CC BY
35
© М.В. Рыльникова, Е.А. Емсльянснко, Е.И. Ангслова, 2012
УДК [622.7'17.622.271.4]: 621.775
М.В. Рыльникова, Е.А. Емельяненко, Е.И. Ангелова
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕДИ И ЦИНКА НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
За последние десятилетия промышленное применение процессов выщелачивания как техногенного, так природного сырья получили широкое распространение. В настоящее время одной из главных задач гидрометаллургии является интенсификация извлечения металлов с использованием эффективных методов физико-химической геотехнологии. Проведен обзор основных применяемых методов интенсификации процессов выщелачивания. Также приведены результаты лабораторных исследований по подбору рационального состава комплексного растворителя техногенных отходов.
Ключевые слова: геотехнология, методы интенсификации, выщелачивание, техногенное сырье, извлечение металлов.
Научно-техническая революция XX века, вызвавшая невиданный скачек в технике и технологии, сопровождалась быстрым ростом объемов промышленного производства, особенно в горно-металлургическом комплексе. В результате данного прогресса, а именно интенсивной добычи и переработки минерального сырья произошло формирование катастрофического числа техногенных отходов. Это отвалы бедных руд, вскрышные породы, хвосты обогащения, пиритные концентраты, просыпи рентгенометрической сепарации, шлаки и шламы металлургического производства, промышленные стоки, глубоко и неблагоприятно-залегающие участки рудных тел. В настоящее время только в России на территории горно-добывающих предприятий накоплено более 12 млрд т отходов, содержание ценных компонентов в которых в ряде случаев превышает их содержание в разрабатываемых при-
родных месторождениях. В георесурсах предприятий цветной металлургии нашей страны содержится более (тыс.т) [3]: 7600 меди, 9000 цинка, 2000 никеля, 900 свинца, 500 олова, 128 вольфрама, 114 молибдена, 97 лития и др. (табл. 1).
В отличие от природного, техногенные продукты представляет собой возобновляемый ресурс, не требующий затрат на извлечение из недр и первичную дезинтеграцию, которые обусловливают основные издержки горнопромышленных производств. В тоже время данный вид сырья невозможно перерабатывать по классическим схемам, включающие добычу, традиционные методы обогащения, плавку, ввиду экономической нерентабельности. Наиболее целесообразными технологиями переработки некондиционных георесурсов являются сочетание открытого и подземного способов добычи и процессов физико-химической геотехнологии.
Таблица 1
Содержание цветных металлов в техногенных объектах России
Вид отходов Содержание, % / тыс т
Медь Свинец Цинк Никель Олово Вольфрам Молибден
Отвалы некон- 0,25— 0,12— 0,17— 0,15— 0,03— 0,1— 0,03—
диционных руд 0,3 0,82 0,35 0,45 0,10 1,1 0,08
3380 53 3993 798 65 9 66
Хвосты обога- 0,09— 0,09— 0,14— 0,14— 0,06— 0,40— 0,01
тительных фаб- 0,29 0,67 1,39 0,25 0,18 0,93
рик 2233 390 2807 825 300 110 48
Шлаки, клинке- 0,39— 0,08— 0,5— 0,02— — 0,01— —
ры отвальные 1,49 1,04 1,52 0,16 0,9
1847 400 2277 486 155 9 —
Шлак гранулир., 0,9— 0,37— 0,91— — — — —
клинкер товар- 2,3 1,52 1,52
ный 21 53 43 — — — —
Кек цинковый, 1,69— 1,38— 10,9— — — — —
свинцовый и др. 3,63 40 19,1
21 44 69 — — — —
Пирротиновый 0,79 — — — — — —
концентрат 144 — — — — — —
В настоящее время распространенным способом переработки отходов обогащения медьсодержащих руд является кучное и подземное выщелачивание, предполагающие переход полезных компонентов в продуктивные растворы. Долгий временной промежуток данных процессов (больше 3 месяцев), сложность минерального и вещественного состава, содержание широкого спектра ценных компонентов в отходах переработки медно-колчеданных руд при небольшом извлечении, обуславливают предпочтительность интенсификации их с использованием эффективных методов физико-химической геотехнологии.
Мероприятия по интенсификации процессов выщелачивания направлены на ускорение реакций фазовых переходов ионов металлов в продуктивный раствор, а также на повышение максимально возможного извле-
чения. Известны следующие способы интенсификации процесса выщелачивания [1]: физические способы, предусматривающие изменение
состояния гетерогенной среды, в том числе агрегатного состояния; химические методы, связанные с изменением качественного состава веществ, составляющих гетерогенную среду, но без изменения ее состояния; механические воздействия, предусматривающие изменение механического состояния и дисперсного состава гетерогенной среды на основе нарушения равновесия действующих в массиве сил сцепления; комбинированные способы, при которых имеет место совместное действие физических, химических и механических механизмов интенсификации выщелачивания металлов.
Одним из используемых и необходимых способов интенсификации кучного выщелачивания на предпри-
ятиях является операция предварительного окомкования тонкоизмель-ченного сырья. Для получения пористого, прочного и хорошо проницаемого материала вводят в шихту специальные добавки: известь, гипс, гранулированный шлак, портланд-цемент, поверхностно-активные вещества и другие. Применение окатышей позволяет использовать некондиционное техногенное сырье, повышаются фильтрационные свойства массива, а это в свою очередь увеличивает значения технологических показателей: повышается извлечение, значительно сокращается продолжительность процесса выщелачивания и снижается расход используемых реагентов.
Перспективным направлением интенсификации выщелачивания металлов из руд и продуктов их переработки является наложение физических полей — постоянного тока, тока высокой частоты, ультразвука. Доказано, что для повышения извлечения ценных компонентов при реализации физико-химических процессов в обрабатываемой зоне необходимо создать плотности потока энергии акустического поля порядка 0,1 Вт/см2. Например наложение ультразвукового поля частотой 15 кГц при мощности 1,5 Вт/см2 в сернокислом растворе концентрацией 5 % обеспечивает для халькопирита — интенсификацию процесса выщелачивания в 40 раз, для сфалерита в 26,5 раз, пирита 20 раз[4], что позволяет рекомендовать данный метод для интенсификации процесса выщелачивания.
Эффективным методом воздействия на процессы выщелачивания является способ химической интенсификации, основу которого должны составлять экономичные, избиратель-
ные и экологичные реагенты-интенси-фикаторы. Перспективно использование неорганических, органических и смешанных растворителей с высоким содержанием кислорода и поверхностно-активных веществ, основной целью которых является окисление в кратчайшее время и перевод в жидкую фазу первичных минеральных форм. Как показал анализ опыта выщелачивания предварительное окисление выщелачиваемого массива химическими реагентами достаточно эффективно. Химическими реагентами, оказывающими интенсифицирующее действие при выщелачивании медно-колчеданных руд, являются окислители неорганического ряда — сульфат железа (III), хлорное железо, пероксид водорода, хлорид натрия и органического ряда — фульвокисло-ты, гуминовые кислоты, наиболее часто применяемые при выщелачивании колчеданного сырья
C целью определения возможности химической интенсификации процесса выщелачивания были проведены лабораторные исследования влияния комбинированных растворителей на процессы выщелачивания меди и цинка в продуктивные растворы из техногенных отходов Учалинского ГОКа. Для повышения растворяющей способности серной кислоты при проведении экспериментов на текущих хвостах обогащения исследовалось совместное применение серной кислоты концентрацией (с = 0,5 % 2 % 5 % 10 % 15 %), приготовленной на по-дотвальной воде с сульфатом железа (III) и фульвокислотой [5].
Сопоставление динамики извлечения в продуктивные растворы в процессе выщелачивания серной кислотой различной концентрации без модификаторов показывает, что извле-
Рис. 1. Динамика извлечения меди при использовании подотвальной воды с различной концентрацией Н2Б04 без модификаторов
Рис. 2. Динамика извлечения цинка при использовании подотвальной воды с различной концентрацией Н2Б04 без модификаторов
Рис. 3. Динамика извлечения меди при использовании подотвальной воды с различной концентрацией Н2Б04 в присутствии 10 % раствора Ре2(Б04)3
чение меди и цинка происходит с нарастанием и зависит от концентрации кислоты. Максимальное извлечение меди и цинка в раствор 56 % и 74,4 % соответственно можно получить уже за 15 суток при концентрации серной кислоты 15 % (рис. 1, 2).
Также проводилось выщелачивание хвостов с применением различной концентраций серной кислоты и сернокислого железа (III) (рис. 3, 4). Установлено, что данная смесь реагентов повышает скорость и процент извлечения меди и цинка в продуктивный раствор. Применение в процессе выщелачивания данного интен-сификатора позволит в дальнейшем отказаться от использования серной кислоты высоких концентраций, а для режима предварительного закисления отходов использовать кислоту с концентрацией не более 5 %.
Максимальное извлечение меди 51,6 % за 15 суток и цинка 60,4 % за 10 суток при концентрации серной кислоты 5 %.
В качестве реагента-интенсификатора для выщелачивания меди и цинка исследовалась возможность применения фуль-вокислоты, модифицированной различной концентрацией серной кислоты (рис. 5, 6).
Рис. 4 Динамика извлечения цинка при использовании подотвальной воды с различной концентрацией Н2Б04 в присутствии 10 % раствора Ре2(Б04)3
Рис. 5. Динамика извлечения меди при использовании подотвальной воды с различной концентрацией Н2Б04 в присутствии фульвокислоты
Рис. 6. Динамика извлечения цинка при использо■ вании подотвальной воды с различной концентра цией Н2Б04 в присутствии фульвокислоты
Результаты исследований показали, что применение фульвокислоты, повышает не только процент извлечения меди в продуктивный раствор, но и обеспечивает возможность снижения концентраци серной кислоты до 2-5 %. Использование указанных реагентов характеризуется преимуществами: нетоксичностью, доступностью реагента при сравнительно невысокой стоимости, экологичностью.
Таким образом, экспериментально установлено, что применение данных реагентов-интенсификато-ров позволяет повысить скорость выщелачивания в 2-2,5 раза, снизить концентрацию серной кислоты 2-3 раза и увеличить степень извлечения меди и цинка в продуктивный раствор.
По своей природе близким к химическим методам воздействия является биохимический способ, основанный на выщелачивании сульфидных и окисленных руд под воздействием микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. В настоящее время в промышленных масштабах бактериальные методы применяются примерно в двадцати странах мира, на 40 предприятиях при подземном и кучном выщелачивании меди, урана из бедных и забалансовых руд, при
переработке отвалов обогатительных фабрик и горнорудных предприятий.
Впервые в промышленном масштабе в 1982 г. на медном руднике Lo Aguirre компании Sociedad Minera Pudahuel (Чили) была использована биотехнология для извлечения меди из низкосортной свежедобытой руды: дробление — формирование кучи — бактериальное выщелачивание руды с содержанием около 1 % меди — извлечение меди по технологии SX-EW. Производительность предприятия составляла 14 тыс. т катодной меди в год [2].Вместе с тем, как указывалось раньше, эффективное применение биохимического метода интенсификации процесса выщелачивания мед-но-колчеданных руд в климатических условиях Урала затруднено. Культи-
1. Арене В.Ж. Физико-химическая геотехнология. — М.:Издательство Московского горного университета, 2001 — 656 с.
2. Адамов Э.В., Панин В.В. Биотехнология металлов, М.: «Учеба», 2003.
3. Мелентьев Г.Б., Малинина E.H., Ов-чарова E.C. Перспективы организации комплексного извлечения цветных, редких и благородных металлов из нетрадиционного природного и техногенного сульфидного сырья Урала. В ж. Экология промышленного производства, вып. 3. М.: ФГУП ВИМИ, 2007.
4. Шадрунова И.В. Интенсивные низкотемпературные процессы выщелачивания
вирование бактерий требует поддержания оптимальных температур и кондиций по влажности. В литературе приведены данные о возможности использования бактерий в суровых климатических условиях севера [6], однако до настоящего времени данная технология не нашла широкого практического применения.
Опыт применения методов интенсификации процессов выщелачивания природного и техногенного сырья свидетельствует, что наиболее эффективным методом интенсификации является комплексный, предполагающий выбор, с учетом специфики перерабатываемого сырья, сочетания химического, биохимического, физико-химического и физико-технического способов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
некондиционных медьсодержащих георесурсов Урала// Обогащение полезных ископаемых. — 2003. — №3 С.20-23.
5. Рыпьникова М. В. Ангелова Е.И. Исследование влияния комбинированных растворителей на процессы растворения сульфидных минералов техногенных отходов УГОКа: Инновационное развитие и востребованность науки в современном Казахстане: Сб. статей Межд.Науч. Конф. (г. Алма-ты, 12 дек. 2008 г.). С. 342-347.
6. Иванов В.П., Степанов В.Н. Применение микробиологических методов в обогащении и гидрометаллургии. — М.: Обзор. — 1960. Е2Е
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Рыльникова М.В. — доктор технических наук, профессор, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, Емельяненко Е.А. — кандидат технических наук, доцент, Ангелова Е.И. — аспирант,
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, prmpi@magtu.ru.
