geokniga-metodichka - Геологический портал GeoKniga

1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
имени Серго Орджоникидзе
ЦЕНТР ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ
А.А. Верчеба СВ. Маркелов
ТЕХНОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ, СПОСОБЫ ИХ
ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ
Учебное пособие
Допущено УМО по образованию в области прикладной геологии для
студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности
«Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных
ископаемых»
Москва 2003
2
УДК 622.271
Техногенные месторождения, способы их формирования и переработки.
А.А. Верчеба, СВ. Маркелов. Учебное пособие / Моск. гос. геологоразв. унив.
М., 2003. 66 с. Табл. 8. Илл. 7. Библ.: 18 наим.
Охарактеризованы техногенные минеральные ресурсы и приведена
систематика техногенных месторождений. Приведены особенности
формирования техногенных месторождений и технологические способы их
переработки. Рассмотрены примеры некоторых типов техногенных
месторождений.
Для студентов геологических и негеологических специальностей ВУЗов,
изучающих дисциплины «Геология месторождений полезных ископаемых»,
«Промышленные типы месторождений», «Подземное и кучное выщелачивание
полезных ископаемых», «Методы исследований в геотехнологии».
Московский государственный геологоразведочный университет, 2003
ВВЕДЕНИЕ
Ежегодный объем горнорудной массы, извлекаемой из недр земли,
составляет около 2,5 м 3 на душу населения как в России, так и в мировой
горнорудной промышленности, большая часть из которой складируется на
дневной поверхности, при этом каждые 15 лет добыча полезных ископаемых
удваивается.
Среди минеральных ресурсов, обеспечивающих стабильное развитие
минерально-сырьевой базы России и ее экономическое состояние, важное
значение имеют техногенные минеральные ресурсы. Они представлены
техногенными
месторождениями
и
техногенными
минеральными
образованиями. С учетом снижения качества руд, сокращения количества
запасов в крупнейших горнорудных районах России и ухудшения горногеологических условий отработки месторождений, вовлечения в переработку
ранее складированной горной массы техногенных ресурсов становится
экономически выгодным.
Второй аспект освоения техногенных месторождений обусловлен
экологическими целями. Природоохранные и экологические задачи сохранения
окружающей среды во многом обусловлены решением вопросов утилизации
техногенных минеральных образований и рекультивации территории
горнорудных объектов.
Использование техногенных ресурсов в стройматериалах вместо
природного минерального сырья существенно снижает экологическую
нагрузку на природу. Техногенное сырье должно стать важной составляющей
минерально-сырьевой базы строительных материалов и существенным
источником цветных, редких и благородных металлов.
Геологический аспект освоения техногенных минеральных ресурсов
заключается в том, что данная минеральная масса уже отделена от горного
массива и складирована на поверхности земли. Их геолого-экономическая
оценка не требует проведения дорогостоящих геологоразведочных работ,
связанных с проведением горных выработок. Основной задачей геологоэкономической оценки техногенного сырья является изучение его
технологических свойств и новых техногенных минеральных образований,
возникших за время хранения горной массы.
В качестве основных геологических факторов, определяющих методику
разведочных работ, следует выделить: запасы техногенных образований,
морфологию и внутреннее строение залежей техногенного сырья,
гидрогеологические условия, экологическую агрессивность минеральной массы,
пространственную изменчивость свойств техногенного сырья и перспективные
технологии его переработки. Указанные аспекты показывают, что возникла
необходимость решения проблемы освоения техногенных минеральных
ресурсов как экономически рентабельных и экологически неблагоприятных.
4
1. ТЕХНОГЕННЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ
Техногенные минеральные ресурсы включают в себя отходы
горнопромышленного производства и техногенные минеральные образования.
Отходы не могут быть вторично вовлечены в производство при существующем
уровне развития технологии переработки минерального сырья. Техногенные
минеральные образования представляют интерес для использования в настоящее
время или в перспективе. Техногенные минеральные образования локализованы в
хранилищах (отвалах). Часть техногенных образований, которые используются в
промышленном производстве, называется техногенными месторождениями.
Техногенные месторождения - это искусственные скопления отходов
добычи и переработки минерального сырья, использование которых в
промышленности является рентабельным. Отличительной особенностью
техногенных месторождений является их ресурсная значимость. Техногенные
месторождения содержат полезные компоненты или минералы, получение
которых из готовой продукции экономически целесообразно.
Количественное представление об объемах техногенных минеральных
ресурсов дано в табл. I.
Таблица 1
Отходы при добыче и переработке минерального сырья
Отрасль
промышленности
Металлургия
Угольная
Горная химия
Строительные
материалы
Вскрышные и
отвальные породы на
1 т добываемого
сырья
3-8
1-5
2-3
до 0,6
Выход хвостов Выход отходов
обогащения, % переработки, %
30-80
10-20
20-30
10-20
5-20
10-20
20
-
В целом в горнодобывающей промышленности России количество твердых
отходов составляет от 50 до 90% извлекаемой из недр горной массы. При
устойчивом росте объемов мировой добычи твердых полезных ископаемых
только 10% сырья, извлекаемого из недр, превращается в конечную продукцию.
5
Кроме того, при добыче полезных ископаемых теряется только в России:
угля - 14%. калийной соли - 61%. поваренной соли - 46% и железной руды около 4%. Извлечение нефти из пластов-коллекторов едва достигает 35%.
Большой объем накопления отходов горной массы и высокие потери'
минерального сырья в недрах обуславливают необходимость освоения
техногенных минеральных ресурсов.
В России складировано в отвалах и хвостохранилищах около 50 млрд т
горных пород и минеральной массы. Наиболее насыщены отходами ЗападноСибирский, Уральский экономические районы, регион КМА, Тульская и
Рязанская области. Ежегодный выход техногенных минеральных образований
составляет 3,7 млрд т, в том числе вмещающих пород - 3.3 млрд т. При
средней мощности накоплений в отвалах и хвостохранилищах горной массы в
20 м общая площадь занятых земель достигает 90 км2.
Использование техногенных минеральных ресурсов в целом невелико. В
горнорудной промышленности России в 1998 г. при добыче руды было
извлечено из недр около 160 млн м3 вскрышных пород, из которых только 28
млн м3 (17%) было использовано на различные цели (заполнение
выработанного пространства, стройматериалы и др.) При отработке
месторождений строительного и индустриального сырья практически весь
объем пород вскрыши накапливается на земной поверхности без последующего
использования.
На предприятиях АО «Росуголь» в 1994 г. было использовано 440 млн м3
вскрышных и отвальных пород для нужд промышленного и шахтного
строительства, что составило 47% их годового поступления.
Необходимость обеспечения экономики России собственным минеральным
сырьем обусловливает ускоренное вовлечение в промышленное производство
техногенных ресурсов. Они являются важным сырьевым резервом, источником
ресурсосбережения, охраны природной среды и, кроме того, экономически
рентабельными объектами разработки.
Приблизительные оценки техногенных ресурсов России в стоимостном
выражении превышают 43,5 млрд долл. США. Это сопоставимо с оценкой
потенциальных (прогнозных) ресурсов минерального сырья в недрах (более
50 млрд долл. США) и более чем в 4 раза превышает стоимость
разведанных ресурсов, не вовлеченных в эксплуатацию. Таким образом,
техногенные минеральные ресурсы России огромны.
Геолого-экономическая оценка техногенных минеральных ресурсов при
комплексном освоении недр позволяет часть их отнести к техногенным
месторождениям. Техногенные месторождения — это техногенные
минеральные образования, по количеству и качеству содержащегося
минерального сырья пригодные для их рентабельного использования в
сфере материального производства.
6
Горнодобывающая промышленность оказывает наибольшее влияние на
природную среду. Ежегодно а мире добывают около 100 млрд м³ полезных
ископаемых, при этом из землепользования изымается около 5 - 7 млн га
плодородных угодий Среди ресурсов земных недр самостоятельной частью
выступают отходы горнопромышленного и металлургического производства
или техногенные минеральные ресурсы. Они накапливаются в отвалах и
хвостохранилищах горных, горно-обогатительных предприятий, формируются
в шламо- и золотонакопителях объектов топливно-энергетического комплекса.
При всех существующих способах добычи технологического передела
объемы отходов горного производства весьма значительны. Из общего объема
мировой добычи твердых видов минерального сырья около 10% превращается в
готовую
продукцию,
а
остальные
90%
образуют
различные
горнопромышленные отходы. В результате этого в отвалах накоплены десятки
миллиардов тонн различных горных пород, миллиарды тонн металлургических
шлаков, сотни миллиардов тонн «хвостов» обогащенных полезных ископаемых.
Всего к настоящему времени в отвалах горнодобывающих и перерабатывающих
предприятий России скопилось около 50 млдр. т вскрышных и скальных пород
и твердых отходов. В силу происходящих процессов выветривания
значительная их часть вероятно уже утратила свою первоначальную
ценность. С работой предприятий по добыче и переработке минерального сырья
связано около 1/4 вредных выбросов в атмосферу, более 1/3 образованных
сточных вод и 3/4 накопленных твердых отходов.
2. ИСТОЧНИКИ ТЕХНОГЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ
Источниками техногенных минеральных ресурсов являются техногенные
минеральные образования и отходы горно-обогатительного, металлургического
и других производств. Ресурсы подразделяются на следующие группы.
1. Техногенные минеральные образования (ТМО). К этой группе относятся
отходы добычи, а также переработки полезных ископаемых. ТМО - это
скопления минеральных веществ на поверхности земли или в горных
выработках, образовавшиеся в результате отделения их от массива и
складирования в виде отходов горно-обогатительного и металлургического
производства.
2. Твердые промышленные отходы (ТПО). ТПО образованы га остатков
сырья, материалов и полуфабрикатов, а также продуктов физикохимической переработки сырья различными отраслями промышленности.
По некоторым оценкам ежегодно в мире создается около 20 млрд. т
промышленных отходов.
3. Твердые бытовые отходы (ТБО). К ним относятся бывшие в
употреблении изделия и материалы, потерявшие свои потребительские качества
в результате физического и морального износа Главными компонентами ТБО
являются бумага, картон и пищевые отходы. Накопление твердых бытовых
отходов в планетарном масштабе в настоящее время составляет около 4,5 - 5,0
млрд. т в год. ТБО складируются на полигонах бытовых отходов
муниципального подчинения, либо накапливаются на несанкционированных
свалках.
7
Отходы, улавливаемые при очистке отходящих газов и сточных вод. Эти
отходы составляют сравнительно небольшую часть и, как правило,
возвращаются в производство. Концентрация осадков в сточных водах
составляет 20 - 100 г/л, а их объем по сравнению с объемом очищаемых
стоков колеблется от 2 до 20%. Например, в осадках очистных сооружений
гальванических производств было определено (%): Си-1,0: Zn-0,9; Sn-0,6; Ni0,3 и др. Ежегодно образуется около 1000 т таких осадков.
4.Радиоактивные отходы (РАО). В эту группу входят жидкие и твердые
продукты, получаемые в ходе ядерно-топливного цикла, добычи и
переработки урановых руд, производства ТВЭЛов и другие источники
ионизирующего излучения. Отработанное ядерное топливо промышленных и
военных энергетических установок после хранения на полигонах подлежит
регенерации. Ежегодно в мире вырабатывается около 10000 т высокоактивных
отходов и более 200000 м3 жидких низкорадиоактивных отходов. Большая
часть этих отходов подлежит захоронению в геологических формациях. При
разработке урановых руд подземным способом на 1 г урановой руды
приходится 1,5 - 1.6 т твердых радиоактивных отходов. Способами кучного
выщелачивания возможно дополнительное извлечение урана из отвалов
рудников, а способами подземного выщелачивания разрабатывают
некондиционные
руды
и
забалансовые
руды
действующих
и
законсервированных месторождений.
Вышеперечисленные техногенные минеральные объекты при
положительной технико-экономической оценке и обосновании кондиций
качества минеральной массы возможно рассматривать как техногенные
месторождении. Отвалы рудников, эфеля обогатительных фабрик также
рассматриваются в качестве техногенных руд в связи с уменьшением
кондиционных показателей природных руд.
Особое внимание следует уделить отходам горнодобывающей
промышленности, поскольку они накоплены в значительных количествах и
занимают огромные площади. Эти ТМО не являются пока объектом массовой
переработки на базе существующих технологий, хотя находятся в природном
состоянии. Техногенные минеральные образования отвечают понятию
нетрадиционных минеральных ресурсов.
Помимо уже сформированных в районах действующих горнодобывающих
предприятий техногенных образований актуально исследование проблемы
целенаправленно сформированных техногенных минеральных объектов.
Значительная часть техногенных минеральных образований на основании
комплексного изучения их минерально-сырьевой ценности и возможности
использования в промышленности может быть отнесена к техногенным
месторождениям.
Примерами современных техногенных месторождений могут быть
хвостохранилиша уральских медно-колчеданных и медно-цинковых
месторождений. К настоящему времени в складах и хвостохранилищах этих
месторождений скопилось около 180 млн. т твердых минеральных образований,
в которых содержится 475 тыс. т меди, 680 тыс. т цинка и 38 млн. т серы.
Следует
8
отметить. что всего горнорудной промышленностью России в 1998 г. было
добыто 523 тыс. т меди и 126 тыс. т цинка.
Перспективными техногенными месторождениями Уральского региона
являются хвостохранилиша Красноуральской и Углической обогатительных
фабрик. Здесь складировано около 55 млн. т минеральной массы со средним
содержанием 0,4% меди, 0.6% цинка, 20- 30% серы. В этом же районе выявлено
более 90 млн. т медных шлаков, содержащих 350 тыс. т меди, 220 тыс. т цинка,
300 тыс. т висмута и 8 тыс. т кадмия.
Всего в России к концу 1998 г. накоплено около 90 млн. т хвостов
свинцово-цинковых обогатительных предприятий, содержащих 400 тыс. т
цинка, 145 тыс. т свинца при среднем содержании 0,1 - 0,8% и 0,1 - 0,3%
соответственно.
Объемы оловосодержащих хвостов переработки руд составляют около 100
млн. т с запасами олова 80 тыс. т и со средним содержанием металла 0,18%.
В хвостах Приморской и Забайкальской обогатительных фабрик
установлено высокое содержание WО3 (0,3 - 0,32%), что выше, чем его
содержание в природных рудах Тырныаузского и Джидинского месторождении.
Рис. 1. Плотина хвостохранилиша: 1 - плотина первой очереди, 2вторичные дамбы, 3 -плотина второй очереди
Шламохранилище — крупные земляные наземные сооружения объемом до
десятков миллионов кубических метров и глубиной до 50 м, срок службы их
превышает 10 лет. Их создают в системе горно-химических предприятий.
Размешают на равнинных участках местности и обваловывают со всех сторон
или частично на участках местного понижения рельефа.
Шламохранилиша размешают также в пологих оврагах и балках. Дамбы
обвалования и перегораживающие плотины возводят насыпным способом из
суглинистых материалов. Шламовую пульпу подают в шламохранилиша по
таким же схемам, что хвостовую пульпу в хвостохранилища.
9
По условиям складирования отходов шламохранилища делят на намывные
и наливные. Для наливных шламохранилищ предварительно сооружают
земляные плотины на полную высоту проектируемой емкости или же на часть
этой высоты. Чаще всего возводят насыпные плотины.
По гребню плотины прокладывают дорогу и пульпопроводы. Гребень
плотины должен иметь защитное покрытие и систему кюветов для
организованного сбора и отвода поверхностных вод. Шламохранилища могут
занимать различную площадь и рабочий объем. В среднем площадь
шламонакопителя составляет 10 - 20 га, количество сбрасываемого осадка 30- 40
тыс. т в год.
Шламонакопитепи предназначены для сбора шлама шлаковых материалов
и т.п. Эти земляные сооружения подобны хвостохранилищам и
шламохранилишам.
На рис. 2. показана схема шламонакопителя. Площадь земельного участка,
занимаемого им, составляет около 5 га, глубина 10 м. Во избежание попадания в
шламонакопитель поверхностных вод с площади водосбора устраивают
ограждающую насыпь шириной по гребню 4 м. Чтобы предотвратить
загрязнение грунтовых вод избыточной влагой шламов предусматривают
противофильтрационный экран. Такой же экран устраивают на выровненной
поверхности шлама.
Экраны состоят из двух слоев: нижнего (два слоя полимерной пленки
толщиной по 0,2 мм) и верхнего (грунтополимерный слой толщиной 0,6 мм).
Грунтополимерный слой получают разбрызгиванием разогретого до 80° С
раствора синтетических жирных кислот по подготовленному слою грунта.
В экологических целях для контроля работы противофильтрационного
экрана и качества грунтовых вод в районе шламоотвала бурят скважины для
отбора проб воды на химический анализ.
Отвалы металлосодержащих пород представляют собой насыпи,
имеющие в поперечном сечении форму трапеций и создаваемых из привозимых
горных пород. В отвалах складируется горная порода с низким содержанием
полезных компонентов, перерабатывать которую в ближайшем будущем
традиционными методами нецелесообразно. Среднегодовое поступление горных
пород в отвалы составляет порядка 1 - 2 млн. м3 в год на подземных рудниках и
6-12 млн. м3 в год на рудных карьерах. Высота отвалов составляет 25 - 50 м,
их площадь 100 - 150 га. На некоторых горнорудных предприятиях
одновременно эксплуатируются несколько отвалов (до 10), при этом общая
площадь, занимаемая отвалами предприятия, достигает 500 - 600 га.
10
Рис.2. Шламонакопитель твердых отходов: 1- чаша, 2 - эстакада,
3 - откосы накопителя, 4 - лесопосадка, 5 - водоотводная канава
Отвалы формируют, как правило, с учетом следующих требований:
минимума затрат на отвальные работы, обеспечения устойчивости откосов
отвалов и минимизации отвальных площадей, в определенной степени - охраны
окружающей среды. При этом во многих случаях не учитываются возможности
их целенаправленного формирования и эффективной отработки в будущем.
3. СИСТЕМАТИКА ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Систематика природных объектов или явлений представляет собой
перечень их признаков, характеристик и значений. Систематизация знаний о
техногенных месторождениях направлена на повышение эффективности
использования ресурсов техногенного минерального сырья. Поэтому главным
признаком является принцип формирования техногенных месторождений,
выделяющий две основные категории: техногенные месторождения,
созданные без учета их последующего освоения (стихийные ТМ), и
техногенные месторождения с оптимальными для освоения параметрами
(целенаправленно сформированные ТМ).
11
Первые формировались на основе принятой практики складирования
отходов и строительства отвалов, хвостохранилищ без учета возможности
разработки в будущем при совершенствовании технологии переработки и
обогащения полезных ископаемых. Вторые, сформированные с учетом
качества сырья, технологии переработки полезных ископаемых,
создаются целенаправленно с обоснованием оптимальных параметров
(размеров, формы, внутреннего строения, качества минерального сырья).
Оптимальные параметры техногенных месторождений позволяют применять
эффективную систему их разработки, обеспечить сохранность качества
минерального сырья, исключить проведение разведочных работ и снизить
потерю земельных ресурсов.
Значительные объемы накопленных отходов, содержащие полезные
компоненты, используются горнорудными предприятиями в основном в виде
закладки горных выработок без предварительного извлечения из них полезных
компонентов. Это переводит их в разряд безвозвратных потерь. Большинство
техногенных ресурсов следует рассматривать не в качестве отходовзагрязнителей, а как особую категорию полезных природных ресурсов техногенных минеральных ресурсов.
Следует отметить, что не все техногенные минеральные объекты
относятся к техногенным месторождениям, а только те из них, которые по
количеству и качеству запасов могут быть рентабельно освоены в настоящее
время или в ближайшем будущем. Техногенные минеральные объекты
переходят в разряд техногенных месторождений только в случае их
положительной технико-экономической оценки в результате дополнительных
геологоразведочных работ (отбор проб, оценка содержания полезных
компонентов и подсчет общих запасов).
По мнению некоторых исследователей под техногенными минеральными
ресурсами следует понимать складированные (накопленные на поверхности)
горнопромышленные отходы и техногенные минеральные объекты.
К техногенным минеральным ресурсам не следует относить оставшиеся в
недрах потери балансовых и забалансовых, полезной горной массы. Это
природно-техногенные объекты, являющиеся предметом повторной разработки
месторождений.
Формирующиеся техногенные минеральные образования оценивают прежде
всего по сырьевым критериям, учитывающим их ресурсную ценность. Важное
значение в этой связи имеет дифференциация техногенных ресурсов на
природные, перспективные и непригодные для дополнительного извлечения
ценных компонентов. Кроме сырьевой оценки важной является экологический
аспект. При отсутствии потребности в полезных ископаемых проводят
рекультивацию отвалов и хвостохранилищ и приведение их в состояние,
пригодное для использования в сельском хозяйстве или исключающее
загрязнение окружающей среды.
Формирование техногенных месторождений связано с добычей
металлосодержащего и нерудного сырья и с его последующей переработкой.
Техногенные месторождения также возникают из отходов топливно-
12
энергегического комплекса и ядерно-топливного цикла. По условиям
формирования среди техногенных месторождений можно выделить четыре
группы:
ТМ, образованные из отходов добычи рудного и нерудного минерального
сырья или возникающие при добыче полезных ископаемых (стоки вод,
карьерные газы);
ТМ, сформированные отходами металлургической и химической
переработки сырья и возникающие при металлургической обработке готовой
продукции (скрап);
ТМ, возникающие при сжигании органического топлива в энергетическом
комплексе (зола, шлак);
ТМ, представленные радиоактивными отходами промышленных, научных и
военных предприятий.
В каждой группе ТМ выделяются подгруппы, которые соответствуют
условиям накопления и сохранения минеральной массы, полученной в цикле
горно-металлургического и горно-химического производства:
склады временно некондиционных руд, склады металлосодержащих горных
пород, отвалы пород вскрыши и отвалы металлосодержащих и
неметаллосодержащих пород, строительных материалов;
хвосто- и шламонакопители, образуемые в результате переработки
минеральной массы на обогатительных фабриках и складирование в них шлама
горнопромышленного производства;
шлако- и кекохранилища, формируемые в результате металлургического
передела концентратов, поступающих с обогатительных фабрик;
склады металлического скрапа (непроверенный металл, некондиционные
сплавы, технологический брак), возникающие при металлургической
переработке готовой продукции;
пруды-накопители сточных вод, подземные резервуары жидких
промышленных отходов;
свалки твердых промышленных и бытовых отходов;
полигоны временного хранения и захоронения радиоактивных отходов,
хранилища отработанного ядерного топлива.
По направлениям непосредственного использования технологического
сырья в промышленности могут быть выделены классы техногенных
месторождений:
предназначенные для извлечения полезных компонентов, металлов
(металлургическое сырье):
получаемые для производства стройматериалов:
формируемые для получения горно-химического сырья для использования в
химической промышленности и сельском хозяйстве и т.д.
Выделение видов техногенных месторождений проведено по признакам,
учитывающим особенности их технологической переработки. Разнообразие
видов техногенных месторождений по технологическим признакам (запасы
минерального сырья, форма накопителей, степень влажности сырья)
13
предопределяет возможность использования для их разработки не только
экскаваторную и бульдозерную выемку минеральной массы, но и
гидродобычу. геотехнологические способы добычи или применение
комбинированных систем.
Данная систематика техногенных месторождений охватывает
существенную часть ТМ, созданных без учета их последующего освоения (т.н.
стихийные ТМ). В систематике целенаправленно сформированных техногенных
месторождений следует учитывать большее число основных технологических
признаков (внутреннее строение месторождения, гранулометрический состав
горной массы, крепость пород, обводненность и др.), что позволит
минимизировать объем геологоразведочных работ перед их разработкой.
С учетом вышеперечисленных признаков систематика техногенных
месторождений представлена в виде табл. 2
Целенаправленно сформированные месторождения пока привлекают
меньшее внимание, чем стихийные, но и они, несомненно, имеют будущее.
Целенаправленно
сформированные
техногенные
месторождения
с
оптимальными
параметрами
несут
ресурсосберегающую
и
природоохранную функции. Примером таких месторождений являются
месторождения сульфата натрия, создаваемые на горно-химическом
комбинате «Кара-Богаз-сульфат». Их формируют путем размещения
межкристальной рапы, добываемой с помощью буровых скважин из природной
среды на низких участках, прилегающих к заливу площадей. На этих площадях
(озерах) происходит зимнее осаждение безводного сульфата натрия,
являющегося объектом добычи. Следует отметить большую перспективу
формирования биогенных месторождений, так как биологические методы
концентрации вещества происходят с большой скоростью. Возможно
формирование техногенных месторождений на искусственных геохимических
барьерах. Причем при создании таких техногенных месторождений можно
прогнозировать и управлять физико-химическими свойствами складируемой
горной массы в процессе хранения.
Можно выделить природно-техногенные месторождения, т.е. минеральные
объекты, представленные неотделимым от горного массива природным
минеральным веществом. К ним относятся запасы полезных ископаемых,
оставленные в недрах в результате отработки месторождений в виде целиков,
рудных мостов и др. Природно-техногенные месторождения совместно с
техногенными минеральными образованиями при их подземном складировании
могут
сформировать
техногенные
объекты
повторной
разработки
месторождений.
С позиций ресурсной ценности существует классификация техногенных
минеральных ресурсов и техногенных месторождений. Техногенные
минеральные ресурсы включают в себя отходы горнопромышленного
производства и техногенные образования. Горнопромышленные отходы
представлены отходами обогатительного передела, хвостами сухой магнитной
сепарации, а также кристаллическими породами, используемыми для
производства щебня.
14
Отдельная часть техногенных ресурсов является техногенными
образованиями. Выделение из техногенных образований смешанных отвалов
обосновано отсутствием у этого типа сырья возможности для дальнейшего
использования. Этот тип минерального сырья в результате совместного
складирования утратил свои потребительские свойства и поэтому не относится к
техногенным месторождениям.
Техногенные месторождения пространственно связаны с такими
природными месторождениями, которые длительное время разрабатывались.
Как правило, такие месторождения являются представителями важнейших
геолого-промышленных типов, то есть таких месторождений, которые при
эксплуатации дают более одного процента мировой добычи того или иного вида
минерального сырья. Геолого-промышленные типы месторождений - это
месторождения, которые являются основными поставщиками данного вида
минерального сырья для промышленности.
Техногенные месторождения являются своего рода «производными» от
природных геолого-промышленных месторождений. То есть их запасы,
вещественный состав руд и пород, технологические свойства горнорудной
массы определяются особенностями природного месторождения. В результате
отделения горной массы от скального массива образуются отвалы и залежи
техногенных минеральных образований различной формы и внутреннего
строения. Эти залежи содержат породы вскрыши и рудовмещающие породы,
также участки, содержащие рудные компоненты.
Такой парагенезис природных и техногенных месторождений важно
учитывать с точки зрения целенаправленного формирования техногенных
месторождений, что позволяет прогнозировать и оценивать их ресурсную
значимость.
Для практического применения наиболее пригодна систематика
природных и техногенных месторождений по направлению использования
минерального сырья. Выделены следующие группы месторождений:
1.Месторождения руд черных и легирующих металлов (Fe, Mn, Ti, Сг, W,
Ni, Co, Мо).
2.Месторождения руд цветных металлов (Си, Pb, Zn, Sn, Al, Hg, Bi, Sb, Mn,
As).
3.Месторождения руд благородных металлов (Au, Ag, металлы платиновой
группы).
4.Месторождения руд редких металлов (Li, Be, Hf, Sc, Re, Sr, Zr, Nb, Та, Y,
Ce, Cs и др.).
5. Месторождения радиоактивных руд (U, Th, Ra).
6. Месторождения технического сырья (алмаз, корунд, флогопит, асбест,
пьезокварц, оптический флюорит, исландский шпат).
7. Месторождения горно-химического сырья (фосфориты, калийные и
натриевые соли, сера, бор, фторное сырье).
8. Месторождения технологического сырья (огнеупорные глины, каолины,
магнезит, тальк, брусит, графит и др.).
15
Систематика техногенных месторождений
Таблица 2
Группа
Подгруппа
Класс
Виды по технологическим признакам
По запасам
по форме и
Степень
минеральной внутреннем влажности
массы
устроению
сырья
1 Получаемые
Склады
Черной металлургии, А.Крупные
А.
А.Мало
при добыче металлосодержащих Цветной металлургии 50 млн т Изометрические влажные
рудного и
пород. Отвалы
(соотношение
нерудного
горных пород и
размеров до 1:2)
минерального стройматериалов
сырья
II.
Шламо- и хвосСтроительных
Б. Средние Б. Удлиненные,
Б.
Получаемые
тонакопители
материалов
5-50 млн эллипсовидные Влажные
при
обогатительных
до 1:3
переработке
фабрик.
сырья
Шлако- и
иготовой
кекохранилища
продукции металлургического
передела
Ш.
Склады
Горно-химического В. Мелкие В. Вытянутые
В.
Получаемые
металлического сырья и минеральных
5 млн т
ленто-образные Водонапри
скрапа. Прудыудобрений
более 1:3
сыщенные
энергетическ накопители сточных
а) простого
ом переделе промышленных вод.
строения (1-2
сырья
Свалки твердых
залежи)
бытовых и
б) сложного
промышленных
строения (более
отходов
2 залежей)
IV.
Получаемые
в ядернотопливном
цикле
Полигоны
захоронения
радиоактивных
отходов.
Хранилища
радиоактивных
отходов
Высокоактивные,сред
неак-тивные,
низкоактивные
Г. Обводненные
16
9. Месторождения строительных материалов (цементное сырье, галечники,
пески, гравий, известняки, кварциты, мрамор, птпс, изверженные горные
породы, перлиты и др.).
10 Месторождения драгоценных, поделочных и коллекционных камней
(изумруд, гранаты, нефрит, чароит, родонит, лазурит, яшма, оникс, аметист,
амазонит. рубин, хризолит, благородная шпинель, янтарь и др.)
11. Месторождения каустобиолитов (нефть, газ, каменный и бурый уголь,
торф, сапропель, горючие сланцы).
12. Газо-гидроминеральные месторождения.
Внутри выделенных групп следует различать геолого-промышленные типы
месторождений или промышленные рудные формации. Под промышленной
рудной формацией следует понимать группу промышленных типов
месторождений, имеющих сходный вещественный состав руд, включая рудные,
нерудные минералы и элементы, близкий состав вмещающих пород и
одинаковый тип их галогенного или гипергенного изменения и устойчивую
ассоциацию с определенной геологической формацией вне связи с районом или
временем их образования. Другие особенности месторождений, такие как
масштаб оруденения, морфология рудных тел и условия их залегания,
гидрогеологические и горнотехнические условия, не имеют существенного
значения при выделении геолого-промышленных типов месторождений.
Техногенные месторождения, которые возникли, или целенаправленно
формируются в районах разработок геолого-промышленных типов
месторождений, представляют собой комплексные минеральные образования. В
их отвалах наибольший удельный вес занимают отходы горного
производства, которые в основном используются для засыпки карьеров,
отсыпки дамб хвостохранилищ и для производства строительных и
закладочных материалов. В отвалах месторождений складируется минеральная
масса, которая содержит ценные компоненты. Среди этих компонентов
выделены основные и сопутствующие, а также новообразованные техногенные
минералы. Таким образом, устойчивую связь геолого-промышленных типов
месторождений с образуемыми при их разработке техногенными
минеральными образованиями можно представить в виде табл. 3.
В таблице дана краткая характеристика геолого-промышленных типов
месторождений важнейших видов минерального сырья и техногенных
минеральных образований, возникающих при эксплуатации данных
месторождений. В случае положительной геолого-экономической оценки их
сырьевой значимости данные техногенные минеральные образования могут
рассматриваться как техногенные месторождения. В данном случае
техногенные месторождения представляют собой многотоннажные скопления
добычи и переработки минерального сырья, использование которых в
промышленности обеспечивает экономический и экологический эффект.
17
4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
И
ОЦЕНКИ
ТЕХНОГЕННЫХ
Методика исследования техногенных месторождений в значительной мере
отличается от изучения природных объектов. Это обусловлено, с одной
стороны,
компактным
размещением
техногенных
месторождений
непосредственно в зоне промышленных предприятий, с другой стороны необходимостью исследования их часто необычного и сложного минерального
состава.
Проведение комплексных исследований включает в себя несколько
последовательных этапов, первым и наиболее важным из которых являются
оценочные работы. Они состоят из опробования материала откосов и
поверхности отвалов, а также керна скважин колонкового бурения. На
втором этапе выполняют аналитические и минералогические исследования с
целью изучения состава техногенного месторождения. В последние годы для
этих целей все более широко используют ядерно-физические методы
анализа, которые можно применять для веществ любого агрегатного
состояния (твердого, жидкого, газообразного) и которые наиболее эффективны
для определения тяжелых и радиоактивных металлов.
5.
ПЕРСПЕКТИВЫ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
МИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
ТЕХНОГЕННЫХ
Геологическая оценка эффективности утилизации техногенных образований
Процесс накопления горных масс в отвалах, складах, шламонакопителях и
хвостохранилишах продолжается столько, сколько существует горная
промышленность. Однако утилизация техногенных минеральных образований,
получение из них строительных материалов, извлечение полезных компонентов,
использование для закладки горных выработок и рекультивации карьеров
составляет в мире около 5 - 6% от объема их текущего формирования.
Анализ состояния проблемы накопления и складирования отходов
горнодобывающего производства показывает, что существуют значительные
нереализованные возможности по их эффективному использованию. Отвалы
возникают из-за отсутствия экономически эффективных способов переработки
сырья, содержащегося в них. 6 настоящее время с развитием прогрессивных
методов геотехнологической переработки сырья утилизация минеральных
ресурсов в отвалах и хвостохранилищах в принципе выгодна. Решение этого
вопроса возможно на основании конкретных экономических расчетов по
каждому техногенному минеральному объекту. Однако очевидно, что
ресурсы, аккумулированные в отвалах, необходимо оценивать и учитывать как
особую разновидность природных ресурсов — техногенные ресурсы
минерального сырья. Низкий существующий уровень использования ТМО в
индустриальных целях сейчас обусловлен рядом причин:
18
Таблица 3
Техногенные минеральные образования геолого-промышленных типов
месторождений
Черные металлы
1
Природные
месторождения
2
Лигирующие
металлы
3
Железистые кварциты.
магматиты,
Железистые кварциты
амфиболиты,
и их рудоносные коры
кристаллические
выветривания
сланцы, тальк50 - 60%
хлоритовые сланцы,
гнейсы, такониты,
писчий мел, известняки
Хромитовая в
серпентинитах
80-90%
Цветные металлы.
Техногенные минеральные образования
Вольфраммолибденовая в
скарнах
25 - 30%
Сульфидная меднопорфировая в
монцонитах
50 - 55%
4
Fe
(V, Ge, Ni, Au,
U)-(10- 15%)
Дуниты, перидотиты,
пироксениты,
Cr(Ti,V)<10%
серпентиниты, магнезит
Гранат-пироксеновые
скарны, доломиты,
роговики, мраморы,
граниты
5
Кварц, хлориттальковый
сланец, биотит.
Кварцевый
песок, мел,
алунит
Магнезит,
форстерит,
серпентин
W, Mo, (Bi, Sn,
Пироксен,
Au, Cu, Pb, Zn,
эпидот, гранат,
Fe)
мраморы
(30 - 40%)
Монцониты, кварцевые
порфиры,
Кварц, серицит,
Cu, Mo (Re. Ag,
серицитолиты.
халцедон, барит,
Au, Se, Те, Cd)
кварциты, граниткварцевый
(30 -45% )
порфиры, аплиты,
песок
роговики
Cu, Co (Ag, Pb,
Песчаники, алевролиты,
Zn, Au, Mo,
Песчаники,
Медистые песчаники и
конгломераты,
Re, S, da, In, Cd. кварц, полевой
сланцы 20 - 30%
доломиты,
Bi)
шпат
углеродистые сланцы
(20 - 30%)
19
Продолжение табл. 3
Неметаллы
Благородные металлы
Цветные металлы
1
2
3
Известняки, доломиты.
Свинцово-цинковая
кремнистые породы,
стратиформная в карбо
битуминозные
натных породах
доломиты, глинистые
30-40%
сланцы
Свинцово-цинковая
колчеданная в
андезит-дацитовых
породах
10-20%
4
5
Pb, Za Cu (Ag,
Доломит,
Cd, Co, Ni, Ge, доломитовая
Те)
мука,. кальцит,
(30 - 40%)
диккит, барит
Сланцы кварцсерицитовые, кварцPb. Zn, Си (Аи, Кварц, серицит,
хлоритовые
Ag, S, Ba, Те,
барит,
вулканические брекчии,
Bi)
серицитолит,
туфы, кремнистые
(35-40%)
кварциты
породы, аргиллиты,
алевролиты
Углеродистые сланцы,
Биотит, хлоритЗолото-кварцевая в
кремнистые сланцы,
Аи (Ag, As, U,
кварцевый
терригенноалевролиты, песчаники,
W, Pb, Zn)
песок, кальцит,
карбонатных породах
филлиты, хлоритолиты.
(10 -15%)
пирит
10-20%
роговики, кварциты
коллекционный
Сульфидная
Туфы, туффиты, габбро,
Pt, Pd, Rh, Ni,
платиново- метальная анортозитовые габбро,
Си (Аи, Ag, Ir,
в габбро и габброоливиновые долериты,
Os, Ru, Co)
долеритах
габбро-долериты,
(30-40%)
10-15%
серпентиниты
Оливин,
эпидот,
серпентин,
габбро
Гарцбургиты,
Хризотил-асбестовая в
серпентиниты. дуниты,
серпентинитах
перидотиты
Асбест,
серпентин,
белая сажа
Фосфориты
желваковые
Пески глауконитовые,
глины
Mg, (Ni, Co, Cr)
< 10%
(U,Zr)
следы
Пески,
глауконитовые
пески. хлорит,
карбонаты
20
ведомственными интересами отдельных горнодобывающих предприятий, не
вкладывающих капиталовложения в переработку сопутствующих видов
минерального сырья;
нерешенными техническими и экономическими задачами освоения ТМО,
отсутствием полной информации о количественных и качественных
особенностях накопившихся отходов;
экономически не обоснованными вариантами разработки отвалов и
хвостохранилищ, а также отсутствием таких отвалов, в которых гарантирована
сохранность минерального сырья;
требуют доработки вопросы технико-экономической оценки техногенных
минеральных образований, определение эффективности их комплексного
использования с позиций минерально-сырьевой ценности и экологического
риска для природной среды;
недооценкой отрицательного воздействия накопившихся отходов на
окружающую среду, и, наконец, отсутствием экономических рычагов
стимулирования наиболее полной и комплексной утилизации отходов
горнодобывающей отрасли.
Многообразие выявленных причин показывает, что возникла
необходимость освоения техногенных минеральных ресурсов как составляющей
части
природных
ресурсов
для
обеспечения
рентабельности
горнодобывающего комплекса
Эта необходимость объясняется также несколькими причинами:
появляются новые или более выгодные способы извлечения полезных
компонентов, содержащихся в породах отвалов;
повышается эффективность извлечения на фоне истощения
традиционных, более богатых, ресурсов минерального сырья;
использование пород отвалов и хвостохранилищ начинает
рассматриваться как источник получения дополнительной прибыли
горным предприятием, снижающим свою эффективность по мере
отработки лучших запасов;
разработка отвалов становится рентабельной ввиду появления
новых потребностей в одном из содержащихся в них компонентов,
ранее не считавшихся сколько-нибудь полезными;
к ликвидации отвалов и хвостохранилищ побуждают соображения
охраны окружающей среды.
По тем или иным причинам сейчас наблюдаются вполне очевидные
сдвиги в сторону более заинтересованного отношения к утилизации пород и
отходов.
Хвосты труднообогатимых руд цветных металлов и отходы переработки
концентратов могут стать ценным источником дополнительного извлечения
различных металлов. Так, шламы пирометаллургической переработки
свинцовых концентратов содержат до 17% цинка, до 3% свинца, до 0,9%
меди, а также оксиды железа, кремния и алюминия. Такие шлаки эффективно
перерабатываются на
свинцово-цинковых
комбинатах.
Выполнены
исследования по комплексной
21
электротермической переработке шлаков медеплавильных заводов. Особый
интерес представляет получение из шлаков ряда попутных компонентов,
извлечение которых на металлургических заводах часто не превышает 10-15%.
Большие возможности на перспективу имеются в области использования
красных шламов, являющихся отходами современных процессов переработки
бокситов. Красные шламы содержат около 30% железа, 12 - 30% оксида
алюминия, 2 - 4% диоксидатитана, 0,2% пероксида ванадия, цирконий, галлий,
ниобий, скандий, редкоземельные элементы. Забалансовые руды цветной
металлургии, складированные в отвалах, содержат значительные количества
неизвлеченной меди, свинца и цинка. Накоплен практический опыт
переработки таких руд.
Предприятия черной металлургии накопили в отвалах более 440 млн. т
шлаков. В настоящее время шлаки используются в основном на производство
шлакопортландцемента, тепло- и звукоизоляционных материалов, в дорожном
строительстве и на производство удобрений. Сталеплавильные шлаки
содержат около 20% железа, которое может быть извлечено из них и полезно
использовано. Ферросплавные шлаки вполне закономерно рассматривать как
ресурс получения ряда легирующих металлов.
Значительная часть пород, сосредоточенных в отвалах, может стать сырьем
для переработки в разнообразные строительные материалы.
Целенаправленно сформированные техногенные минеральные
объекты
Технология формирования ТМО и техногенных месторождений (складов
некондиционных руд, отвалов металлосодержащих пород, шламои
хвостохранилищ) зависит от выбора горного оборудования. В настоящее время
на многих рудных карьерах применяется экскаваторное, бульдозерное
и
комбинированное отвалообразование.
На практике формирование отвалов осуществляется двумя способами периферийным и площадным. При периферийном отвалообразовании
разгружают по периферии отвального фронта в непосредственной близости от
отвального откоса или под откос. При площадном - разгрузка породы
производится по всей площади отвала или на значительной его части, а затем
бульдозером планируют отсыпаемый слой породы.
Более экономичным является периферийное отвалообразование;
площадное применяется, в основном, при складировании малоустойчивых,
склонных к деформациям, мягких пород, реже - при большой высоте отвала,
сложенного породами.
Строительство отвалов на равнинной местности заключается в создании
разгрузочной площадки первоначального отвала высотой 2 - 6 м и шириной 7010м. Затем переходят к
наращиванию отвала до проектной высоты
посредством послойной укладки пород. Практикуется также возведение
насыпи
22
первоначального отвала. Ширина такой насыпи 40 - 50 м. Высота отвалов при
использовании автотранспорта составляет 25 - 30 м на скальных породах, 15 - 20
м - на песчаных и 10 - 15 м - на глинистых. Общая длина фронта работ
колеблется от 100 до 500 м.
Отвалы металлосодержащих пород и склады забалансовых руд горнорудных
предприятий формируются, как правило, валовым способом.
Схемы формирования техногенных месторождений
Анализ современных способов формирования ТМ показывает, что особый
интерес представляют те из них, которые предусматривают возможность
целенаправленного улучшения свойств части складируемых горных пород за
счет создания систем активного взаимодействия между их компонентами
Как указывалось выше, входящие в состав металлосодержащих горных
пород соединения, устойчивые в массиве природного месторождения, в
условиях хранения в ТМ подвержены различным изменениям: они могут
окисляться, восстанавливаться и т.п., образуя при этом растворимые в воде и
мигрирующие в массиве объекта соединения. В результате выветривания,
происходящего под влиянием механических, химических и др. факторов, в
массиве ТМ возникают две группы продуктов: подвижные, уносимые с места их
образования, и остаточные (несмещенные). Осаждение подвижных продуктов
возможно в определенных условиях, которые, в свою очередь, могут быть
созданы при формировании ТМ.
В настоящее время существует большое разнообразие схем формирования
техногенных месторождений. Разработаны конкретные способы их
целенаправленного формирования с сохранением и улучшением качественных
характеристик металлосодержащих пород. Наиболее эффективным способом
улучшения качественных показателей складируемой рудной массы является
создание в горном массиве техногенных месторождений геохимических
барьеров для осаждения и концентрации полезных компонентов.
Большая часть геохимических барьеров в пределах техногенных
месторождений создается за счет чередования слоев с контрастными
геохимическими свойствами. При этом взаимное расположение слоев и тип
подстилающего слоя в основании отвала устанавливается в зависимости от типа
складируемых пород и руд, особенностей миграции полезных компонентов и
вида геохимического барьера.
Целенаправленное улучшение свойств полезных ископаемых в горной
массе отвалов - это геохимический процесс, включающий отделение одного или
нескольких компонентов от породы с помощью активных агентов или воды,
миграцию металлоносных растворов и осаждение полезных компонентов в
определенном объеме под действием геохимических барьеров.
С учетом этого принципа разработана ресурсовозобновляющая технология,
основанная на перераспределении металлов в отвальном массиве и включающая
целенаправленную
(селективную
или
комбинированную)
укладку
содержащей
23
полезные компоненты разнокачественной горной массы с созданием
геохимических барьеров (обуславливающих резкую смену геохимической
обстановки пород). При этом целью улучшения свойств рудной массы является
обогащение ограниченной части техногенного минерального объекта до
промышленных значений. Это дает возможность получения техногенных руд
для последующего их вовлечения в металлургический передел.
Под способом внутриотвального обогащения понимается обеспечение
возможности перераспределения металлов в отвальном массиве, основанное на
каком-то конкретном природном эффекте или явлении, обеспечивающее в
комплексе улучшение исходного качества складируемых пород.
При этом составными частями способа внутриотвального обогащения будут
являться следующие виды технологических процессов:
физико-механического обогащения,
электрохимического обогащения,
электромагнитного обогащения,
радиационно-химического обогащения,
бактериального обогащения.
базовые принципы внутриотвального обогащения являются общими для
большинства металлов. Их отличительными особенностями являются: условия
окружающей среды (климат, рельеф местности), форма миграции
компонентов, вид и устройство геохимических барьеров, характер
перераспределяемых материалов. На рис. 3 показано несколько вариантов
схем техногенных месторождений. Рассмотрим применение схемы
внутриотвального обогащения на примере складирования золотосодержащих
пород. Такая схема обеспечивает перераспределение в техногенном
месторождении золота и концентрацию его в объеме слоя пород с
искусственным геохимическим барьером (рис. 4).
Участок для размещения отвала покрывают слоем 1 горных пород с
фильтрационными свойствами мощностью около 0,5 м. Затем отсыпают слой
3, состоящий из горных пород, играющих для золота роль геохимического
барьера, мощностью около 2 м. Это могут быть породы, содержащие
гидрооксиды и оксиды железа. Выше слой 2, состоящий из
золотосодержащих пород и некондиционных руд, мощностью 8 - 10 м.
Боковые откосы отвала экранируют слоем 5 пород с антифильтрационными
свойствами. Поверхность отвала обрабатывают растворами цианитов (Na3CN),
создающими щелочную среду выщелачивания. Золото вместе с пиритом
образует легкорастворимые соединения NaAuS2, и Na3AuS2 и в их составе
мигрирует в водном растворе и проходит через геохимический барьер 4, где
происходит разложение образованных соединений оксидами железа с
выделением самородного золота и пирита.
2Na2AuS2+3FeCO3 → 2Au+3FeS2+3Na2CO3
Избыток воды удаляется через фильтрационный слой (1). При этом золото
концентрируется в объеме барьерного слоя (3), где его содержание может
достигать промышленных значений - 5 - 6 г/т.
24
Рис. 3. Схемы (а - в) формирования техногенных месторождений с созданием
геохимического барьера чередованием слоев разнокачественных пород:
1 — фильтрационный слой, 2 - слой с низким содержанием полезных
компонентов, 3 - барьерный слой, 4 - геохимический барьер, 5 - экранирующий
слой, 6 - слой некондиционного полезного ископаемого, 7 антифильтрационный слой
Рис. 4. Схема формирования техногенного месторождения золота
1 - фильтрационный слой, 2 - слой с низким содержанием
полезных компонентов, 3 - барьерный слой, 5 - экранизирующий слой, 7 антифильтрационный слой
25
После обогащения руд техногенного месторождения породы
золотосодержащего барьерного слоя подлежат отработке и впоследствии
подаются на переработку.
Внутриотвальное обогащение некондиционных руд цветных металлов в
общем случае подчиняется тем же закономерностям, что и обогащение
золотосодержащих руд.
6.ТЕХНОЛОГИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ
ТЕХНОГЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
Перевод вещественного состава горной массы ТМО в подвижное
состояние возможен различными способами, основанными как на воздействии
реагента на породу, так и на самих свойствах породы. Известны три
наиболее распространенных и экономически приемлемых способа - физикомеханический, химический и комбинированные (табл. 4). Однако агенты, с
помощью которых осуществляется перевод полезного ископаемого в
подвижное состояние, могут быть различными. Так механическое воздействие
включает взрывы, разрыхления, вибрацию, гидроразрыв и пескоструйную
обработку полезного ископаемого. К физическим относятся способы подземной
выплавки (серы, озокерита) и возгонка (киновари). При химическом
воздействии используют различные жидкости, химические вещества и
растворители. К химическим способам относится выщелачивание растворами
кислот, щелочей, солей и других реагентов минералов и химических элементов
из горной массы:
К комбинированным способам относится бактериологический способ.
'Таблица 4
Способы перевода полезных ископаемых ТМО в подвижное состояние
Подвижное
состояние
Жидкое (раствор,
расплав)
Гидромеханическая смесь
Геох имическ ие способы
Физические
Плавление,
перегонка,
нагрев
Гидропневморазрушение
Химические
Выщелачивание,
растворение
Растворение
связующего
вещества,
матрицы
Комбинированные
Химические реакции с
бактериальным
воздействием
Диспергирование
поверхностноактивными веществами,
химическими
реагентами
26
Бактериологический способ позволяет вести масштабное извлечение цветных,
редких, благородных и других металлов и химических элементов из
забалансовых руд, отвалов горнодобывающих. обогатительных и
металлургических предприятий, бедных промышленных руд и отработанных
месторождений полезных ископаемых. В настоящее время применяют
следующие способы бактериально-химического извлечения урана, цинка, меди
и других металлов: подземное, кучное и чановое. Комбинированные способы
основаны на совместном использовании химических и биологических
процессов и бактериальных превращений.
Возможность применения того или иного геотехнологического способа
обусловлена технологическими свойствами полезного ископаемого и
условиями его залегания. Главным условием применения геотехнологических
способов переработки полезных ископаемых является реальная
возможность и экономическая целесообразность перевода минеральной массы
под воздействием различных рабочих агентов в подвижное состояние.
Выщелачивание полезных ископаемых
Под выщелачиванием полезных ископаемых понимают селективное
растворение полезных компонентов, направленную миграцию рудосодержащих
техногенных растворов и последующее извлечение (осаждение) из них ценных
элементов. В настоящее время этими способами можно извлекать из рудной
массы такие металлы, как Аи, Ag, Zn, Pb, Си, U, Co, Mo, Re, Zn, Sc, лантаноиды
и др.
В промышленных масштабах применяются кислотное выщелачивание
растворами кислот и тиомочевины, щелочное выщелачивание растворами
цианидов и бикарбонатов, а также биохимическое выщелачивание.
Наиболее часто применяемые способы выщелачивания представлены на рис.5.
Рис. 5. Группировка способов выщелачивания металлов из руд месторождений.
27
Факторы, влияющие на применение выщелачивания полезных компонентов
При выборе способа выщелачивания полезных компонентов из рудной
массы необходимо выделить ряд факторов, определяющих возможность
применения конкретного способа для освоения того или иного техногенного
месторождения. Эти факторы можно подразделить на экономикогеографические, геолого-минералогические, инженерно-гидрогеологические,
экологические и технологические.
1. Экономико-географические факторы. Наиболее рентабельными являются
объекты выщелачивания, расположенные в районах с развитой
инфраструктурой вблизи действующих горнодобывающих предприятий.
Важное значение имеет климат района, который определяет
продолжительность сезона выщелачивания. Неблагоприятны районы с
выпадением обильных осадков. Отрицательное влияние на процессы
выщелачивания оказывают низкие температуры - замедляется процесс
выщелачивания. Непрерывность процесса выщелачивания достигается при
температуре не ниже 10ºС. Поэтому наиболее благоприятными для применения
технологии выщелачивания являются объекты, расположенные в районах с
умеренными осадками и продолжительным периодом положительных
температур.
2. Геолого-минералогические факторы. Среди этих факторов
определяющими являются химический и минералогический состав рудной
массы и вмещающих пород, содержание и запасы полезных компонентов,
форма нахождения металла в рудных минералах. Важно учитывать также
текстурно-структурные особенности минеральной массы, проницаемость,
трещиноватость, присутствие углеродистого вещества и др.
2.1. Вещественный состав руд. Состав руд влияет на процесс извлечения
металлов при выщелачивании. Степень растворения и извлечения полезных
компонентов зависит от:
- минеральной формы полезных компонентов;
- размеров выделения минералов;
- наличия сопутствующих минералов.
Минеральная форма полезных компонентов. В рудах полезные компоненты
могут находиться в свободном (самородном) состоянии и образовывать
различные химические соединения. Наиболее часто встречаются оксиды,
сульфиды, сульфаты, карбонаты, фосфаты, галоиды металлов, а также
металлоорганические соединения.
Например, хорошо подвергаются выщелачиванию руды, содержащие
природное золото, электрум, самородное серебро, акантит, керагирит. Металлы,
встречаемые в графитовом и углистом веществе выщелачиванием практически
не извлекаются. Силикатные и карбонатные минералы не реагируют с
растворителем
28
(цианидом) при выщелачивании. Сплошные и плотные пленки оксидов железа
также препятствуют растворению металлов.
Размер выделения минералов. Наиболее эффективно выщелачивание
тонкодисперсного золота при размере зерен менее 0,020 мм, так как мелкое
золото довольно быстро растворяется в реагенте, а для растворения крупного
золота необходим более длительный контакт с растворителем. Практически не
поддается прямому извлечению тонкодисперсное золото, заключенное в кварце,
поскольку реагент не может диффундировать в золотоносный минерал.
Наличие сопутствующих минералов. Эффективность выщелачивания золота
снижается при наличии в рудах значительных количеств сульфидов и других
минералов меди, сурьмы, мышьяка и железа, так как существенно
увеличивается расход цианидов. Присутствие малых количеств солей свинца,
висмута, меди ускоряют процесс выщелачивания благородных металлов
цианированием. Наличие в рудной массе включений твердых битумов, графита
и органического вещества (уголь, древесина) затрудняют процесс
выщелачивания,
поскольку
растворенные
металлы
адсорбируются
(восстанавливаются) углеродом и углистым веществом.
2.2. Литологический и вещественный состав вмещающих пород. Наиболее
хорошо процесс выщелачивания происходит в горной массе, сложенной
песчаниками и известковыми осадочными образованиями. В США
перерабатываются руды, добытые из вулканических и интрузивных пород,
вторичных кварцитов, однако это требует предварительно более мелкого
дробления горной массы. Глинистые и слюдистые минералы способствуют
слеживанию рудной массы в штабеле, затрудняют просачивание реагента.
Кроме того, некоторые глинистые минералы обладают сорбционной
способностью по отношению к растворенным полезным компонентам.
2.3. Запасы и среднее содержание полезных компонентов. По результатам
опытно-промышленных работ рентабельная переработка руд благородных
металлов возможна при запасах месторождения 0,5 - 15 млн. т по руде. Это
означает, что в связи с низкими капитальными вложениями в процесс
выщелачивания возможна рентабельная добыча руд на мелких по запасам
месторождениях техногенных образований. Содержание полезного компонента
определяется технико-экономическими расчетами. В мировой практике
переработка золотых руд целесообразна при среднем его содержании в горной
массе 0,5 - 1,0 г/т. Однако на большинстве действующих предприятий по
выщелачиванию содержание золота 1,0 - 3,0 г/т. При благоприятных условиях
содержание золота может быть снижено до 0,5 г/т, а серебра до 6- 8 г/т.
3. Инженерно-гидрогеологические факторы. Одним из основных
условий реализации процесса выщелачивания является взаимодействие
реагента с металлами. Интенсивность процесса прямо пропорциональна
удельному контакту
29
растворителя с минералами полезного компонента.
Важным показателем пригодности рудной массы для выщелачивания
является проницаемость. В зависимости от коэффициента фильтрации рудная
масса разделена на три группы (табл. 5).
Таблица 5
Гидрогеологические условия выщелачивания руд
Коэффициент
фильтрации,
м/сут.
< 0,1; > 10,0
Условия выщелачивания
Неблагоприятные
1,0-10,0
Малоблагоприятные
1,0-10,0
Благоприятные
Более благоприятны для выщелачивания пористые и трещиноватые рудные
фракции (куски), обладающие хорошими коллекторскими свойствами.
Немаловажное значение имеет и фильтрационная неоднородность руд и
вмещающих пород.
Для улучшения процесса выщелачивания применяют предварительное
дробление руды. Размер дробления для большинства типов руд 10-20 мм.
Для повышения проницаемости руд в глинистых образованиях перед
выщелачиванием их подвергают агломерации и окомкованию. Это достигается
добавлением к раздробленной руде по определенной технологической схеме
портландцемента. Эта операция уменьшает слеживание руды в штабеле,
повышает коэффициент фильтрации и сокращает время выщелачивания.
4. Экологические факторы. Экологические факторы определяют выбор
природоохранных мероприятий при выщелачивании металлов. К ним
относятся:
состав и строение пород основания под сооружениями установок кучного
и
траншейного
выщелачивания.
Благоприятна
однородность
и
непроницаемость пород основания;
гидрогеология бассейна поверхностных водотоков района площадки
выщелачивания. Желательно отсутствие временных водотоков.
В экологическом аспекте процесс выщелачивания является менее вредным
для окружающей природы производством по сравнению с классическими
способами отработки и переработки руд месторождений из-за следующих его
особенностей:
процесс кучного выщелачивания замкнутый: идет постоянный учет
оборотных растворов;
для выщелачивания используются забалансовые руды, т.е. происходит
более полное использование минерального сырья;
после завершения процесса горная масса промывается и обезвреживается,
т.е. получают чистые отвалы, не содержащие токсичные соединения,
отсутствуют хвосто- и шламохранилища.
30
5. Технологические факторы. Экономическая эффективность процесса
кучного выщелачивания обоснована на переработке низкосортных и
забалансовых руд, складируемых на земной поверхности. Важное значение
имеет выбор места площадок кучного выщелачивания. Они должны иметь
однородное основание, сложенное прочными породами с герметичными
свойствами. На территорию площадки выщелачивания не должны проникать
временные водотоки, оползни.
Кучное выщелачивание является наиболее простым и дешевым способом
извлечения полезных компонентов (ПК) из техногенных минеральных
образований. Капитальные и эксплуатационные затраты при KB составляют не
более 20 и 40% от затрат при извлечении ПК традиционными горнометаллургическими способами.
Наиболее пригоден метод KB для руд с относительно высокой
проницаемостью растворов по микро- и макротрещинам, плоскостям
напластования и скола, где, как правило, приурочена рудная минерализация.
Наиболее сложные условия для выщелачивания возникают, когда рудная
минерализация тонко вкраплена во вмещающей породе. Такие руды
необходимо предварительно дробить, что удорожает процесс выщелачивания.
Большое значение для эффективности процесса KB имеют правильная
предварительная подготовка и отсыпка рудной массы в штабели, оптимальный
способ орошения руды раствором реагента, способы интенсификации процесса
выщелачивания.
Режим движения растворов осуществляется по инфильтрационнокапиллярной схеме. Растворы просачиваются сквозь штабель руды и стекают
на гидроизолированное основание, откуда по дренажным трубам самотеком
поступают в отстойник прудок-накопитель. После отстаивания, осаждения
механических взвесей растворы подаются на сорбционный передел, полезные
компоненты осаждаются в колоннах сорбции на анионитовые смолы, а
маточные растворы сорбции доукрепляются реагентом на выщелачивание.
Насыщенная ПК смола поступает на десорбцию, ПК снимается со смолы в
регенерат (элюат), а смола направляется повторно в сорбционные колонны на
сорбцию.
При формировании штабелей KB используют различные типы
водонепроницаемых оснований:
- из уплотненной глины толщиной 0,15- 0,45 м;
- асфальтовые толщиной 0,1 - 0,3 м;
- полиэтиленовая пленка толщиной 0,5 - 2,5 мм между глинистыми
основаниями;
- пластиковые с крупнокусковым слоем руды для дренажа.
Площадки для KB готовят одноразового и многоразового использования.
Для площадок многоразового использования применяют двухслойные
асфальтовые покрытия толщиной от 50 мм до 100 - 150 мм с защитным слоем
между ними (глины, полиэтилен).
Конструктивно штабель кучного выщелачивания представляет
31
четырехугольную усеченную пирамиду, искусственно возводимую па рельефе
местности из техногенного минерального сырья, с боковыми поверхностями,
сформированными под углом естественного откоса отсыпаемой рудной массы. В
бордюре оставляется проход для заезда автотранспорта. Отсыпка штабеля
может осуществляться как автосамосвалами, так и конвейером. Для стока
растворов основание кюветы выполняется с уклоном 2 — 2,5°.
Водонепроницаемое основание под штабель KB является наиболее
ответственным и материалоемким сооружением. Выбор площадок для
сооружения штабелей KB производится в зависимости от инженерногеологических условий участка и технологических решений по выщелачиванию.
Инженерно-геологические изыскания - составная часть комплекса работ,
выполняемых для обеспечения проектирования KB исходными данными об
условиях участка строительства, а также прогнозирования изменений, которые
могут произойти при сооружении и эксплуатации штабелей КВ. При этом
должны быть изучены свойства грунтов, подземные воды, физикогеологические процессы и явления.
В зависимости от требований к выщелачиванию, инженерно-геологических
условий и рельефа местности площадки под штабели KB могут располагаться
как на поверхности с обустройством растворопроницаемых бортов по их
периметру, так и с заглублением в грунт, проходкой специальной кюветы.
Как правило, площадки в плане имеют прямоугольную форму, размеры
которой определяются объемами выщелачиваемого сырья. Для контроля за
утечкой продуктивных растворов в случае повреждения гидронепроницаемого
основания по периметру сооружаются наблюдательные скважины, из которых
периодически отбираются жидкие пробы.
Процесс орошения штабеля KB рабочими растворами - одна из главных
технологических операций кучного выщелачивания. На параметры орошения
влияет большое количество факторов: гранулометрический состав сырья, ею
активная пористость, физико-механические свойства, влагоемкость, высота
штабеля, формирование солевого состава по пути движения растворов,
концентрация растворителя с сырьем.
Уложенная в штабель рудная масса обладает высокой
растворопроницаемостью.
Это
обуславливает
большое
влияние
гравитационных сил на процесс инфильтрации и характер формирования
инфильтрационного потока.
Исследования на моделях свидетельствуют, что форма поверхности
фильтрационного потока имеет вид эллипсоида вращения, переходящего на
некотором расстоянии от источника орошения в круговой цилиндр. Плотность
выщелачиваемого потока изменяется от центра к периферии.
Процесс выщелачивания происходит в две стадии - прямое и диффузное
выщелачивание. Если минерализация полезного компонента на поверхности
омывается потоком раствора, происходит прямое выщелачивание.
Выщелачивание ПК, заключенного внутри кусков сырья, происходит за счет
молекулярной диффузии. В поры и микротрещины куска проникает раствор
(поровая жидкость). При наличии разности концентраций растворенного в
32
поровой жидкости ПК и подводимой к куску свежей порции раствора возникает
явление молекулярной диффузии. Ионы растворенного минерала движутся из
поровой жидкости в выщелачивающий раствор и вызывают одновременно
падение концентрации в поровой жидкости. При этом скорость диффузного
выщелачивания значительно ниже скорости прямого выщелачивания. На ход
процесса оказывает также влияние температура, растворонасыщенность
среды и окислительно-восстановительный потенциал (Eh). Орошение
выщелачиваемой массы осуществляется через систему оросительных
перфорированных труб, укладываемых по поверхности штабеля и соединенных
с подводящей магистралью. Расстояние между оросительными трубами и
перфорациями в трубах зависит от требуемой плотности орошения,
определяемой исходя из перечисленных выше факторов.
Из технологических факторов определяющее значение имеют те, которые
определяют активность растворов реагентов, свойства выщелачивания горной
массы и продолжительность процесса ее обработки (рис. 6).
Экономическая эффективность выщелачивания бедных и забалансовых
руд различными системами обеспечивается оптимальным режимом орошения и
подобранными реагентами, а также длительностью процесса.
По виду технологических реагентов выщелачивание металлов разделено на
следующие способы:
кислотное выщелачивание, заключающееся в воздействии на горную
массу растворов серной, соляной кислот, органокислот и различных
химических соединений, обладающих кислыми свойствами. Способ широко
используется при переработке руд урановых месторождений. Растворы серной
кислоты извлекают Си, Sr и U из проницаемой горной массы. Соляная кислота
растворяет сульфиды Мо и Zn, а растворы азотной кислоты позволяют
выщелачивать полезные компоненты из аргентита, висмутита, сфалерита и
других сульфидов;
щелочное выщелачивание, заключающееся в воздействии на руду растворов
карбонатов и бикарбонатов или аммония. Способ универсален для многих типов
природных руд, в том числе сульфидных Аи, Ag, Си, Со и оксидно-силикатных
урановых. Растворами цианистого натрия выщелачивается золото из
малосульфидных руд;
биогеохимическое выщелачивание, происходящее под воздействием
различных групп микроорганизмов, органических веществ и бактерий;
электрохимическое выщелачивание, где в качестве активного агента
используется электрический ток и продукты его воздействия на растворы.
33
Рис. 6 Технологические факторы выщелачивания металлов из руд.
34
Способы выщелачивания полезных компонентов
В данном разделе рассмотрены геотехнологические способы
выщелачивания, которые имеют широкое распространение в мировой практике
горнодобывающего производства.
Кислотное выщелачивание
Кислотное
выщелачивание
является
распространенным
геотехнологическим способом извлечения из руд ценных компонентов. В
качестве традиционных реагентов используются растворы кислот - серной
(азурит, куприт, целестин, оксиды урана), соляной (молибденит, сфалерит,
уранинит) и азотной (сфалерит, висмутин, аргентит и др.). К новым
растворителям металлов при кислотном выщелачивании относят растворы
тиомочевины, тиокарбамидов, тиосульфатов, различные галогениды и растворы
на основе различных соединений хлора.
Преимуществами кислотного выщелачивания является высокая степень
извлечения металлов из руды и растворов, менее затратная схема их подготовки
к выщелачиванию (дробление) и меньший период процесса.
Наиболее эффективно кислотное выщелачивание используется при
переработке алюмосилитных, силикатных и сульфидных руд.
Кислотное выщелачивание нецелесообразно применять для руд с высоким
(более 2%) содержанием карбонатов, так как на нейтрализацию разрушения 1 кг
СаСОз расходуется около 1 кг серной кислоты.
Выщелачивание металлов из руды растворами кислот
Реакция перевода металлов в ионное
происходит по следующей схеме:
состояние в кислой среде
MeS + 2NaCl + H2SO4 + 0,5О2→Na2SO4 + МеС12 + S + Н2О.
Процесс выщелачивания происходит в несколько стадий:
1. Окисление сульфидов за счет кислорода реагента
2FeS2 + 702 + 2Н2О→2FeSO4 + 2H2SO4.
2. Окисление сульфата закиси железа до сульфата окиси железа
4FeSO4 + О2 + 2H2SO4→2Fe2 (SO4 )3+ 2H2O.
3.Окисление урана и перевод его в растворимое состояние
35
U02 + Fe2(SO4)3 → UO2SO4 + 2 FeSO4.
4. Окисление сульфидов с образованием серной кислоты
FeS2 + Fe2(SO4)3 → 3 FeSO4 + 2S,
2S + 6 Fe (SO4)3 + 8H2O→ 12 FeSO4 + 8 H2SO4
На третьей и четвертой стадиях сульфат закиси железа играет роль
автокатализатора.
Таким образом, расход серной кислоты на выщелачивание урана и
содержащихся в минерализованной породе примесей определяется химическим
и минеральным составом и геохимическими условиями процесса
выщелачивания, поэтому разные компоненты пород при взаимодействии с
растворами H2SO4 переходят в раствор с различной интенсивностью.
Кремнезем слабо взаимодействует с серной кислотой:
H2SO4
SiO2 + H2O → H2Si03.
Стойким к взаимодействию с растворами H2SO4 является глинозем:
А12О3 + 3H2SO4 → A12(SO4)3 + 3H2O .
Выщелачивается не более 1 - 3% глинозема. Трудно растворяется и окись
трехвалентного железа:
Fe2O3 + 3H2SO4 → Fe(SO4)3 + ЗН2О.
Значительно лучше растворяется окись двухвалентного железа:
FeO + H2SO4 → Fe(SO4) + Н2О.
Карбонат железа полностью переходит в раствор:
FeCO3 + H2SO4 → FeSO4 + Н2СО3.
Карбонаты кальция и магния взаимодействуют с разбавленной H2SO4 с
образованием сульфатов:
CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 ↓ + Н2О + СО2;
MgCO3 + H2SO4 → MgSO4 + Н2О + СО2.
36
Растворимость образующегося гипса невелика - около 2 г/л, поэтому
основная масса его выпадает из раствора на поверхности, в микротрещинах и
микрокапиллярах кусков породы, кольматируя поровое пространство. Сульфат
магния вследствие высокой растворимости остается в выщелачиваемых
растворах.
Фосфор находится, как правило, в виде фосфорита Са3(РО4)2 или апатита
Ca5(PO4)3F(Cl), которые выщелачиваются по схеме:
Са3(РО4)2 + 3 H2SO4 → 2Н3РО4 + 3CaSO4↓;
Ca5(PO4)3F(Cl) + 5H2SO4 → 3 Н3РО4 + 5CaS04↓+ HF(HCI).
Практически весь фосфор переходит в раствор.
Расход реагента при кислотном способе выщелачивания определяется
свойствами неурановых минералов- вмещающих пород. При высоком
содержании карбонатов кислотный способ выщелачивания становится
экономически не выгодным. Выщелачивание меди из малахита происходит по
схеме:
Сu2 (СОз) (ОН)2 + 2H2SO4 → 2CuSO4 + СО2 + ЗН2О.
Извлечение меди
следующим образом:
из
силикатных руд и окислов достигается
CuSiO3+H2SO4+2H2O → CuSO4+3H2O+SiO2
CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O.
Повышение температуры и концентрации серной кислоты ускоряет
растворение минералов.
Кислотное выщелачивание сернокислыми растворами (с концентрацией 10
-40 г/л) применяется для переработки полиметаллических руд с получением из
них Zn, Cd, In, Си и Со. В отдельных случаях наблюдается перевод в растворы
Аи и Ag. Извлечение Zn, Cd, In, Co в промпродукт достигает 80-95%.
Выщелачивание благородных металлов тиомочевиной
Тиомочевинное выщелачивание протекает в кислой среде (рН = 1 - 3) в
присутствии серной кислоты. В качестве окислителя присутствует ион
трехвалентного железа.
Тиомочевинное выщелачивание отличается
высокой
37
селективностью для золота и серебра и мало растворяет железо, медь,
свинец, мышьяк и их сульфиды. Реакция растворения золота из руд протекает
по схеме:
C2S2(NH)2 (NH2) 2 + 2C2S2(NH: 2)2 + 2Au + 2H → 2 {Au[ CS(NH2) 2]}.
Извлечение золота и серебра из руд в раствор зависит от кислотности и
окислительно-восстановительного потенциала среды и концентрации
тиомочевины в растворе.
Для повышения эффективности тиомочевинного выщелачивания
благородных металлов применяют окислителя Н2О2 и Fe2(SО4)3 Сульфат железа
ускоряет процесс растворения золота и серебра, а перекись водорода снижает
концентрацию ионов железа в растворе, что улучшает процесс извлечения
благородных металлов из продуктивных растворов.
Для выщелачивания используют реагенты с концентрацией
тиомочевины 5 - 40 кг/м3. Скорость выщелачивания благородных металлов
значительно выше, чем при цианировании. Преимуществом этого способа
является низкая токсичность и небольшая коррозионная активность реагента,
что улучшает экологические условия проведения процесса.
Недостатки тиомочевинного выщелачивания заключаются в более высокой
стоимости процесса (свыше 25%) по сравнению с цианированием,
невозможностью разрушения тиомочевины в результате ее окисления, а также
невозможностью регенерации реагента электрохимическим способом.
Тиокарбамидное выщелачивание металлов
Извлечение золота и серебра сернокислыми растворами тиокарбамидов
является эффективным способом переработки благородных металлов из
полиметаллических руд. Данный процесс предусматривает обработку
полиметаллических руд тиокарбамидным раствором в присутствии
окислителей (Fe+3) и последующую адсорбцию тиокарбамида из раствора
активированным углем и адсорбцию Аи и Ag ионно-обменными смолами.
Завершающие стадии процесса заключаются в извлечении тиокарбамида из
активированного угля горячей водой и возвращения его растворов в процесс,
а также десорбции благородных металлов кислотами.
Гидрохлорирование металлов
Возможность извлечения золота и полиметаллов из сульфидных руд
молекулярным хлором в присутствии растворов азотной и серной кислоты
исследуется полупромышленными испытаниями. Для перевода полиметаллов
из рудной массы в раствор применяют азотнокислые хлорсодержащие
соединения. Из хлорсодержащих соединений в практике выщелачивания
используют хлорсодержащую воду и раствор хлористого натрия.
Гидрохлорирование металлов протекает по схеме:
38
MeS + 4НС1 → МеСl2 + H2SO4+ Н2O
Раствор хлористого натрия и серной кислоты взаимодействует с
сульфидами по схеме:
MeS + 2NaCl + H2SO4 + 0,5O2 → Na2SO4 + МеС12 + S0 + Н2О.
Гидрохлорирование имеет преимущества перед извлечением благородных
металлов цианированием за счет меньшей стоимости хлора по сравнению с
цианидами и более высокой скорости растворения полезных компонентов.
Совместно с золотом этот способ позволяет извлекать из сульфидных руд
металлы платиновой группы. Кроме того, данный способ использует более
простое осаждение золота при хлоринации и обезвреживания промышленных
стоков.
При гидрохлорировании оптимальное содержание хлористого натрия в
растворе колеблется в пределах 40 - 60 г/л, содержание H2SO4 около 5/л, что
способствует переводу металлов в хлоридные и сульфатные формы. В
последствии металлы выделяют в селективные товарные осадки в виде
гидрооксидов и карбонатов. Кальцинированием из них получают концентраты,
содержащие до 60% РЬ, 45% Zn и около 30% Fe.
Основным недостатком гидрохлорирования металлов является неполное
поглощение раствором хлора и его активная дегазация в атмосферу.
Щелочное выщелачивание металлов
Щелочное выщелачивание с использованием цианидных реагентов
интенсивно извлекает такие благородные металлы, как золото и серебро из
различных природных типов руд. В промышленном масштабе этот способ
эффективен для кучного выщелачивания с образованием устойчивых
цианидньгх комплексов золота и серебра в растворе.
Цианидное выщелачивание металлов
Цианидное выщелачивание в щелочной (рН = 9 - 10) среде в присутствии
окислителя (кислород) протекает по схеме:
4CN + О2 + Н2О + 2Аи → 2Au(CN)2 + Н2О + 2ОН .
В присутствии перекиси водорода цианирование происходит по схеме:
4CN+ Н2О2 + Аи → 2Au(CN)2 + 2ОН.
Раствор цианида наряду с растворением золота и серебра вступает в
реакцию с другими металлами. С одной стороны это способствует извлечению
других полезных компонентов, в частности меди, цинка и сурьмы, но, с
другой
39
стороны, цианиды вступают в реакцию с железом, мышьяком, что снижает
концентрацию растворителя и увеличивает расход реагента. Сера сульфидов
также взаимодействует с раствором цианида и понижает растворимость золота и
серебра при выщелачивании.
Недостатком выщелачивания растворами цианидов является повышенный
экологический риск данного процесса.
Карбонатное выщелачивание металлов
Карбонатное выщелачивание применяют для переработки руд цветных
металлов с высоким содержанием карбонатов (более 8 - 10%). Эффективно
карбонатное выщелачивание при применении окислителей (кислород,
перманганат). Процесс карбонатного выщелачивания протекает по схеме:
MeS2 + 8Na2CO3 + 7,5 О2 + 7Н2О → ЗМе(ОН)3 +8NaHCO3 + 4Na2SO4.
При карбонатном выщелачивании наблюдается повышенное селективное
воздействие на рудные минералы, что снижает расход реагента. К
положительным факторам также относится хорошее растворение минералов
ванадия и молибдена, что делает возможным их попутную добычу. Небольшое
коррозионное воздействие реагентов позволяет применять недорогое
технологическое оборудование.
Недостатками применения данного способа является высокая стоимость
реагента (в 2 раза дороже серной кислоты) и низкая, по сравнению с кислотным
выщелачиванием, степень извлечения металлов из рабочих растворов.
Биохимическое выщелачивание металлов
С помощью биохимического выщелачивания можно вести
крупномасштабное извлечение цветных, редких, благородных и других
металлов и химических элементов из забалансовых руд, отвалов
горнодобывающих, обогатительных и металлургических предприятий,
охранных целиков подземных горных выработок, бедных промышленных
руд и отработанных месторождений полезных ископаемых (рис. 7).
В мировой практике в настоящее время применяются следующие способы
биохимического извлечения меди, урана, цинка и других металлов: кучное и
чановое выщелачивание. В промышленных масштабах биохимическое
извлечение меди и урана из бедных забалансовых руд, отвалов обогатительных
фабрик и горнорудных предприятий применяется в двадцати странах. В США,
например, этими способами добывают около 20% меди.
При бактериальном выщелачивании сульфидные минералы (руды цветных
металлов более чем на 90% сложены сульфидами) окисляются и растворяются в
сернокислой среде в присутствии хемолитотропных тионовых
40
железоокисляющих бактерий. Из всех элементов Периодической системы Д. И.
Менделеева 60 могут концентрироваться или рассеиваться микроорганизмами.
При кучном выщелачивании меди из забалансовых руд во многих странах
себестоимость добытого таким образом металла в 2 - 5 раз меньше, чем
себестоимость меди, получаемой из промышленных руд пирометаллургическим
способом.
В России бактериально-химическое выщелачивание меди, цинка и
других металлов осуществляется из забалансовых руд и отвалов. Так, при
бактериальном выщелачивании золото-мышьяковистых руд, содержащих
золото в виде тончайшей (до эмульсионной) вкрапленности в арсенопирите
и пирите, тионовые бактерии разрушают (путем окисления) их
кристаллическую решетку и вскрывают золото, обеспечивая доступ к нему
растворителей (активных агентов). В результате достигается высокая
степень извлечения металлов (около 90%).
Рис. 7. Технологическая схема бактериального выщелачивания металлов.
41
Помимо воздействия на руды микроорганизмами, в настоящее время
разработан способ выщелачивания золота из бедных руд кулътуральными
растворами, вырабатываемыми гетеротрофными бактериями, содержащими
аминокислоты и белки. При использовании этого способа в щелочной среде
(рН 9-10) в присутствии окислителя (Na2O2) за 100 - 120 ч обработки
золотосодержащих песков извлекается около 70% золота. В результате
такого бактериального выщелачивания концентрация золота в растворе
составляет 0,3 - 2мг/л. Золото растворяется значительно быстрее в присутствии
таких продуктов метаболизма, как аминокислоты (при концентрации 4 г/л).
Особенно важную роль в бактериальном извлечении золота и других металлов
играют гетеротрофные микроорганизмы, продукты метаболизма которых
образуют
с
металлами металлоорганические соединения и комплексы.
Скорость растворения золота при этом увеличивается в 2 - 4 раза.
Растворимость золота существенно возрастает и в присутствии окислителя, а
также при использовании бактерий-мутантов: в то время как концентрация
золота в растворе при выщелачивании обычными бактериями составляет
около 0,4 мг/л, то в присутствии мутагенов она достигает уже величины 1,5-2
мг/л, т.е. увеличивается в 4 - 5 раз.
На извлечение золота в раствор в процессе бактериального выщелачивания
также значительное влияние имеют качество и количество подаваемого
окислителя. При увеличении концентрации окислителя с 0,01 до 0,03 моль/л
растворимость золота увеличивается в 2 - 3 раза. Исследование применения
различных
окислителей
для
интенсификации
растворения
золота
аминокислотами показало, что при использовании перманганата калия
содержание золота в растворах достигает 3 мг/л, в то время как с перекисью
натрия и персульфатом калия оно не превышает 1,2 мг/л.
Золото растворяется и продуктами метаболизма микроскопических
грибков-белковых экстрактов и гидролизатов, являющихся отходами
производства лимонной кислоты. Их получают на основе плесневых грибков
Aspergillus niger. Для этого продукты экстракции белков обрабатывают
щелочными растворами при температуре 20 - 25ºС, а затем в течение 2 ч
при 80 - 100 ºС. Эти условия обеспечивают наиболее полный гидролиз белков
до аминокислот. Растворимость золота в белковых экстрактах составляет 0,5
мг/л за 72 ч, в то время как в гидролизатах белка за тот же период она
достигает 1,13 мг/л. При этом оптимальной концентрацией растворов NaQH
при обработке белкового продукта является 200 г/л. В растворении золота
белковыми гидролизатами и аминокислотами немаловажную роль имеет
щелочность выщелачивающих растворов. Наибольшей растворимостью золото
характеризуется при концентрации едкого натрия от 20 до 50 г/л.
Среди факторов выщелачивания, миграции и осаждения металлов
необходимо также выделять оптимальную кислотность. Наиболее
благоприятной для функционирования бактерий является среда с рН = 2 -3,5.
При рН = 6 деятельность бактерий почти полностью прекращается, а при рН
= 9 они погибают. Очень важным фактором бактериального выщелачивания
является температура: максимальная активность бактерий наблюдается при
35°С; с
42
понижением температуры скорость бактериального окисления уменьшается, а
выше 50°С бактерии погибают. Солнечный свет тормозит деятельность
бактерий, ультрафиолетовое излучение уничтожает их. Выщелачивающее
действие некоторых видов бактерий сводится к окислению железа и серы до
высших оксидов с образованием легко растворимых в воде соединений сульфата
железа и серной кислоты. Известно, что сульфат железа в кислой среде является
хорошим растворителем и окислителем сульфидных минералов, содержащих
металлы (в том числе и уран в закисной форме). Серная кислота
взаимодействует с оксидами и дает растворимые в воде соли.
Процесс бактериального выщелачивания металлов из сульфидов может
быть представлен следующим образом:
2FeS2 + 7,5 O2 + H2O + бактерии = Fe2(SO4)3
Fe(SO4), взаимодействует с пиритом по реакции
FeS2+ Fe2 (SO4)3 + 8Н2О= 15FeSO4+ 8H2SO4
FeSO4 под влиянием бактерий вновь окисляется кислородом воздуха
до Fe2(SO4)3
2FeSO4 + 0,5О2 + H2SO4 + бактерии = Fe2 (SO4)3 + Н2О.
В результате окисления пирита образуются серная кислота и окислитель,
необходимые для дальнейшего выщелачивания рудных минералов. Растворение
урановых минералов при бактериальном выщелачивании протекает по тем же
реакциям, что и при сернокислотном выщелачивании:
Из этих реакций видно, что бактерии не оказывают непосредственного
выщелачивающего воздействия на урановые минералы, а лишь окисляют серу и
железо до высших соединений. Затем они переводят уран из четырехвалентной
в шестивалентную форму, легко переходящую в раствор в виде сернокислого
уранила.
Электрохимическое выщелачивание металлов из руд
Электрохимическое выщелачивание металлов из руд основано на
реакциях, протекающих в электрическом поле и на явлении электрофореза. При
43
этом осуществляется переход металлов в виде ионов, коллоидов в раствор.
Электрический ток выступает в качестве окислителя и восстановителя
элементов и обеспечивает определенную степень селективности растворения
металлов. В электрическом поле коллоидные частицы перемещаются к
противоположно заряженному электроду, где происходит их осаждение.
Положительно заряженные коллоидные частицы образуют водные оксиды
титана, хрома, кадмия, циркония и др.; отрицательно заряженные - золото,
серебро, платину, палладий, сульфиды Си, Pb, As, Sb и кремнезем.
Например,
при
наличии
в
технологических
растворах
субмикроскопического золота с размером частиц 0,1 мк и меньше образуются
коллоидные частицы золота с отрицательным зарядом. Под действием
электромагнитного поля они могут осаждаться на электроде с положительным
потенциалом.
Для электрохимического выщелачивания металлов используют как
переменный, так и постоянный ток в сочетании с химическими реагентами и
бактериями. В этом случае скорость растворения некоторых металлов
возрастает в 2 - 3 раза.
4.ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Среди техногенных месторождений выделены техногенные объекты,
спроектированные с учетом качества сырья, технологии будущей разработки и
изменения конъюнктурных условий. Они формируются целенаправленно с
обоснованием оптимальных геолого-технологических параметров (размеров,
формы, внутреннего строения, качества и количества техногенного сырья).
Оптимальные параметры техногенных месторождений позволяют применять
эффективную систему разработки, обеспечить сохранность качества
техногенного сырья, минимизировать геологоразведочные работы при их
освоении и предотвратить потерю существенной части земельных ресурсов.
Рациональная схема создания техногенных месторождений (складов
некондиционных руд, отвалов металлосодержащих пород, шламо- и
хвостохранилищ) основана на сохранении и улучшении качества складируемой
горной массы. Это, учитывая различные модели природного рудообразования,
достигается созданием геохимических барьеров. Геохимическим техногенным
барьером называется участок изменения геохимической обстановки в
складируемой минеральной массе, где уменьшается миграция элементов
(металлов) и, как следствие, происходит их концентрация, осаждение из
растворов
При формировании техногенных месторождений из разнокачественной
горной массы возможно Целенаправленное создание геохимических
барьеров, обусловливающих осаждение находящихся в растворах элементов в
ограниченном объеме. В зависимости от факторов рудоотложения
геохимические техногенные барьеры
44
разделены на механические, физико-химические и биохимические. В основе их
систематики заложены типы миграции химических элементов. Наиболее
простые - механические барьеры - участки резкого уменьшения
интенсивности механической миграции. К ним приурочены продукты
механической дифференциации и сепарации горной массы.
При изменении интенсивности физико-химической миграции в
участках изменения давления, температуры, окислительно-восстановительной,
щелочно-кислотной обстановки формируются физико-химические барьеры.
Биохимические барьеры образуются в результате уменьшения биогенной
миграции и концентрации элементов в бактериях и микроорганизмах.
Техногенные геохимические барьеры формируются в результате
хозяйственной и природоохранной деятельности человека.
Рассмотрим техногенные геохимические барьеры, играющие важную роль в
формировании техногенных месторождений. В образовании техногенных
барьеров могут участвовать механические, физико-химические и биогенные
процессы.
Геохимические барьеры делятся на классы, обозначаемые буквами
латинского алфавита. Они классифицируются по геохимическому фактору,
который обусловливает концентрацию элементов. В результате резкой смены
восстановительных условий окислителями возникает кислородный барьер (А).
Кислородный барьер формируется в местах смешения растворов в
восстановительной форме с окисленными соединениями и с
кислородсодержащими водами. В данной зоне среда становится
окислительной, на возникшем кислородном барьере осаждаются V, Fe, Mn, Со
и S. Образуются гидрооксиды железа и марганца. В процессе окисления
важную роль играют особые железобактерии.
Если кислородные воды (растворы) встречают на пути миграции
восстановительную среду, то возникают сероводородный (В) или глеевый (С)
барьер Восстановительный сероводородный барьер образуется в участках, где
мигрирующие растворы встречают на своем пути сероводородную обстановку.
Образование сероводорода в основном связано с деятельностью бактерий,
реже при этом имеют место химические реакции. На восстановительном,
сероводородном барьере осаждаются Си, Zn, Pb, Ag, Cd, U, Mo, Аи и многие
другие металлы. Этот барьер формируется в участках десульфуризации горной,
массы техногенных месторождений. С сероводородным барьером связана
концентрация пирита, галенита, сфалерита, аргентита и др.
Главный восстановительный геохимический барьер (С) отличается
изменением геохимической обстановки с окислительной перед барьером на
глеевую после него. На глеевом барьере концентрируются U, Se, Си и
осаждаются настуран, сидерит, вивианит, самородные медь, золото, селен и
многие другие минералы.
Условия миграции и концентрации большинства химических элементов
зависят также от активной реакции техногенных вод - величины рН. По
кислотно-щелочным
условиям
воды
разделяют
четыре
группы:
сильнокислые,
45
кислые и слабокислые, нейтральные и слабощелочные, сильнощелочные,
содовые (табл. 6).
Щелочной барьер (Д) отличается изменением геохимической обстановки с
нейтральной, кислой или слабощелочной перед барьером на более щелочную
после него. Он имеет особенно большое значение для концентрации
катионогенных элементов, поскольку они интенсивно мигрируют в кислой
среде. На щелочном барьере образуются многие классы минералов:
гидрооксиды, фосфаты, арсенаты, карбонаты, ванадаты и др.
Таблица 6
Основные геохимические типы техногенных вод
Щелочнокислотные
условия
Сильнокислые,
рНЗ
Окислительно-восстановительные условия
Кислородные
Сильнокислые
Глеевые
Сильнокислые
глеевые
Кислые и
слабокислые, рН
Кислые
Кислые глеевые
3 - 6,5
Нейтральные и
Нейтральные и
слабощелочные, Близнейтральные
щелочные
рН 6,5 - 8,5
глеевые
Сероводородные
Сильнокислые
сульфидные
Кислые
сульфидные
Нейтральные и
щелочные
сероводородные
Сильнощелочные,
Сильнощелочные
Содовые
Содовые глеевые
рН8,5
сероводородные
Искусственные щелочные геохимические барьеры играют важную роль при
инъекционном закреплении и цементации рыхлых строительных материалов.
Техногенные барьеры возникают и при подземном выщелачивании руд, при
закачке вод в скважины на нефтяных и газовых месторождениях с целью
поддержания пластового давления (при этом происходит смешение вод,
осаждается кальций и другие минералы).
Кислый барьер (Е) возникает при резком уменьшении показателя рН
растворов. Роль его в техногенном минералообразовании меньше, чем
щелочного. На кислом барьере накапливаются минералы кремнезема,
некоторые оксиды молибдена и урана. Нейтрализация щелочных техногенных
вод может привести к концентрации Ge и Se.
Для испарительного геохимического барьера (F) типично наличие сильно
минерализованных вод перед барьером и еще более минерализованных вод
после него, когда техногенные воды в замкнутом объеме испаряются. На
испарительном барьере происходит осаждение легкорастворимых хлоридов,
сульфатов, карбонатов и нитратов. Испарительный геохимический барьер
использован при формировании техногенных месторождений из рапы залива
Кара-Богаз.
На
испарительных
барьерах
возможно
интенсивное
минералообразование: Mg, V, Си, CL, J, Вг и др.
46
Сорбционный барьер (G) возникает на контакте техногенных вод с
природными
и
искусственными
сорбентами.
При
складировании
некондиционных окисляющихся сульфидных руд образуются высокие
концентрации Си, Zn. Ag и других металлов на глинистой фракции горной
массы. Наличие коллоидов способствует сорбции из слабоминерализованных
растворов ионов Li, Rb, Cs, Ni. Co, Cu, Pb, U, As, Mo и некоторых
радиоактивных элементов. Сорбция является важнейшим путем перехода
веществ из раствора в твердую фазу и широко используется для очистки
техногенных вод промышленных предприятий.
С проявлением термодинамических геохимических барьеров (Н) связано
окремнение и карбонатизация горной массы. Техногенные геохимические
барьеры можно использовать для создания техногенных месторождений
полезных ископаемых. Человечество в этом отношении имеет некоторый опыт.
Так еще в средние века с помощью дамб огораживали небольшие участки
моря, где происходило усиление испарения морской воды и осаждение
поваренной соли.
Концентрация элементов на физико-химических барьерах зависит от класса
барьера (А, В, С и др.) и от состава техногенных вод, поступающих к барьеру.
Систематика видов техногенных концентраций элементов показана в табл.7.
Каждый вид обозначен индексом, включающим символ барьера и типа вод
(например, А6, В4). Систематика построена по матричному принципу, который
позволяет выделять новые виды концентраций элементов в пределах хорошо
изученных техногенных месторождений.
Приведенная выше краткая характеристика геохимических техногенных
барьеров позволяет определить основные технологические схемы переработки
некондиционных руд цветных, благородных, редких и радиоактивных металлов.
Рассмотрим условия создания целевых техногенных месторождений с
использованием геохимических барьеров.
47
Таблица 7
Типы концентрации химических элементов на геохимических барьерах
Физико-химические
условия
1
Окислительновосстановительные
Щелочно-кислотные
Границы рН в зоне
гипергенеза
кислородный А
сульфидный
(сероводородный и др.)
В
глеевый С
щелочной Д
кислый Е
испарительный F
сорбционный G
термодинамический Н
Состав вод, поступающих к геохимическому барьеру
2
Кислородные воды
1. Сильнокислые
<3
3.Нейтраль2 Кислые и
ные и слабослабокислые
щелочные
3-6,5
6,5 - 8,5
> 8,5
А1
А2
A3
А4
В1
В2
ВЗ
В4
С1
Д1
F1
G1
HI
С2
Д2
Е2
F2
G2
Н2
С3
Д3
ЕЗ
F3
G3
НЗ
С4
Д4
Е4
F4
G4
Н
Окислительновосстановительные
Щелочно-кислотные
Границы рН в зоне
гипергенеза А
кислородный
сульфидный
(сероводородный и др.)
В
глеевый С
щелочной Д
кислый Е
испарительный F
сорбционный G
термодинамический Н
4.Сильнощелочные
(содовые)
Глеевые воды
7.Нейтральные
8.Сильнощелоч
и слабоные (содовые)
щелочные
6,5 - 8,5
>8,5
А7
А8
5.Сильнокислые
6.Кислые и
слабокислые
<3
А5
3-6,5
А6
В5
В6
В7
В8
С5
Д5
С6
Д6
Е6
F6
G6
Н6
С7
Д7
Е7
F7
G7
Н7
С8
Д8
Е8
F8
G8
Н8
F5
G5
Н5
48
Продолжение табл. 7
Окислительновосстановительные
Сероводородные воды
Щелочно-кислотные
Границы рН в зоне
гипергенеза А
кислородный
сульфидный
(сероводородный и др.)
В
глеевый С
щелочной Д
кислый Е
испарительный F
сорбционный G
термодинамический Н
9.Сильнокислые
<3
А9
10.(кислые
11
12.Сильноще
и
.Нейтральные
лочные
слабокислы
и слабо(содовые)
е
щелочные
3-6,5
6,5 - 8,5
>8,5
А10
АН
А12
В9
В10
В11
В12
С9
Д9
Е9
F9
G9
Н9
С10
Д10
ЕЮ
F10
G10
Н10
С11
Д11
Е11
F11
G11
Н11
С12
Д12
Е12
F12
G12
Н12
Медьсодержащие
техногенные
месторождения.
Большинство
сульфидов меди на складах некондиционных руд окисляются с образованием
оксидов, сульфатов и карбонатов под воздействием атмосферного
кислорода и растворяются.
Окисленные минералы меди легко растворяются в разбавленных растворах
серной кислоты по схеме:
CuCO3 • Cu(OH) 2 + 2H2SO4 → +2CuSO4 • 3H2O + CO2
или
2Cu2O + 4H2SO4 + O2 → +4CuSO4 + 4H2O .
При введении в реагент окислителя могут эффективно растворяться
минералы меди, находящиеся в низшем валентном состоянии, в том числе
сульфидные. Интересно отметить, что в ряде случаев для растворения
сульфидных минералов не требуется раствора серной кислоты, поскольку она
образуется за счет сульфидной серы в процессе окисления самого
растворяемого минерала, например, халькопирита:
CuFeS2 + 4O2 → CuSO4 + FeSO4.
49
Это свойство сульфидов меди используется при бактериальном
выщелачивании.
Медьсодержащие растворы, мигрируя в техногенном горном массиве,
попадают в участки действия геохимических барьеров, где происходит
осаждение полезных компонентов. Осаждение меди происходит в следующих
случаях:
при взаимодействии растворов с различными геохимическими
параметрами;
при взаимодействии медьсодержащих растворов с газами (прежде всего
сероводородом);
путем гидролиза и образования гидрантов в меди;
при сорбции из медьсодержащих растворов глинами, гидрооксидами
железа
Концентрация меди возникает на восстановительном сероводородном
геохимическом барьере, глеевом, а также на щелочных, сорбционных и
испарительных барьерах.
На щелочном барьере образуется сульфат меди, а на сероводородном
барьере осаждаются ее сульфидные соединения. При смешении хлоридных
растворов с карбонатными в осадок выпадают карбонаты меди. В результате
гидролиза растворов возникает минерал меди атакит Сu2(ОН)3Сl. Медь из
растворов прекрасно осаждается в результате адсорбции. Следовательно,
вследствие геохимических преобразований внутри горной массы техногенных
месторождений происходят процессы техногенного минералообразования и
образуются сульфидные, сульфатные, карбонатные медные руды.
Золотосодержащие техногенные месторождения. При хранении
золотосодержащих пород с содержанием золота 50 - 500 мг/т в отвалах и
складах в раствор переходит в основном тонкодисперсное золото, которо е
перераспределяется и мигрирует. Оно растворяется в водах отвалов особенно
интенсивно в сернокислой среде и в присутствии окислителей: диоксида
кислорода, оксида железа и меди. Растворителями золота могут быть и водные
растворы Fe2(SO4)3, СиСl2, CuSO4, NaCl, H2SO4. Растворение в отвалах
микроскопического золота колчеданных руд происходит при участии растворов
сульфата железа Выпадение золота в осадок из таких растворов возможно при
их встрече с сульфидными минералами. Золото образует легкорастворимое
соединение NaAuS2, которое устойчиво в щелочных сульфидных растворах, но
разлагается оксидами железа с выделением самородного золота Золото
растворяется также под действием активного хлора, который возникает в
результате реакции отвальных кислых вод, содержащих хлориды, с диоксидами
марганца и водой (МnО2 nН2О). Переход золота из рыхлой горной массы
происходит при участии аминокислот, гуминовых кислот в присутствии
окислителей. Растворение золота происходит под воздействием двух сильных
его растворителей — щелочных растворов бромидов и йодидов, которые,
реагируя с
50
разбавленной серной кислотой, образуют растворяющее золото химическое
соединение.
При окислении в условиях хранения горной массы техногенных
месторождений возможны сульфатные, тиосульфатные, сульфидные,
хлоридные и другие формы золота, переходящего в раствор. Золото может
мигрировать в форме галогенных и других неорганических комплексных
соединений, коллоидов, соединений с органическим веществом, в виде
суспензий и взвесей.
Техногенное осаждение золота в результате переотложения его из
растворов возможно на таких геохимических барьерах, как восстановительном,
кислородном, кислотном, сорбционном и испарительном. Следует отметить, что
самородное состояние золота не характеризует интенсивность миграции, а
свидетельствует только о форме осаждения из раствора, связанной с физикохимическими свойствами золота.
Урансодержащие техногенные месторождения. При окислении
урансодержащих пород в процессе их хранения в техногенных месторождениях
уран может переходить в раствор, мигрировать и осаждаться вновь.
Миграционные свойства урана зависят главным образом от минерального
состава руд и структурно-текстурных особенностей рудовмещающих пород,
фильтрационных свойств горной массы. В теле техногенного месторождения
уран в основном мигрирует в шестивалентном состоянии в виде уранилкарбонатных и уранил-гидроксильных комплексов.
Для растворения урана в горном отвале применяют растворы серной
кислоты (концентрация растворов 0,5 - 3%), а также карбонатов и бикарбонатов
натрия и аммония (0,5 - 5%) с добавлением в качестве окислителей перекиси
водорода, кислорода, гипохлоритов калия и натрия. В результате химического
взаимодействия растворов с урансодержащими горными породами и
минералами образуются хорошо растворимые соединения четырехвалентного
урана и уранил-иона Наличие в горной массе кислотоемких минералов и
соединений (карбонаты, органическое вещество, глинистые минералы)
приводит к выделению газообразных и твердых продуктов химических
реакций, приводящих к ухудшению проницаемости горной массы. Это
явление получило название кольматация.
Соединение урана активно мигрирует в окислительной обстановке, а его
осаждение происходит в бескислородной среде при наличии органических
веществ и сероводорода. Уран осаждается на восстановительном
геохимическом барьере, а также в результате сорбции. Наиболее активными
восстановителями урана являются продукты жизнедеятельности бактерий.
Техногенное минералообразование осуществляется на геохимических
барьерах
различных
типов:
восстановительных,
восстановительносорбционных, нейтрализационных кислотно-щелочных. Из геохимических
факторов, способствующих восстановлению урана и осаждению его из
растворов,
наиболее
эффективным
является
окислительновосстановительный потенциал Eh среды минералообразования. На
техногенных восстановительных барьерах образуются регенерированные
урановые черни и многие виды вторичных урановых
51
минералов (гидрооксиды, сульфаты, карбонаты и др.).
Иттрийсодержащие техногенные месторождения. К минералам,
содержащим редкоземельные -элементы (TR) иттриевой подгруппы, относятся
ксенотим, иттросинхизит, иттробастнезит и др. Среди иттриевых минералов
преобладают оксиды и силикаты. Фториды, карбонаты и фосфаты (кроме
ксенотима) редки. Иттрий образует различные комплексные соединения,
особенно с ионом фтора, а также карбонатные комплексы. Следует учитывать,
что иттрий по химическим свойствам является сильным основанием, поэтому
его соединения устойчивы к гидролитическому действию воды. Иттрий и его
соединения отличаются слабой водной и биогенной миграцией, хотя возможно
образование
металлоорганических
комплексных
соединений.
При
формировании отвальных массивов иттрийсодержащих пород следует иметь в
виду, что простые фториды, фосфаты и карбонаты иттрия в воде нерастворимы,
а его комплексные соединения Na3YF6 NaзY(СО3)3 и им подобные хорошо
растворимы в воде.
Соли карбонатов, сульфатов и нитратов дают хорошо растворимые
соединения с иттрием и другими TR. Оксиды и гидрооксиды иттрия имеют
слабоосновные свойства, нерастворимы в воде, но растворимы в минеральных
кислотах с образованием солей. Они осаждаются под воздействием щелочи или
аммиака на разбавленные водные растворы солей иттрия Сульфат иттрия
получают при растворении его оксида или гидрооксида в разбавленной серной
кислоте.
При формировании горного массива отвальных пород иттрийсодержащих
техногенных месторождений необходимо учитывать, что содержание TR в
водах отвалов возрастает с ростом их щелочности. Следовательно,
техногенное иттриевое минералообразование происходит при наличии
геохимических барьеров: щелочно-кислотного и восстановительного.
Литийсодержащие техногенные месторождения. По своим
геохимическим свойствам литий является переходным элементом от щелочных
к щелочноземельным металлам. Это проявляется в слабой растворимости
карбоната, фосфата и фторида лития. Однако хлорид и сульфат лития легкорастворимые соли. Слабая растворимость солей лития не оказывает
существенного влияния на миграцию лития из-за низкого его кларка (3,2-10%).
Геохимическая двойственность (дуализм) лития проявляется в том, что он в
растворах является аналогом натрия, а в минералах, как правило, аналогом
магния и железа.
В аридных условиях литий участвует в испарительной концентрации,
накапливаясь в солончаках и соленых озерах в виде концентрированных
рассолов. Рассолы, из которых выделяются твердые соли, называются рапой.
Техногенные месторождения лития связаны с саларами Южной Америки.
Салары отличаются исключительно высокой концентрацией лития в рапе (до
0,14%).
Технология комплексной переработки рапы основана на постадийном
солнечном упаривании рассолов с выделением лития в виде кристаллов
смешанной
52
соли KLiSO4. В результате постадийного упаривания рапы концентрация
лития в рассоле возрастает более чем в 25 раз. Полученная соль фактически
химический концентрат лития и калия (содержание лития до 5%), из которого
могут быть получены товарные калиевые и литиевые продукты. При
растворении кристаллов соли в воде и последующим воздействием хлористым
калием можно выделить сульфат калия. Из концентрированной рапы литий
извлекают действием кальцированной соды в виде карбоната лития. Товарный
продукт представляет собой 99,5% карбоната лития. Таким образом,
техногенные
месторождения
лития
формируются
при
участии
испарительного геохимического барьера. Применение схемы постадийного
солнечного упаривания .литийсодержащих рассолов обеспечивает высокий
уровень рентабельности переработки руд техногенных месторождений.
Себестоимость получения товарного продукта составляет 2,2 $/кг, что в 1,5 —
2 раза ниже действующих в настоящее время мировых цен на этот продукт.
8. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ И
ПЕРЕРАБОТКЕ УРАНСОДЕРЖАЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В основном экологическая безопасность урансодержащих техногенных
образований связана с радиоактивностью урановых руд и отходов их
переработки, которая контролируется содержанием природных радионуклидов
уранового ряда. Радиоактивность их оценивают по равновесной концентрации
урана-238 или по суммарной α-активности.
В зависимости от периода полураспада радионуклиды делят на
короткоживущие (менее года), средне- (от года до ста лет) и долгоживущие
(более ста лет).
Общая радиоактивность складированных и переработанных техногенных
отвалов — природных источников излучения - связана с исходной
концентрацией в них урана: на каждые 0,01% урана приходится около 17,4
Бк/г (477,5 пКи/г) активности природных радионуклидов - дочерних изотопов
ряда 238U.
Наиболее опасным из природных радионуклидов является 222Ra в связи с
его сравнительно высоким содержанием, большим периодом полураспада
(1620 лет) и выделением газообразного радона 222Rn (3,8 дня).
При выщелачивании руд при карбонатном режиме радий хорошо
переходит в раствор, следуя за материнским радионуклидом уран -238, а при
кислотном в раствор переходит не более 5% радия. Радон при выщелачивании
руд частично выходит в атмосферу, большая часть хорошо растворяется в
растворе, но быстро накапливается в результате диффузии по порам и
трещинам минеральной фракции.
Дочерние продукты распада радона подразделяются на короткоживущие
218
Ро (3,05 мин.), 2l4Pb (26,8 мин.), 214Bi (19,7мин.), 214Ро (164 мкс) и
долгоживущие 210РЬ (22,3 дня), 210Bi (5,01 дня), 210Ро (138,4 дня).
Поток радона в атмосферу связан с превышением его концентраций в
горной массе не менее, чем в 10 3 - 104 раз по сравнению с атмосферой.
Причем
53
такой высокий градиент концентрации радона сохраняется вследствие
непрерывной его генерации в цепочках радиоактивного распада 238U и :232Th.
Выход радона из твердой фазы определяется:
- эманированием (выходом Rn из минеральных зерен в поры, содержащие
воздух);
- непосредственным переносом Rn из минеральных зерен по порам в
атмосферу.
Согласно «Основным санитарным нормам (2000 г.) радиоактивные отходы
по агрегатному состоянию подразделяются на жидкие, твердые и газообразные.
К жидким радиоактивным отходам относятся не подлежащие дальнейшему
использованию органические и неорганические жидкости, пульпы и шламы. в
которых удельная активность радионуклидов более чем в 10 раз превышает
фоновые значения при поступлении с водой.
К твердым радиоактивным отходам относятся отработавшие свой ресурс
радионуклидные источники, не предназначенные для дальнейшего
использования материалы, изделия, оборудование, грунт, а также жидкие
отвержденные радионуклидные отходы, в которых удельная активность больше:
- 100 кБк/кг - для источников бета-излучения;
- 10 кБк/кг - для источников альфа-излучения;
- 1 кБк/кг - для трансурановых радионуклидов.
К газообразным отходам относятся не подлежащие использованию
радиоактивные газы и аэрозоли, образующиеся при производственных
процессах с объемной активностью, превышающей допустимый уровень
активности, приведенный в «Основных санитарных нормах (2000 г .)»
При переработке урансодержащей горной массы в атмосферу выделяются
радиоактивные газы:
- радон (222Rn) с периодом полураспада 3,8 дня (продукт 238U);
- торон (22ORn) с периодом полураспада 54,5 с (продукт 232Th);
- актинон (2I9Rn) с периодом полураспада 4 с (продукт 235U)
В последние годы разработан ряд пассивных радиометров для определения
концентрации изотопов Rn и их уровней активности, в частности с открытым
детектором или камерой с входным фильтром.
Также следует отметить трековые детекторы, в которых используются
полимерные пленочные материалы (лавсан, нитрат целлюлозы и др.). Метод
дозиметрии основан на «повреждении» полимерной пленки α-частицами с
образованием микроканалов и кратеров, которые путем щелочного травления
позволяют использовать их наблюдение и оценку под микроскопом.
Газообразные отходы по степени радиоактивности делятся на три группы:
- низкоактивные - до 3,7 Бк/м3;
- среднеактивные - от 3,7 • 10-3 до 37 кБк/м3;
- высокоактивные - более 37 кБк/м3.
Основными твердыми продуктами (источниками) радиоактивного
излучения являются: складированные балансовые и забалансовые руды,
вскрышные породы с урановой минерализацией, хвосты радиометрического
54
обогащения, хвостохранилища ГМЗ, а также штабели кучного и отвального
выщелачивания. В процессе их хранения происходит распад значительного
количества
короткожинущих
природных
радионуклидов
(периоды
234
234
полураспада
Pa и
Th соответственно 71 с и 24,1 дня), активность которых
составляет до 70% от радиоактивности перерабатываемой руды.
Основной вклад в радиоактивность при сернокислотном выщелачивании
урана вносят 226Ra. Причем активность его возрастает с увеличением выхода
тонких минеральных фракций.
В целом на урановорудных предприятиях основную массу твердых,
жидких и газообразных радиоактивных отходов составляют низкоактивные
отходы и лишь незначительную - среднеактивные.
Близость химических свойств кальция и радия предопределяет возможность
последнего поглощаться мягкими тканями и кровью и аккумулироваться в
костной ткани.
Дозы облучения населения от техногенных источников ионизирующих
излучений в большинстве случаев относятся к малым, составляющим < 0,1 Зв с
мощностью дозы ≤ 0.1 Зв/год.
Исследователи считают, что радиационный риск при облучении в малых
дозах ничтожно мал и высказывают предпосылку, что фоновая радиация была и
остается одним из необходимых факторов возникновения и эволюции жизни на
Земле.
Воздействие процессов кучного выщелачивания урана на природную среду
Основным источником экологического воздействия на окружающую среду
при KB урана являются:
рабочие площадки и остаточные кучи (штабели), отчуждение земель и
нарушения при этом природного ландшафта;
остаточные
продуктивные
растворы
источник
загрязнения
поверхностных и подземных вод;
утечки рабочих подаваемых и продуктивных растворов.
Основные виды экологического воздействия:
просачивание остаточных рабочих растворов в подземные воды
(последствия
нарушения
гидродинамического
режима
растворов,
неисправностей трубопроводов, нарушение подстилающей штабель
экранизирующей поверхности);
разливы кислот и рабочих растворов на земной поверхности;
ветровая и водная эрозия штабеля.
Объекты техногенного воздействия - это природные и антропогенные
объекты окружающей среды, подверженные воздействию техногенных
источников.
Индикатор техногенного воздействия - показатель воздействия
техногенного источника, характеризующий модель загрязнения, нарушения или
изъятия в объекте окружающей среды. Применительно к загрязнению
выделяют
55
потенциальные индикаторы природного или технологического происхождения,
определяемые вещественным составом минерализованной рудной массы и
спецификой технологии переработки. Установление представительности
индикатора требует специального обоснования. Так, при оценке rawаэрозольного и пылевого воздействия принимается индикатор - пылевая
компонента, величина которой у источника составляет 100 - 1000 ПДК.
Гидрохимическое воздействие - загрязнение поверхностных и подземных
вод в результате сбросов промстоков, а также фильтрационные потери
отстойников и остаточных растворов КВ. Индикаторами воздействия являются
уран, тяжелые металлы, радионуклиды, рН среды, техногенные компоненты анионы SO42-, NO3-.
Радиационное воздействие характеризуется загрязнением природной среды
радионуклидами. Источник радиационного воздействия - аэрозольные и
пылевые, жидкие и твердые, как правило, низкоактивные отходы
(фильтрационные потери, пыление, остаточные рабочие растворы KB).
Индикаторы радиационного воздействия - величина активности Бк (Ku) и
удельные активности Бк/кг; Бк/м2 (Ku/кг, Ки/м3).
Отчуждение и изъятие земель. Этот вид воздействия характеризуется
невозможностью или ограниченностью последующего использования земель в
хозяйственных и других целях без применения мер санации (реабилитации).
Источники изъятия земель - площадь горного отвода, площадки KB,
трубопроводы, ЛЭП, дороги и другие элементы инфраструктуры.
Индикаторы воздействия - размер отчуждаемой площади - га, удельная
землеемкость продукции (расход площади земель на единицу продукции - га/т).
Объекты вероятного ущерба:
- участки верхних водоносных горизонтов, поверхностных горизонтов,
поверхностных водотоков и донных отложений, прилегающие к площадкам KB;
- участки приземной атмосферы, прилегающие к техногенным
месторождениям и остаточным кучам;
- участки земной поверхности и природного ландшафта, вмещающие
рабочие площадки;
- местные системы дренирования.
Основные природоохранные меры при KB урана
Одна из основных природоохранных мер - выбор технологии добычи и
переработки техногенных месторождений методами KB с минимизацией
негативных экологических последствий.
Меры по ограничению или предотвращению ущерба включают:
- обоснованный выбор площадок под строительство;
- обустройство рабочих площадок KB антифильтрационным слоем для
предупреждения утечек выщелачивающего раствора;
- подготовку рабочих площадок к складированию отходов и при
необходимости снятого почвенного слоя в виде специальных буртов: при
этом
56
определяется местоположение с учетом рельефа местности, розы ветров, а
также характер водоотводных гидротехнических сооружений;
- раздельное складирование отходов по видам потенциальных техногенных
воздействий на окружающую среду;
- захоронение бытовых отходов в процессе эксплуатации объектов КВ.
Основание площадок для KB (и складирования отходов) является обычно
многослойным и обладает высокими гидроизолирующими характеристиками.
На практике установлено, что для сохранения целостности гидроизоляции
кроме специальных полимерных пленок можно использовать также
асфальтирование, бетонирование и природные материалы. Форма штабеля
техногенных руд или отходов должна обеспечивать его устойчивость и сток
дождевой воды.
Меры по ликвидации ущерба предусматривают:
- водную промывку и нейтрализацию (при необходимости) выщелоченной
горной массы;
- сбор остаточных растворов, их обработку, например, путем сорбции
полезных компонентов, нейтрализации, захоронение или утилизацию;
- изолирующее покрытие штабелей (куч) отходов для ослабления
радоновыделения с противоэрозионной засыпкой;
- перемещение (захоронение) при необходимости промытых (и
нейтрализованных) отходов штабелей (куч) в отвало- или хвостохранилища или
в подземные горные выработки;
- дезактивацию почв промплощадок, загрязненных радионуклидами, до
уровней, превышающих фоновые не более, чем в небольшое число раз,
согласно концепции «разумно достижимых нижних уровней»;
- рекультивацию нарушенных земель промплощадок с восстановлением
при необходимости их сельскохозяйственной, реакреационной ценности,
снятие и захоронение или дезактивацию (очистку) загрязненного слоя почвы,
замену при необходимости его свежей почвой, выравнивание поверхности
рабочих площадок.
При повышенном содержании в руде сульфидов их бактериальное
окисление может привести к образованию серной кислоты даже после водной
промывки отработанной руды. В этом случае при перемещении штабеля
сульфидсодержащей отработанной руды необходимо добавление в нее
известняка.
Если отвалы складированы в виде штабелей (куч) и остаются на
поверхности земли, то должна быть обеспечена долговременная стабильность,
контроль инфильтрации осадков и выделение радиоактивного и химического
загрязнения, интеграция с окружающим ландшафтом.
57
Использование природных цеолитов для улучшения экологической
безопасности па предприятиях кучного выщелачивания
Природные цеолиты — каркасные водные алюмосиликаты общего состава
(Li, Na, K)x (Mg, Ca, Sr, Ba)y • (Alx+2Y SizO2X+4Y+2Z) • nН2О - выделены в
самостоятельную группу минералов в 1856 г.
Основные характеристики природных цеолитов приведены в табл. 8.
Каркас природных цеолитов образован сочленением через общие вершины
алюмо- и кремлекислородных тетраэдров АlO4 и SiO4.
Их каркасы отличаются строго регулярной структурой каналов и
сообщающихся между собой полостей, в которых заключены молекулы воды и
катионы щелочных и щелочно-земельных металлов. Катионы, компенсирующие
избыточный заряд анионной части алюмосиликатного скелета цеолита,
обладают достаточной подвижностью и могут замещаться на другие катионы.
Первичная единица в кристаллах цеолитов - тетраэдрический комплекс,
состоящий из небольшого катиона, такого как Si4+ тетраэдрически
координированного с четырьмя ионами кислорода. Замещение кремния на
алюминий приводит к появлению избыточного отрицательного заряда, который
должен быть нейтрализован дополнительным ионом, расположенным во
внутрикристаллических полостях структуры. Если тетраэдры SiO4 или А1О4
соединяются общими ионами кислорода в трехмерную решетку, образуются
каркасные структуры. Число тетраэдров SiO4 от общего числа тетраэдров может
характеризоваться соотношением R = Si (Si + Al + Fe). Величина R в природных
цеолитах выше 50% (0,50 < R < 0,87).
По отношению Si/Al можно выделить три группы цеолитов:
высококремнистые (3) - ферьерит, морденит. клиноптилолит, гейландит;
промежуточные (3 - 2) - филлипсий, оффретит, фожазит, шабазит;
высокоалюминиевые (< 2) - томсонит, натролит, скалецит, мезолит, гоннардит.
С возрастанием содержания алюминия в цеолитном каркасе увеличивается
обменная емкость. Однако, как правило, одновременно понижается химическая
и термическая устойчивости, а зачастую и эффективный диаметр входных окон.
В
практическом
отношении
наибольший
интерес
представляют
высококремнистые и промежуточные цеолиты.
58
Таблица 8
Основные характеристики цеолитов
Минерал
Морденит
Клиноптилолит
Эрионит
Шабазпт
Филлипсит
Структурная
формула
Плотность,
г/см3
Na8[(A102)8(Si02)40]
• 24Н,О
2,08 -2,16
Na>Ca>K,
Si/Al=4,4-5,5
Na6[(A102)6(SiO2)30] •
• 24Н2О
2,11-2,20
Na>K> Ca
Si/Al=4.0-5.4
(Na2 K2Ca)Al2Si8O12•
•27H2O
2,02-2,16
Na>K> Ca,
Si/Al=3,0-4,0
Ca2[(AlO2)4SiO2)8]•
•13H20
2,05Ca>Na,
Si/Al=l,4-2,9
(K,Na)10[(AlO2)10
SiO2)22] • 20 H2O
2,15-2,19
K~Ca>Na,
Si/Al=1,7-2,4
Ионообменная
Объем
емкость, мг-экв/г
внутри
теоретич измерен кристаллич
еская
ная
еского
пространств
а,
2,6
1,8
0,273- 0,32
см /см3
2,7
2,0
0,28-0,32
3,0
1,8
0,36
2,3
0,47
2,1
0,31
3,9
3,6
Число молекул цеолитной воды, а также других молекул, которые могут
быть адсорбированы дегидратированным цеолитом, определяются объемом
свободного внутрикристаллического пространства. Классификация природных
цеолитов, в зависимости от соотношения Si : А1, размера входных окон и
объема свободного внутрикристаллического пространства, определяет
возможные области использования их в качестве ионитов и адсорбентов.
Генетическая классификация цеолитов показывает, что они могут
образовываться в широком спектре природных условий - от магматических до
поверхностных диагенетических.
Открытые более двухсот лет назад цеолиты используются в настоящее
время во многих сферах человеческой деятельности, включая и очистку
остаточных и сбросных продуктивных растворов в геотехнологическом цикле.
Внутрикристаллическое пространство цеолитов пронизано микрополостями
59
и каналами, в которых располагаются обменные катионы и молекулы волы.
Пористая структура, содержащая активные обменные катионы, определяет
адсорбционные, катионообменные и каталитические свойства этих минералов,
которые одновременно обладают высокой кислотоустойчивостью и
термостабильностью Обезвоженные при нагревании цеолиты способны
сорбировать молекулы различных веществ при условии, что размеры молекул не
превышают диаметр входных каналов («окон»). Молекулы большого диаметра
«отсекаются» цеолитовыми фильтрами на входе в каналы. Именно на этом
основан молекулярно-ситовый эффект цеолитов. В растворах цеолиты
достаточно быстро обменивают свои катионы (К, Na, Ca, Mg, Ba и др.) на
поступающие катионы из раствора.
Путем обработки растворами щелочей, кислот или прокаливанием можно
регенерировать
(восстановить)
«загрязненные»
цеолиты,
а
также
модифицировать их свойства в зависимости от технологических задач.
Месторождения цеолитов в России
Из более сорока природных разновидностей цеолитов только
ограниченное количество их удовлетворяет требованиям для использования
на практике В России в настоящее время [фактическую ценность имеют
месторождения гейландита и шабазита. Они сосредоточены в 15 основных
месторождениях с содержанием цеолитов 50 - 70%. Эти месторождения
располагаются в Сибири. Забайкалье, Приморье, на Сахалине и в Якутии-Саха
Промышленные залежи цеолитов формируются в процессе
диагенетического или метасоматического изменения вулканического стекла,
как правило, туфов, туффитов, перлитов кислого и среднего состава
моложе девонского возраста. Решающим фактором образования богатых
цеолитовых
месторождений
является
вулканическая
деятельность,
сопровождающаяся накоплением в водном бассейне центового материала,
либо поствулканическая деятельность.
Сведения о распространении цеолитов в России приведены в работе
«Цеолиты России», 1997.
Очистка растворов выщелачивания от радионуклидов и тяжелых металлов на
природных цеолитах
Изучение химического состава остаточных растворов выщелачивания
показало наличие в них повышенного (против фона и ПДК) содержания 226Ra, 230Th
(иония). 2I0Po, 210Pb.
Предлагается способ дезактивации загрязненных радионуклидами
растворов выщелачивания с использованием высококремнистых природных
цеолитов. Цеолит пригоден в качестве формы хранения радиоактивных
изотопов, так как легко подвергается превращениям в результате нагревания,
например, в
60
стекло или керамику. Также отличается высокой устойчивостью по
отношению к радиоактивным излучениям и относительно хорошей обменной
емкостью и селективностью по отношению к l37Cs. 90Sr, 226Ra и другим
радионуклидам. Так, например, содержание 137Cs при исходной
концентрации п • 10 -4 Ки/л после взаимодействия растворов с цеолитами
снижается до n • 10-8 Ки/л.
Исследованиями выявлено, что наилучшие результаты получены на
цеолитах, которые в своем объеме содержат сернокислый барий.
Для расширения области применения сорбционной очистки жидких отходов
от тяжелых металлов - меди, молибдена, хрома, кадмия и др. разработан
способ, включающий фильтрацию жидкости через сорбент, содержащий в
своем объеме сернокислый барий. Непосредственно перед очисткой жидкости
или вместе с ней в объем цеолита вводят сульфат-ионы, что позволяет после
окончания процесса сорбции проводить регенерацию (восстановление) цеолита.
Это вызвано тем, что сернокислый барий - практически нерастворимое
соединение, поэтому его размещение в структуре цеолита в принципе
невозможно и в то же время соль бария является высокоактивным
адсорбентом для целого ряда химических элементов. Для получения
указанного соединения непосредственно на каркасе цеолита сначала
замещают катионы цеолита катионами бария (например, хлористого бария),
а затем вводят в цеолит сульфат- ионы, обеспечивая тем самым получение
сернокислого бария непосредственно в каркасе цеолита, т.е. соединения,
характеризующегося высокой сорбционной емкостью. При взаимодействии
очищаемого раствора выщелачивания с цеолитом, в каркасе которого
находится сернокислый барий, последний может изоморфно замещаться
стронцием, радием и другими элементами.
Пропускание очищаемой жидкости через сорбционную колонку,
заполненную цеолитом, прекращают после того, как концентрация
катионов металла, от которого очищается жидкость, на выходе из колонны
превысит ПДК, после чего приступают к регенерации цеолита. При
регенерации используют растворы соляной (0,1 - 1,0 N) или азотной (1 - 2
N) кислоты, которые после обработки дают растворимые соли бария.
Полученные растворы захоранивают.
Скорость фильтрации растворов в колонне составляет 3,5 м/час,
отношение (ж : т) - 5,1 м3/т, отношение высоты колонны к диаметру 10 : 1.
Это однозначно свидетельствует, что природные цеолиты являются
достаточно надежным, эффективным и относительно дешевым средством
глубокой очистки остаточных растворов выщелачивания.
9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
СТРУКТУРЫ СОЛЕВОГО СОСТАВА РАСТВОРОВ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ
ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В программах охраны окружающей среды на горнодобывающих
предприятиях (рудниках) одной из главных задач является поддержание на
61
уровне ПДК солевого состава поверхностных и подземных вол.
формирующихся при воздействии атмосферных осадков на горную
минерализованную массу. складированную на земной поверхности.
Смешанный, большей частью минералого-химический состав таких
техногенных образований, относящийся, в основном, к карбонат-сульфатсульфидсодержащим, приводит со временем к интенсивному развитию в них
бактериально-химических процессов и созданию благоприятных
гидрогеохимических условий для разрушения (естественного выщелачивания
минералов) твердой фазы атмосферными осадками, обогащенными
кислородом воздуха
Анализ физико-химических процессов естественного выщелачивания
техногенных месторождений позволяет выявить закономерности кинетики
выщелачивания кальция, магния, железа, урана и сульфат-иона — основных
компонентов, формирующих солевой состав дренажных вод; разработать
прогноз формирования загрязняющих растворов и изыскать эффективные
методы
замедления
или
временного
прекращения
процессов
естественного выщелачивания.
В основе таких исследований необходимо учитывать фактор
продуцирования серной кислоты в процессе разрушения сульфидной
минерализации химическим и бактериальным методами. Образующаяся на
контакте жидкой и твердой фаз сернокислотная среда приводит к
дальнейшему интенсивному процессу естественного выщелачивания
минерализованных пород.
Продуцирование серной кислоты происходит в результате реакций:
SO3 + Н2О → H2SO4;
2FeS2 + 7O2 + 2Н2О → 2FeSO4 + 2H2SO4;
Бактерии
4FeS2 + 15О2 + 2Н2О → 2Fe(SO4 )3+ 2H2SO4
Переход урана в раствор при взаимодействии спродуцированнои кислоты
с урановыми минералами:
UO3 + H2SO4 → UO2SO4 + Н2О;
SO4-2
UO3 + H2SO4 → UO2(SO4 )2+ H2O.
Извлечение кальция и магния в раствор при взаимодействии
продуцированной кислоты с карбонатными минералами:
СаСОз + H2SO4 → CaSO4 + СО2 + Н2О;
62
при содержании СaSO4 ≤ 2,0 г/л;
СаСО3 + H2SO4 → CaSO4 ↓ + СО2 + Н2О,
при содержании CaSO4≥ 2,0 г/л;
MgCо3 + H2SO4 → MgSO4 + CO2 + H20.
Извлечение железа в выщелачивающий раствор:
FeO + H2SO4 → FeSO4 + Н2О;
FeCO3 + H2SO4 → FeSO4 + СО2 + Н20;
FeO3 + H2SO4, → Fe(SO4 )3+ 3H2O.
Окисление в растворах сульфата двухвалентного железа в присутствии
кислоты:
4FeO3 + О2 + 2Н2 SO4 → 2Fe(SO4 )3+ 2Н2О.
Частичный гидролиз сульфата трехвалентного железа при
1,5 -2,0 >рН< 3.5 -4,0:
n Fe2(SO4)3 + n 6Н2О → n 2Fe(OH)3 + n 3H2SO4,
где n - доля сульфата трехвалентного железа, переходящего в
гидроокись трехвалентного железа.
Концентрацию продуцируемой в дренажных растворах H2SO4 можно
рассчитать по зависимости:
1,8 - pН др
C HSO = 10 ― , г/л,
X
где 1,8 - величина дренажных растворов при концентрации кислоты,
равной 1 г/л; рНдр - фактическая величина рН дренажных растворов; х эмпирический коэффициент, зависящий от солевого состава растворов,
изменяется от 0,8 до 1,0.
Извлечение в дренажный раствор кальция:
ИСа = С λ ДР • t, кг/т,
где ИСа - количество кальция, перешедшего в раствор из тонны
минерализованной породы, кг/т; С - показатель, характеризующий среднюю
концентрацию кальция в растворах, кг/м³, λ ДР - плотность дренажа растворов,
м³ /т•сут. ; t - продолжительность естественного вышелачивания пород/сут.
Переход в дренажный раствор магния:
63
Иn-(ΣSO4 2-)
И Mg =―
―
― • αMg, кг/т,
n
2И (ΣSO4 )0,5+ Иn(ΣSO4 2-)
где И(ΣSO4 2-)0,5 - суммарное расчетное извлечение сульфат-иона в раствор,
кг/м3,при котором достигается извлечение магния - 50%; αMg - исходное
содержание магния в горной массе, кг/т; n - эмпирический коэффициент,
равный 0,7 - 1,0, зависящий от степени окисленности горной породы;
И (ΣSO4 2-) - фактическое извлечение сульфат-иона в раствор, кг/м3.
Переход в дренажный раствор суммарного количества железа:
И ΣFe=х•ИSo, кг/т,
где х - показатель, учитывающий процентное количество железа в виде
Fe(OH) 3, равный 0,2 - 0,4.
Извлечение в дренажный раствор урана:
qn
И U =― • αU, м 3 /т,
q n 0,5+ q n
Где q – величина ж:т, м³/т; q0,5 - расчетная величина ж : т, при которой
достигается коэффициент извлечения урана в раствор εv = 50%, м3/т; αU исходное содержание урана в минерализованной породе, кг/т, n - показатель,
учитывающий
особенности
фильтрационных
свойств
орошаемых
атмосферными осадками техногенных образований и зависящий от их
грансостава, равен 0,65 — 0,85.
Из приведенных химических формул и математических зависимостей
следует, что одним из превалирующих факторов нахождения ионов в растворах
является присутствие сульфат-иона, поэтому смена геохимической среды
способствует замедлению интенсивности разрушения минеральной фазы.
Искусственная смена гидрогеохимической обстановки сернокислотной на
щелочную путем орошения отвалов минерализованных пород щелочными
растворами (Na2CO3, NaOH, Са(ОН)2) позволяет временно замедлить процесс
разрушения сульфидных минералов в результате процессов химической
кольматации и, тем самым, существенно понизить концентрацию солей в
дренажных водах, сбрасываемых в гидрографическую сеть.
64
Заключение
Развитие минерально-сырьевой базы в настоящее время невозможно без
освоения техногенных месторождений. Утилизация техногенных минеральных
месторождений позволяет экономить природные топливно-энергетические,
металлургические и горно-химические ресурсы. Освоение техногенных
месторождений позволяет существенно увеличить производство строительных
материалов.
Существенный
эффект
освоения
техногенных
месторождений
заключается в снижении вредного воздействия техногенных минеральных
образований на окружающую среду.
Следует учитывать, что по мере развития технологических методов
переработки руд возрастает роль в минерально-сырьевой базе целенаправленно
сформированных техногенных месторождений. Эти месторождения занимают
особое место в системе недропользования, так как обеспечивают сохранность
рудных и сопутствующих им компонентам и повышают комплексность
освоения недр.
Возможность
формирования
техногенных
месторождений
на
искусственных геохимических барьерах позволяет учитывать влияние способа
и технологии будущей разработки. Это позволит помимо комплексного
освоения техногенных месторождений снижать экономический ущерб от
загрязнения окружающей среды и нарушения земель техногенными
образованиями.
65
Список литературы.
1.Бойцов В.Е., Пилипенко Г.Н. Геолошя месторождений благородных
металлов. М.: изд. МГГА, 1997.
2.Верчеба А.А., Бортников А.Я. Геология и разведка месторождений
полезных ископаемых. М.: изд. МГГА, 1995.
3.Верчеба А.А. Геохимия, минералогия и геология месторождений
металлов платиновой группы. М.: изд. МГГА, 1997.
4.Водолазов Л.И., Дробаденко В.П., Лобанов Д.П., Малухин Н.Г.
Геотехнология. Кучное выщелачивание бедного минерального сырья. Учебное
пособие. М.: изд. МГГА, 2000.
5.Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли. Под ред. акад.
К.Н. Трубецкого. М.: изд. АГИ, 1997.
6.Коняев В.П., Крючкова Л.А., Туманова Е.С. Техногенное минеральное
сырье - России и направление его использования // Инф. сб. М., 1994. Вып. 1. 42
с.
7.Кроткое В.В., Лобанов Д.П., Нестеров Ю.В. и др. Горно-химическая
технология добычи урана. М.: изд. «ГЕОС», 2001.
8.Маркелов СВ. Методы исследований в геотехнологии. Учебное
пособие, М. Изд. МГГРУ, 2002.
9.Полезные ископаемые. Под ред. И.Ф. Романовича. М.: Недра, 1992.
10.Прогрессивные технологии добычи и переработки золотосодержащего
сырья. М.: Недра, 1994.
11.Романович
И.Ф.,
Наседкин
В.В.
Промышленные типы
месторождений неметаллических полезных ископаемых. Месторождения
драгоценных камней. М.: изд. МГГА, 1995.
12.Синяков В.И. Геолого-промышленные типы рудных месторождений.
С.-Петербург: Недра, 1994.
13.Теоретические
основы
развития
горнодобывающих
и
перерабатывающих производств Кыргызстана. Под ред. акад. Н.П. Лаверова.
М.: Недра, 1993.
14.Трубецкой К.Н. и др. Классификация техногенных месторождений,
основные категории и понятия. Горный журнал,№12,1989.
15.Трубецкой К.Н., Уманец В.Н., Никитин Н.Б. // Комплекс, использ.
минер, сырья, 1987, №12. С. 18-23.
16.Трубецкой
К.Н.,
Чманец
В.Н.
Комплексное
освоение
техногенных месторождений. Горный журнал,№ 1, 1992.
17.Чайников В.В., Крючкова Л.А. Практика использования техногенных
ресурсов черной и цветной металлургии в России и за рубежом. М.: Недра, 1994.
18.Чантурия В.А., Корюкин Б.М. // Проблемы геотехнологии и
недроведения: (Мельниковские чтения): Докл. междунар. конф. Екатеринбург:
УрО РАН, 1998. Т.З.С.26..
66
Оглавление
Введение ......................................................................................................................... 3
1.Техногенные минеральные ресурсы................................................................................. 4
2.Источники техногенные минеральных ресурсов ........................................................ 6
3.Систематика техногенных месторождений ................................................................ 10
4.Мегодика исследования и оценки техногенных месторождений ........................... 17
5.Перспективы
комплексной
переработки
техногенных
минеральных
образований......................................................................................................................... 17
6.Технология извлечения полезных компонентов из техногенных минеральных
образований......................................................................................................................... 25
7.Особенности техногенных месторождений ................................................................ 43
8.Экологическая
безопасность
при
формировании
и
переработке
урансодержащих техногенных месторождений ............................................................ 52
9.Физико-химические
закономерности формирования
состава
при
растворов
естественном
структуры
выщелачивании
солевого
техногенных
месторождений ................................................................................................................... 60
Заключение ........................................................................................................................................64
Список литературы .....................................................................................................................65
Подписано в печать /0 06.03 Объем 4,0 п.л. Тираж /100 экз. Заказ № 45.
Редакционно-издательский отдел МГГРУ. Москва, ул. МиклухоМаклая, 23