CC BY
39
УДК 622.775
С.Б.ТАТАУРОВ, канд. техн. наук, доцент, tataurovsb@mail.ru Министерство образования и науки Российской Федерации
S.B.TATAUROV, PhD in eng. sc., associate professor, tataurovsb@mail.ru Ministry of Education and Science of the Russian Federation
ОБОСНОВАНИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИИ КУЧНОГО КРИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗОЛОТА
На основе теоретических и экспериментальных исследований физических, водно-физических и физико-химических свойств сернокислотно-хлоридного раствора в присутствии диоксида марганца в широком диапазоне отрицательных температур обоснована геотехнология кучного криовыщелачивания золотосодержащих руд. Данная геотехнология позволяет проводить круглогодичное кучное выщелачивание золота в условиях криолитозоны путем управления концентрацией электролита-криопротектора - серной кислоты.
Ключевые слова: криовыщелачивание, криопротекторы, сернокислотно-хлоридное выщелачивание, золотосодержащие руды, криолитозона.
JUSTIFICATION OF GOLD HEAP CRYOLEACHING GEOTECHNOLOGY
A heap cryoleaching technology for gold ores was justified basing on theoretical and experimental research into physical, hydrophysical and physiochemical properties of sulfuric-chloride solution in the presence of manganese dioxide within a wide range of negative temperatures. This geotechnology enables year-round heap leaching of gold in conditions of the permafrost zone through controlling concentration of the electrolyte-ciyoprotective agent - sulphuric acid.
Key words', cryoleaching, cryoprotective agents, sulfuric-chloride leaching, gold ores, permafrost zone.
На территории распространения много-летнемерзлых горных пород Земли расположены крупнейшие в мире запасы минерального сырья. Значительная часть этих запасов сосредоточена на территории криолитозоны России. Растущая потребность в минеральных ресурсах, связанная с развитием наукоемких технологий, и экологические требования, предъявляемые к освоению территорий распространения многолетнемерз-лых горных пород, требует совершенствования и создания ресурсосберегающих малоотходных и экологически безопасных технологий добычи полезных ископаемых.
Начиная с середины XX в., российскими и зарубежными учеными уделяется большое внимание развитию технологий кучного выщелачивания цветных и благородных
металлов на территории криолитозоны. Эти технологии базируются на работах М.И.Агош-кова, Н.П.Лаверова, В.А.Чантурия, К.Н.Трубецкого, В.Ж.Аренса, П.М.Соложенкина, Д.Р.Каплунова, Д.П.Лобанова, М.Д.Ново-пашина, А.Б.Птицына, Г.В.Седельниковой, Н.Г.Малухина, Г.Х.Хчеяна, М.И.Фазлуллина, В.П.Неберы, А.Е.Воробьева, В.В.Лодейщи-кова и др.
В тоже время применение геотехнологий кучного выщелачивания цветных и благородных металлов в криолитозоне сопровождается значительными энергетическими затратами на сохранение температурного режима минерального сырья при рудопод-готовке и извлечении ценных компонентов. Высокие цены на энергоносители снижают экономическую эффективность внедряемых
_ 119
Санкт-Петербург. 2011
технологий. Кроме того, даже незначительные сбои теплового режима приводят к нарушению всего технологического процесса, а в некоторых случаях к остановке работы предприятий.
Решением этих проблем может являться разработка новых геотехнологий, основанных на нетрадиционных видах энергии и физико-химических преобразованиях вещества в условиях отрицательных температур или в области знакопеременных температурных полей. Причем в основе этих исследований должно быть изучение параметрических характеристик физических и физико-химических процессов, влияющих на эффективность извлечения полезных ископаемых.
В настоящее время одним из перспективных, экологически безопасных, высокоэффективных способов кучного выщелачивания золота является сернокислотно-хлоридное выщелачивание в присутствии диоксида марганца [2]. Этот метод позволяет значительно сократить время кучного выщелачивания (КВ) золота и вовлечь в переработку методом КВ упорные малосульфидные и сульфидные золотосодержащие руды. Разработка и развитие этого способа при добыче золотосодержащих руд в России и ближнем зарубежье стали возможным благодаря работам М.И.Фазлуллина и др. Тем не менее, все возможности данного способа до конца не изучены. В частности, отсутствуют исследования по использованию сернокислотно-хлоридного выщелачивания в присутствии диоксида марганца для круглогодичного кучного выщелачивания золота при отрицательных температурах рудного штабеля и выщелачивающих растворов.
С помощью известных методов исследований и модификации их под поставленные задачи, нами были выполнены теоретические и экспериментальные работы по изучению влияния физических, водно-физических и физико-химических свойств сернокислотно-хлоридного раствора в присутствии диоксида марганца в широком диапазоне отрицательных температур для обоснования геотехнологии кучного криовыщелачивания золотосодержащих руд.
Методика исследований включала расчет на ЭВМ параметров физических и вод-но-физических свойств водных растворов серной кислоты при отрицательных и положительных температурах, а также проведение экспериментов по криовыщелачиванию золота из золотосодержащих руд в искусственно приготовленных смесях с применением сернокислотно-хлоридных растворов в присутствии диоксида марганца. Содержание золота в искусственных смесях из кварцевого мелкого песка составляло 3 г/кг. В качестве заполнителя использовались золото крупностью < 0,2 мм. 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 К\ и степени извлечения золота проводилось на приборе КФ-1 (ГОСТ 25584-83). Измерение температуры по глубине трубки осуществлялось при помощи температурных датчиков МКМТ-16 ИМЗ СО РАН с точностью измерения 0,01 °С и с инерционностью 10 с, закрепленных на щупах толщиной 1,5 мм из текстолита и покрытых сверху несколькими слоями химически устойчивого клея.
В качестве выщелачивающего раствора использовался сернокислотно-хлоридный раствор (до 30 % весового содержания НгБО,») в присутствии диоксида марганца. Расход растворителя при каждом опыте составлял 190 мл.
Исходные растворы и растворы после выщелачивания золота анализировались на ЕИ на приборе СО-837 и рН на приборе «Анион 7000». Установление концентрации золота в растворах было выполнено на атомно-абсорбционном спектрофотометре фирмы «Регклпе1тег» - ЗОЗОВ в режиме абсорбции.
Физические свойства водных растворов электролитов во многом определяют эффективность выщелачивания полезных компонентов в диапазоне положительных и отрицательных температур. Между физическими свойствами выщелачивающих растворов и коэффициентом фильтрации существует следующая связь:
120 _
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.190
К\-К2
(1)
где К\ коэффициент фильтрации, м/сут; Кг - коэффициент проницаемости грунтов, Д; р - плотность воды, кг/м3; ц - вязкость воды, Па с.
Согласно этому уравнению при использовании водных растворов электролитов при положительных и отрицательных температурах на коэффициент фильтрации будут оказывать влияние изменение плотности и динамической вязкости растворов. В качестве примера приведены результаты регрессионного анализа на ЭВМ, измерений плотности и динамической вязкости для водного раствора, содержащего электролит-криопро-тектор - серную кислоту с весовым содержанием 30 %:
Параметр А Ъ 61 Л
р = а + Ы, кг/м3 1232 -0,68 0,99
Г) = а + Ье(~'/М), Па с °-52 3,18 28,43 0,99 -0,05 0,72 39,13 0,99
Примечание. а\ 6; 61 - коэффициенты аппроксимации уравнений; Я - коэффициент детерминации; Г -температура песчаного материала, °С.
Справочные данные для регрессионного анализа на ЭВМ плотности и динамической вязкости водного раствора с 30 %-ным весовым содержанием серной кислоты заимствованы из работ [4, 5].
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 значений происходит плавно и с увеличением на всем интервале температур по экспоненциальному закону (рис.1, кривая 1), для плотности в данном диапазоне температур характерна линейная зависимость (рис.1, кривая 2).
Расчетная ошибка по формулам регрессионного анализа при определении динамической вязкости водного раствора серной кислоты на всем интервале изменения температур (от +30 до -30 °С) составила не более 3 % для плотности не более 2 %, что по-
р, кг/м3 т|, Па с-10 3
1350 1325 -1300 -1275 -1250 -1225 "
10-1
6-
4-
2-
"I-Г-1-1-1-1-1-1-1—1-1-1—1—
-40 -30 -20 -10 0 10 20 °С
Рис.1. Зависимость изменения плотности (1) и динамической вязкости (2) водного раствора серной кислоты в диапазоне положительных и отрицательных температур
зволяет использовать эту методику для технологических расчетов.
В результате проведенного многофакторного моделирования процессов фильтрации на ЭВМ и экспериментальных исследований по имеющимся значениям плотности р и динамической вязкости г\ выщелачивающих растворов установлено, что при весовом содержании серной кислоты 30 % и понижении температуры из области положительных значений в область отрицательных для монодисперсной системы с пористостью 45 % наблюдается снижение коэффициента фильтрации от 3,9 до 0,6 м/сут, тогда как для монодисперсной системы с пористостью 40 % и ниже коэффициент фильтрации изменяется от 2,5 до 0,1 м/сут.
Для монодисперсной системы с пористостью ниже 26 % коэффициент фильтрации 30 %-ного выщелачивающего раствора электролита, содержащего криопротектор -серную кислоту, находится ниже предела допустимых значений коэффициента фильтрации при кучном выщелачивании.
При охлаждении водного раствора с весовым содержанием серной кислоты 10% ниже температуры замерзания -5,5 °С наблюдалось выпадение кристаллогидратов с уменьшением объема выщелачивающей жидкости и увеличение ее концентрации. Механизм, динамика и закономерности процесса
__121
Санкт-Петербург. 2011
Температура, °С
Рис.2. Расчетные и экспериментальные зависимости степени извлечения золота в раствор от изменения концентрации электролита-криопротектора и пористости монодисперсной системы (45, 40, 35, 30 и 26 %) в диапазоне отрицательных и положительных температур
при прочих равных условиях
криогенного концентрирования водных растворов серной кислоты подробно описана в работах А.Б.Птицына [3].
Наблюдаемый нами эффект будет проявляться при 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, к нарушению технологии выщелачивания до полной остановки работы предприятия. Поэтому при круглогодичном выщелачивании полезных ископаемых водными растворами электролитов в условиях криолитозоны следует четко регламентировать параметрические характеристики выщелачивающих растворов в зависимости от климатических условий территорий.
122 _
На основе полученных результатов были выполнены экспериментальные исследования и проведены расчеты по установлению зависимостей извлечения золота в раствор от изменения концентрации электролита-криопротектора в сернокислотно-хлоридном выщелачивающем растворе в присутствии диоксида марганца и пористости среды в диапазоне отрицательных и положительных температур при прямом механизме растворения за единицу времени при прочих равных условиях (рис.2).
В качестве исходных расчетных данных также использовались результаты исследований выщелачивания золота сернокислот-но-хлоридным раствором в присутствии гидратированного диоксида марганца при положительных температурах, полученные М.И. Фазлуллиным и др. [2].
Извлечение золота при кучном выщелачивании минерального сырья с применением известного сернокислотно-хлоридного раствора в присутствии диоксида марганца рассчитывается по формуле
= (2)
/вв^ 0135-3500. Записки Горного института. Т.190
где е(7) извлечение золота при прямом режиме выщелачивания, %; С - концентрация золота в продуктивном растворе, кг/м3; г!еа - время выщелачивания, сут; 5 - площадь орошаемой поверхности, м2; Р - средняя масса золота в исходной руде, кг; -коэффициент фильтрации, м/сут.
Коэффициент фильтрации выщелачивающего раствора с учетом влияния температур рассчитывался по формуле [1]
к{Т) = с!2^. (3)
Л
где с/ - эффективный диаметр частиц, мм;
- число Слихтера, безразмерная величина, определяемая коэффициентом упаковки частиц.
На основе установленных закономерностей выщелачивания золота при отрицательных температурах разработан алгоритм и программа расчета параметров изменения физических и водно-физических свойств выщелачивающих растворов, содержащих электролиты-криопротекторы.
Таким образом, нами обоснована возможность применения геотехнологии очного криовыщелачивания золота с применением сернокислотно-хлоридных растворов в присутствии диоксида марганца при отрицательных температурах штабеля путем регулирования концентрации электролита-криопротектора - серной кислоты. Для его реализации усовершенствована геотехнология сернокислотно-хлоридного выщелачивания золота в присутствии диоксида марганца, включающая криодезинтеграцию руды, выщелачивание руды с комбинированием кюветного и кучного выщелачивания золота [2].
Геотехнология кучного сернокислотно-хлоридного криовыщелачивания сульфидных золотосодержащих крепких руд в присутствии диоксида марганца включает следующие операции: дробление крепких руд до крупности -20 мм, складирование руды в рудные массивы или на площадку выщелачивания, сезонное замораживание-оттаивание (криодезинтеграцию) массива руды (I этап), круглогодичное кюветно-кучное криовыще-лачивание, орошение технической водой,
сезонное промораживание-оттаивание (крио-дезинтеграциию) остатков выщелачивания (И этап), проведение повторного кучного выщелачивания остатков с последующей криоконсервацией отвала (рис.3).
Усовершенствованная геотехнология сернокислотно-хлоридного выщелачивания золота в присутствии диоксида марганца предусматривает проведение технологических мероприятий, направленных на повышение извлечение золота из крепких руд, а также всесезонное выщелачивание золота в условиях криолитозоны без применения дополнительных мероприятий по сохранению положительных температур теплового состояния штабеля.
По сравнению с существующей схемой кучного сернокислотно-хлоридного выщелачивания золота модернизированная геотехнология кучного сернокислотно-хлоридного криовыщелачивания золота в присуствии диоксида марганца базируется на установленных зависимостях физических, водно-физических и физико-химических свойствах растворов, содержащих электролиты-криопротекторы, что позволяет проводить выщелачивание золотосодержащих руд при тепловом состоянии штабеля в диапазоне от -30 до +20 °С.
Исследования сернокислотно-хлорид-ного выщелачивания золота в присутствии диоксида марганца показали, что извлечение золота из руды после I цикла криодезинтегра-ции в зимний период при температуре штабеля от -30 до 0 °С составляет 21-30 %, в летний период при температуре от 0 до +20 °С -30-81 %. После II цикла криодезинтеграции хвостов выщелачивания суммарное извлечение золота в зимний период для температуры от -30 до 0 °С составляет 23-34 %, в летний период 0 - +20 °С - 38-87 %.
Круглодогодичный режим работы предприятия обеспечивается технологией рудопод-готовки, включающей операции дробления и криодезинтеграции руды в штабеле [6], с последующим круглогодичным кучным выщелачиванием золота при тепловом состоянии штабеля в диапазоне от -30 до +20 °С.
Базовые параметры и режимы кучного сернокислотно-хлоридного криовыщелачи-
_ 123
Санкт-Петербург. 2011
Сульфидные золотосодержащие крепкие руды
I
Дробление (- 20 мм)
I
Складирование руды в рудные массивы Мп-содержащий материал К р и о д е з и н т е г р а ц и я руды
I очередь
II очередь
Формирование рудного штабеля
-1-
Кучное сернокислотно-хлоридное криовыщелачивание
I I этап Хвосты выщелачивания
-1-
Криодезинтеграция хвостов выщелачивания
Кучное сернокислотно-хло >идное криовыщелачивание
* II этап г
Остатки выщелачивания в отвал
Криоконсервация отвала
Рис.3. Принципиальная геотехнологическая схема кучного сернокислотно-хлоридного криовыщелачивания сульфидных золотосодержащих крепких руд в присутствии диоксида марганца (с применением криодезинтеграции рудного штабеля)
вания сульфидных золотосодержащих крепких руд в присутствии диоксида марганца (с применением криодезинтеграции рудного штабеля):
Наименование параметра
Производительность установки, тыс.т.
Содержание золота в товарной руде, г/т
Режим работы установки кучного выщелачивания
Крупность руды, направляемой на кучное выщелачивание, мм
Тип гидроизоляционного основания под размещение штабеля
Высота штабеля, м
Общая высота штабеля (при выщелачивании руды в две очереди), м
Продолжительность полного цикла выщелачивания при тепловом состоянии штабеля от -30 до +20 "С, сут Рекомендуемая схема подготовки руды
Значения 150
> 1
Круглогодичный
-20+0
Одноразового или многоразового использования
2,5-5
5-10
45-75
Двух стадиальное дробление
Извлечение золота из руды, % После I цикла криодезинтеграции (увлаженная руда):
в зимний период для -30 - 0 °С 21-30
в летний период для 0 - +20 °С 30-81
После II цикла криодезинтеграции хвостов выщелачивания:
в зимний период для-30-0 °С 23-34
в летний период для 0 - +20 °С 38-87 Суммарное извлечение золота из руды, %
После I цикла криодезинтеграции 83-89 (увлажненная руда)
После II цикла криодезинтеграции 87-96 хвостов выщелачивания (увлажненная руда)
Ориентировочный суммарный расход реагентов на 1 т руды, кг
Серная кислота (92,5 % Н2804) 105-270
в зимний период для -30 - 0 "С 95-105
в летний период для 0 - +20 °С 20-65
Пиролюзит (Мл02) 280-630
Хлорид натрия (ТМаС1) 92-242
Оксид кальция (70 % СаО) 75-110
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.190
Выводы
В ходе проведенных исследований получены следующие результаты:
1. Установлены зависимости основных количественных показателей кучного сер-нокислотно-хлоридного выщелачивания золота в присутствии диоксида марганца от концентрации криопротектора (серной кислоты), температуры, динамической вязкости, плотности, коэффициента фильтрации раствора и пористости руды в условиях отрицательных температур. Экспериментально доказана возможность кучного выщелачивания золота в диапазоне отрицательных температур рудного штабеля от 0 до -30 °С;
2. Разработанная теория является основой для создания методов расчета кучного криовыщелачивания золотосодержащего сырья природного и техногенного происхождения в условиях криолитозоны, характеризующейся распространением мерзлых горных пород и среднегодовыми отрицательными температурами воздуха:
• экспериментальные зависимости, методы и уравнения определения параметров криодезинтеграции крепких руд, формирования штабелей из окомкованных глинистых золотосодержащих руд рекомендуются для разработки мероприятий по повышению производительности добычи золота и энергосбережения при освоении золотосодержащих месторождений криолитозоны природного и техногенного происхождения;
• установленные зависимости кучного криовыщелачивания золота с применением сернокислотно-хлоридного выщелачивания в присутствии диоксида марганца могут быть использованы при оценке и выборе параметров выщелачивающих растворов, содержащих электролиты-криопротекторы, при освоении месторождений цветных и благородных металлов в условиях распространения многолетнемерзлых горных пород.
3. Предложена геотехнология кучного криовыщелачивания золота с применением сернокислотно-хлоридного раствора золота в присутствии диоксида марганца и установлены базовые параметры и режимы криовыщелачивания сульфидных крепких золотосодержащих руд.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грунтоведение / Под ред. В.Т.Трофимова. М.: Изд-во МГУ, 2005. 1024 с.
2. Кучное выщелачивание благородных металлов / Под ред. М.И.Фазлуллина. М.: Изд-во Академии горных наук, 2001.647 с.
3. Птицын А.Б. Геохимические основы геотехнологии металлов в условиях мерзлоты. Новосибирск: Наука, 1992. 120 с.
4. Справочник сернокислотчика / Под ред. проф. К.М.Мапина. М.: Химия, 1971. 744 с.
5. Справочник химика / Под ред. чл.-кор. АН СССР Б.П.Никольского. М.-Л.: Химия, 1980. Т.З. 1008 с.
6. ШестерневД.М. Исследование криогенной дезинтеграции золотокварцевых руд для интенсификации процесса кучного выщелачивания золота / Д.М.Шестернев, В.П.Мязин, С.Б.Татауров // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. 2006. № 1. С.108-116.
REFERENCES
1. Soil Science / Edited by V.T.Trofimov. Moscow: Publishing House of the Moscow State University, 2005. 1024 p.
2. Heap Leaching of Noble Metals / Edited by M.I.Fazlullin. Moscow: Publishing House of the Academy of Mining Sciences, 2001. 647 p.
3. PtitsynA.B. Geochemical Basics of Metal Geotech-nology in Permafrost Conditions. Novosibirsk: Nauka Publishing House, 1992. 120 p.
4. Reference Book of Sulphuric Acid Engineer / Edited by prof. K.M.Malin. Moscow: Chemistry Publishing House, 1971. 744 p.
5. Reference Book of Chemical Engineer / Edited by Cor. Member of Academy of Sciences of USSR B.P.Nikolskiy. Moscow-Leningrad: Chemistry Publishing House, 1980. V.3. 1008 p.
6.1Shesternev D.M., Myazin VP., Tataurov S.B. Studies of Cryogenic Disintegration of Gold-Quartz Ores in order to Enhance Gold Heap Leaching Process // Physical and Engineering Challenges in Mineral Deposit Developing. 2006. N 1. P.108-116.
Санкт-Петербург. 2011
