Интенсификация процесса кучного выщелачивания бедных медно-цинковых руд на основе использования электрохимически обработанных подотвальных вод

Длительное освоение месторождений твердых полезных ископаемых России физико-техническими способами привело к существенному истощению балансовых запасов руд и снижению их качества, а также накоплению на поверхности большого количества отходов горно-металлургического производства в виде складированных хвостов обогащения и металлургических шлаков, отвалов некондиционных руд и вмещающих пород, промышленных стоков. Такая ситуация характерна для медно-цинковых месторождений Урала, которые долгое время разрабатываются открытыми и подземными способами: Гайского, Узельгинского, Молодежного, Учалинского, Сибайского, Бурибайского и др. 20, 25,46,57,59,73].

Комплексное освоение месторождений предполагает использование всех содержащихся в руде компонентов, а также попутных вод, на основе рационального сочетания традиционных и инновационных технологий добычи и переработки минерального сырья. Необходимость такого подхода весьма актуальна как в настоящее время, так и в перспективе освоения крупнейших месторождений России.

В техногенных георесурсах, накопленных за 300 лет работы горнодобывающей отрасли России, содержится более, тыс. т: 7600 меди, 9000 цинка, 2000 никеля, 500 олова, 900 свинца, 128 вольфрама, 114 молибдена и др. [73]. Техногенные георесурсы медно-цинковой промышленности представлены вскрышными породами, забалансовыми рудами, хвостами обогащения, металлургическими шлаками, рудничными и сточными водами.

В связи с вышеизложенным, весьма актуальной задачей является поиск и внедрение новых способов производства металлов из нетрадиционных источников сырья, к которым относятся некондиционные окисленные, бедные сульфидные и богатые труднообогатимые руды цветных металлов. Такие руды накапливаются в отвалах или остаются в качестве горных потерь в недрах месторождений, а их запасы исчисляются миллиардами тонн и содержат десятки миллионов тонн цветных металлов [7,73,83].

Кроме того, отвалы некондиционных руд и отработанные месторождения являются долговременным источником загрязнения окружающей среды за счет самопроизвольного выщелачивания из них меди, цинка, свинца, молибдена и других металлов. Один из способов избавить окружающую среду от пагубного влияния таких объектов — организация и интенсификация принудительного процесса кучного и подземного выщелачивания (КВ и ПВ) до рекультивации отвалов и консервации рудников.

Применение процессов КВ и ПВ позволит перевести значительную часть перечисленных ранее рудоносных объектов в промышленные месторождения, так как критерии их пригодности для эксплуатации методом выщелачивания принципиально отличаются от тех же критериев для их обогащения традиционными флотационными способами. В связи с этим, переработка отвалов бедных руд и лежалых хвостов методом выщелачивания с более высокими показателями, чем в обогащении, является одним из существенных резервов повышения сквозного извлечения металлов и комплексности использования сырья [11,12,35,53,82].

Однако, несмотря на то, что с теоретической точки зрения метод выщелачивания очень прост в осуществлении, при его практическом применении возникает ряд проблем, связанных со следующими факторами: топографические и геоморфологические характеристики местностихимические, минералогические, структурные и физические характеристики породыгранулометрический состав рудыспособ закладки кучтехнология выщелачивания и выделения ценных металлов из продуктивных растворов и др. [22,38,45,54,56,74,95,96,98]. По этим причинам извлечение ценных металлов методом кучного выщелачивания редко достигает 70 — 80%, а процессы и способы его интенсификации весьма перспективны и актуальны.

Процесс выщелачивания руд базируется на физико-химических свойствах рудных и нерудных минералов, а также свойствах находящейся с ними в контакте жидкой фазы, поэтому этот процесс наиболее чувствителен к изменениям кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и газонасыщению водных систем, которые и определяют селективность и эффективность извлечения ценных металлов в продуктивный раствор.

Проведенными исследованиями была установлена возможность интенсификации процесса выщелачивания медно-цинковых руд за счет использования электрохимической технологии водоподготовки. Данная технология при низких капитальных и энергетических затратах позволяет без применения химических реагентов направленно регулировать кислотно-основные, окислительно-восстановительные свойства, ионный и газовый состав водных систем, обусловливая повышение извлечения ценных металлов.

В настоящей работе для обеспечения возможности управления процессом выщелачивания медно-цинковых руд посредством направленного регулирования физико-химических характеристик жидкой фазы, находящейся в контакте с рудным сырьем, использован электрохимический метод водоподготовки.

Цель работы. Научное обоснование, разработка и апробация электрохимической технологии водоподготовки подотвальньтх вод в процессе кучного выщелачивания бедных медно-цинковых руд, обеспечивающей его интенсификацию, повышение извлечения цветных металлов и вовлечение в переработку кислых подотвальньтх вод.

Идея работы. Использование электрохимически обработанных подотвальных вод, характеризующихся высокой концентрацией окислителей, в процессе кучного выщелачивания для повышения скорости растворения минеральных комплексов за счет формирования легкорастворимых соединений на поверхности сульфидов, изменения их микроструктуры и оптимизации ионного состава жидкой фазы.

Методы исследований: потенциометрический метод (АНИОН 4100, Аквилон) — рентгеновская дифрактометрия (ДРОН-2.0, XRD 7000 «SHIMADZU») — оптическая микроскопия (ОМ, Olympus ВХ51) — кондуктометрический метод (Radelkis) — метод масс-спектрального анализа с индуктивно-связанной плазмой (Elan-6100 «Perkin Elmer», США) — атомно-эмиссионный анализ с индуктивно-связанной плазмой (спектрометр Optima-4300 DV «Perkin-Elmer», США) — ИК — спектроскопияатомно-абсорбционный метод (ААС «Спектр-5,4») — метод диодно-лазерной спектроскопии (Акваспек) — титриметрический методметоды математической статистики для обработки результатов исследований.

Технологические исследования проводились на медно-цинковых рудах Учалинского ГОКа на стендовых установках в лабораториях ИПКОН РАН. Укрупненные испытания разработанной технологии проведены в исследовательской лаборатории обогатительной фабрики ОАО «Учалинский ГОК», г. Учалы, респ. Башкортостан.

Положения, выносимые на защиту:

1. Механизм интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд при использовании электрохимически обработанных подотвальных вод, заключающийся в интенсивном окислении сульфидов ионами активного хлора, Мп04″, FeJ+ и кислородом, разрушении матрицы минерала с образованием дефектов и микротрещин и увеличении влагоемкости руды.

2. Использование электрохимически обработанных подотвальных вод повышает скорость процесса выщелачивания за счет увеличения удельной поверхности минералов в 1,4 — 5,6 раз в результате развития микротрещин и увеличения объема пор, что подтверждается повышением влагоемкости и перколяционной проницаемости руды (в 2,5 — 6,0 раз).

3. Электрохимическая обработка модифицированных ионами хлора подотвальных вод при плотности тока 1б = 250 А/м2 и продолжительности 10 минут обеспечивает образование в них окислителя гипохлорита, увеличивающего скорость растворения халькопирита, сфалерита, пирита в 2,8 -7,3 и скорость выщелачивания бедных медно-цинковых руд в 2,8 — 6,0 раз по сравнению с сернокислотным раствором.

4. Разработана и апробирована в условиях Учалинской ОФ на сульфидных медно-цинковых рудах различных месторождений электрохимическая технология водоподготовки, предполагающая использование кислых подотвальных вод, что позволяет увеличить скорость выщелачивания руд в 1,6 — 21,5 раз и достичь необходимых для дальнейшей переработки концентраций меди и цинка — 1,2-И, 8 г/дм3 в продуктивном растворе.

Научная новизна работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании механизма интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд при использовании модифицированной электрохимически обработанной кислой подотвальной воды за счет образования на поверхности сульфидов легкорастворимых соединений (сульфатов, гидроксидов и оксидов) и изменения микроструктуры минералов, приводящей к увеличению влагоемкости и перколяционной проницаемости руды.

На основе полученных новых научных данных разработаны рациональные технологические параметры и схемы использования электрохимически обработанных подотвальных вод в процессе кучного выщелачивания медно-цинковых руд сложного вещественного состава.

Практическая значимость работы. Разработан способ интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд, основанный на использовании электрохимической технологии водоподготовки.

Теоретически и экспериментально обоснованы рациональные режимы электрохимической обработки подотвальных вод и предложена эффективная технологическая схема выщелачивания некондиционных медно-цинковых руд, позволяющая достичь необходимых для дальнейшей переработки концентраций меди и цинка в продуктивном растворе 1,5 — 3,5 г/дм3.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, представленных в работе, определяется и подтверждается использованием современной приборной базы и апробированных стандартных методик, непротиворечивостью полученных результатов и выводов, удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных исследований при доверительной вероятности не менее 95%, соответствием результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний.

Личный вклад автора заключается в анализе последних достижений науки, техники и технологии в области кучного выщелачивания и методов его интенсификации на основе изучения научно-технической литературыпроведении комплекса исследований по изучению свойств продуктов электролиза водных систем, оценке влияния подотвальных вод и продуктов их электролиза на изменение структуры, химического состава поверхности минералов и влагоемкости медно-цинковой руды, разработке технологической схемы интенсификации процесса кучного выщелачивании медно-цинковых руд, участии в укрупненных испытаниях электрохимической технологии с целью интенсификации процесса кучного выщелачивании, анализе и обобщении полученных результатов.

Основные выводы:

1. Методами оптической и аналитической электронной микроскопии установлено, что использование модифицированной электрохимически обработанной подотвальной воды с высокой концентрацией окислителей приводит к интенсивному окислению сульфидов ионами активного хлора, ионами Мп04″, Ре3' и кислородом, с образованием легкорастворимых соединений меди и цинка, а также сульфатов, гидроксидов и оксидов др.

2. На основе изучения сорбционной активности различных водных систем методом диодно-лазерной спектроскопии установлено, что медно-цинковая руда после контакта с электрохимически обработанной подотвальной водой с высокой концентрацией окислителей характеризуется существенно большей влагоемкостью, о чем свидетельствует более интенсивное проникновение в нее (в 2,5 раза) молекул воды и ускорение их выхода (в 6,6 раза) в процессе десорбции, что способствует повышению скорости выщелачивания.

3. В результате взаимодействия сульфидных минералов с электрохимически обработанными подотвальными водами удельная поверхность пирита увеличивается в 1,4 раза, сфалерита — в 3,3 раза, халькопирита — в 5,6 раза по сравнению с использованием раствора серной кислоты.

4. Экспериментально установлено увеличение скорости растворения основных рудных минералов халькопирита, сфалерита и пирита при использовании продукта электролиза подотвальных вод в 2,8 — 7,3 раза по сравнению с сернокислотным раствором.

5. Определены основные параметры электрохимической обработки подотвальных вод: плотность тока, продолжительность обработки, удельные энергозатраты и исходные концентрации №С1 для электролитического насыщения подотвальной воды гипохлорит-ионами. Установлен рациональный режим электрохимической обработки: 1,=250 А/м", 1-обр= 10 минут, С№С| = 20 г/дм3.

6. Стендовыми испытаниями в лабораторных условиях подтверждена высокая эффективность разработанных режимов электрохимической обработки подотвальных вод, позволяющих интенсифицировать процесс кучного выщелачивания некондиционных медно-цинковых руд Учалинского ГОКа в 2,8 — 6 раз и достичь необходимых для последующей переработки методом цементации концентраций меди и цинка в продуктивных растворах 1,5+3,0 г/дм3.

7. Разработана и апробирована в условиях Учалинской ОФ электрохимическая технология водоподготовки в процессе выщелачивания медно-цинковых руд, в результате чего установлено увеличение скорости выщелачивания меди и цинка в 1,6 + 21,5 раз по сравнению с сернокислотными растворами.

Заключение

.

В диссертации на основе результатов, полученных с использованием современных методов исследования, автором решена актуальная научная задача — раскрыт механизм интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд, заключающийся в образовании легкорастворимых соединений меди и цинка на поверхности сульфидов под воздействием модифицированных ионами хлора электрохимически обработанных подотвальных вод, а также увеличении влагоемкости руды. Это позволило предложить эффективный способ комплексной переработки некондиционных медно-цинковых руд и минерализованных вод, обеспечивающий повышение скорости выщелачивания, сквозного извлечения цветных металлов и утилизацию техногенных вод, что имеет важное промышленное значение и способствует улучшению экологической обстановки в регионе.