CC BY
67
---------------------------------------- © П.Ю. Чувашов, Б.Д. Халезов,
Н.А. Ватолин, 2011
УДК 669.243.37
П.Ю. Чувашов, Б.Д. Халезов, Н.А. Ватолин
ПОИСКОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРКОЛЯЦИОННОГО ВЫЩЕЛА ЧИВАНИЯ ОКИСЛЕННЫХ НИКЕЛЕВЫХ РУД СЕРОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Одним из наиболее перспективных направлений в технологии переработки окисленных никелевых руд является сернокислотное кучное и подземное выщелачивание. В процессе поисковых исследований выщелачивания окисленных никелевых руд Серовского месторождения установлены диапазоны варьирования независимых переменных факторов: кислотности выщелачивающих растворов 10-15 г/дм3; паузы между орошениями 3-4 суток; плотности орошения 100-300 дм3/т руды; осуществление оборотов продукционных растворов до максимально возможной концентрации никеля и кобальта. Ключевые слова: руда, сернокислотное выщелачивание, раствор, кислотность выщелачивающих растворов, пауза между орошениями, плотность орошения.
Введение
Одним из наиболее перспективных направлений в технологии переработки окисленных никелевых руд (ОНР) является сернокислотное кучное (КВ) и подземное выщелачивание (ПВ) по аналогии с КВ и ПВ медных и медноцинковых руд [1]. Имитацией этих процессов в лабораторных условиях является перколяционное выщелачивание кусковых ОНР.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Для исследований выбрана наиболее распространенная железо-магнезиальная ОНР Серовского месторождения (табл. 1, 2 и 3).
Основными компонентами данных проб руды является магний (9,5414,30%), железо (5,34-5,58) и кремний, из минералов - кварц (15-60%), лизардит (14-20 %) и антигорит (15-40 %). Минералогические исследования выполнены на рентгеновском дифрактометре AXS фирмы Bruker. Отдельные никелевые и кобальтовые минералы в руде отсутст-
вуют. Эти металлы изоморфно замещают магний и железо в кристаллической решетке серпентинитов [2], в состав которых входят главным образом минералы антигорит и лизардит. Согласно вещественному составу руд можно прогнозировать, что при выщелачивании серпентинитов в растворы будут активно переходить совместно с никелем и кобальтом железо и магний. Последнее должно повлечь повышенный расход кислоты.
Выщелачивали руду в стеклянных перколяторах, соотношение диаметра и высоты которых составляет 1:4. Вес руды в перколяторах по 115 гр. В первой серии опытов начальную концентрацию кислоты в орошающих растворах поддерживали в пределах 16 г/дм3 (рН=0,8). Плотность орошения (объем выщелачивающего раствора задаваемый на единицу веса руды в перколяторе) в этих опытах поддерживали заведомо завышенной (100 мл на 115 гр. руды) по сравнению с той, которая обычно применяется в практике
Таблица 1
Химический состав ОНР, мас %
N1 Со М2 Са А1 8102 Геобщ Г" емет ГеО Ге20з
Проба №1 1,20 0,02 9,54 1,40 3,53 46,80 5,58 0,50 2,56 4,41
Проба №2 1,41 0,01 14,30 1,16 1,72 43,50 5,34 0,59 1,99 4,57
Таблица 2
Гранулометрический состав проб ОНР
Фракция, мм Выход, %
Проба №1 Проба №2
-18,0 +3,15 72,1 60,0
-3,15 +2,0 7,7 9,0
-2,0 +0,71 8,7 13,7
-0,71 +0 11,5 17,3
Таблица 3
Минералогический состав ОНР (масс. %)
№ пробы Кварц, а-8102 Лизардит, (Ме,А1)з [(8Це)205] (0Н)4 Антигорит, Мез-Х [8І2О5] (0Н)4-2х Тальк, Мез81, О10 (0Н)2 Доломит, М2Са (С0з)2 Актинолит, Са2(М2,Ге)5 818022 (0Н)2 Клинохлор, М24882ГеодаА1 1,88і8І2,9б0іо( 0Н)8 Гематит, гетит, Ге20з, Ге0
Проба №1 60 14 15 - 3 3 - 5
Проба №2 15 20 40 10 - 5 5 5
КВ и ПВ (10-100 дм3 на 1 т. руды) [1]. Паузу между орошениями изменяли от 0 до 5 суток. После каждого орошения отбирали пробу полученного продукционного (головного) раствора для анализа. Оставшийся раствор дополняли до первоначальных значений объема и кислотности. Такой раствор вновь подавали на орошение, наращивая в нем тем самым содержание выщелачиваемых металлов.
Из полученных данных (табл. 4, рис. 1) следует, что максимальное содержание металлов в первом цикле выщелачивания было достигнуто при 10-кратном обороте головных растворов, г/дм3: 0,8 №; 0,02 Со; 10,0 Fe; 1,9 Mg.
В пятом цикле темпы выщелачивания и содержание металлов уменьшается (кроме магния) и достигает максимальных значений при 12-кратном обо-
роте растворов, г/дм3: 0,66 №; 0,005 Со; 4,60 Fe; 2,63 Mg. Это явление объясняется преимущественным растворением металлов вначале из минералов, находящихся в тонких фракциях и приповерхностных слоях кусков руды. Далее интенсивность выщелачивания и содержание металлов в растворах уменьшается в связи с увеличением диффузионных ограничений, наступающих при проникновении выщелачивающих растворов вглубь кусков руды и редиффузии продуктов реакции в продукционный раствор.
Во втором цикле выщелачивания без доукрепления кислотой оборотных растворов содержание металлов постепенно уменьшается (например, никеля от 0,7 до 0,5 г/дм3) в связи с тем,
0,9
0,0 -
0 123456789 10 11
Количество оборотов
0,8 0,7 п 0,6 и. 2 °'5 23 В 0,4 сз 1* 0,3 <а 1 0,2 од л
б
♦
0 2 4 6 8 10 12 14 Количество оборотов
Рис. 1. Зависимость содержания никеля в растворе от количества оборотов выщелачивающих растворов; а, б -
первый и пятый циклы выщелачивания соответственно (табл.
4)
что происходит как гидролиз, так и сорбция металлов на развитой поверхности рудной массы из-за повышения рН до 1,90-2,35.
Следует обратить внимание и на такую особенность. В данной пробе руды содержится в 3,8 раза больше железа, чем никеля. Однако в первом цикле выщелачивания концентрация железа в растворе в 10 раз больше, чем никеля. В то же время с каждым последующим циклом выщелачивания отношение содержания железа к никелю постепенно уменьшается. Это свидетельствует о преимущественном растворении на начальных этапах железа,
находящегося в руде в виде хорошо растворимого гетита и гидратного гематита.
Продолжительность выщелачивания данной пробы руды в поисковом режиме составила 88 суток при извлечении, %: 32,9 М; 75,5 Fe; 12,0 Mg; -100 Со. Такие темпы выщелачивания следует считать достаточно интенсивными (извлечение никеля 0,38 % в сутки). Данный опыт и все последующие продолжаются с целью максимально возможной степени выщелачивания металлов.
Далее для установления величины паузы между орошениями выщелачивали пробу №2 без оборота головных растворов при: уменьшенной плотности орошения - 10 мл на 115 гр. руды и 16 % Н^04 (рН-0,8). Из полученных результатов (табл. 5, рис. 2) следует, что на начальных этапах выщелачивания паузу между орошениями при данных условиях следует поддерживать в пределах 3-4 суток. Извлечение за 54 суток составило 1,5 %, т.е. 0,03 % в сутки. Скорость выщелачивания в 12,6 раз ниже, чем в предыдущем опыте (табл. 4). Это можно объяснить неравномерным смачиванием руды при 10-кратном уменьшении плотности орошения, следовательно, ухудшением массообмена между твердой и жидкой фазами.
Для сравнения интенсивности выщелачивания проб руды №1 и №2, несколько отличающихся по вещественному составу, на пробе №1 проведены исследования, при тех же режимах, что и на пробе №2. (см. табл. 4).
186
Цикл выщела- чивания, № Количе- ство ороше- ний, № Задано Получено Примечание
Выщелачивающий раствор Пауза между орошениями, сут. Продолжи- тельность перколяции раствора, мин Продукционный раствор
мл рН мл г/дм3 рН
N1 Mg Fe
1 1 100 0.8 0 30 65 0,077 0,0029 0,98 1,62 1.38 Задан первый выщелачивающий раствор
2 100 0.83 0 30 78 0,132 0,0044 1,24 2,45 1.2
3 100 0.65 0 30 98 0,218 0,0077 1,19 4,03 0.95
4 100 0.8 2 30 98 0,336 0,0120 1,60 5,31 1.14
5 100 0.81 1 30 98 0,402 0,0146 1,74 5,76 1.01
6 100 0.82 0 30 98 0,424 0,0142 - 6,35 1.10
7 100 0.82 1 30 96 0,483 0,0175 1,71 6,48 1.16
8 100 0.84 3 30 90 0,541 0,0225 1,90 6,75 1.21
9 100 0.78 1 30 87 0,602 0,0248 - 7,67 1.18
10 100 1.28 1 30 98 0,779 0,0220 1,51 9,86 1.54
2 11 100 1.63 3 30 90 - - - - 1.82 Без доукреп-ления кислотой оборотного раствора
12 100 1.83 0 30 99 0,665 0,0210 1,34 7,73 1.90
13 100 1.9 2 30 99 0,637 0,0190 1,26 6,88 2.20
14 100 2.23 0 30 98 0,499 0,0160 1,03 5,68 2.21
15 100 2.28 5 30 93 0,491 0,0160 1,03 4,74 2.35
3 16 100 0.82 Перерыв в орошении 50 сут. 30 89 0,191 0,0060 0,77 1,15 0.89 Задан второй свежий выщелачивающий раствор
17 100 0.66 2 30 93 0,252 0,0079 0,98 1,58 0.83
18 100 0.83 4 30 93 0,394 0,0110 1,38 2,86 1.1
19 100 0.86 3 20 93 0,438 0,0120 1,56 3,44 1.03
20 100 0.86 6 10 95 0,450 0,0130 1,86 3,57 1.04
21 100 0.79 2 10 95 0,510 0,0140 2,18 4,16 0.97
4 22 100 0.77 4 20 93 0,340 0,0080 1,36 2,49 0.96 Задан третий свежий выщелачивающий раствор
23 100 0.70 3 15 95 0,490 0,0090 1,61 3,06 0.9
24 100 0.69 3 20 95 0,440 0,0100 1,91 3,31 0.84
25 100 0.91 4 30 96 0,494 0,0110 2,13 3,69 1.15
26 100 0.88 3 30 98 0,486 0,0110 2,13 3,70 1.03
27 100 0,73 2 30 97 0,487 0,0100 2,15 3,91 0,85
28 100 0,81 5 30 90 0,540 0,0120 2,42 4,32 1,06
29 100 0,83 2 30 94 0,528 0,0119 2,34 3,31 1,02
5 30 100 0,82 2 30 95 0,234 0,0041 1,06 1,57 0,92 Задан четвертый свежий выщелачивающий раствор
31 100 0,87 3 30 94 0,318 0,0057 1,46 1,76 0,98
32 100 0,81 2 30 95 0,353 0,0051 1,61 2,29 0,95
33 100 0,80 2 30 92 0,399 0,0067 1,75 2,51 0,95
34 100 0,81 3 30 95 0,462 0,0064 1,96 2,84 0,95
35 100 0,82 2 30 98 0,453 0,0041 1,76 3,74 0,94
36 100 0,87 5 30 93 0,523 0,0045 2,06 4,02 1,04
37 100 0,84 15 30 95 0,582 0,0060 2,30 3,75 1,05
38 100 0,84 3 30 96 0,547 0,0052 2,18 3,52 0,90
39 100 0,77 3 30 98 0,595 0,0051 2,23 4,00 0,92
40 100 0,81 3 30 99 0,622 0,0048 2,50 4,56 0,93
41 100 0,83 4 30 95 0,664 0,0050 2,63 4,60 0,94
Таблица 5
Результаты выщелачивания (проба руды №2)
Задано Получено
№ стадии выщелачи- Выщелачивающий Пауза между Продукционный раствор
вания раствор орошениями мл г/дм3 pH
мл сут. № Mg Fe
4-9,11 10 0 9,4 0,056- 0,089 0,0005- 0,0010 0,61-1,18 0,81-0,96 =2
10 10 4 9 0,153 0,0040 1,23 1,88 =2
12-14,21 10 5 9,5 0,103- 0,136 0,0015- 0,0050 1,01-1,30 0,59-0,93 =2
17,18,20 10 2 10 0,118- 0,173 0,0042- 0,0061 1,02-1,84 0,69-0,76 =2
16,19,23,24 10 3 9,7 0,127- 0,160 0,0033- 0,0049 0,99-1,70 0,38-0,79 =2
187
Рис. 2. Зависимость концентрации N в растворе от паузы между орошениями
Рис. 3. Зависимость концентрации N (1) и Fe (2) в продукционном растворе от исходной концентрации H2SO4
Из результатов (табл. 6) следует, что в течение 100 суток выщелачивания получено извлечение, %: 25,01 М; 60,92 Со; 47,85 Fe; 27,06 Mg. Интенсивность выщелачивания никеля, как основной составляющей руды, составила 0,25 % в сутки, что несколько меньше, чем при выщелачивании пробы №2.
При выщелачивании пробы руды №1 без оборота продукционных растворов преследовали цель оценить влияние концентрации серной кислоты
на интенсивность извлечения металлов (табл. 7, рис. 3).
В течение 90 суток выщелачивания извлечено, %: 13,93 №; 33,12 Со; 29,16 Fe; 15,06 Mg. За это же время при обороте головных растворов темпы извлечения металлов даже несколько выше (табл. 6), чем без оборота (табл. 7). Это означает, что обороты головных растворов на начальных этапах позволяют повысить содержание металлов в растворе без потери темпов выщелачивания. Повышение концентрации серной кислоты до 15 г/дм3 (рН-0,9) приводит к значительной интенсификации выщелачивания как никеля и кобальта, так и сопутствующих элементов - железа и магния. Причем до концентрации кислоты 10 г/дм3 темпы выщелачивания наиболее ценных компонентов - никеля и кобальта опережают извлечение железа, то при более высоких концентрациях кислоты картина противоположная. Отсюда вывод, если железо и магний нежелательно извлекать и затрачивать на них кислоту, считая их элементами пустой породы, тогда за оптимальную кислотность следует принимать 10 г/дм3. Заключение
В процессе поисковых исследований перколяционного выщелачивания ОНР Серовского месторождения установлены диапазоны варьирования
189
Цикл выщелачи- вания, № Коли- чество орошений, № Задано Получено Примечание
Выщелачивающий раствор Пауза между орошениями сут. Продолжи- тельность перколяции раствора, мин Продукционный раствор
мл рН мл г/дм3 рН
N1 Mg Fe
1 1 100 0,88 0 30 - 0,107 0,0024 0,67 0,79 1,30 Задан первый выщелачивающий раствор
2 100 0,80 1 30 80 0,134 0,0052 0,76 1,25 1,05
3 100 0,78 3 10 83 0,165 0,0133 1,23 2,68 1,16
4 100 0,78 1 10 90 0,273 0,0190 1,62 4,76 1,20
5 100 0,82 2 10 90 0,370 0,0200 1,44 6,74 1,06
6 100 0,82 4 10 92 0,424 0,0210 1,55 6,61 1,10
7 100 0,82 2 10 97 0,463 0,0210 1,61 6,33 1,05
8 100 0,81 4 10 98 0,500 0,0250 1,90 6,73 1,15
9-18 100 0,82 2 10 97 0,530 0,0250 1,90 6,90 1,00
2 19-25 100 0,82 2 20 96 0,340 0,0120 3,67 1,81 0,98 Задан второй выщелачивающий раствор
3 26-33 100 0,79 3 15 96 0,231 0,0083 2,94 0,87 0,90 Задан третий выщелачивающий раствор
4 34-45 100 0,82 3 15 98 0,217 0,0067 2,58 1,33 0,93 Задан четвертый выщелачивающий раствор
Таблица 7
Результаты перколяционного выщелачивания (проба руды №1)
Цикл выщелачивания, № Задано Получено
Исходная концентрация кислоты, г/дм3 Выщелачивающий раствор Пауза между орошениями, сут. Продолжительность перколяции раствора мин Продукционный раствор
мл рН мл г/дм3 рН
№ Mg Fe
1 16 100 0,80 3 25 95 0,068 0,0029 0,55 0,71 1,09
2 10 100 0,90 3 14 97 0,063 0,0021 0,49 0,45 1,11
3 5 100 1,05 3 15 98 0,033 0,0011 0,36 0,24 1,37
независимых переменных факторов: кислотности выщелачивающих растворов 10-15 г/дм3; паузы между орошениями 3-4 суток; плотности орошения 100-300 дм3/т руды; осуществление оборотов продукционных раство-
1. Халезов Б.Д. Исследование и разработка технологии кучного выщелачивания медных и медно-цинковых руд. Дис. Док. Тех. Наук. - Екатеринбург. 2009. 548 с.
ров до максимально возможной концентрации никеля и кобальта.
Данные величины являются исходными для дальнейшего матричного планирования экспериментов по Боксу-Уилсону при оптимизации режимов выщелачивания ОНР.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Мащенко В.Н., Книсс В.А., Кобелев В.А. и др. Подготовка окисленных никелевых руд к плавке. Екатеринбург. 2005. 131 с. Н5И=1
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------
Ватолин Николай Анатольевич - академик, доктор технических наук, советник РАН, V atolin@imet.mplik.ru,
Халезов Борис Дмитриевич - доктор технических наук, старший научный сотрудник, Ьё-chalezov@yandex. ги,
Чувашов Павел Юрьевич - аспирант Pavel.horeca@mail.ru.
УРАН Институт металлургии Уральского отделения РАН.
-------------------------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА,»
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
СПОСОБОВ ДОБЫЧИ УГЛЯ В РОССИИ (№851/12-11 от 12.10. 2011), 4 с.
Белов А.В. - кандидат технических наук, доцент кафедры Горного дела и комплексного освоения георесурсов,
Гребенюк И.В. - аспирант кафедры Горного дела и комплексного освоения георесурсов
Маликов А. С. - магистр горного дела и технологии
Дальневосточный федеральный университет, rectorat@dvfu.ru
Представлены комбинированные геотехнологические методы освоения угольных месторождений на основе способов скважинной гидродобычи, добычи угольного метана и подземной газификации угля. Приводится перспективность применения данных способов для отработки угольных месторождений в России.
Belov A. V, Grebenuk I. V., Valikov A.S. PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF GEOTECH-NOLOGICAL WAYS OF COAL MINING IN RUSSIA
In the article perspective geotechnological methods of mining operations, including UCG methods, borehole mining, coal bed methane and their combination are described. Ways are perspective for working of coal deposits in Russia.
