Разработка метода снижения загрязнения окружающей среды стоками хвостохранилищ с применением технологии кислотного выщелачивания

Морозова, Ольга Валерьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка метода снижения загрязнения окружающей среды стоками хвостохранилищ с применением технологии кислотного выщелачивания
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода снижения загрязнения окружающей среды стоками хвостохранилищ с применением технологии кислотного выщелачивания"

' На правЗх рукописи

МОРОЗОВА ОЛЬГА ВАЛЕРЬЕВНА

УДК 622 8, 622 342

РАЗРАБОТКА МЕТОДА СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ СТОКАМИ ХВОСТОХРАНИЛИЩ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ КИСЛОТНОГО

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

Специальность 25 00 36 « Геоэкология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003069235

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ)

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Чмыхалова Светлана Валерьевна

Официальные оппоненты профессор, доктор технических наук Ермолов Валерий Александрович кандидат технических наук Чекушина Татьяна Владимировна

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный институт горно-химического сырья (ФГУП ГИГХС)

Защита состоится 24 мая в 11 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212 128 08 при Московском государственном горном университете по адресу 119991, ГСП-1, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «24» апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор,

доктор технических наук

Шек Валерий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Горно-обогатительная промышленность является существенным источником загрязнения окружающей среды, в первую очередь из-за влияния на атмосферу и гидросферу накопленных вскрышных и переработанных пород в отвалах и хвостохранилищах Негативное воздействие сточных вод хвостохранилищ обогатительных фабрик обусловлено загрязнением природных вод продуктами окисления минералов тяжелых металлов меди, свинца, цинка и железа

Наибольшие концентрации ионов тяжелых металлов содержатся в грунтовых и приповерхностных водах в основании хвостохранилища, в которые проникают значительные объемы фильтратов Особенно актуальна проблема загрязнения гидросферы при повышении кислотности фильтратов хвостохранилищ, например, при изменении обогатительной технологии или выводе хвостохранилища из эксплуатации

Эффективным путем снижения негативного воздействия хвостохранилищ на поверхностные и подземные воды является применение современных технологий химического выщелачивания и сорбции, сочетание которых не только позволяет радикально снизить концентрации вредных веществ, но и доизвлечь содержащиеся в сбрасываемых водах ценные компоненты Важным условием достижения поставленной цели является установление механизма процессов окисления и растворения минералов тяжелых металлов в складированных хвостах обогатительных фабрик

Целью работы является установление закономерностей кислотного выщелачивания минеральных фракций складированных хвостов и разработка метода снижения концентраций ионов тяжелых металлов, обеспечивающего уменьшение загрязнения окружающей среды стоками выведенных из эксплуатации хвостохранилищ

Идея работы заключается в использовании различий в растворимости окисленных рудных и породообразующих минералов при варьировании рН для обеспечения условий эффективного выщелачивания окисленных минералов меди

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1 Разработана физико-химическая модель взаимодействия сульфидных и породообразующих минералов с компонентами жидкой фазы для условий складированных хвостов, позволяющая определить фазовый состав рудных минералов и оценить концентрации ионов металлов в стоках хвостохранилищ Показано, что при снижении рН поровых вод от 8,9 до 5,0 происходит увеличение концентрации ионов меди в стоках хвостохранилища от 0,1 мг/л до 20 мг/л

2 Определена последовательность растворения окисленных минералов меди и породообразующих минералов в нейтральной и кислой среде Впервые

установлена закономерность концентрирования ионов меди в фильтрате выщелачивания в интервале рН от 2,5 до 6, что обусловлено большей растворимостью гидроксокарбонатов меди относительно доломита и магнезита Установлена закономерность увеличения щелочности фильтрата на 1,0 - 1,2 ед рН и снижения в нем концентрации ионов меди в 3-3,5 раза при увеличении в хвостах массовой доли карбонатных породообразующих минералов от 3 до 10%

3 Впервые показано, что дискретная кислотная обработка складированных хвостов ГОКа «Эрдэнэт» позволяет получить в активной фазе выщелачивания фильтраты с содержанием до 25 мг/л меди, а в последующей стадии консервации хвостохранилища обеспечивает снижение концентрации ионов меди в фильтратах до экологически приемлемого уровня в 0,1-0,15 мг/л

4 Обосновано применение сорбционного извлечения меди из фильтратов выщелачивания лежалых хвостов хвостохранилища для снижения концентрации ионов меди в обогащенных медью фильтратах выщелачивания с 10-25 мг/л до экологически приемлемого уровня 0,08-0,09 мг/л с эффективностью извлечения меди 99,0- 99,8%

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментально измеренных значений параметров состава фильтратов в операциях выщелачивания (отклонение не более 20%), соответствием результатов лабораторных и полупромышленных исследований процессов выщелачивания и сорбции

Научное значение работы заключается в разработке физико-химической модели и установлении закономерностей взаимодействия рудных и породообразующих минералов с компонентами жидкой фазы, позволяющих определить условия удаления окисленных соединений и снижения концентрации ионов тяжелых металлов в сточных водах хвостохранилищ

Практическое значение заключается в разработке метода и определении условий дискретного кислотного выщелачивания окисленных минералов из складированных хвостов, обеспечивающего снижение загрязнения окружающей среды содержащимися в стоках хвостохранилищ ионами тяжелых металлов

Реализация работы Результаты работы включены в техническое задание на проект вывода из эксплуатации хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт»

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2006, 2007, г Москва, МГГУ), на Международных научно-технических конференциях «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (УГГА, Екатеринбург, 2006), «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР» (Владивосток, 2006), Конгрессе обогатителей стран СНГ (МИСиС, Москва, 2007)

Публикации Основные положения диссертации опубликованы в пяти работах

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований, содержит 16 рисунков и 21 таблицу

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Значительный вклад в исследования процессов окислительного фазообразования и выщелачивания содержащихся в забалансовых рудах и отвальных продуктах обогащения минералов цветных металлов, а также процессов концентрирования и извлечения из сточных вод ионов тяжелых металлов, внесли отечественные ученые Арене В Ж, Бортникова С Б , Баймаханов М Г, Венецианов Е В , Вигдергауз В Е , Воробьев А Е , Гольдберг В М , Иллювиева Г В, Калинников В Т, Лисенков А Б, Макаров В Н , Перельман А И , Свешников Г Б , Банкс Д, Бойлет М и др Предложенный и обоснованный ими подход предполагает применение для очистки стоков хвостохранилищ современных физико-химических технологий, предполагающих утилизацию содержащихся ценных компонентов Основным препятствием, затрудняющим использование физико-химических методов, является то, что интервал фактических концентраций ионов тяжелых металлов (1-10 мг/л) в сточных водах хвостохранилищ, с одной стороны, в десятки и сотни раз превышает предельно-допустимые концентрации, а с другой стороны, недостаточен для эффективного использования современных технологий их доизвлечения

1. Моделирование процессов фазового состояния рудных и породообразующих минералов в массе складированных хвостов

В условиях эксплуатации хвостохранилища около 10% воды, поступающей с отвальными продуктами обогащения, фильтруется через его основание и выводится совместно с входящими грунтовыми потоками под основанием дамбы, где частично перехватываются специальными гидросооружениями, а частично поступает в окружающую экосистему Для определения характера процессов, обусловливающих ионно-молекулярный состав стоков хвостохранилищ, целесообразно провести схематическое структурирование хвостохранилища с выделением зон, характеризующихся схожим механизмом протекающих химических и электрохимических реакций

На рис 1 схематически изображена пространственная схема хвостохранилища В таблице 1 - исходная информация по концентрациям в жидкой фазе складированных хвостов ионно-молекулярных компонентов, использованная в

качестве критериев для определения границ структурных зон и исходных данных при термодинамических расчетах

02 С02 Оборотная вода

1 - зона осветленной воды, 2 - зона свежих песков, 3 - зона окисленных песков, 4 -зона фильтрации, 5 - подпорные слои глины, 6 - дренажные воды (сборный колодец)

Таблица 1

Результаты анализа состава жидкой фазы складированных хвостов обогатительной фабрики, перерабатывающей медно-молибденовые руды

Параметры Зона осветл Зона свежих Зона окисл Зона

ВОДЫ песков песков фильтрации

[Ог], мг/л 5,2 5,1 0,4-5,1 0,4

[НСОз"], моль/л КГ* 510"3 Ю^-бЮ"3 10ь

рн 104 100 56-100 54

[Си], моль/л 10 м 10"» 10_5-10"а Ю-4-Ю-4

[Ре], моль/л 10 10 10а 10"9-10-ь 104-104

[БО^"], моль/л Ю-4 10*' 10'3' - ю-3'3 10 33

Анализ строения хранилища отвальных продуктов обогащения позволяет выделить четыре основные зоны (рис1, зоны 1-4), существенно отличающиеся по составу жидкой фазы (табл 1) и химизму протекающих процессов Дренажные воды (фильтраты) значительно отличаются от состава верхних стоков хвостохранилищ и содержат ионы тяжелых металлов в концентрациях, значительно превышающих ПДК (табл 1) Причиной этого являются окислительные и химические процессы, протекающие в массиве складированных хвостов

Для установления закономерностей образования и концентрирования ионов тяжелых металлов в фильтратах хвостохранилища был проведен термодинамический анализ процессов окисления и растворения минералов меди, карбонатных породообразующих минералов Результаты расчетов, представленные в виде уравнений реакций межфазных переходов, соответствующих им соотношений между концентрациями ионно-молекулярных компонентов реакций и диаграмм термодинамически стабильных соединений в координатах !_д [СОз] - рН,

представляют собой физико-химическую модель, позволяющую оценить равновесные концентрации ионов металлов в фильтратах и стоках хвостохранилища

Результаты термодинамических расчетов (рис 2) показали, что в обособленных согласно структурной схеме хвостохранилища зонах протекают существенно отличающиеся химические процессы

А Б

Рис 2 Диаграмма термодинамической стабильности окисленных соединений меди (А) и кальцита (Б) с обозначением основных структурных зон хвостохранилища

1 - зона осветленной воды, 2 - зона свежих песков, 3 - зона окисленных песков, 4 - зона фильтрации

Зона 1 характеризуется высокими концентрациями кислорода и углекислого газа, щелочной средой и крайне низкими концентрациями ионов тяжелых металлов Зона 2 по составу незначительно отличается от зоны 1, однако в ней происходят интенсивные окислительные процессы на сульфидных минералах, описываемые для сульфидов меди и железа уравнениями

гСиРеЭг + С02 + 4Н20 + 602 -*• 2Ре(ОН)3 + Си2(0Н)2С03 + 8Н+ + 43042" (1) 2Ре82 + 602 + 7Н20 -»• 2Ре(ОН)3 + 8Н++ 4Э042- (2)

Образующиеся продукты окисления - гидроксокарбонаты и гидроокислы металлов (рис 2, зона 2) - остаются в твердом состоянии на поверхности минеральных зерен Высокое значение рН и относительно высокая концентрация карбонатных ионов препятствует их переходу в фильтрат В зоне 3 происходит инверсия рН от щелочной к кислой Причиной зачисления фильтрата являются образующиеся продукты окисления серы сульфидных минералов (уравнения 1,2) В нижней области зоны 3 величина рН достигает значений, при которых становится возможным растворение окисленных форм меди и переход катионов меди в фильтрат Именно в нижней части зоны 3 происходит интенсивное выщелачивание

меди из твердой фазы В зоне 4 в отсутствие интенсивного привноса компонентов с поверхностными водами состав дренажных вод остается стабильным

Анализ полученных результатов показывает, что причиной роста в жидкой фазе складированных хвостов концентраций ионов тяжелых металлов до технологически и экологически вредных значений (Ю-5 - 10~* моль/л или 0,5-5,0 мг/л) является интенсивное окисление и выщелачивание меди Очевидно, что способствующими факторами являются проникающий в массу хвостов кислород и повышенная температура Напротив, как видно из диаграммы на рис 2, увеличение рН и концентрации карбонатных ионов ведет к связыванию меди в нерастворимый гидроксокарбонат

Результаты расчетов подтверждаются промышленной практикой Так, для хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт» на период эксплуатации 2005 г кислотность фильтрационных вод характеризовалась значением рН около 5,2-5,6 Суммарная концентрация растворенных карбонатных форм составляла около 10"5 моль/л В этих условиях расчетная концентрация ионов меди составляет около 5-7 мг/л Фактические замеры показывают, что реальная концентрация ионов меди в фильтрационных водах близка к расчетной и составляет от 3 до 6 мг/л

Использование результатов моделирования, представленных в виде диаграммы в координатах 1д[Си] - рН (рис 3), показывает, что условием поддержания концентраций ионов меди в фильтратах на технологически приемлемом для сорбционного извлечения меди уровне (10"3 -10"4 моль/л или 53,05,3 мг/л) является поддержание рН фильтрата в интервале от 5,0 до 6,1

Рн

Рис 3 Диаграмма термодинамической стабильности меди в окислительных условиях при варьировании щелочности фильтрата I - область естественного рН в условиях эксплуатации, II - область рН, обеспечивающего эффективную сорбцию меди, III - область рН, обеспечивающего удерживание меди в хвостохранилище

Поддержание концентраций ионов меди на экологически безопасном уровне (10"6 - 10'7 моль/л или 0,05-0,005 мг/л) возможно путем поддержания рН в фильтратах на уровне 7,2-8,2

Таким образом, проведенный анализ позволил разработать физико-химическую модель химических процессов в складированных хвостах как в источнике загрязнения сточных вод ионами тяжелых металлов Входящие в модель уравнения количественно определяют соотношения между ионно-молекулярными компонентами сточных вод Разработанная модель позволяет оценить степень влияния природных или техногенных факторов и оценить эффективность используемых или проектируемых природозащитных мероприятий

2 Лабораторные исследования процессов окисления и выщелачивания минералов из складированных хвостов

Для проверки результатов расчетов была использована лабораторная установка, моделирующая процессы взаимодействия жидкой и твердой фаз в складированных хвостах (рис 4) Установка обеспечивает поддержание заданного режима фильтрации жидкой фазы через шламово-песковую фракцию, имитирующую флотационные хвосты Крупность твердой фазы, ее минеральный состав подбирались в соответствии со значениями параметров, характерными для промышленных хвостов, в частности - для ГОКа «Эрдзнэт» Скорость фильтрации изменялась в интервале от 0 до 1 мм в мин

Рис 4 Схема установки для исследования процессов автогенного и кислотного выщелачивания твердой фазы хвостов 1 - колонна, 2 -избыток промывного раствора, 3 - фракция - имитатор хвостов, 4 - фильтр, 5 -клапан разгрузки фильтрата, 6 - бак для промывной воды, 7 -кислородомер-иономер

Исходный промывной раствор содержал заданное количество серной кислоты или гидроокиси натрия, необходимое для создания заданной щелочности Раствор находился в контакте с воздухом, что обеспечивало поддержание в нем определенных концентраций кислорода (3-5 мг/л) и бикарбоната (0 2-0,3 мг/л) Фильтраты выщелачивания содержали 0,5-1,0 мг/л кислорода и 0,1 - 10,0 мг/л бикарбоната)

Результаты опытов по выщелачиванию содержащихся в пробе окисленных соединений меди и железа при различной щелочности (кислотности) промывного раствора при скорости фильтрации 1 мм/мин (времени взаимодействия 35 мин), приведенные в табл 2, показывают, что фильтраты характеризуются смещенными значениями рН относительно промывных растворов, что обусловлено влиянием на кислотно-основные равновесия минералов пустой породы

Таблица 2

Результаты исследований влияния рН промывной воды на рН и содержание ионов меди в фильтрате

№№ опыта рН промывного раствора рН фильтрата Концентрация ионов меди в фильтрате, мг/л

расчетная измеренная

1 6,5 (естеств) 7,4 0,50 0,42

2 5,5 7,1 0,88 0,74

3 5,0 6,5 4,2 5,0

4 4,5 5,5 16,4 14,4

5 4,0 5,1 22,5 20,5

6 7,5 7,7 0,32 0,33

7 8,0 7,9 0,19 0,15

8 8,5 8,0 0,14 0,11

9 9,0 8,2 0,05 0,05

10 9,5 8,5 0,02 0,02

11 10,0 8,9 0,01 0,01

Результаты экспериментов, проведенных на имитирующей хвостохранилище лабораторной установке, подтвердили правильность выполненных расчетов и показали возможность снижения концентрации ионов меди в фильтрате менее 0,1 мг/л при рН более 8,0 и возможность увеличения концентрации ионов меди до 20,5 мг/л при рН фильтрата 5,1 и менее

Статистическая оценка расхождений расчетных значений концентраций ионов меди при заданном рН и результатов измерений показала, что величина ошибки (коэффициента вариации) не превышает 20%

Таким образом, регулирование щелочности вод, поступающих в хвостохранилище, является эффективным методом управления состоянием массива складированных хвостов, обеспечивающим решение задач снижения экологического вреда или извлечения ценных компонентов

3. Исследования состава и свойств фильтратов промышленных хвостохранилищ

Статистические исследования состава и свойств фильтратов хвостохранилищ проводились на примере хвостохранилища обогатительной фабрики ГОКа «Эрдэнэт» Результаты статистического анализа показывают, что наиболее стабильными характеристиками фильтрата являются концентрации кислотных остатков и щелочноземельных металлов (К-т вариации = 0,09-0,16) Это обусловлено буферным воздействием на систему содержащихся в ней породообразующих минералов Концентрации меди, железа и молибдена характеризуются большей подвижностью (КВ = 0,22 - 0,34), сопоставимой с коэффициентом вариации концентрации ионов водорода (КВ =0,37)

Результаты исследований параметров связей между отдельными компонентами ионного состава и рН, представленные на рис бив таблице 3, показывают, что наибольшая теснота связи наблюдается между рН и концентрацией ионов меди (Яг=0,723) Характерно, что окисленные соединения железа и молибдена в меньшей степени реагируют на изменение рН ((Ч2=0,37-0,57), что обусловлено их меньшей растворимостью в рассматриваемом интервале рН

Л1 I

\ 0

& а

дГ"4 й а □

о О Л§5 ДсР

и' сПз

1000

900

5 800

в 700

X о 600

§ 500

яг

га а 400

О) =г 300

о !£ 200

100

□

д П ■ а 7Р Т

О сяа ЕГ-о - -

Д4 05

1°1 6

6,5

8,5

6,5

7 7,5 В

Щелочность среды, ед рН

7 7,5 8

Щелочность среды, ед рН

Рис 5 Зависимости концентраций ионов молибдена, меди и железа от рН воды в фильтрационном канале 1- молибден, 2 - медь, 3 - железо, 4 - кальций, 5 - сульфат, 6 - бикарбонат

Полученные результаты не противоречат имеющимся представлениям о химизме протекающих в жидкой фазе складированных хвостов химических процессов и подтверждают преимущественное влияние щелочности среды на концентрацию в стоках хвостохранилищ ионов тяжелых металлов Анализ полученных результатов также показал, что наряду с медью из фильтратов хвостохранилища может быть извлечен молибден, концентрации которого при рН менее 7 увеличиваются до уровня 3 мг/л и более

Таблица 3

Характеристики статистических связей между основными параметрами ионного состава фильтрационных вод

Зависимость Уравнение зависимости К-т определенности Г*2

Концентрации ионов меди от рН У = -2,68Х'+64,5X^-517.2Х+1384,3 0,723

Конц-ции ионов молибдена от рН У = -0,56X^+13,1 ХМ 02,2Х+268.1 0,573

Конц-ции ионов железа от рН У = -0,179Х3+4,17X^-32,9Х+87,9 0,367

Конц-ции ионов кальция от рН У = -102,4Х3+2289Х1!-17064Х+42610 0,548

Конц-ции сульфат ионов от рН У = -75,1 Х3+1659,8ХМ 2233Х+30907 0,116

Конц-ции бикарбонат ионов от рН У = 28,4Х3-709,1X^+5789,5Х-15379 0,321

4. Разработка технологии природосберегающего кислотного выщелачивания лежалых хвостов

При прекращении сброса в хвостохранилище свежих хвостов механизм химических процессов существенно изменяется В первую очередь это связано с прекращением поступления щелочных агентов Продолжающиеся процессы окисления сульфидных минералов (реакции 1 2), обусловливают закисление жидкой фазы (поровых вод) с 8-10 до 5-7, что приводит к растворению солеобразных минеральных образований и существенному увеличению содержаний катионов металлов и анионов кислотных остатков в фильтратах хвостохранилищ

Для оценки влияния на процессы растворения солеобразных минералов внешних условий был проведен термодинамический анализ химических процессов в массе флотационных хвостов при варьировании щелочности среды и концентрации кислотных анионов В качестве объектов исследований были выбраны карбонаты и гидроксокарбонаты кальция, магния и меди, представляющие либо выделяющиеся повышенной растворимостью минеральные фракции, либо минералы, являющиеся основным источником наиболее вредных для природы металлов

В условиях повышенной концентрации водородных ионов (кислом рН) происходит реакция растворения карбонатных и гидроксокарбонатных минералов

При рН больше 6,33

СаС03+ Н* = Са2*+нС03" (4)

МдСОз + Н+ = Мд2++ НС03" (5)

СаМд(С03)2 + 2Н+ = Са2++ Мд2++ 2НС03" (6)

Си2(0Н)2С03 + ЗН* = 2Си2++ НСОз" + 2Н20 (7)

При рН меньше 6,33

СаСОэ + 2Н+ =Са2++Н2С03 (8)

МдСОз +2Н+ = Мд2++н2С03 СаМд(С03)2 + 4Н+ = Са2'+ Мд2++ 2Н2С03 Си2(0Н)2С03 + 6Н+ = 2Си2*+ Н2С03 + 2НгО

О) (Ю) (11)

Последовательность протекания реакций и достижимые концентрации ионов металлов можно оценить, используя диаграмму термодинамической стабильности соединений в координатах рН - 1-д[Ме]

Анализ соответствующей диаграммы для перечисленных минералов позволяет определить последовательность растворения минералов в области рН более 7, в порядке убывания (рис6, область-/) СаС03, МдС03, СаМд(СОз)2 , Си2(0Н)2С03 Это означает, что в условиях нейтральной и слабощелочной среды первоначально будут растворяться карбонаты кальция и магния В области рН менее 6,5 (рис 6, область 2) последовательность протекания реакций растворения иная СаСОз, Си2(0Н)2С03, МдСОз, СаМд(С03)2 Это означает, что при более интенсивном закислении поровых вод растворение магнезита и доломита будет происходить после растворения гидроксокарбоната меди

Рис 6 Диаграмма термодинамической стабильности карбонатов кальция и магния и гидроксокарбоната меди при варьировании шелочности фильтрата А - увеличение растворимости минералов

Для проверки результатов расчетов и определения оптимальных условий выщелачивания минералов меди были поставлены опыты по неокислительному выщелачиванию лежалых песков хвостохранилища обогатительной фабрики ГОКа «Эрдэнэт» Минеральный состав песков (табл 4) близко соответствовал среднеизмеренному для глубин залегания 1-15 м

Таблица 4

Минеральный состав лежалых хвостов

Минерал Содержание,% Минерал Содержание, %

Кварц, опал, 30,3 Магнетит, гематит 0,73

халцедон

Серицит, мусковит 25,0 Хлорит 0,41

Плагиоклаз 22,5 Гипс 0,27

Полевые шпаты 7,53 Гетит 0,12

кальцит 3,23 Сидерит 0,12

Глинистые 1,73 Гидроксокарбонаты 0,06

минералы меди

Пирит 1,57 Халькопирит 0,05

авгит 0,99 Тальк 0,05

Доломит 0,98 Сфалерит 0,05

Схема установки для выщелачивания принципиально соответствовала изображенной на рис 4 Для выщелачивания использовались водные растворы серной кислоты различной концентрации Объем промывочного (выщелачивающего) раствора составлял 200 мл Скорость подачи промывочного раствора составляла 20 мл/час Общая продолжительность процесса выщелачивания составляла 10 часов Результаты опытов, представленные в табл 5 и на рис 7, показывают, что увеличение концентрации серной кислоты в промывном растворе обеспечивает абсолютный рост концентрации ионов меди в фильтратах ( более 20 мг/л) и ее доли в общей массе катионов (более 19%)

Таблица 5

Результаты опытов по выщелачиванию лежалых хвостов

№ опыта Концентрация щелочи/кислоты, моль/л рН раствора Концентрация ионов, мг/л

начальное конечное Са Мд" Си** нсо3- + СОз2-

1 N304,10"* 9,9 8,7 14,1 4,8 0,028 28,5

2 - 6,8 6,6 46,7 8,8 0,28 44,7

3 НгБО*, 10"" 5,3 6,2 56,2 10,2 0,92 71,2

4 Н2304, Ю"4 4,1 5,78 67,6 14,3 3,6 95,9

5 НгБО*, Ю3" 3,6 5,2 81,2 15,4 10 128,3

6 Н2304,10"3'3 3,4 4,6 93,3 18,1 16 154

7 НгБО«, 10"3 3,1 4,04 113,5 20,4 24 178

8 Н2504,10"° 2,5 3,76 124,0 25,5 26,8 189,6

3 4 5

Кислотность промыв р-ра, ед рН

3 4 5 6

Кислотность промыв р-ра, ед. рН

Рис 7 Зависимость относительной доли катионов меди в сумме концентраций катионов кальция и магния и меди в фильтрате (А) и доля кислоты, затраченной на выщелачивание минералов меди (выход по кислоте) (Б), от рН фильтрата

При этом снижается эффективность использования кислоты, т е доля кислоты, непосредственно затрачиваемой на растворение окисленных медных минералов (до 4%)

С практической точки зрения, полученные результаты обосновывают возможность кислотного выщелачивания лежалых хвостов обогатительных фабрик с получением фильтратов, содержащих 20-25 и более мг/л иона меди, что приемлемо для ее последующего извлечения с экономически приемлемыми показателями При определении оптимальной кислотности промывных растворов необходимо исходить из стоимости используемых кислоты или кислотосодержащих продуктов и затрат на проведение процесса извлечения меди

Другим существенным фактором, определяющим ионно-молекулярный состав стоков хвостохранилища является массовая доля относительно растворимых породных минералов (карбонатов и гидроксокарбонатов), характеризующихся эффектом смещения рН среды при растворении в щелочную область Уменьшение количества карбонатных минералов кальция и магния в хвостах повышает эффективность процесса кислотного выщелачивания Так, снижение массовой доли кальцита в складированных хвостах с 10 до 3% вызывает увеличение среднего выхода по кислоте 3,2 до 9,0 % и концентрации катионов меди с 6 до 22,5 мг/л (табл 6) Аналогичные зависимости имеют место при варьировании массовой доли магнезита и доломита Рост массовой доли суммы минералов с 3 до 10% (при массовой доле кальцита 6%) вызывает увеличение рН на 0,8 ед, снижение концентрации меди в 2,5 раза и снижение эффективности выщелачивания с 8,0 до 3,6 %

Таблица 6

Результаты исследований влияния массовой доли кальцита на рН на содержание ионов меди в фильтрате (рН исходного промывного раствора 4,0)

№№ опыта Массовая доля кальцита в хвостах РН фильтрата Концентрация ионов меди в фильтрате, мг/л Эффективность выщелачивания, %

1 3,0 5,1 20,5 9,0

2 4,5 5,2 14,3 6,6

3 6,0 5,4 10,1 4,5

4 7,5 5,6 9,1 4,1

5 9,0 5,8 8,5 3,6

6 10,0 6,1 6,0 3,2

Для оценки влияния режима и интенсивности кислотного выщелачивания хвостов на концентрацию меди в фильтратах стадии выщелачивания и стадии хранения (консервации) были поставлены опыты, моделирующие процесс консервации хвостохранилища на ГОКе «Эрдэнэт», с использованием технологии дискретного выщелачивания лежалых песков Выщелачивание проводилось раствором серной кислоты с переменным рН До и после процесса выщелачивания хвосты орошались водопроводной водой (рН = 6,5) Проведенные опыты, представленные на рис 8, показывают, что наилучшие результаты (концентрация

.р ■_

к 16

ч:

| 14 I 12

3 10 ГС

З-10 о.

IX ф

ЭГ X

—А—3

- _ Шгл

— Щ- ГЕ—\ ---

■О --К.

100 150 Время, час

200

250

Рис 8 Зависимости концентраций ионов меди в фильтрате кислотного выщелачивания лежалых хвостов от рН промывного раствора

1) рН = 6,5, 2) рН = 5, 3) рН = 4, 4) рН = 3, 5) рН =2,5, 6) рН = 2,0 - интервал времени выщелачивания

ионов меди в фазе выщелачивания 15,0 - 22 5 мг/л, концентрация ионов меди в стадии хранения 0,1-0,15 мг/л) получаются при использовании промывных растворов с рН от 2,5 до 3,0 Дальнейшее снижение рН (менее 2,5) ведет к снижению концентрации меди в фильтрате с 22 до 16 мг/л, выходу по кислоте с 9 до 4,3% При этом существенно вырастают концентрации в фильтрате прочих катионов и анионов

Полученные результаты подтверждают возможность применения дискретного кислотного выщелачивания лежалых хвостов обогатительных фабрик с получением богатых по меди фильтратов и снижением концентрации ионов меди в фильтратах в фазе хранения до норм ПДК и определяют оптимальный интервал значений рН растворов кислоты, применяемых для выщелачивания

5. Разработка технологии сорбционного извлечения меди из фильтратов выщелачивания хвостов

При проведении лабораторных исследований были определены технологические возможности процесса сорбции ионов меди на катионообменных сорбентах марок КУ-2-8 и КБ-4 Средний состав исследованных растворов был следующий, Си - 24 мг/л, Ре - 22 мг/л, в -960 мг/л, Са - 280 мг/л, Мд - 290 мг/л, рН = 4,0-4,2 Результаты опытов, представленные на рис 4 2, показывают, что остаточная концентрация меди в процессе сорбции снижается со временем, достигая значений 0,04-0,05 мг/л При использовании слабокислотного катионита КБ-4 степень извлечения меди при продолжительности сорбции более 1 часа составляет около 99,8%

Время, мин

100

Рис 9 Изменение остаточной концентрации ионов меди в фильтрате при проведении процесса сорбции в статических условиях 1-е использованием катионита КУ-2-8,2 - с использованием катионита КБ-4

Дальнейшее увеличение времени сорбции не изменяет остаточную концентрацию металла При проведении экспериментов на смоле КБ-4 были достигнуты наименьшая остаточная концентрация ионов меди (0,04 мг/л) и соответственно наибольшее извлечение меди (99,85%) Полученные данные свидетельствуют об относительно большей эффективности сорбции ионов меди смолой КБ-4

Промышленная стадия исследований была проведена для условий хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт» В качестве исходного питания были использованы фильтраты полупромышленных опытов Опыты проводились в динамическом режиме на полупромышленной сорбционной установке объемом 5 л с использованием смолы КБ-4 Время сорбции составляло 10-45 мин Полученные результаты (табл7) принципиально соответствуют результатам лабораторных опытов и подтверждают возможность снижения концентрации меди в фильтратах хвостохранилища до уровня 0,46 - 0,06 мг/л с эффективностью извлечения меди 97,5-99,8%

Таблица 7

Результаты полупромышленных опытов по сорбционному извлечению меди из фильтратов хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт»

Параметры фильтрата Время сорбции, мин Остаточная конц меди, мг/л Извлечение меди, %

рН Концентрация, мг/л

меди железа кальция

4,15 18,0 2,9 110,0 10 0,47 97,4

4.0 20,5 3,5 140,0 10 0,46 97,6

4,1 18,5 2,5 120,0 15 0,22 98,8

4,04 16,2 2,0 132,0 15 0,21 98,8

3,87 17,0 3,0 1344 30 0,098 99,5

4,12 11,9 1,9 117,3 30 0,085 99,2

4,1 17,3 2,4 143 0 45 0,065 99,6

4,0 18,0 3,0 127,3 45 0,062 99,6

В результате проведенных исследований был выбран технологический режим сорбции, предполагающий ведение процесса в течение 30 минут с применением слабокислотного катионита КБ-4, обеспечивающий достижение остаточной концентрации ионов меди 0,08-0,09 мг/л при эффективности сорбции 99,5% и степени насыщения смолы 56%

На основании полученных результатов был предложен технологический режим консервации хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт», включающий операцию

обработки складированных хвостов растворами серной кислоты или отходами металлургического производства с рН 2,5-3 в течение 30-100 суток, отведение богатых медью фильтратов на операцию сорбции или химического осаждения, прямой сброс бедных медью фильтратов во внешнюю гидросистему, изолирующую защиту поверхности хвостохранилища Разработанный технологический режим обеспечивает снижение концентрации меди в фильтратах хвостохранилища в стадии консервации до уровня 0,1-0,5 мг/л (табл 8)

Таблица 8

Значения концентраций нормируемых компонентов в фильтратах хвостохранилища в сравнении с предельно допустимыми концентрациями

N п/п Наименование вещества (класс опасности) Значения ПДК, мг/л Концентрация в фильтрате в режиме консервации, мг/л Уровень снижения концентрации

без предв выщелачивания мин- мах сред с предв выщелачиванием мин- мах сред

1 Железо общее (3 ко) 0,30 (орг) 0.2-0.9 0,52 0.15-0,5 0,28 1,86 раза

2 Кальций (Са2+) (4 ко) 180,0 (сан -токе) 130-300 205 120-280 190 На 8,5%

3 Медь (Си2*) (3 ко) 1,00 (орг) 0.5-5,0 2,25 0,10-0,5 0,35 В 6,43 раза

3 Сульфаты (по БО/') (4 ко) 3500,0 (токе) 640-1000 780 800-1000 910 Увеличение на 17%

4 Молибден (Мо2*) (3 к о) 1,00 (орг) 0,4-2,8 1,55 0,2-1,6 0,83 В 1,86 раза

5 РН 5-9 (сан) 4,5- 6,5 5,7 4,0-6.0 5,3 На 7%

токе. - токсикологический, сан.- санитарный, орг - органолептический, сан.-токс. - санитарно-токсикологический

Таким образом, применение разработанного метода решает экологическую задачу общего снижения концентраций ионов меди в стоках хвостохранилища при его выводе из эксплуатации и при этом обеспечивает утилизацию содержащихся в отвальных хвостах ценных компонентов

Разработанный технологический режим включен в техническое задание на проект вывода из эксплуатации хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт» с ожидаемым экономическим эффектом от снижения штрафов и доизвлечения ценных компонентов 8 млн 246 тыс рублей

Заключение и выводы

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки метода снижения загрязнения окружающей среды стоками хвостохранилищ с применением технологии кислотного выщелачивания, обеспечивающего уменьшение концентраций в окружающей гидросистеме ионов тяжелых металлов, извлечение и утилизацию ценных компонентов

Основные выводы и рекомендации, полученные лично автором

1 Разработана структурная схема хвостохранилища, включающая зоны осветленной воды, свежих песков, окисленных песков и фильтрации, отличающиеся по химизму протекающих реакций и концентрациям ионно-молекулярных компонентов Показано, что в зонах осветленной воды и свежих песков, характеризующихся щелочной средой (рН = 7,0 - 10,0), протекают интенсивные реакции окисления сульфидных минералов Показано, что в зонах окисленных песков и фильтрации, характеризующихся нейтральной и слабокислой средой (рН = 5,6-7,0), протекают реакции растворения окисленных соединений

2 Разработана физико-химическая модель процессов окисления сульфидных минералов в массе складированных хвостов и растворения продуктов окисления Показано, что термодинамически устойчивой формой окисленных минералов меди в области рН 6 - 10 является гидроксокарбонат меди Получены уравнения, позволяющие оценить концентрации ионов меди при варьировании рН и концентрации бикарбонатных ионов

3 Результатами лабораторных исследований показано, что снижение рН в фильтратах от 8,9 до 5,0 сопровождается увеличением концентрации ионов меди с 0,1 до 20 мг/л Показано, что расхождение расчетных и измеренных концентраций меди не превышает 20% Установлено, что при росте массовой доли карбонатных породообразующих минералов (кальцита, магнезита и доломита) с 3 до 10% щелочность увеличивается на 0 8 - 1 0 ед рН, а концентрация ионов меди снижается 2,5 - 3,5 раза

4 Установлены последовательности растворения окисленных минералов меди и породообразующих минералов в области рН более 7, в порядке убывания СаСОз, МдСОз, СаМд(С03)2 . Си2(ОН)2СОз, в области рН менее 6,5, в порядке убывания СаСОз, Си2(0Н)2С03, МдС03, СаМд(С03)2 Показано, что при проведении процесса выщелачивания в интервале рН 2,5 - 6 наблюдается концентрирование в фильтратах ионов меди

5 Определен оптимальный интервал концентрации кислоты и рН промывных растворов (0,001-0,003 моль/л НгБО^ рН от 2,5 до 3,0) для выщелачивания окисленной меди из складированных хвостов Показано, что при концентрации кислоты менее 0,001 моль/л (рН>3,0) скорость процесса растворения недостаточна для эффективного выщелачивания окисленной меди, а при концентрации кислоты

более 0,003 моль/л (рН<2,5) наблюдается рост непроизводительного расхода кислоты за счет растворения доломита и магнезита

6 Разработан метод дискретного кислотного выщелачивания лежалых хвостов обогатительных фабрик, позволяющий получить фильтраты с содержанием 20-25 мг/л иона меди (что приемлемо для извлечения меди с экономически удовлетворительными показателями) и обеспечивающий последующее снижение средней концентрации ионов меди в фильтратах в стадии атмосферного выщелачивания до экологически приемлемого уровня в 0,1-0,15 мг/л

7 Обосновано применение технологии сорбционного извлечения меди из стоков хвостохранилищ с содержанием ионов меди 10-25 мг/л Показано, что при сорбционной очистке фильтратов выщелачивания лежалых хвостов хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт» с использованием слабокислотного катионита КБ-4 достигается снижение концентрации ионов меди в фильтратах хвостохранилища до экологически приемлемого уровня 0,08-0,09 мг/л с эффективностью извлечения меди 99,0- 99,8%

Основные положения диссертации опубликованы в следующих научных работах:

1 Чмыхалова С В , Морозова О В Моделирование процессов окисления и выщелачивания меди из минералов в складированных хвостах обогатительных фабрик // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2006, №8 -С 189191

2 Морозова О В, Чмыхалова С В Применение ионообменных смол для очистки фильтратов хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт» от растворенной меди // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2007, № 3 -С 57-60

3 Морозова О В, Чмыхалова С В Регулирование состава фильтратов складированных хвостов обогатительных фабрик // Междунар науч -техн конф «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья», Екатеринбург, 2006 -С 207-211

4 Морозова О В Применение кислотного выщелачивания для снижения экологической опасности хвостохранилища // 4-я междун науч конф «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР», Владивосток, 2006 -С 167-169

5 Чмыхалова С В, Морозова О В Применение ионообменных смол для извлечения растворенной меди из фильтратов хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт» II 6-й Конгресс обогатителей стран СНГ, 28-30 марта 2007 г, МИСиС - Сборник материалов -12 -С 241-243

Подписано в печать 17 04 2007 Формат 60x90/16 Объем 1 п л Тираж 100 экз Заказ №

Типография МГГУ Ленинский просп , 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Морозова, Ольга Валерьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ

СНИЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ХВОСТОХРАНИЛИЩ

1.1. Влияние складированных флотационных хвостов на 9 окружающую среду

1.2. Способы снижения негативного влияния отходов на 13 окружающую среду

1.3. Основные тенденции в очистке и кондиционировании 18 сточных вод

1.4. Применение кислотного выщелачивания для доизвлечения 24 металлов из складированных хвостов

Выводы к главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФАЗОВОГО

ПРЕВРАЩЕНИЯ СУЛЬФИДНЫХ И ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ В МАССЕ СКЛАДИРОВАННЫХ ХВОСТОВ

2.1. Пространственное моделирование хвостохранилища по 28 химизму процессов, протекающих на минералах

2.2. Методика термодинамического моделирования процессов 31 окисления и растворения в объеме складированных хвостов

2.3. Термодинамический анализ процессов с участием медных 33 минералов

2.4. Термодинамический анализ процессов с участием 41 породообразующих минералов

Выводы к главе

ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ 48 ОКИСЛЕНИЯ И РАСТВОРЕНИЯ МИНЕРАЛОВ ИЗ СКЛАДИРОВАННЫХ ХВОСТОВ

3.1. Описание установки и методики исследований

3.2. Исследование влияния параметров раствора на показатели 54 кислотного выщелачивания

3.3. Исследование влияния минерального состава хвостов на 57 показатели кислотного выщелачивания

Выводы к главе

4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ

ФИЛЬТРАТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ХВОСТОХРАНИЛИЩ

4.1. Исследования состава и свойств фильтратов промышленных 62 хвостохранилищ

4.2. Исследование сорбционной технологии очистки фильтратов 68 Выводы к главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО 76 КИСЛОТНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЛЕЖАЛЫХ ХВОСТОВ

5.1. Обоснование оптимальных значений технологических 76 параметров процесса кислотного выщелачивания

5.2. Проверка эффективности выбранного технологического 81 режима кислотного выщелачивания на промышленных пробах лежалых хвостов

5.3. Экономическая оценка эффективности выбранного 95 технологического режима

Выводы к главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка метода снижения загрязнения окружающей среды стоками хвостохранилищ с применением технологии кислотного выщелачивания"

Хвостохранилища являются сооружениями для размещения хвостов обогащения полезных ископаемых, шламов и осадков сточных вод, пустых пород переработки полезных ископаемых, шлаков, зол, илов, твердых, пастообразных и жидких отходов, обустроенных в соответствии с проектами. Хвостохранилища выполняет функции основного очистного сооружения, обеспечивающего необходимую степень осветления воды и разложения флотореагентов и других химических веществ до концентраций.

В результате действия хвостохранилищ нарушается природный ландшафт, режим тока поверхностных и подземных вод, ухудшается состояние атмосферы, почвы, флоры и фауны. При обогащении руд цветных металлов хвостохранилища являются основным источником загрязнения подземных вод. Сточные воды обогатительных фабрик содержат токсичные компоненты и недоизвлеченные металлы. Установлено, что через подстилающий слой хвостохранилища фильтруется значительное количество поступающих сточных вод.

Мероприятия по устранению негативного воздействия хвостохранилищ на природную среду должны включать решение проблемы сведения до минимума их естественного выщелачивания и загрязнения поверхностных и подземных вод. Эффективным путем снижения негативного воздействия хвостохранилищ на природную среду является решение задачи охраны поверхностных и подземных вод от загрязнения сточными водами хвостохранилищ с применением современных физико-химических технологий.

Значительный вклад в исследования процессов окислительного фазообразования и выщелачивания содержащихся в забалансовых рудах и отвальных продуктах обогащения минералов цветных металлов, а также процессов концентрирования и извлечения из сточных вод ионов тяжелых металлов, внесли отечественные ученые: Арене В.Ж., Бортникова С.Б., Баймаханов М.Г., Венецианов Е.В., Воробьев А.Е., Вигдергауз В.Е., Иллювиева Г.В., Калинников В.Т., Лисенков А.Б., Макаров В.Н., Перельман А.И., Свешников Г.Б., Банкс Д., Бойлет М. Предложенный и обоснованный ими подход предполагает применение для очистки стоков хвостохранилищ современных физико-химических технологий, предполагающих утилизацию содержащихся ценных компонентов. Основным препятствием, затрудняющим использование физико-химических методов, является то, что интервал фактических концентраций ионов тяжелых металлов (1-10 мг/л) в сточных водах хвостохранилищ, с одной стороны, в десятки и сотни раз превышает предельно-допустимые концентрации, а с другой стороны, недостаточен для эффективного использования современных технологий их доизвлечения.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Разработана физико-химическая модель взаимодействия сульфидных и породообразующих минералов с компонентами жидкой фазы для условий складированных хвостов, позволяющая определить фазовый состав рудных минералов и оценить концентрации ионов металлов в стоках хвостохранилищ. Показано, что при снижении рН поровых вод от 8,9 до 5,0 происходит увеличение концентрации ионов меди в стоках хвостохранилища от 0,1 мг/л до 20 мг/л.

2. Определена последовательность растворения окисленных минералов меди и породообразующих минералов в нейтральной и кислой среде. Впервые установлена закономерность концентрирования ионов меди в фильтрате выщелачивания в интервале рН от 2,5 до 6, что обусловлено большей растворимостью гидроксокарбонатов меди относительно доломита и магнезита. Установлена закономерность увеличения щелочности фильтрата на 1,0 - 1,2 ед. рН и снижения в нем концентрации ионов меди в 3-3,5 раза при увеличении в хвостах массовой доли карбонатных породообразующих минералов от 3 до 10%.

3. Впервые показано, что дискретная кислотная обработка складированных хвостов ГОКа «Эрдэнэт» позволяет получить в активной фазе выщелачивания фильтраты с содержанием до 25 мг/л меди, а в последующей стадии консервации хвостохранилища обеспечивает снижение концентрации ионов меди в фильтратах до экологически приемлемого уровня в 0,1-0,15 мг/л.

4. Обосновано применение сорбционного извлечения меди из фильтратов выщелачивания лежалых хвостов хвостохранилища для снижения концентрации ионов меди в обогащенных медью фильтратах выщелачивания с 10-25 мг/л до экологически приемлемого уровня 0,080,09 мг/л с эффективностью извлечения меди 99,0- 99,8%.

Реализация работы. Результаты работы включены в техническое задание на проект вывода из эксплуатации хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2006, 2007; г. Москва, МГГУ), на Международных научно-технических конференциях: «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья» (УГГА, Екатеринбург, 2006); «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР» (Владивосток, 2006); Конгрессе обогатителей стран СНГ (МИСиС, Москва, 2007).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в пяти работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований, содержит 16 рисунков и 21 таблицу.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Морозова, Ольга Валерьевна

Основные выводы и рекомендации, полученные лично автором.

1. Разработана структурная схема хвостохранилища, включающая зоны осветленной воды; свежих песков; окисленных песков и фильтрации, отличающиеся по химизму протекающих реакций и концентрациям ионно-молекулярных компонентов. Показано, что в зонах осветленной воды и свежих песков, характеризующихся щелочной средой (рН = 7,0 - 10,0), протекают интенсивные реакции окисления сульфидных минералов. Показано, что в зонах окисленных песков и фильтрации, характеризующихся нейтральной и слабокислой средой (рН = 5,6-7,0), протекают реакции растворения окисленных соединений.

2. Разработана физико-химическая модель процессов окисления сульфидных минералов и растворения продуктов окисления в массе складированных хвостов. Показано, что термодинамически устойчивой формой окисленных минералов меди в области рН 6 - 10 является гидроксокарбонат меди. Получены уравнения, позволяющие оценить концентрации ионов меди при варьировании рН и концентрации бикарбонатных ионов.

3. Результатами лабораторных исследований показано, что снижение рН в фильтратах от 8,9 до 5,1 сопровождается увеличением концентрации ионов меди с 0,1 до 20 мг/л. Установлено, что в присутствии карбонатных породообразующих минералов (кальцита, магнезита и доломита) щелочность увеличивается на 1.0 - 1.2 ед. рН, а концентрация ионов меди снижается 2,5 - 3 раза.

4. Установлены последовательности растворения окисленных минералов меди и породообразующих минералов в области рН 2 - 10: в области рН более 7, в порядке убывания: СаСОз, MgC03, CaMg(C03)2 , Cu2(0H)2C03; в области рН менее 6,5, в порядке убывания: СаС03, Cu2(OH)2C03, MgC03, CaMg(C03)2.

5. Определен оптимальный интервал концентрации и рН промывных растворов (0,001-0,003 моль/л H2S04, рН от 2,5 до 3,0) для выщелачивания окисленной меди из складированных хвостов. Показано, что при концентрации менее 0,001 мг/л (рН>3,0) скорость процесса растворения недостаточна для эффективного выщелачивания окисленной меди, а при концентрации кислоты более 0,003 мг/л (рН<2,5) наблюдается непроизводительный расход кислоты за счет растворения доломита и магнезита.

6. Разработан метод дискретного кислотного выщелачивания лежалых хвостов обогатительных фабрик, позволяющий получить фильтраты с содержанием 20-25 мг/л иона меди (что приемлемо для извлечения меди с экономически удовлетворительными показателями) и обеспечивающий последующее снижение средней концентрации ионов меди в фильтратах в стадии атмосферного выщелачивания до экологически приемлемого уровня в 0,1-0,15 мг/л.

7. Обосновано применение технологии сорбционного извлечения меди из стоков хвостохранилищ с содержанием ионов меди 10-25 мг/л. Показано, что при сорбционной очистке фильтратов выщелачивания лежалых хвостов хвостохранилища ГОКа «Эрдэнэт» с использованием слабокислотного катионита КБ-4 достигается снижение концентрации ионов меди в фильтратах хвостохранилища до экологически приемлемого уровня 0,08-0,09 мг/л с эффективностью извлечения меди 99,0- 99,8%.

Заключение и выводы

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Морозова, Ольга Валерьевна, Москва

1. Айриянц А.А., Бортникова С.Б. Хранилище сульфидсодержащих отходов обогащения как источник тяжелых металлов (Zn, Pb, Си, Cd) в окружающей среде // Химия в интересах устойчивого развития. -2000, Т.8. -С. 315-326.

2. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 350 с.

3. Антоненко JI.K., Зотеев В.Г. Проблемы переработки и захоронения отходов горно-металлургического производства // Горный журнал. 1999. №2. -С.70-73.

4. Арене В.Ж. Перспективы применения физико-химических методов добычи твердых полезных ископаемых //Физ.-тех.пробл.разр.полезн.ископаемых. -2002. -№6. С.3-7.

5. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. JI.: Химия. -1983.- 295 с.

6. Барбье М. Введение в химическую экологию. Перевод с француского. -М.: Мир, 1978. -378 с.

7. Баймаханов М.Г., Лебедев К.Б., Антонов В.Н., Озеров А.И. Очистка и контроль сточных вод предприятий цветной металлургии.-М.'.Металлургия,1983.-192 с.

8. Батлер Д.Н. Ионные равновесия.- Л.: Наука, Ленинград, отд-ние, 1973.- 446 с.

9. Батугина И.М., Ильяшов М.А., Бондаренко В.И. Оценкагеодинамической опасности территорий на основе геодинамики недр: Учеб. пособие/ Днепропетровск: НГА Украины, 2001. -108 с.

10. Белицкий А.С.,Орлова Е.И.Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнителей:-М.,Медицина,1963. -235 с.

11. Беспамятное Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концетрации химических веществ в окружающей среде.-JI.,Химия, 1985. -151 с.

12. Богословский Б.Б. и др. Общая гидрология. -JI: Гидрометеоиздат, 1984. -421 с.

13. Бортникова С.Б. Геохимия тяжелых металлов в техногенных системах (вопросы формирования, развития и взаимодействия с компонентами экосферы).-Автореф. докт. дисс. Новосибирск.2001.-24 с.

14. Бочаров В.А. Окисление компонентов сульфидных пульп в селективной флотации руд цветных металлов // Цветные металлы. -1994.-N 6. С.63-66.

15. Бочаров В.А., Голиков А.А. Окисление сульфидных минералов в процессе измельчения // Цветные металлы.- 1964.- N 7.- с.26-31.

16. Букетов Е.А., Угорец М.З. Гидрохимическое окисление халькогенов и халькогенидов.- Алма-Ата: Наука, 1975. 395 с.

17. Булах А.Г. Методы термодинамики в минералогии.- JL: Наука, Ленингр. отд-ние, 1974.- 184 с.

18. Важнов А.Я. Гидрология рек М.: Изд-во МГУ, 1976.

19. Воробьев А.Е. Новая концепция освоения минеральных ресурсов в литосфере //Геоэкология. 2001. №5. С.403-410.

20. Вигдергауз В.Е., Данильченко JI.M., Саркисова JI.M. Ресурсная ценность, физико-химические особенности и методы переработки техногенного медьсодержащего сырья // Цветная металлургия. 1999. №1. -С.25-31.

21. Глухов В.В., Лисочкина Т. В. Некрасова Т.В. Экономические основы экологии. С.-Петербург: Специальная литература, 1995.-261 с.

22. Гавич И.К. Гидрогеодинамика. М.: Недра, 1988. -347 с.

23. Гаррелс Ч., Крайст Г. Растворы, минералы, равновесия. -М.: Мир, 1967.- 407 с.

24. Голосницкая В.А., Кутырев И.М. Анализ природных и сточных вод. Новочеркасск. -1988. -88 с.

25. Дикарев В.И., Рогалев В.А., Денисов Г.А., Койнаш Б.В., Сенокосов Е.С. Методы и средства экологического контроля. СПБ, 1999.- 278 с.

26. Ельчанинов Е. А., Беляев Б. В., Бесков М. И. и др. Охрана окружающей среды при подземной разработке угольных месторождений. М.: Наука, 1993. -275 с.

27. Ермолов В.А., Ларичев Л.Н., Мосейкин В.В. Геология. В 2-х частях. Изд. МГГУ, 2004, -568 с.

28. Ермолов В.А. Месторождения полезных ископаемых Изд. МГГУ.-2004.- 257 с.

29. Закон РФ"Об охране окружающей среды" от 10.01.2002г.№ 7.

30. Земельный кодекс РФ от 25.10. 2001 г. № 136

31. Захаров М.С., Захарчук Н.Ф. Электрохимические методыанализа природных и сточных вод. -Новосибирск.: Наука. 1985. -221 с.

32. Зубарева Г.И. Методы очистки кислотно-щелочных сточных вод гальванического производства от ионов тяжелых металлов // Известия вузов. Цветная металлургия, 2002, №1. -С. 4-7.

33. Иллювиева Г.В., Горштейн А.Е., Барон Н.Ю. (). Влияние рН на окисление сульфидных минералов при аэрации // Цветные металлы. -1987. -№2. -С.77-79.

34. Каковский И.А. К вопросу о кинетике окисления смесей сульфидных минералов кислородом в водных растворах // Обогащение руд. 1980.- N 3. - С. 15-19.

35. Калинников В.Т., Макаров В.Н., Кременецкая И.П. Классификация горнопромышленных отходов по степени их экологической опасности // Химия в интересах устойчивого развития. 1997. №5. С. 169-178.

36. Калинников В.Т., Макаров Д.В., Васильева Т.Н. Физико-химические процессы в сульфидсодержащих горнопромышленных отходах. Апатиты: КНЦ РАН, 2002. -163 с.

37. Калинников В.Т., Макаров Д.В., Макаров В.Н. Последовательность окисления сульфидных минералов на действующих и выведенных из эксплуатации хранилищах горнопромышленных отходов // Теоретические основы химической технологии. 2001. Т.35. №1. С.68-72.

38. Кирюхин В.А., Короткое А.И., Шварцев C.JI. Гидрогеохимия. Недра, М., 1993. -341 с.

39. Козин В.З. Решение экологических проблем в цветной металлургии // Горный журнал.-1996.- №3-4.- с.3-8.

40. Козин В.З., Морозов Ю.П., Корюкин Б.М., Колтунов А.В., Тарчевская И.Г., Комлев С.Г. Хвосты и хвостохранилища обогатительных фабрик // Изв. ВУЗов. Горный журнал. 1996. №3/4. С. 103-116.

41. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды / Под. ред. Исаева JI.K. СПб.: Крисмас+, 1998. -98 с.

42. Коренман И. М. Методы количественного химического анализа -М.: Химия, 1989. -410 с.

43. Косиков Е.М. Совершенствование технологии складирования отходов обогащения руд цветных металлов. Рациональные технологии переработки руд цветных металлов // Сб. научных трудов Унипромеди. Свердловск, 1990.-С.112-123.

44. Кочановский A.M., Клименко Н.А., Левченко Г.М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении.-М.:Химия.-1983.- 288 с.

45. Кунаев A.M., Дадабаев А.Ю., Тарасова Э.Т. Ионообменные процессы в гидрометаллургии цветных металлов. Алма-Ата: Наука Каз. ССР, 1986 . 246 с.

46. Лапин Э.С. К проблеме использования отходов добычи и переработки руд //Изв. ВУЗов. Горный журнал. 1994. №5.-С. 116-121.

47. Листова Л.П., Бондаренко Г.П. Растворение сульфидов свинца, цинка и меди в окислительных условиях. М.:Наука, 1969.-183 с.

48. Лобанов Н.Я. Экономика природопользования при добыче и переработке полезных ископаемых: Учебное пособие. Л.: ЛГИ, 1988. -124 с.

49. Макаров Д.В. Методы снижения негативного влияния на окружающую среду сульфидсодержащих отходов горнопромышленного комплекса // Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. М.: Академия наук о Земле, 2002. Т.З. -С.67-69.

50. Малевич И.А. Современные методы анализа природных и сточных вод и водных растворов // Ж. прикл. спектроскопии.-1993.-58.-N1-2. -С. 720-726.

51. Малкин В.П.Технологические аспекты очистки промстоков, содержащих ионы тяжелых металлов. Иркутск, Изд. ИУ. - 1991.- 64 с.

52. Маркович Т.И., Птицын А.Б. Неконтролируемое кислотное выщелачивание тяжелых металлов из сульфидных отвалов // Химия в интересах устойчивого развития. 1998. №6. -С.349-354.

53. Матов Б.М. Электрофлотационная очистка сточных вод. // Кишинев, Картя Молдовеняскэ.- 1982.- 170 с.

54. Метрологическое обеспечение безопасности труда. Справочник, 2 том: -М., издательство стандартов, 1989. -374 с.

55. Мирзаев Г.Г., Иванов Б.А., Щербаков В.М., Проскуряков Н.М. Экология горного производства: Учебник для вузов. М.: Недра, 1991. 277 с.

56. Мязин В.П. Физико-химическая технология кондиционирования сточных и оборотных вод горнодобывающих предприятий на основе использования цеолитсодержащих туфов // Вестник Читинского ПТИ. -1995, N 2.- С. 171-176.

57. Наумов Г.Б., Руженко Б.Н., Ходаковский И.Л. Справочник термодинамических величин. М.: Атомиздат,1971, -240 с.

58. Определение нормируемых компонентов в природных и сточных водах / под. ред. Сенявина М.М. -М.: Наука. 1987. - 199 с.

59. Очистка природных и сточных вод. Аналитический обзор:-М.: ВНТИЦ, 1991. -93 с.

60. Круглов В.В. Правовые вопросы охраны окружающей природной среды. Учебное пособие. Часть 1,2,3. Екатеринбург, 1994. -219 с.

61. Назаров И.М., Николаев А Н , Фридман Ш.Д. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды -Д.: Гидрометеоиздат, 1983. 258 с.

62. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. -Л., Химия,1976, -169 с.

63. Пашкевич М.А. Геохимия окружающей среды.- СПб; СПГГИ (ТУ); 1997. -276 с.

64. Пашкевич М.А. Техногенные массивы и ихвоздействие на окружающую среду. СПб.: Изд-во СПГГИ, 2000. -132 с.

65. Пашкевич М.А. Методы оценки риска загрязнения природных вод в районах хранилищ твердых отходов горного производства // ГИАБ МГГУ. 1999, №1.-С.147-149.

66. Покопова Ю.В. Эффективные адсорбенты для очистки и выделения тяжелых металлов из водных растворов:-Л.: ЛДНТП, 1991, -87 с.

67. Положение об оценке воздействия на окружающую среду в Российской Федерации. "Право и экономика", № 31, 10.11.1994.

68. Положение о государственной экологической экспертизе. Постановление Совета Министров Правительства РФ, № 942. М., 1993

69. Пурбэ М. Атлас электрохимических равновесий. Химия., 1954. -487 с.

70. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. -64 с.

71. Рогалев В.А. Влияние горно-металлургических процессов на окружающую среду // Безопасность труда в промышленности. 1994. №12. -С.20-24.

72. Рябчиков Б.Е., Захаров Е.И. Ионообменное оборудованиедля водоподготовки и водоочистки./Обзорная информация. ЦНИИцвет мет экономики и информации. Вып. 2., 1984. -56 с.

73. Свешников Г.Б. Электрохимические процессы на сульфидных месторождениях. JL: ЛГУ, 1967, -160 с.

74. Свительский В.П.,Омецинский В.П.Дарасевич Ю.И. и др. Применение бентонитовых глин для очистки сточных вод. Химия и технология воды. 1981, вып.3-4. -С.376-379.

75. Скрылев Л.Д., Сазонова В.Ф., Скрылева Т.Л., Яхова Е.А. Термодинамический анализ процесса взаимодействия ПАВ с ионами цветных металлов // Изв.Вузов Цветная металлургия. -1991.-N6.-C.8-11.

76. Смирнов Д.Н. Автоматическое регулирование процессов очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат.- 1985.- 312 с.

77. Соломин Г.А., Крайнов СР. Кислотные составляющие природных и сточных кислых вод. Процессы нейтрализации этих вод кальцитом // Геохимия. 1994. №12. С.1755-1776.

78. Сорбционное извлечение ценных компонентов из природных вод и технологических растворов // Методические рекомендации №15 Всесоюзного научно-исследовательского института минерального сырья. М.: ВИМС, 1981. 33 с.

79. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. СПб: Химия, 1995. -367 с.

80. Трошева Е.В., Зосин А.П., Приймак Т.Н., Кошкина Л.Б. Процессы гипергенного разрушения хвостов обогащения апатито-нефелиновых руд под воздействием природных и техногенных факторов

81. Химия и химическая технология в освоении природных ресурсов Кольского полуострова. Апатиты: КНЦ РАН, 1998. -С.137-138.

82. Трубецкой К.Н. Современное состояние минерально-сырьевой базы и горнодобывающей промышленности России // Горный журнал. 1995. №1. -С.3-7.

83. Трубецкой К.Н., Уманец В.Н., Никитин М.Б. Классификация техногенных месторождений, основные категории и понятия // Горный журнал. 1989. №12. -С.6-9.

84. Хабаров О.С. Безреагентная очистка сточных вод. -М.:-Химия.-1982.- 150 с.

85. Хасид Е.В. Опыт внедрения новых мембранных методов водообработки стоков. -Л, 1989. -49 с.

86. Химия окружающей среды / перевод с английского:-М., Мир, 1982. -109 с.

87. Химия промышленных сточных вод // под ред. А. Рубана.-М.: Химия, 1983.-360 с.

88. Цветков С.Н. Сорбционная очистка сточных вод горнодобывающих, обогатительных и металлургических предприятий цветной металлургии // Год. Мин.-геол. университет, София,- 1992-1993.-39,-N2,- с. 157-160.

89. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е. Электрохимия сульфидов: теория и практика флотации. М.: Наука, 1993. -206 с.

90. Чантурия В.А., Корюкин Б.М. Анализ техногенного минерального сырья Урала и перспективы его переработки // Проблемыгеотехнологии и недроведения (Мельниковекие чтения). Доклады международной конференции. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. Т.З. -С.26-34.

91. Чантурия В.А., Макаров Д.В., Макаров В.Н., Васильева Т.Н. Процессы окисления нерудных и сульфидных минералов в модельных экспериментах и на реальных хвостохранилищах // Горный журнал. 2000. №4. -С.55-58.

92. Чекушина Т. В. Интенсификация кучного выщелачивания золота из упорных пирит-мышьяковистых руд на основе их электрохимического вскрытия: Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. техн. наук / Моск. геол.-развед. акад. -М., 1997. 16 с.

93. Чмыхалова С.В., Монаков А.С. Сравнительный анализ загрязнения окружающей среды ведущими горно-обогатительными комбинатами европейской части России // «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе», №1, 2001. -С. 29 30

94. Чмыхалова С.В. Моделирование процессов потребления ресурсов и загрязнения среды на горно-обогатительных комбинатах: макроподход // Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, №10, 2000. -С. 136 138.

95. Шувалов Ю.В., Губенко A.JI. и др. Природопользование. Учебное пособие. СПГГИ(ТУ), СПб, 2000. -117с.

96. Шуйский В.Ф. Основы общей биологии и общей экологии. С.-Пб.: Изд-во СПГТИ, 2001. -426 с.

97. Энхольм Э. Окружающая среда и здоровье человека:-М.: Прогресс,1980.-245 с.

98. Яковлев B.JI., Бастан П.П. Техногенные месторождения России // Изв. ВУЗов. Горный журнал. 1996. №10-11. С. 146-157.

99. Яковлев С.В., Краснобородько И.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды.-JI.: -Стройиздат.-1987.-312с.

100. Abramov A. A., Avdohin V. М. Oxidation of Sulfide Minerals in Benefication Processes. Gordon and Breach Science Publishers (Netherlands), 1997. -321 p.

101. Banks D., Younger P.L., Arnesen R.T., Iversen E.R., Banks S.B. Mine-water chemistry: the good, the bad and the ugly // Environmental Geology. 1997. V.32. N3.- P.157-174.

102. Bewtra J., Ali H. Physical and chemical teatment of waste waters. // Enziclopedia of sciens and Engineering.- 1983. -p.849-880.

103. Boulet M.P., Larocque A.C.L. A comparative mineralogical and geochemical study of sulfide mine tailings at two sites in New Mexico // Env. Geol. 1998. V.33. N2-3. P.209-217.

104. Doyle F.M. Acid mine drainage from sulphide ore deposits // Sulphide deposits -their origin and processing. Inst. Min. and Metal. 1990. -P.301-310.

105. Elberling В. Evaluation of sulphide oxidation rates a laboratory stady comparing oxigen fluxes and rates of oxidation product release // Canadian Geotech. J. 1994, 31.-N 3,- p. 375-383.

106. Ellet D.S. Solution purification // Hidrometallurgy.- 1992,30,-N1-3.- p.45-47.

107. Gray N.F. Environmental impact and remediation of acid mine drainage: a management problem // Environmental Geology, 1997. -V.30. -N1/2. -P.62-71.

108. Lundkvist A. The weathering of waste rock from the Kirunavaara magnetite mine // Proceedings Swemp'96. / ed. R. Ciccu. P.827-834.

109. Nicholson R.V. Iron-sulfide oxidation mechanisms: Laboratory studies // Environmental Geochemistry of sulfide mine-wastes. Mineralogical Association of Canada. Jambor J.L, Blowes D.W. (Eds.). 1994.-P. 163-183.

110. Saito Т., Hagiwara K. Research survey on Adsorbents in the waste water treatment // Bull, of the Government Industrial Research Inst., Osaka.- 1985.-p.237-245.

Информация о работе

Морозова, Ольга Валерьевна
кандидата технических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.36

Диссертация

Разработка метода снижения загрязнения окружающей среды стоками хвостохранилищ с применением технологии кислотного выщелачивания - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы