CC BY
86
УДК 622.7
Ф. Ф. Борисков, Л. О. Макаранец, Н.А. Филиппова
ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОМИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ИЗ ПИРИТНЫХХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ КОЛЧЕДАННЫХ РУД
Семинар № 21
¥ ¥ а Урале накопилось более 250 млн. т
-1-1 хвостов обогащения медных и медноцинковых руд колчеданного типа. В последнее время пирит сбрасывается в хвостохранилища с отвальными хвостами в связи со снижением спроса на пиритный концентрат - сырье для получения серной кислоты. Пиритные хвосты содержат, %: 0,2-0,3 меди; 0,3-0,4 цинка; 20-30 серы. В них сконцентрировано, млн.т : ~ 80 серы, ~ 1 цинка, ~ 0,7 меди. Запасы хвостов ежегодно увеличиваются на 6,5 млн. т [1]. Пиритные хвосты относятся к числу наиболее опасных отходов производства из-за повышенных остаточных концентраций в них тяжелых металлов в форме сульфидов, сульфоарсенидов и др. соединений. Пирит и др. сульфидные минералы окисляются в хвостохранилищах под влиянием аэрации, атмосферных осадков, солнечной радиации и сернистого газа медеплавильных заводов, которые часто расположены рядом с отвалами хвостов. При окислении хвостов сера из сульфидной формы переходит в сульфатную с образованием токсичных водорастворимых соединений, которые, мигрируя из хвостохранилищ, загрязняют почву, поверхностные и подземные воды. По этой причине населению г. Карабаша, район которого получил статус "зоны экологического бедствия" в министерстве природы России, запрещается употребление колодезной воды в качестве питьевой (данные отчета по проекту № 500-98 Международного научно-технического центра).
Месторождения медных, медно-цинко-вых и реже полиметаллических руд колчеданного типа, при обогащении которых формируются пиритные хвосты, рассматриваются большинством исследователей как образования одних и тех же магматических очагов, из которых возникли рудоносные вулканогенные комплексы. В колчеданных рудах выявлены продукты гидротермально-осадочных, гидротермально-
метасо-матических и метаморфогенно-
гидротер-мальных процессов [2]. Метаморфизм проявился с разной интенсивностью в колчеданных месторождениях Урала с тенденцией увеличения степени перерождения руд, преимущественно, в направлении с юга на север. Результаты различного динамо-гидротермально-го воздействия на месторождения отразились в первичных структурах и текстурах руд разными физикохимическими свойствами сырья, которые выявляются наблюдениями и измерениями. При изучении уральских месторождений выделено три типа колчеданных руд [3]:
Первый тип - неметаморфизованные колчеданные руды. Для них характерны тонкокристаллическая метаколлоидная структура минеральных агрегатов и тонкие полими-неральные взаимные прорастания минералов. Сфалерит, например, содержит включения халькопирита микронных размеров. Пирит колломорфный, трещиноватый, пористый, обладает низкой микротвердостью (~ 1000
кГ/мм2) и температурой воспламенения (менее 4000 С). Высокая степень окисляемости руд 1го типа характеризуется значительной скоростью (V) сорбции молекулярного кислорода при низкотемпературном окислении (V > 10"3 мл/г-час). Руды легковыщелачиваемые. весьма склонные к самовозгоранию, быстро (~ 1,5 месяца), особенно летом, деградируют при хранении в карьере. Продукты окисления сульфидов
в большом количестве выносятся в природу из добытой горной массы (руда, забалансовое сырье) и пиритных хвостов. Типичными представителями являются медно-цинковые руды Николаевского (Восточный Казахстан) и Бля-винского месторождений (Южный Урал).
Таблица 1
Результаты анализов оборотной воды Учалинской ОФ и водной вытяжки из дробленой руды Николаевского месторождения
Наименование pH еН, мВ Содержание компонентов, мг/л
Проб Си2* гп2+ Ре0вЩш Са ,Ч2' 802
Оборотная вода 11,3 -14 0,02 0,037 20,57 858,5 4,96 1247,3
Водная вытяжка из дробленой руды 8,3 +214 100 5976,2 110 - 8,96 1176,5
Руда Николаевского месторождения содержит 3,04 % меди, 4,18 % цинка, 2,5 % свинца и 38,7 % серы. После ее дробления в жидкой фазе пульпы образуется значительное количество водорастворимых компонентов, преимущественно сульфатов (табл. 1). В технологическом процессе обогащения металлы водорастворимых сульфатов при взаимодействии с известью образуют осадки гидроксидов в щелочной оборотной воде [4] со снижением концентрации железа, меди и цинка в ней соответственно в 5; 5-103 и 1,6-105 раз.
Селекция коллективного концентрата, полученного из руд Николаевского и др. месторождений первого типа, проходит неэффективно с большими потерями металлов. Значительное количество ионов меди (100 мг/л), образующееся в руде при дроблении, активирует флотацию сфалерита за счет образования пленки СиБ на поверхности сфалерита (7пБ) при реакции обмена:
7пБ + СиБ04 = СиБ| + гиБОф
На Учалинской ОФ извлечение меди в медный концентрат удалось повысить до 74,29 %, цинка до 46,79 % с использованием операции десорбции собирателя с поверхности сульфидов в коллективном концентрате [2]. Активация флотации сфалерита природным медным купоросом, затрудняет также получение цинкового концентрата из медно-цинковых руд верхних горизонтов Сафьяновского месторождения (г. Реж, Свердловская обл.) в настоящее время. В процессе рудоподготовки данного сырья в пульпе образуются водорастворимые соединения меди в количестве ~ 80 мг/л, сравнимом с расходом медного купороса, который используется при флотационном обогащении в цикле цинковой флотации.
Второй тип - слабометаморфизованные колчеданные руды. Зерна рудных минералов имеют больший размер в результате собирательной перекристаллизации тонкозернистых агрегатов. Кристаллы пирита часто имеют кон-центрически-зональное строение. Микротвердость пирита достигает 1500-1800 кГ/мм2, тем-
пература воспламенения - 400-430 0С, V ~ (5-10)-10"3 мл/г-час, что характеризует их как умеренно склонные к самовозгоранию. Месторождения Учалинского и Сибайского районов сложены такими рудами. Извлечение меди и цинка на Учалинской ОФ составляет соответственно ~ 71,8 и ~ 70,6 % при содержании в металлов в одноименных концентратах —18,5 и ~ 46,5 %. В хвостах обогащения руд второго типа процессы окисления развиваются в хвостохранилище во время пауз (~ 2 месяца), обусловленных переносом точек сброса хвостовой пульпы в другое место.
Третий тип - метаморфизованные руды. Они, как и руды второго типа, сложены относительно крупными зернами (до 0,5-2 мм). Пирит имеет гомогенное строение, в нем частично или полностью исчезла зональность. Зерна пирита часто раздроблены и сцементированы более пластичными минералами: сфалеритом и халькопиритом. Микротвердость пирита составляет 1850-1900 кГ/мм2, температура воспламенения - 430-450 0С, V < 5-10'3 мл/г-час, руды - малосклонные к самовозгоранию.
К третьему типу относятся руды Гайского, Карабашского и отработанного Дегтярского месторождений. Деформацию залежей руд, например. Гайского месторождения, связывают с существованием долгоживущих магматических очагов, последние проявления которых выразились во внедрении экструзивных и субвулка-нических тел в рудоносные комплексы с развитием сопутствующей им золото-барит-
полиметал-лической минерализации. Метаморфизм руд привел к перекристаллизации и укрупнению зерен ранних минералов (железо и медьсодержащих) и отложению более поздних (сфалерит, галенит). Извлечение меди на Гайской ОФ составляет 87-88 % при содержании 16-18 %, цинка 47-50 % при содержании 47-49 %. Низкое извлечение цинка обусловлено, как отмечено в [3], потерями его с тонкодисперсными выделениями сфалерита поздних генераций в других минералах.
Высокое содержание аниона Б042— 8 % и катионов металлов (Ее, 7п, Си) ~ 4 % при pH 1,6 -4,0 установлено сотрудниками института Казме-ханобр (1988 г.) в воде под отвалом лежалых хвостов обогащения руд Карабашского месторождения (3-й тип) в хвостохра-нилище, которое было выведено из эксплуатации за несколько лет до отбора проб.
Освоение пиритных хвостов, сырьевой базой которых являются колчеданные месторождения Урала, сдерживается низким содержанием в них ценных компонентов и сложным вещественным составом. Снижение экономических барьеров в освоении этих экологически опасных выбросов может быть достигнуто созданием рентабельных методов переработки пиритных хвостов. Одним из новых направлений в решении данной проблемы является извлечение полезных компонентов из хвостов в виде высококонцентрированных растворов, называемых гидроминеральным сырьем - «жидкими рудами» [5]. Сульфиды хвостов, получаемых при обогащении рассмотренных типов колчеданных руд, окисляются со скоростью в соответствии с Vисходного сырья. Однако, процессы воспроизводства серной кислоты и сульфатов всеми типами пиритных хвостов, будут протекать в одном направлении за счет необратимых реакций окислении сульфидов:
пирита: 2ЕеБ2 + 2Н20 (осадки) + 02 (воздуха) ^ 2Н2Б04 + 2ЕеБ04, (1)
халькопирита: СиЕеБ2 + 402 ^ СиБ04 + +ЕеБ04, (2)
сфалерита: + 202 ^ 7иБ04. (3)
По данным [6, 7] продукты окисления сульфидов из отвалов отходов производства будут загрязнять природу в течение сотен и тысяч лет.
Значительное содержание металлов при pH = 2,8-3,2 установлено также в пробах дейст-
вующего хвостохранилища Учалинской ОФ (табл. 2). Они были взяты в разных точках отвала вдали от места сброса известковой хвостовой пульпы, где также происходит осаждение образующихся ионов металлов по (1), (2) и (3) щелочью
Окисление сульфидных руд, замедляемое щелочной средой при их обогащении, протекает интенсивнее в кислой среде. Изменение pH водной среды в хвостохранилище было изучено при моделировании хранения хвостов Учалинской ОФ. Проба массой 1 кг с известковой техногенной средой (рН~12) размещалась на поддоне и хранилась на воздухе в лабораторных условиях. Из хвостов систематически 1 раз в сутки отбиралась навеска 20 г, в которую добавлялось 20 мл воды. После перемешивания пульпы в течение 1 мин. декантировали водную вытяжку из хвостов и измеряли величину pH. Щелочная среда хвостов в течение 7 дней изменилась на кислую. В соответствии с этими данными наиболее вероятна стадиальность химических процессов в хвостохранилищах:
1-я стадия - нейтрализация техногенной щелочи: Са(ОН)2+ С02 = СаС03+ Н20,
2-я стадия - окисление сульфидов по (1), (2) и (3).
Образование водорастворимых форм меди и цинка в пиритных хвостах изучалось также в пробе пиритных хвостов Учалинской ОФ, взятой с поверхности действующего хвостохранилища из той его точки, в которую не сбрасывалась хвостовая пульпа около 2 месяцев. Проба была высушена на воздухе и разбавлена водой Т:Ж=1:1. Содержание металлов в водной вытяжке составило, мг/л: медь - 121,2; цинк -1060. Отмывка пробы от металлов, повторная сушка ее на воздухе и разбавление водой повысили концентрация металлов в водной вытяжке в два раза (212,1 мг/л медь и 2180 мг/л
Таблица 2
Состав водной фазы лежалых пиритных хвостов Учалинской обогатительной фабрики при соотношении твердое:жидкое (Т:Ж) = 1:1
№ пробы Содержание металлов, мг/л
Си Zn Ее N1
1 271 160 117 1
2 786 3460 9050 -
3 54 260 890 -
4 380 1900 - -
ПДК в воде водоемов саиитарио - бытового использования 0,1 1,0 0,5 0,1
Промышленная концентрация металлов (ПК) 50 50 100 1
Коэффициент ПК (содержание металлов / ПК) 1,1-15,7 3,2-69,2 1,2-90,5 1
цинк), соответственно в 4,2 и 43,6 раз больше нормативов промышленного содержания (табл. 2). После проведения подобной операции в 3-й раз содержание меди в растворе сравнялось с промышленным (48 мг/л), а концентрация цинка (197 мг/л) продолжала превышать промышленную более чем в 3,8 раза. Следует отметить, что такие богатые «жидкие» руды были получены при минимуме технологических операций. Из хвостов только промывкой выделялся раствор, пригодный для извлечения из него медного, цинкового и железного концентратов гидрометаллургическими методами.
Серная кислота, образующаяся при окислении пирита, повышает скорость растворения ценных минералов, потерянных с отвальными хвостами и др. отходами производства. Сейчас жидкие руды дренируют из лежалых хвостов и выносят большое количество серной кислоты и сульфатов различных металлов в почву, а дальше в поверхностные и подземные водотоки. Гидроминеральное сырье не используются в настоящее время, так как применяется устаревшая конструкция отвалов без сбора и использования растворов. Ю.С. Рыбаков предлагает такие отвалы перемещать на гидроизоляционный экран, чтобы прекратить значительное загрязнение подземных вод дренажными растворами, а новые отвалы - в обязательном порядке размещать на гидроизолирующее основание [8].
На основе исследований процессов окисления сульфидов в хвостохранилищах разработан “Способ приготовления раствора для выщелачивания сырья” [9]. В соответствии с этим способом, проведение операции выщелачивания осуществляется серной кислотой, получаемой за счет окисления пирита (1) под воздействием природных факторов. Отвалы пиритсодержащих продуктов формируются в виде плоских усеченных пирамид на гидроизоляционном экране. Большая удельная поверхность отвалов обеспечивает хорошую аэрацию, прогрев солнцем и быстрое просачивание через сырье атмосферных осадков, обогащенных кислородом. Гидроизоляция основания отвала предназначена для сбора и накопления подотвального раствора до объема, необходимого для организации процесса выщелачивания. В процессе подготовки раствора для выщелачивания минерального сырья используется чередование орошения и сушки, что улучшает аэрацию внутренних блоков отвала и насыщение их кислородом при дренаже раствора из капилляров,
который на время паузы в орошении замещается воздухом. Применение кислых рудничных и сточных вод для орошения отвалов сульфидных продуктов не только ускоряет процесс получения раствора, но также позволяет утилизировать содержащиеся в данных водах растворенные металлы: медь, цинк, железо [9].
Нарушение естественного равновесия в месторождениях сульфидных руд горными работами открывает доступ кислорода в выработки и к развитию процессов окисления сульфидов с образованием жидких руд. Например, рудничная вода шахты (ш.) Левиха (Свердловская обл.) содержит водорастворимые формы металлов, мг/л: медь до 296, цинк - 100, железо -730, серная кислота - 1800 мг/л при pH до 1,8 [10]. Размещение окисляющихся сульфидных продуктов (пиритные хвосты, минерализованные сульфидами забалансовые руды и вскрышные породы) на гидроизоляционном экране позволяет не только решать проблему защиты окружающей среды от многолетнего загрязнения ее различными токсикантами, но также получать жидкую руду для извлечения из нее металлов. Для расширения технических возможностей разработанного способа выщелачивающий раствор, полученный за счет окисления пиритных продуктов природными факторами с использованием рудничной воды, можно подкреплять серной кислотой для снижения pH раствора. Например, выщелачивание шлама нейтрализации в течение 5 мин при pH = 2 приводит к извлечению в продуктивный раствор 94 % меди и 63 % цинка. Снижение pH до 1 повышает извлечение меди до 97 %, цинка
- до 75 % [10].
С 1 млн. м3 рудничной воды ш. Левиха “добывается” до 1800 т серной кислоты. Из рудничной воды раньше извлекалась медь осаждением ее на железный скарп. В настоящее время в связи с ликвидацией гидрометаллургических цехов на рудниках медь с другими компонентами переводят в осадок (шламы) известью. Для нейтрализации серной кислоты и осаждения железа, меди и цинка, содержащихся в 1 млн. м3 рудничной воды ш. Левиха, требуется более 2,1 тыс. т извести (в пересчете на СаО и максимальное содержание в воде продуктов окисления).
Хранение сульфидсодержащих отходов на гидроизолирующем основании с организацией сбора жидких руд не только решает вопросы защиты вод от техногенного загрязнения, но также позволяет организовать комплексную
переработку сульфидного сырья методом выщелачивания с использованием металлосодержащих кислых рудничных и сточных вод.
Дальнейшая интенсификация процесса переработки отходов горно-металлурги-ческого производства осуществляется реализацией электрохимического механизма выщелачивания воздействием электроэнергии на отходы, которая ими же и вырабатывается. Обработка отходов током осуществляется гальваническим элементом, создаваемым путем размещения в сырье электродов, один из которых закрепляют в точке подачи растворителя в сырье, второй - на выходе из него продуктивного раствора, обогащенного растворенными компонентами. На электроде, находящимся в растворе, который содержит ионы материала электрода, возникает потенциал ф1. Величина определяется по формуле Нернста:
91 = Фо + Ы а1' 0,058 / п,
где р0 - значение стандартного потенциала электрода, - активная концентрация ионов
около электрода с п - валентность иона.
Разность концентраций ионов около электродов (с минимумом ионов компонентов сырья в исходном растворителе и максимумом - в продуктивном растворе) приводит к появлению на них разности электрических потенциалов
- ф2 (ЭДС) [11]. При замыкании электродов проводником возникает циркуляция тока через сырье, обеспечивающая реализацию электрохимического механизма растворения его компонентов воздействием электроэнергии, выра-
Таблица 3
Перколяционное выщелачивание шламов ш. «Центральная»
Условия опыта Извлечение меди, % Содержание меди в растворе, мг/л
Я ^ 0 95,8 2760
Я = 148,5 Ом 93,4 2690
Я ^ от 83,3 2400
батываемой системой «электроды - сырье» (автогенная энергия).
С использованием автогенной электроэнергии производилось выщелачивание шламов нейтрализации рудничных вод ш. «Центральная» (г. Карабаш) 5 % раствором серной кислоты в параллелях в 3-х перколяторах в течение
3-х суток. В первом перколяторе электроды были замкнуты накоротко (Я^ 0), во втором -через резистор Я = 148 Ом, в третьем (контрольный опыт) - электроды были разомкнуты (Я^ да), т.е. ток не циркулировал через сырье при его выщелачивании (табл. 3).
Результаты опытов показывают, что использование автогенной электроэнергии значительно повышает показатели выщелачивания, особенно при замыкании электродов накоротко (Я ^ 0). Извлечение меди повышается на 12,5 %, содержание металла в растворе на 360 мг/л. При моделировании кучного выщелачивания хвостов Учалинской обогатительной фабрики также установлено повышение извлечения меди и цинка в раствор соответственно с 62,55 до 72,43 % и с 86,46 до 89,20 % с ростом концентрации металлов в растворах на 32 и 57 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яковлев В.Л., Бастан П.П. Техногенные
месторождения России// Изв. вузов. Горный журнал. -
1996. - № 10-11. - С. 146-157.
2. Минеральные ресурсы Учалинского гор-
но-обогатительного комбината / Серавкин И.Б., Пирожок П.И., Скуратов В.Н и др. - Уфа: Башк. кн. изд., 1994.
- 328 с.
3. Храменкова Д.П., Нагирняк Ф.И.
Комплексное прогнозирование поведения колчеданных руд в процессах добычи и переработки / Ин-т "Унипромедь".- Свердловск, 1988.- С. 65-71.
4. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия. - 1979.
- С. 320-321.
5. Дренажные воды - источник техногенного гидроминерального сырья на Урале / Грязнов О.Н., Палкин С.В., Новиков В.П.и др.// Изв. вузов. Горный журнал. -
1997. - № 11-12. - С. 58-65.
6. Подуст А.Н. Техногенные образования как источник загрязнения окружающей среды // Техноген-98. Выставка и НТК по переработке техногенных образований (Екатеринбург, 10-13.02.98): Офиц. каталог: Тез. докл. Свердловск. обл. комитет по охране природы.- Екатеринбург, 1998. - С. 24-25.
7. Халезов Б.Л., Неживых В.А. Обезвреживание отвалов медно-цинковых руд кучным выщелачиванием с попутным извлечением металлов на примере отвалов рудника им. III интернационала // Техноген-97. Выставка и НТК по переработке техногенных образований (Екатеринбург, 11-14.02.97): Офиц. каталог: Тез. докл. Свердловск. обл. комитет по охране природы. -Екатеринбург, 1997. - С. 23-24.
8. Рыбаков Ю.С. Охрана и предотвращение загрязнения водных объектов от стока с техногенных образований: Автореф. дис. ... докт. техн. наук. - Екатеринбург,
1998. - 40 с.
9. Патент РФ № 2215138, 7 Е 21 В 43 / 28 Способ приготовления раствора для выщелачиваюния сырья / Борисков Ф.Ф., Борисков Д.Ф., Макаранец Л.О. // Заявл. 20.07.2001, опубл. - 2003. - БИ № 30. - С.
10. Совершенствование технологии нейтрализации шахтных вод Левихинского рудника / Козин В.З., Кол-
тунов А.В., Морозов Ю.П. и др. // Изв. вузов. Горный журнал. - 1997. - № 11-12. - С. 211-214.
11. Патент РФ № 2180926, 7 С 22 В 3 / 04Способ перевода в раствор компонентов вещества / Борисков Ф.Ф., Борисков Д.Ф., Мотовилов В.А. и др. // Заявл. 12.02.2001, опубл. - 2003. - БИ № 9. - С.189.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Борисков Ф. Ф., Макаранец Л. О., Филиппова НА. - Институт горного дела УрО РАН.
-------------------------------------- © П.Б. Кутлина, М. Болдбаатор,
2004
УДК 658.3
П.Б. Кутлина, М. Болдбаатор
О КОМПЛЕКТАЦИИ КАДРАМИ И БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
Семинар № 21
СО «Монголросцветмет» - первое в Монголии предприятие с иностранными инвестициями. Учредителями Объединения являются Комитет Государственной собственности Монголии и АО «ВО Зарубежцвет-мет» Российской Федерации.
Плавикошпатовое производство Объединения - одна из ведущих отраслей мирового уровня. СО «Монголросцветмет» является мощной многоотраслевой хозяйственной структурой, кроме плавикошпатового производства, ведет золотодобычу, отработку угольных месторождений, имеет на балансе утвержденные и разведанные запасы полиметаллических и серебряных руд [1].
В 1986 году на базе разведочноэксплуатационного предприятия Бор-Ундур осуществлено строительство горно-обогатительного комбината в составе рудника. обогатительной фабрики, вспомогательных цехов и поселка, что позволило осуществить переработку руды и производство флотационного
плавикового шпата непосредственно в районе добычи.
В период пуска ГОКа в работу в 1986 г. комплектация эксплуатационного персонала была произведена из числа рабочих строительных организаций, специалистов, командированных с горно-обогатительных предприятий СССР и ГОКа Эрдэнэт и монгольских рабочих, прошедших кратковременное обучение на Ярославском горно-обогати-тельном комбинате.
В течение последних лет руководством Объединения Монголросцветмет и ГОКа ведется целенаправленная политика по управлению кадровым составом, направленная на постепенное сокращение доли специалистов СНГ и увеличение числа монгольских специалистов.
Сложившаяся практика комплектации производства квалифицированными кадрами, нормативная база этой работы, заключающаяся в непрерывном сокращении лимитов иностранных специалистов без реального учета квали-
