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

Самусев, Андрей Леонидович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Интенсификация процесса кучного выщелачивания бедных медно-цинковых руд на основе использования электрохимически обработанных подотвальных вод
ВАК РФ 25.00.13, Обогащение полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Интенсификация процесса кучного выщелачивания бедных медно-цинковых руд на основе использования электрохимически обработанных подотвальных вод"

На правах рукописи

005046525

САМУ СЕВ Андрей Леонидович

УДК 622.772

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ БЕДНЫХ МЕДНО-ЦИНКОВЫХ РУД НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ ПОДОТВАЛЬНЫХ ВОД

Специальность 25.00.13 - «Обогащение полезных ископаемых»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

2 6 ИЮЛ 2012

005046525

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Обогащения полезных ископаемых» и в ФГБУН Институте проблем комплексного освоения недр РАН

Научный руководитель -

профессор, доктор технических наук

Чантурия Елена Леонидовна

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук

Морозов Валерий Валентинович

кандидат химических наук Ануфриева Светлана Ивановна

Ведущая организация - ФГУП "Институт "ГИНЦВЕТМЕТ"

Защита состоится « 4 » сентября 2012 г. в 14 час. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 002.074.01 при Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук по адресу: 111020, Москва, Крюковский тупик, 4; тел./факс 8 (495) 360-89-60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГПСОН РАН. Автореферат разослан « Є » июля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Длительное освоение месторождений твердых полезных ископаемых традиционными 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. 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. Также необходимо отметить, что концентрации металлов в техногенных водах (шахтных, подотвальных водах и др.) зачастую близки к их концентрациям в традиционном гидроминеральном сырье - минерализованных водах и рассолах. Так, например, ежегодно с тонкими шламами, коллоидными взвесями и ионорастворенными компонентами техногенных вод безвозвратно теряются 23,1 тыс. т меди, до 50 тыс. т цинка. При этом отвалы некондиционных руд и техногенные воды являются долговременным источником загрязнения окружающей среды.

Один из способов уменьшения пагубного воздействия на окружающую среду таких объектов - организация и интенсификация принудительного процесса кучного выщелачивания до рекультивации отвалов и консервации рудников. Применение процессов выщелачивания 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 способами. В связи с этим, переработка отвалов бедных руд и лежалых хвостов методом выщелачивания является одним из существенных резервов повышения сквозного извлечения металлов и комплексности использования сырья, а вопросы интенсификации процесса весьма перспективными и актуальными.

В настоящее время методом кучного выщелачивания перерабатываются в основном окисленные медно-цинковые руды, содержащие от 0,1 до 3 % меди и цинка. При этом в качестве основного реагента-растворителя используются растворы серной кислоты. Извлечение металлов из продуктивных растворов осуществляется такими методами как цементация, гальванокоагуляция, сорбция и др.

Однако необходимо отметить, что основу минерально-сырьевой базы медно-цинковой промышленности Урала составляют колчеданные месторождения (~ 90%), главными рудными минералами которых являются: пирит, халькопирит и сфалерит. Переработка таких руд традиционными (флотационными) методами привела к накоплению в отвалах обогатительных фабрик большого количества цветных металлов, представленных в основном сульфидными минералами. Использование сернокислых растворов при выщелачивании такого минерального сырья малоэффективно, так как серная кислота не способна окислять его без дополнительных окислителей, использование которых приводит к окислению сульфидной серы до ионов 5042' и др., как следствие, переводу цветных металлов в жидкую фазу. В качестве окислителей применяются: соли Ре3+, перекись водорода, гипохлорит натрия, кислород и др.

Большой вклад в развитие теории и практики использования процесса выщелачивания для переработки минерального сырья внесли такие ученые как: И.Н.

Плаксин, А.Н. Фрумкин, В.А. Чантурия, Г.И. Каравайко, И.А. Каковский, С.С. Набойченко, Б.Д. Халезов, А.Е. Соболев, М.И. Фазлуллин, Г.М. Вольдман, А. Н. Зеликман и другие российские и зарубежные исследователи.

На основе анализа литературных данных и результатов исследований была установлена возможность интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд сложного вещественного состава при использовании в качестве выщелачивающего агента электрохимически обработанных подотвальных вод, характеризующихся высокой концентрацией кислорода (патент РФ № 2354819). Однако в проведенных исследованиях была установлена только принципиальная возможность увеличения скорости выщелачивания ионов меди и цинка, но не достигнуты концентрации для промышленной реализации процесса цементации. Не был раскрыт механизм воздействия электрохимически обработанных подотвальных вод на труднорастворимые сульфиды, что позволило бы научно обосновать рациональные параметры электрохимической обработки подотвальных вод и разработать схему реализации данного процесса, который, при низких капитальных, эксплуатационных затратах и минимальном воздействии на окружающую среду, позволит вовлечь в переработку бедное и техногенное минеральное сырье.

Цель работы. Научное обоснование, разработка и апробация электрохимической технологии водоподготовки подотвальных вод в процессе кучного выщелачивания бедных медно-цинковых руд, обеспечивающей его интенсификацию, повышение извлечения цветных металлов и вовлечение в переработку кислых подотвальных 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: электронная микроскопия (микроскоп LEO 1420VP), рентгеноспектральный микроанализ (энергодисперсионный спектрометр INCA Oxford 350); 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",CLUA); ИК - спектроскопия; атомно-абсорбционный метод (ААС «Спектр-5,4»); метод диодно-лазерной спектроскопии (Акваспек); титриметрический метод; методы 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.

Основные защищаемые положения

1. Механизм интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд при использовании электрохимически обработанных подотвальных вод, заключающийся в интенсивном окислении сульфидов ионами активного хлора, Мп04", Ре3+ 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 Ь = 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 - 1,2-5-1,8 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.

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%.

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 литературы; проведении 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 выщелачивания медно-цинковых руд, участии в испытаниях электрохимической технологии с целью интенсификации процесса кучного выщелачивании, анализе и обобщении полученных результатов.

Реализация результатов работы. Разработана и апробирована в условиях Учалинской ОФ электрохимическая технология водоподготовки подотвальных вод 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.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах ИПКОН РАН, Международных совещаниях Плаксинские чтения (Казань, 2010 г. и Верхняя Пышма, 2011 г), VII-VIII международных научных школах молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва: ИПКОН РАН, 2010-2011 г), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва: МГГУ, 2010, 2011 гг.), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения», 2010 г., МИСиС.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, из них: в рекомендованных ВАК РФ изданиях - 4, в прочих изданиях - 5, 1 заявка на патент РФ № 2010147041/03(067950).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованных источников из 106 наименований, 1 приложения; содержит 127 страниц машинописного текста, 43 рисунка и 10 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность докт. техн. наук, проф. Е.Л. Чантурия за научное руководство при выполнении работы.

Автор также выражает благодарность сотрудникам ИПКОН РАН: академику Чантурия В.А., Миненко В.Г., Каплину А.И, Бунину И.Ж., Матвеевой Т.Н., Подгаецкому А. В., Капорулиной Е.В., Травкину В.Д. и другим сотрудникам Института за консультации, помощь и поддержку, а также коллективу исследовательской лаборатории Учалинской ОФ за оказанную помощь при проведении исследований.

Основное содержание работы

Анализ современного состояния процесса кучного выщелачивания и методы его интенсификации

Современная технология кучного выщелачивания металлов получила свое основное развитие в последние полвека, хотя применение этого метода имеет давнюю историю. Например, на шахтах Венгрии извлекали медь из подотвальных медьсодержащих вод еще в середине XVII века, а испанские горняки делали то же

самое, пропуская кислые растворы через крупные кучи окисленных медных руд на берегах Рио Тинто в 1752 году. 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: химическими, минералогическими, структурными и физическими характеристиками породы; гранулометрическим составом руды; способом закладки куч; технологией выщелачивания и выделения ценных металлов из продуктивных растворов и др. По этим причинам извлечение ценных металлов методом кучного выщелачивания редко достигает 70 - 80 %, соответственно, разработка процессов и способов его интенсификации весьма перспективна и актуальна.

Интенсификация добычи металла выщелачиванием - это проведение комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на достижение наиболее быстрого и полного извлечения металла из руды. Мероприятия по интенсификации выщелачивания направлены на полную или частичную нейтрализацию причин, вызывающих снижение скорости выщелачивания. В настоящее время известны следующие способы интенсификации процесса выщелачивания: механические, физические, химические, биологические и комбинированные.

Несмотря на значительный объем выполненных исследований, посвященных проблеме интенсификации процесса кучного выщелачивания, почти все они применимы для легкорастворимых руд (окисленных, карбонатных и т.д.), в то время как расширение сырьевой базы цветной металлургии требует вовлечения в переработку труднорастворимых сульфидных и смешанных медно-цинковых руд. Решением данной проблемы являются новые реагенты-растворители в сочетании с сильными окислителями, использование которых увеличивает скорость растворения сульфидных минералов и извлечение цветных металлов.

К таким окислителям можно отнести кислород, ионы марганца, хлора, железа и т.д. Одним из наиболее перспективных методов насыщения жидкой фазы окислителями является электрохимическая технология водоподготовки, которая позволяет без введения реагентов, направленно регулировать физико-химические и физические свойства, ионный и газовый состав жидких сред. Большой вклад в создание и развитие данного направления внесли отечественные ученые: И.Н. Плаксин, Р.Ш.

Шафеев, В.А. Чантурия и др.

В диссертационной работе для интенсификации процесса кучного выщелачивания некондиционных медно-цинковых руд предложено использовать метод электрохимической водоподготовки.

Материалы и методы исследований

В главе представлены: характеристика медно-цинковых руд и подотвальных вод, оборудование для электрохимической обработки (ЭХО) вод и исследования кинетики выщелачивания, методы и методики проведения исследований.

Технологические исследования проводились на медно-цинковых рудах Учалинского ГОКа (табл.1) с использованием подотвальных вод фабрики (табл.2), модельных водных систем и продуктов их электролиза.

Таблица 1

Химический состав медно-цинковой руды Учалинского месторождения

Элемент Ре БЮз АЬОз СаО Ъп МеО Си МпО

Содержание,% 22,6 23,2 31,2 7,3 5,3 2,79 2,3 0,69 0,061

Таблица 2

Химический состав подотвальной воды

Катион Са2+ 8<1бш Мп2+ АІ Мя Си2+

Содержание, мг/дм3 66 440 1100 370 210 56 360 56 48

Влияние водных систем на структурно-химическое состояние поверхности минералов медно-цинковой руды

С целью изучения механизма воздействия на медно-цинковую руду электрохимически обработанных подотвальных вод, характеризующихся высокой концентрацией окислителей, проведены эксперименты по оценке их влияния на изменение структуры и химического состава поверхности минералов методами оптической и аналитической электронной микроскопии. Для проведения сравнительного анализа были выбраны растворы серной кислоты, подотвальная вода Учалинского ГОКа, а также продукты ее электрохимической обработки (электролиза). Исследования проводились по следующей схеме - из медно-цинковой руды изготавливались аншлифы, которые подвергались контакту с растворителем в течение 7 суток, затем аншлифы высушивались и подвергались анализу на растровом аналитическом электронном микроскопе.

Данные о микроструктуре и фазовом составе изучаемой медно-цинковой руды до контакта с водными системами (рис.1) свидетельствуют о том, что руда в основном представлена пиритом с вкраплениями сфалерита и халькопирита размером от нескольких микрон до десятков микрон.

В результате контакта частиц руды с раствором серной кислоты рН = 3 структура поверхности частиц практически не изменилась (рис. 2).

Использование в качестве растворителя подотвальной воды с рН = 3 вызвало существенное изменение структуры и химического состава частиц руды (рис. 3). Наблюдалось расслоение приповерхностных слоев и образование дефектов поверхности. Химический состав значительной части поверхности представлен сульфатами, гидроксидами и оксидами железа, цинка, магния и кремния, а также новообразованиями гипса, появление которых возможно обусловлено повышенной концентрацией в приповерхностном слое сульфатов (вследствие интенсивного окисления сульфидов), активно взаимодействующих с ионами кальция, содержащимися в значительном количестве в воде. Особый интерес представляют эффекты влияния электрохимически обработанной подотвальной воды с концентрацией активного хлора 1,5 г/дм3 на структурно-химическое состояние поверхности частиц руды (рис. 4).

т V

200 мкм

Рис. 1 - Исходная поверхность медно-цинковой руды: / — халькопирит; 2 — сфалерит; 3 — пирит

О'

Ч-Л; Ч

МъУ-,4/

'"V ? ?

шш

ЖФ. • 2

80 мкм

Рис. 2 - Поверхность Си-2п руды после контакта с раствором серной кислоты с рН = 3: 1 — пирит; 2 •—халькопирит; 3 — халькопирит, оксиды и гидроксиды железа и пр.

В результате обработки медно-цинковой руды электрохимически обработанной подотвальной водой с концентрацией активного хлора 1,5 г/дм3 произошло расслоение поверхности, увеличение ее шероховатости за счет интенсивного дефекто- и порообразования в приповерхностных слоях минерального вещества. Практически вся поверхность исследуемого аншлифа покрыта пленкой окисленного железа с присутствием меди и цинка, частично окисленным пиритом, а также оксидами марганца, присутствующими в значительном количестве (рис. 4).

Образование пленки окисленного марганца на поверхности аншлифа обусловлено содержанием в исходной подотвальной воде ионов Мп + (до 370 мг/дм ), которые, как в процессе электролиза воды (анодное окисление), так и в присутствии активного хлора окисляются до ионов Мп04\

Об этом свидетельствует розовый окрас подотвальной воды после ее электрохимической обработки. В процессе контакта обработанной воды с поверхностью руды ионы Мп04" активно окисляют сульфиды до сульфатов, восстанавливаясь при этом до ионов Мп2+, оксидов Мп02 и гидроксидов МпО(ОН)2, которые в кислой среде диссоциируют по реакции МпО(ОН)2 + Н4" —► МпО(ОН) + Н20. Поэтому по мере снижения концентрации активного хлора в подотвальной воде оксиды Мп02 и гидроксиды МпО(ОН)2 играют роль катализаторов процессов окисления сульфидов. Таким образом, в результате проведенных исследований обоснована эффективность использования электрохимически обработанных подотвальных вод в качестве реагента-растворителя для выщелачивания медно-цинковых руд за счет интенсивного окисления сульфидов ионами активного хлора, ионами Мп04" и Ре3+, кислородом.

Полная іішііі 485 ипм. Курсор: 165 /6 НМЛ.I і е

Рис. 3 - Образовавшиеся на Рис. 4 - Образовавшаяся на поверхности поверхности Си-2п руды сульфаты (а), Си-гп руды окисленная пленка железа гидроксиды и оксиды гипса (б), железа, с медью (а), цинком (б), окисленные цинка, магния (в) после контакта с соединения марганца (в) после контакта подотвальной водой с электрохимически обработанной

подотвальной водой

Изучение влияния продуктов электролиза подотвальной воды на влагоемкость медно-цинковой руды.

С целью оценки влияния подотвальных вод и продуктов их электролиза, характеризующихся высокой концентрацией окислителей, на изменение влагоемкости медно-цинковой руды Учалинского ГОКа методом диодно-лазерной спектроскопии (ДЛС) была изучена кинетика диффузии молекул воды в дисперсной минеральной среде.

Для обработки (замачивания) проб руды использовались следующие водные системы: (1) раствор серной кислоты (рН=3); (2) подотвальная вода (рН=3); (3) продукт электрохимической обработки подотвальной воды (ЭХО - плотность тока 150 А/м2, время обработки 2 мин); (4) продукт электрохимической обработки модифицированной подотвальной воды с концентрацией [СЮ"] = 150 мг/дм3 (ЭХО - плотность тока 180 А/м2, время обработки 2 мин, NaCl - 4 г/дм3); (5) продукт электрохимической обработки модифицированной подотвальной воды с концентрацией [СЮ ] = 1,5 г/дм3 (ЭХО - плотность тока 250 А/м2, время обработки 10 мин, NaCl - 20 г/дм3).

Для каждой пробы руды (проба 1 - проба 5) снимались кривые десорбции (рис. 5) и адсорбции (рис. 6) молекул воды. Анализ кривых десорбции (рис. 5) показал, что из пробы медно-цинковой руды, обработанной продуктом электролиза модифицированной подотвальной воды с концентрацией [СЮ'] = 1,5 г/дм3 (проба 5), за время равное 1100 сек выделилось наибольшее число молекул воды - давление водяного пара в измерительной кювете достигало максимальных значений и составляло величину порядка 440 Па. В результате обработки медно-цинковой руды раствором серной кислоты (проба 1) давление водяного пара в измерительной кювете составило 66,5 Па, что существенно (на 373,5 Па) меньше по сравнению со стационарным значением давления, полученном при использовании продукта электролиза.

Результаты анализа релаксационных кривых давления водяного пара при его адсорбции на поверхности частиц медно-цинковой руды (рис. 6), подвергнутых предварительной обработке продуктами электролиза модифицированной подотвальной воды с концентрацией [СЮ'] = 0,15-1,5 г/дм3 показали, что получено меньшее значение конечного давления и зафиксировано отличное от остальных проб положение кривых (проба 4 - проба 5), свидетельствующее о большей скорости адсорбции молекул воды на модифицированной поверхности минеральных частиц. В результате использования водных систем (4-5) в приповерхностный слой частиц руды и, предположительно, в их объем за время равное 500 с проникало наибольшее количество молекул воды -давление водяного пара в измерительной кювете достигало минимальных значений и составило величину порядка 26,6 - 40 Па. При обработке медно-цинковой руды раствором серной кислоты значение конечного давления водяного пара в измерительной кювете составило 66,5 Па (рис. 6).

Время, сне

Рис. 5 - Релаксационные кривые давления водяного пара при десорбции из частиц Си-2п руды Учалинского ГОКа

|:»> >к. «Ні 4Ш >1«

Время, сок

Рис. 6 - Релаксационные кривые давления водяного пара при адсорбции на частицах Си-Хп руды Учалинского ГОКа

В результате проведения экспериментов 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.

В целом можно сделать вывод, что методом диодно-лазерной спектроскопии в сочетании с методами растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа научно обоснован механизм интенсификации процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд при использовании электрохимически обработанных подотвальных вод, заключающийся в интенсивном окислении сульфидов ионами активного хлора, ионами Мп04" и Ре3+, кислородом, а также разрушении матрицы минерала с образованием дефектов и микротрещин, что приводит к интенсивному проникновению в объем минерала выщелачивающего раствора и ускорению десорбции образующихся химических продуктов.

Изучение удельной поверхности сульфидных минералов

Величиной удельной поверхности определяются многие свойства минеральных компонентов: проницаемость, адсорбционная способность, содержание остаточной воды и др. В работе определение удельной поверхности сульфидных минералов производилось с помощью высокопроизводительного анализатора АЦТ080ЯВ-1.

В результате взаимодействия сульфидных минералов с электрохимически обработанными подотвальными водами в течении 24 суток удельная поверхность пирита увеличилась в 1,4 раза, сфалерита - в 3,3 раза, халькопирита - в 5,6 раза по сравнению с использованием раствора серной кислоты (рис.7).

Анализ результатов показал увеличение объема и размера пор поверхности сульфидных минералов после контакта с электрохимически обработанной подотвальной водой. Объем пор вырос в 1,4 - 6,0 раз, размер пор в 1,05 - 1,5 раза по сравнению с раствором серной кислоты.

0,8/

сч

й о я

X сх

ш о с

0,6 0,4 0,2 0

3 Исходная

2 3

□ Р-р Н2804 В ЭХО

Рис. 7 - Изменение удельной поверхности сульфидных минералов (1 - пирит; 2 халькопирит; 3 - сфалерит) при взаимодействии с различными растворителями

Исследование кинетики процессов растворения сульфидных минералов.

Влияние электрохимически обработанных подотвальных вод, характеризующихся высокой концентрацией окислителей, на скорость растворения изучалось на мономинеральных образцах пирита, халькопирита и сфалерита. Для сравнения результатов были проведены эксперименты с использованием исходной подотвальной воды и сернокислых растворов. Исходные минералы крупностью -1,6 +0,4 мм перед растворением промывались от шламов и высушивались в естественных условиях, и затем заливались исследуемыми растворителями в соотношении Т:Ж -1:10. Продолжительность растворения составляла 65 дней. Электрохимическая обработка подотвальной воды проводилась 1 раз в неделю. С периодичностью 7 дней навески минералов отфильтровывались, высушивались и взвешивались для измерения скорости растворения (рис.8). В конце эксперимента исследуемые растворы также анализировались на содержание металлов.

В результате экспериментов установлено увеличение скорости растворения халькопирита, сфалерита и пирита при использовании продукта электролиза подотвальных вод в 2,8 - 7,3 раза по сравнению с сернокислотным раствором. Следует отметить, что растворимость сульфидных минералов в электрохимически обработанной подотвальной воде увеличивается в последовательности халькопирит-пирит-сфалерит.

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о принципиальной возможности эффективного использования электрохимически обработанных подотвальных вод, характеризующихся высокой концентрацией окислителей для интенсификации процесса выщелачивания бедных сульфидных медно-цинковых руд.

<Шодогваяьная вода СШродукг ЭХО л распор серной кислота

Рис.8 - Скорость растворения халькопирита, сфалерита и пирита

Разработка и обоснование рационального режима электрохимической обработки

подотвальных вод

Насыщение подотвальной воды высокими концентрациями окислителей (кислородом и гипохлоритом) было достигнуто путем электролиза раствора с предварительным добавлением поваренной соли (№С1). Электрохимическая обработка водных растворов хлорида натрия проводилась в электролизерах бездиафрагменного типа с использованием нерастворимых анодов ОРТА-И1 (титановая основа с подслоем иридия и покрытием из смеси оксидов иридия и рутения). Периодическая электрохимическая обработка позволяет многократно использовать натрий-хлоридные воды в процессе выщелачивания руд, в отличие от химических растворов гипохлорита. Для определения рациональных параметров электрохимической обработки подотвальных вод проведены эксперименты по влиянию плотности тока, продолжительности обработки и начальной концентрации ЫаС1 на эффективность получения растворов гипохлорита.

Результаты экспериментов показали, что с увеличением исходной концентрации соли ЫаС1 с 5 до 20 г/дм3 происходит наиболее интенсивный рост концентрации гипохлорита; с увеличением исходной концентрации ЫаС1 более 20 г/дм интенсивного роста концентрации гипохлорита уже не наблюдается. Для проведения дальнейших исследований по определению рациональной плотности тока на электродах и продолжительности электрохимической обработки в процессе электролитического получения раствора гипохлорита использованы подотвальные воды с концентрацией ЫаС1 20 г/дм3.

Результаты экспериментов показали, что рациональная плотность тока на электродах в процессе электрохимической обработки подотвальной воды составляет 250 А/м2, так как ее увеличение в 1,5-3 раза ( до 375-750 А/м2) и продолжительности обработки 20 минут повышает концентрацию активного хлора только в 1,04-1,34 раза с 2,3 г/дм3 до 2,4-3,1 г/дм3; а ее уменьшение в 2 раза до 125 А/м2 - снижает концентрацию активного хлора в обработанной воде в 1,64 раза с 2,3 до 1,4 г/дм3 (рис. 9).

Отклонение от установленных рациональных режимов электрохимической обработки подотвальной воды, несмотря на возможность более интенсивного ее насыщения гипохлорит-ионами, будет способствовать резкому увеличению энергозатрат. Так, например, при увеличении концентрации активного хлора в подотвальной воде с 1,5 г/дм3, обеспечиваемой режимом ее обработки (15=250 А/м , 1о6р= 10 минут, СКаС| = 20 г/дм3), до 4 г/дм3 при 15=750 А/м2, 1о6р= 20 минут, С№а = 20 г/дм удельный расход электроэнергии на получение 1 кг активного хлора возрастет в 7,8 раз (рис.10).

Таким образом, в результате проведения исследований по изучению влияния плотности тока, продолжительности обработки, удельных энергозатрат и исходной концентрации КаС1 на процесс электролитического насыщения подотвальной воды гипохлорит-ионами установлен рациональный режим ее электрохимической обработки: ^=250 А/м2, ир= 10 минут, СМаС|= 20 г/л.

60 ¡2 50 /40

тзо

с?20 10

О А-1-1-I-т-

250 350 450 550 650 750 Плотность тока, А/м2 ^>■5 мин -«О—10 мин —¿i—20 мин

Рис. 9 - Изменение концентрации гипохлорита в зависимости от продолжительности ЭХО и плотности тока на электродах при концентрации соли ИаС1 20 г/л

Рис. 10 - Изменение удельного расхода электроэнергии на получение 1 кг гипохлорита в зависимости от плотности тока на электродах и времени обработки

Изучение кинетики процесса кучного выщелачивания медно-цинковой руды в условиях использования электрохимически обработанной подотвальной воды

В разделе представлены результаты исследования кинетики процесса кучного выщелачивания некондиционной медно-цинковой руды Учалинского ГОКа с содержанием меди 0,69% и цинка 2,79% при использовании в качестве реагента-растворителя электрохимически обработанной модифицированной подотвальной воды. Электрохимическая обработка подотвальной воды проводилась в рациональных режимах с периодичностью в 7 суток.

Анализ полученных результатов (рис. 11) показал, что за 32 дня выщелачивания максимальные концентрации меди (332,92 г/дм3) и цинка (2213,5 г/дм3) наблюдаются при использовании в качестве реагента-растворителя электрохимически обработанной подотвальной воды с концентрацией активного хлора 1,5 г/дм3. Необходимо отметить, что использование продукта электрохимической обработки подотвальной воды в процессе выщелачивания медно-цинковой руды позволяет повысить концентрацию ионов меди в жидкой фазе в 2,8 раз (рис. 11а), цинка - в 6 раз (рис. 116) по сравнению с использованием раствора серной кислоты.

° тс ё 3'5 £ з

I i2'5

« « 2

к <-.

я -1 <;

Я Й '

я о.

э-

я я

У, 0 5 10 15 20 Время обработки, мин -О— к, 125 А/м2 -О-13, 250 А/м2 —*>—1Б, 375 А/м2 ""»"" 500 А/м2 -ж-ь, 750 А/м2

- 350 т-

£ 300 -

О 250--

к з: —г 200 "

Я О. 150-

и 100 -

50« 0

10 15 20 25 Продолжительность выщелачивания, сут

10 20 30

П родо л житель но сть выщелачивания, сут

Рис. 11 - Изменение концентрации Си (а) и Ъ\ (б) в продуктивном растворе: 1 — серной кислоты с рН = 3; 2 — подотвальной воды без ЭХО; 3 — электрохимически обработанная подотвальная вода с концентрацией [СЮ"] = 1,5 г/дм3

Необходимые для последующей переработки продуктивных растворов методом цементации концентрации меди и цинка 1,5-5-3,0 г/дм3 были достигнуты после 100 суток выщелачивания. При этом извлечение меди составило 86,4%, цинка - 43,0% (табл.3). В то время как извлечение меди и цинка при использовании раствора серной кислоты составило 66,2 и 28,6% соответственно.

Таблица 3

Баланс металлов при выщелачивании медно-цинковой руды раствором серной кислоты

Металл Содержание Содержание Ме в Концентрация в Извлечение,

Ме в руде после продуктивном %

исходной выщелачивания,% растворе г/дм

руде, % а О н ся ы « « Я с- Продукт ЭХО а ^ а О н ся и м се 32 Си * Продукт ЭХО Го (- ся и ™ « Я Он Продукт ЭХО

Медь 0,69 0,24 0,09 1,15 1,5 66,2 86,4

Цинк 2,79 2,0 1,59 2,0 3,0 28,6 43,0

Промышленная апробация электрохимической технологии водоподготовки в процессе кучного выщелачивания медно-цинковых руд

Для подтверждения полученных данных по интенсификации процесса выщелачивания медно-цинковых руд на основе использования электрохимической технологии водоподготовки проведены укрупненные лабораторные испытания в условиях обогатительной фабрики ОАО «Учалинский ГОК», г. Учалы.

Испытания проводились в течение 20 суток на медно-цинковых рудах трех месторождений: Учалинское (г. Учалы), Султановское (Кунашакский район

мм медно-цинковые руды, обладающие как следствие, большей реакционной

Челябинской области), Западно-Озерное (г.п. Межозёрный), содержащих меди - 0,69, 1,83 и 1,03%, цинка-2,79, 1,11 и 1,44%, соответственно.

В качестве реагента-растворителя в процессе выщелачивания использованы: раствор серной кислоты (0,2%) с величиной рН, идентичной рН подотвальной воды; кислая подотвальная вода (рН - 3); электрохимически обработанная подотвальная вода, отличающаяся повышенной окислительной способностью (концентрация ионов активного хлора до 1,5 г/дм3) и газонасыщением (концентрация кислорода до 30 мг/дм3).

Измельченные до крупности -0, наиболее развитой поверхностью и, способностью, подвергались выщелачиванию при соотношении Т:Ж = 1:4. Электрохимическую обработку подотвальной воды проводили 2 раза в неделю в установленных рациональных режимах.

Концентрация ионов меди и цинка в исследуемых водных системах и продуктивных растворах определялась в лаборатории ЦХЛ «Учалинской ОФ».

В результате проведения испытаний (табл. 4) установлено, что концентрация меди в продуктивных растворах увеличивается до 55, 260, 385 мг^дм3 при использовании подотвальной воды и до 1184, 1706 и 1597 мг/дм3 при использовании электрохимически обработанной подотвальной воды; цинка-до 1169, 450 и 715 мг/дм3 при использовании подотвальной воды и до 1853, 1309 и 1392 мг/дм3 при использовании электрохимически обработанной подотвальной воды, соответственно. В то время как при использовании раствора серной кислоты максимальная концентрация меди в продуктивных растворах не превысила 273 мг/дм3, цинка - 807 мг/дм3.

Таким образом, использование в качестве выщелачивающего агента продукта электролиза подотвальной воды увеличивает скорость процесса выщелачивания медно-цинковых руд месторождений Учалинское, Султановское, Западно-Озерное в 1,6 + 21,5 раз и позволяет достичь необходимых для дальнейшей переработки концентраций меди и цинка - 1,2-5-1,8 г/дм3.

Таблица 4

Зависимость концентраций меди и цинка в продуктивных растворах от вида

Сутки Учалинское Султановское Западно-Озерное

О сл С4 ас о. о а Й (Я а, Подотвальная вода I Подотвальная вода после ЭХО ч- О сп гч а: п. о п В СЗ си Подотвальная вода Подотвальная вода после ЭХО 0 с/о гч 1 О. о а & Си Подотвальная вода Подотвальная вода после ЭХО

Си, мг/дм3

0 0 29,6 29,6 0 29,6 29,6 0 29,6 29,6

20 14 55 1184 132 260 1706 273 385 1597

Zn, мг/дм3

0 0 219,0 219,0 0 219,0 219,0 0 219,0 219,0

20 807 1169 1853 108 450 1309 295 715 1392

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.

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 ЫаС1 для электролитического насыщения подотвальной воды гипохлорит-ионами. Установлен рациональный режим электрохимической обработки: 15=250 А/м2,1о6р= 10 минут, СКаС| = 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.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Чантурия В.А., Миненко В.Г., Каплин А.И., Самусев AJL, Чантурия EJI. Электрохимическая технология водоподготовки в процессе выщелачивания Cu-Zn-руд. Цветные металлы. 2011. № 4. С. 11-15.

2. Чантурия ВЛ., Миненко В.Г., Копорулина Е.В., Самусев AJL, Чантурия ЕЛ. Обоснование эффективности использования электрохимической технологии водоподготовки в процессах кучного выщелачивания руд. «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых». 2011. №5, С. 115 -s-124.

3. Самусев АЛ Современные способы интенсификации процесса кучного выщелачивания. ГИАБ. 2011. №6 С. 157-162.

4. Подгаецкий A.B., Самусев A.JI. Устойчивость сульфидных минералов в электрохимически обработанной подотвальной воде. «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых». 2011. № 5. С. 146-5-149.

Публикации в материалах научных конференций н совещаний:

1. Самусев АЛ., Миненко В.Г., Чантурия ЕЛ. Интенсификация процесса выщелачивания медно-цинковой руды применением электрохимической обработки подотвальной воды». Материалы 7-ой международной научной школы молодых ученых и специалистов, 15- 19 ноября 2010 г. УРАН ИПКОН РАН. С.389-391.

2. Самусев АЛ., Миненко В.Г., Чантурия ЕЛ. Электрохимическая технология водоподготовки в процессах выщелачивания медно-цинковых руд. Материалы международного совещания «Плаксинские чтения 2010», г. Казань, 13 - 18 сентября 2010 г. С327-328.

3. Самусев АЛ., Миненко В.Г., Чантурия ЕЛ., Копорулина Е.В.. Изменение структуры и химического состава поверхности Cu-Zn руды при взаимодействии с различными растворителями. Материалы международного совещания Плаксинские чтения 2011 г. Верхняя Пышма, 2011. С.293-294.

4. Самусев АЛ., Миненко В.Г. Апробация электрохимической технологии водоподготовки в процессе выщелачивания медно-цинковых руд в условиях ОАО «Учалинский ГОК». Материалы 8-ой международной научной школы молодых ученых и специалистов, УРАН ИПКОН РАН, 2011г. С.388-390.

5. Чантурия В.А., Миненко В.Г., Чантурия ЕЛ., Самусев АЛ. Электрохимическая технология водоподготовки в процессе выщелачивания медно-цинковых руд. Материалы научно-практической конференции «Новые технологии в науке о Земле и горном деле», Нальчик 2011, С. 99-104.

Лицензия JIP №21037 от 08 февраля 1996 г. Подписано в печать с оригинал-макета 04.07.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага «Mega Сору Office». Печать офсетная. Набор компьютерный. Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 194.

Издание ИПКОН РАН

111020 г. Москва, Крюковский тупик, д. 4 ft

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Самусев, Андрей Леонидович

Введение.

Глава 1. Современное состояние технологии кучного выщелачивания руд и методы ее интенсификации.

1.1. Основы организации процесса кучного выщелачивания руд и извлечения металлов из минерализованных вод.

1.2. Современные методы интенсификации процесса выщелачивания руд.

1.3. Перспектива использования электрохимической технологии водоподготовки в процессе кучного выщелачивания.

Выводы к главе

Глава 2. Объекты и методы исследований.

2.1.1. Характеристика медно-цинковой руды Учалинского ГОКа.

2.1.2. Химический состав и физико-химические свойства подотвальной воды.

2.1.3. Характеристика продуктов электролиза подотвальной воды.

2.1.4. Характеристика модельных водных систем.

2.2. Методы исследований.

Глава 3. Механизм воздействия электрохимически обработанных вод на структурно-химические свойства и состояние поверхности минералов медно-цинковых руд.

3.1. Влияние водных систем на структурно-химическое состояние поверхности минералов медно-цинковой руды.

3.2. Влияние продуктов электролиза подотвальной воды на влагоемкость медно-цинковой руды.

3.3. Изучение удельной поверхности сульфидных минералов.

3.4. Разработка и обоснование рационального режима электрохимической обработки подотвальных вод.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Изучение кинетики процесса кучного выщелачивания сульфидных минералов, медно-цинковой руды и хвостов обогащения в условиях использования продукта электролиза подотвальной воды.

4.1. Исследование кинетики процессов растворения сульфидных минералов.

4.2. Экспериментальное изучение кинетики процесса кучного выщелачивания медно-цинковой руды в условиях использования продукта электролиза подотвальной воды.

4.3. Исследование принципиальной возможности и целесообразности переработки хвостов обогащения медно-цинковых руд Учалинской ОФ в условиях использования продукта электролиза подотвальной воды.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Апробация электрохимической технологии водоподготовки и разработка принципиальной технологической схемы процесса выщелачивания медно-цинковых руд.

5.1. Апробация электрохимической технологии водоподготовки в процессе выщелачивания медно-цинковых руд в условиях ОАО «Учалинский ГОК».

5.2 Описание схемы и технологического процесса кучного выщелачивания медно-цинковых руд с применением ЭХО подотвальной воды.

5.3 Выбор основного технологического оборудования.

Выводы к главе 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 местности; химические, минералогические, структурные и физические характеристики породы; гранулометрический состав руды; способ закладки куч; технология 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.

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 - спектроскопия; атомно-абсорбционный метод (ААС «Спектр-5,4»); метод диодно-лазерной спектроскопии (Акваспек); титриметрический метод; методы математической статистики для обработки результатов исследований.

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.

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.

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.

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 литературы; проведении 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.

Заключение Диссертация по теме "Обогащение полезных ископаемых", Самусев, Андрей Леонидович

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.

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.

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.

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.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Самусев, Андрей Леонидович, Москва

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М., Наука, 1976г.

2. Андропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высш. Школа, 1975. - 568 с.

3. Арене В.Ж., Перов Н.В., Лунев Л.И. Интенсификация процесса подземного выщелачивания в электромагнитных полях. М., МГРИ им. С. Орджоникидзе, 1978.

4. Артёмов В.Г., Капралов П.О., Тихонов В.И., Волков A.A. Каскадная диффузия молекул воды в пористо-гран. среде.// КСФ ФИАН. 2009. №7. С. 36 -41.

5. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. М. «Металлургия» 1977

6. Бакаева М.Д., Столярова Е.А., Черкасова Д.В. Испытания биогеотехнологии для выщелачивания полиметаллических сульфидных руд Учреждение РАН «Институт биологии УНЦ РАН», Уфа.

7. Башлыкова Т.В., Пахомова Г.А., Калиниченко Л.С., Живаева А.Б., Тельнова О.П. Комплексная безотходная технология переработки шлаков свинцово-цинкового производства// Цветные металлы. 2007. - №3. - С.68-71.

8. Белин В.А., Логачев A.B., Исмаилов Т.Т. Управление параметрами взрыва при подготовки руд к выщелачиванию. Горный информационно-аналитический бюллетень № 11/2008.

9. Верховский И.М. Основы проектирования и оценки процессов обогащения полезных ископаемых. М., Углетехиздат, 1949г.

10. Вигдергауз В.Е., Чантурия В.А., Теплякова М.В. Потенциометрическое исследование электровыщелачивания халькопирита // Комбинированные методы переработки руд. М.: ИПКОН АН СССР, 1988. С. 13-22.

11. Волощук С.Н. Кучное и подземное выщелачивание металлов.М. Недра, 1982

12. Вольдман Г.М., Зеликман А.Н. Теория гидрометаллургических процессов— М.: «Интермет Инжиниринг», 2003.С. 458

13. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа,1977. - 479 с.

14. Губайловский В.В., Каковский И.А., Халезов Б.Д. Кинетика растворения золота в водных растворах, содержащих хлор.//Ив. АН СССР, Металлы 1973, N6, с. 106-111.

15. Долженкова А.Н. О выборе метода оценки электрокинетического потенциала //Обогащение руд. 1990.-№1 - С. 16-20.

16. Емелин М.А., Морозов В.Н. и др. Новые методы разрушения горных пород. М.: Недра, 1990, С. 240.

17. Емлин Э. Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. Свердловск: Изд-во Урал, ун-та, 1991. С 249- 256.

18. Жалгасулы Н., Битимбаев М.Ж., Черний Г.М., Тумаков В.А. Физико-химические способы интенсификации выщелачивания цветных металлов. Горный информационно-аналитический бюллетень № 3/2005.

19. Заварзин Г.А. Литотрофные микроорганизмы. М.: наука, 1972. 254 с.

20. Заверткин В.Л., Лазарев В.Н. Состояние и тенденции развития минерально-сырьевой базы меди России // Минер, ресурсы России. Экономика и управление. 2001. № 5. С. 16-27.

21. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. Металлургия редких металлов. М.: Металлургия 1991. С. 223-227.

22. Каковский И.А., Набойченко С.С. Термодинамика и кинетика гидрометаллургических процессов. Алма-Ата, 1986.

23. Каковский И.А., Халезов Б.Д., Крушкол О.Б., Киселева В.И. О кинетике растворения куприта.//Изв. вузов, Цветная металлургия, 1980, N3, с.30-34.

24. Камке Э.Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям-М.:Наука,1978.-576с.

25. Каплунов Д.Р., Рыльникова M.B. Развитие теории проектирования и реализация идей комплексного освоения недр // ГИАБ/ МГГУ.2008. № 4. С. 2028.

26. Капралов И.О., Артёмов В.Г., Гусев Г.А., Тихонов В.И., Волков A.A. Кинетика диффузии молекул воды в нанопористом адсорбенте // Известия РАН. Серия физическая. 2008. - том 72. - №12. - С. 1791-1795.

27. Капралов П.О., Артёмов В.Г., Макуренко A.M., Тихонов В.И., Волков A.A. Нарушение нормального 3:1 орто-пара отношения при динамической сорбции // Журнал физическая химия 83. N4 1-7 2009 г.

28. Капралов П.О., Артёмов В.Г., Макуренков A.M. и др. // Диодно-лазерный спектрометр для измерения орто-пара состава водяного пара // ПТЭ. 2008. № 6. С. 123 128.

29. Каравайко Г.И., Абакумов В.В., Михайлова Т.Л., Пискунов В.П., Халезов Б.Д. Экология и активность микроорганизмов при кучном выщелачивании металлов.// Прикладная биохимия и микробиология. АН СССР, 1981, т.ХVII, №1, с.73-80.

30. Каравайко Г.И., Кузнецов С.И., Голомзик А.И. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд. М.: наука, 1972. 248 с.

31. Крейг Дж., Воган Д. Рудная микроскопия и рудная петрография: Пер. с англ. -М.: Мир. 1983.-423 с.

32. Кудайкулова Г. А. Электрохимические процессы на поверхности сульфидных минералов в водной и апротонной средах: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. хим. наук : 02.00.05 Ин-т электрохимии им. А. Н. Фрумкина

33. Ландау Я П., Лифшиц ЕМ. Теоретическая физика, т. 2 Теория поля. М.: Наука, 1986.

34. Ласкорин Б.Н. Гидрометаллургия, Издательство «Металлургия», Москва 1971.

35. Линч А.Дж. Циклы дробления и измельчения. М.: Недра. 1981.

36. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. - 847 с.

37. Луцик В.И., Соболев А.Е. Кинетика гидролитического и окислительного растворения сульфидов металлов, Монография Тверь 2009

38. Лященко П.А. Гравитационные методы обогащения. М.-Л.:ГОНТИ, 1935г.

39. Мирецкий A.B., Кондратьев Ю.И. Выщелачивание полиметаллических руд сернокислотно-хлоридными растворами. Журнал «Известия вузов. Цветная металлургия» Содержание №4, 2006.

40. Мишурина O.A. Технология электрофлотационного извлечения марганца в комплексной переработке гидротехногенных георесурсов медноколчеданных месторождений. Автореферат дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2010.

41. Молчанов В.И., Юсупов Т.С. Физические и химические свойства тонкодиспергированных минералов. М.: Недра. - 1981. - 160 с

42. Мосинец В.Н., Абрамов A.B. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра, 1982.

43. Мормиль С.И., Амосов Л.А., Хасанов Г.Г Минерально-сырьевая база техногенных образований Свердловской области // Техногенез и экология: Информ. -темат. сб. / Под ред. А.Г. Талалая. Екатеринбург: УГГГА, 2002. С.4-30.

44. Набойченко С.С. Смирнов В.И. Гидрометаллургия меди, Москва, издательство "Металлургия", 1974, с. 272.

45. Нестеров Г.С.Технологическая оптимизация обогатительных фабрик.М.,Недра, 1976.-С. 104-109.

46. Озолин Л.Т., Русихина Л.П. Выщелачивание меди из медьсодержащих руд под воздействием внешних полей. МГИ, 1968.

47. Остапенко П.Е. Технологическая оценка минерального сырья. Методы исследования. М.: Недра, 1990. 264 с

48. Остапенко П. Е. Основы компьютерной оценки обогатимости минерального сырья. Горный журнал. 1997. - № 32 - 35.

49. Остроушко И.А., Остроушко Р.И. Выщелачивание свинца и цинка из сульфидных руд. Орджоникидзе: ИР, 1976.

50. Оценка минерального сырья. Опробование месторождений. -Характеристика сырья: Справочник. - Под ред. П.Е. Остапенко. - М.: Недра. -1990. 272 с

51. Панин В.В., Воронин Д.Ю., Адамов Э.В., Крылова JT.H. Бактериально-химическое извлечение цинка из промпродуктов и хвостов флотационного обогащения// Цветные металлы. 2005. - №11. С.27-31.

52. Перельман А. И. Геохимия. М.: Высш. школа, 1979. -422 с.

53. Плаксин И.Н., Юхтанов Д.М. Гидрометаллургия. М., Металлургиздат, 1949. С.732.

54. Поплаухин A.C., Халезов Б.Д., Бабаджан A.A. Состояние и перспективы внедрения кучного и подземного выщелачивания руд. //Цветные металлы, 1979, №3, с.6-8.

55. Потоцкий В.Б. Основы теории и проектирования гидроударных буровых машин пульсационно-прессового действия. Алма-Ата, Изд. АН КазССР, 1964.

56. Прогрессивные технологии комплексной переработки минерального сырья / Под ред. В.А. Чантурия. М.: Издательский дом «Руда и Металлы», - 2008, -283 с.

57. Путилова И.Н. Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии. -Госхимиздат. 1943, - 211 с.

58. Пучков Л.А. Россия в горнодобывающем мире // ГИАБ / МГГУ. 2005. № 5. С. 5-10.

59. Разумов К.А. Проектирование обогатительных фабрик. М., Недра, 1970г.

60. Ракишев Б.Р. и др. Ослабление трудноразрушаемых пород взрывом. Алма-Ата, Наука, 1974.

61. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика // Избранные труды. М.: Наука. - 1979. - 384 с.

62. Ревнивцев В.Н. Задачи научно-исследовательских и опытно-конструкторских организаций по совершенствованию рудоподготовки. // Обогащение руд. 1977. - № 6. - С. 4-7.

63. Руководство по химическому и технологическому анализу воды. М, Стройиздат, 1973 г. 272 с

64. Русихина Л.П. Влияние постоянного тока на кинетику гетерогенных реакций. / Совершенствование техники и технологии разработки месторождений полезных ископаемых. МГИ, 1968.

65. Рыльникова М.В., Радченко Д.Н., Илимбетов А.Ф., Звягинцев А.Г. Опытно-промышленная апробация вещелачивания отходов переработки медно-колчеданных руд// Горный информационно-аналитический бюллетень № 2/2008. С. 293-302.

66. Секисов Г.В. Академическая наука горное производство. Круглый стол// Горн. журн. 1991. №4. С. 7-9.

67. Скорчелетти В.В. Теоретическая электрохимия. Л.: Химия, 1974. - 567 с.

68. Смайт У. Р. Электростатика и электродинамика. М.: ИЛ, 1954.

69. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Г. Ш. М. Наука, 1974,

70. Справочник по обогащению руд. Основные процессы. / Под ред. О.С. Богданова, 2 изд., перераб. и доп. М., Недра, 1983, с. 141

71. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы / Под ред. О.С. Богданова. -М.: Недра, 1982. -366 с.

72. Трубецкой К. Н., Чантурия В. А., Каплунов Д. Р., Рыльникова М. В. «Комплексное освоение месторождений и глубокая переработка минерального сырья», Москва Наука 2010, С. 437

73. Фазлуллин М. И. Кучное выщелачивание благородных металлов. — М.: АГН, 2001.

74. Халезов Б. Д. Исследования и разработка технологии кучного выщелачивания медных и медно-цинковых руд. Автореферат. Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Екатеринбург 2008

75. Халезов Б.Д., Ватолин H.A., Макурин Ю.Н., Быков H.A. Исследование извлечения меди в барабанном цементаторе. Горный информационно-аналитический бюллетень № 5/2005.

76. Халезов Б.Д., Перов Н.В., Руденко Н.К. и др. Исследования интенсификации процесса выщелачивания меди из руд в электрических полях высокой частоты. / Тр. Института «Унипромедь». Свердловск, 1973, вып. 16.

77. Халезов Б.Д. Примеры организации процессов подземного и кучного бактериального выщелачивания.// Биогеотехнология металлов. Практическое руководство. Центр международных проектов ГКНТ, М., 1989, с.302-313.

78. Халезов Б.Д., Шурыгин Ю.А., Юшкова Л.Г. и др. О выщелачивании меди из руд Джезказганского месторождения. //Труды института «Унипромедь», Свердловск, 1976, вып. 19, с. 149-153.

79. Хуайфа В., Бочкарев Г.Р., Ростовцев В.И. и др. Интенсификация обогащения полиметаллических сульфидных руд высокоэнергетическими электронами // ФТПРПИ. -2002.-№ 5.

80. Чантурия В. А., Назарова Г. Н. Электрохимическая технология в обогатительно-гидрометаллургических процессах. М.: Наука. - 1977.

81. Чантурия В.А, Направления исследований в области обогащения полезных ископаемых // Горный вестник. 1995.№ 2. С. 37-42.

82. Чантурия В.А. Технологическая оценка минерального сырья // Горный вестн. 1998. №1. С. 37.

83. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е. Электрохимия сульфидов. Теория и практика флотации М.: Издательский дом «Руда и Металлы». 2008.-272 с.

84. Чантурия В.А., Двойченкова Г.П., Лунин В.Д., Богачев В.И., Миненко В.Г., Трофимова Э.А., Абдрахманов И.А. Патент №2354819 / Способ выщелачивания окисленных и смешанных медьсодержащих руд и продуктов их обогащения / -Бюллетень ФМПС. 2007.

85. Чантурия В.А., Лунин В.Д. Электрохимические методы интенсификации процессов флотации. М.: Наука. - 1983. - 144 с.

86. Чантурия В.А., Корюкин Б.М. Анализ техногенного минерального сырья Урала и перспективы его переработки // Проблемы геотехнологии и недроведения: Доклад Междунар. конф., Екатеринбург, 1998. М.: Наука. -1983.- 144 с.

87. Чантурия В.А., Миненко В.Г., Каплин А.И., Самусев А.Л., Чантурия Е.Л. Электрохимическая технология водоподготовки в процессе выщелачивания Си-Zn руд, "Цветные металлы", 2011, №4.С. 11-15.

88. Чантурия Е.Л. Изучение влияния католита на процессы окисления мелющих тел и раскрытия минералов при мокром измельчении редкометальных,оловянных и вольфрамовых руд // Обогащение руд. № 4. - С.-П. 2004. - С 2327.

89. Чекушина Т.В. Интенсификация кучного выщелачивания золота из упорных пирит-мышьяковых руд на основе их электрохимического вскрытия. -Автореф. дис. канд. техн. наук. ИПКОН РАН. - Москва. - 1997.

90. Чернов A.JL, Антонов К.В., Гуфранов Р.А. Минерально-сырьевая база Республики Башкортостан в начале третьего тысячелетия //Изв. вузов Горн, журнал. 2004. № 3. С.49-52.

91. Черняк А.С. Химическое обогащение руд. Москва «Недра», 1987.

92. Чурилов Н. Г., Беленко В. И. Прогнозирование показателей обогащения рудного сырья.2001 .-№6.-С.52-53.

93. Шамони К. Теоретическая электротехника: пер. с нем. М. Мир, 1964.

94. Шелкунова Т.Г., Хулелидзе К.К., Кондратьев Ю.И., Кондратьев Д.Ю. Комплексное влияние состава и скорости подачи растворов на выщелачивание сульфидных полиметаллических руд. Владикавказ, СКГТУ: Терек. Сб. научных трудов аспирантов СКГТУ. 2000.

95. Шохин В.Н., Лопатин А.Г. Гравитационные методы обогащения. М.: Недра, 1980.-400 с.

96. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л., Машиностроение, 1986.

97. Юшкин Н.П. Механические свойства минералов. Л.: Наука, Ленингр. отд., 1971.-284 с.

98. Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. Москва издательство «Химия», 1974.

99. Якименко Л.М. Электродные материалы в прикладной электрохимии. М.: Химия. - 1977.-264 с.

100. Chanturiya V.A., Trofimova Е.А., Bogachev V.I., Dikov Y.P., Buleev M.I. The formation and modification of natural diamond surface properties // Xll Balkan Minerai Processing Congress 2007. -Greece. Delphi, - p. 381 - 387.

101. Robert J. Hunter. The Interpretation of Electrokinetic Potentials // Journal of Colloid and Interface Science. vol. 22. - Number, September, 1966, 231.

102. Tikhonov V.I., Volkov A.A. // Science. 2002. V. 296 P. 2363

Информация о работе

Самусев, Андрей Леонидович
кандидата технических наук
Москва, 2012
ВАК 25.00.13

Диссертация

Интенсификация процесса кучного выщелачивания бедных медно-цинковых руд на основе использования электрохимически обработанных подотвальных вод - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы