций с участием меди в твердой и водной среде складированных хвостов

№№ Уравнения реакций АС0 ЬеК

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

го 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:

2СиРеБ2 + СО2 + 4Н20 + 6О2 —► 2Ре(0Н)з + Си2(0Н)2С0з + 8Н+ + +4Б042- (1)

2РеБ2 + 602 + 7Н20 —► 2Бе(0Н)з + +8Н+ + 4Б042- (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 з принципиально отличается от зоны 2 тем, что в ней происходит инверсия рН от щелочной к кислой (рис. 2). Причиной закисления фильтрата являются образующиеся продукты окисления серы сульфидных минералов (уравнения 1,2). В нижней области зоны з величина рН достигает значений, при которых становится термодинамически возможным растворение окисленных форм меди и переход ка-

тионов меди в фильтрат. Именно в нижней части зоны 3 происходит интенсивное выщелачивание меди из твердой фазы. В зоне 4 в отсутствии интенсивного привноса компонентов с приповерхностными водами состав дренажных вод остается стабильным.

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

pH

Рис. 2. Диаграмма термодинамической стабильности меди в окислительных условиях в условиях доступа углекислоты с обозначением основтіх структурных зон хвостохранилища: 1 -

зона осветленной воды; 2 - зона свежих песков; 3 - зона окисленных песков; 4 - зона фильтрации.

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 «Эрдэнэт» на текущий период эксплуатации кислотность фильтрационных вод характеризуется значением рН около 5,4. Суммарная концентрация растворенных карбонатных форм составляет около 10-5 моль/л. В этих условиях расчетная концентрация ионов меди определяется реакцией 4 в таблице 1 и составляет около 5 мг/л (10-5 моль/л). Фак-

тические 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 фильтационных 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

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 ^[Сп2+] = 5,45 - 0,5^[Н2С0з] - 2рН 3,4

5 ^[Си2+] = 2,27 - 0,5^[НС0з-] - 1,5рН 3

6 ^[Си2+] = 9,2 - 2рН 3

7 ^[НС0з-] = -13,83 + pH 2,3

8 ^[НС0з-] = -24,21 + 2рН 1,2

ионов меди составляет в этих условиях 7,2 мг/л. Замеры концентрации меди в фильтрационных водах хвостохранили-ща 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 ис-

точника загрязнения дренажных вод ионами тяжелых металлов и физикохимическую модель химических процессов, определяющих ионно-молекулярный состав сточных вод. Разработанные модели позволяют оценить степень влияния природных или техногенных факторов и оценить эффек-тивность используемых или проектируемых природозащитных мероприятий.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гаррелс Ч., Крайст Г. Растворы, минералы, равновесия.- М.: Мир, 1967.- 407 с.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------

Чмыхалова Светлана Валерьевна - заместитель проректора по научно-исследовательской работе студентов,

Морозова О.В. - аспирант,

Московский государственный горный университет.