Разработка месторождений методами выщелачивания

     Подземное выщелачивание цветных металлов известно с 16 в. (Испания), в крупных  промышленных масштабах метод впервые  освоен на медном руднике Кананеа  в Мексике (1924г) и на медноколчеданных месторождениях Урала (1939--42гг). Урановые руды разрабатываются ПВ с 1957г. ПВ применяется в ряде стран (США, СССР, Франция, Япония, ГДР и др.); в 1974г этим способом было получено 20% мировой добычи меди.

     Сущность  подземного выщелачивания ПИ заключается  в избирательном переводе полезного  компонента в жидкую фазу путем управляемого движения растворителя по руде в естественном залегании или подготовленного к растворению и подъему насыщенного металлом раствора на поверхность. С этой целью через скважины, пробуренные с поверхности в пласт полезного ископаемого нагнетается химический реагент, способный переводить минералы полезного ископаемого в растворимую форму. Раствор, пройдя часть рудного пласта, через другие скважины поднимается на поверхность и далее по трубопроводу транспортируется к установкам для переработки.

     Важнейшими  природными предпосылками применения ПВ являются способность ПИ и его  соединений переходить в раствор  при воздействии на рудный пласт  водного раствора выщелачивающего  реагента, а также возможность  фильтрации выщелачивающих растворов в породах продуктивного горизонта.

     Выбор растворителя для ПВ зависит от состава  руд. Наиболее широкое применение находят  водные растворы кислот (серной, соляной, азотной) или соды.

     ПВ  применяется при добыче урановых руд, цветных и редких металлов (медь, никель, свинец, цинк, золото и др.). Имеются предпосылки использования его для добычи фосфоритов, боратов и др.

     Важным  фактором повышения эффективности  добычи методом ПВ является правильный выбор схемы размещения технологических  скважин и расстояний между ними. В практике эксплуатации месторождений в основном применяется линейная схема расположения скважин, представляющая собой чередование рядов нагнетательных и откачных скважин. Расстояния между рядами и скважинами в ряду колеблются в широких пределах (15 - 50 м и более). Наиболее широкое распространение получила схема 25х50 м.

     2.2. Бактериальное выщелачивание

     Бактериальное выщелачивание, избирательное извлечение химических элементов из многокомпонентных  соединений посредством их растворения  микроорганизмами в водной среде. Благодаря бактериальному выщелачиванию появляется возможность извлекать из руд, отходов производства и т. д. ценные компоненты (медь, уран и др.) или вредные примеси (например, мышьяк в рудах чёрных и цветных металлов). Впервые запатентовано в США (1958) применительно к извлечению меди и цинка.

     Бактериальным выщелачиванием можно пользоваться при всех способах выщелачивания, не связанных с повышенными давлениями и температурой. Наиболее широко для  бактериального выщелачивания применяют  тионовые бактерии: Thiobacillus ferrooxidans, способные  окислять сульфидные минералы и закисное железо до окисного (так называемые железобактерии), и Th. thiooxidans (так называемые серобактерии). Тионовые бактерии являются хемоавтотрофами, т. е. единственный источник энергии для их жизнедеятельности - процессы окисления закисного железа, сульфидов различных металлов и элементарной серы. Эта энергия расходуется на усвоение углекислоты, выделяемой из атмосферы или из руды. Получаемый углерод идёт на построение клеточной ткани бактерий. Th. ferrooxidans окисляют сульфидные минералы до сульфатов прямым и косвенным путём (когда микроорганизмы окисляют сернокислое закисное железо до окисного, являющегося сильным окислителем и растворителем сульфидов):

     Важнейший фактор бактериального выщелачивания - быстрая регенерация сернокислого окисного железа тионовыми бактериями (Th. ferrooxidans), что в некоторых случаях ускоряет процессы окисления и выщелачивания. Оптимальная температура для развития тионовых бактерий 25--35°C, а pH от 2 до 4. Тионовые бактерии ускоряют растворение халькопирита в 12 раз, арсенонирита и сфалерита в 7 раз, ковелина и борнита в 18 раз по сравнению с обычными химическими методами.

     В значительных промышленных масштабах  бактериальное выщелачивание применяется  для кучного извлечения полезных ископаемых (меди и урана) из руд на месте их залегания. Например, экономически целесообразно извлекать бактериальное выщелачивание медь из забалансовых сульфидных руд. Это осуществляется водными растворами Fe² (SO₄)³ в присутствии Al²(SO₄)³, FeSO⁴ и тионовых бактерий Th. ferrooxidans. Раствор подаётся по шлангам в скважины, пробурённые в рудном теле (рис.3); бактерии и сульфат окиси железа окисляют сульфиды меди по схеме:

     В различных странах ведутся исследования по выщелачиванию с участием тионовых бактерий для извлечения мн. металлов (Zn, Со, As, Мп и др.). Ведутся работы по выявлению бактерий иных видов для извлечения др. полезных ископаемых. Например, для растворения и извлечения золота предложено использовать гетеротрофные бактерии Aeromonas, выделенные из рудничных вод золотоносных приисков.

     Простота  аппаратуры для бактериального выщелачивания, возможность быстрого размножения  бактерий, особенно при возвращении  в процесс отработанных растворов, содержащих живые организмы, открывает возможность не только резко снизить себестоимость получения ценных полезных ископаемых, но и значительно увеличить сырьевые ресурсы за счёт использования бедных, забалансовых и потерянных (например, в целиках) руд в месторождениях, отвалов из отходов обогащения, пыли, шлаков и др. В перспективе бактериальное выщелачивание открывает возможности создания полностью автоматизированных предприятий по получению металлов из забалансовых и потерянных руд непосредственно из недр Земли, минуя сложные горнообогатительные комплексы.

     Выщелачивание (иногда - варка), перевод в раствор (обычно водный) одного или нескольких компонентов твёрдого вещества с помощью водного или органического растворителя, часто при участии газов - окислителей или восстановителей. Примеры выщелачивания: щелочное извлечение лигнина из древесины, растворение в горячей воде сахара из свёклы и сахарного тростника, извлечение металлов из руд и концентратов. Выщелачивание включает по меньшей мере два процесса: химический - перевод одного из веществ в растворимое состояние, и физико-химический - растворение в воде.  

       Перед выщелачиванием твёрдое вещество в случае необходимости подвергают механической обработке (дробление, измельчение) и химической - вскрытию (окисление или восстановление в пульпе, обжиг, спекание, сульфатизация и др.). Назначение вскрытия - перевод труднорастворимых соединений в легкорастворимые (сульфидов в сульфаты, высших окислов в низшие). Вскрытие совмещается с выщелачиванием, например, при окислительном автоклавном выщелачивании сульфидных руд и концентратов. Типичные промышленные растворители: вода, водные растворы кислот (в основном серной и соляной) и щелочей (аммиак, едкий натр), солей (углекислый натрий или алюминий), цианиды. 

     Выщелачивание осуществляется перемешиванием («агитацией») мелкого твёрдого материала с жидким растворителем в контакте с газообразным реагентом, например, воздухом (выщелачивание золотых, урановых руд и сульфидных концентратов и др.), просачиванием (перколяцией) жидкого реагента через неподвижный слой твёрдого (выщелачивание меди из окисленных руд, алюминатов из спечённых бокситов). 

     Выщелачивание периодически или непрерывно, прямоточно или противоточно обычно проводят в чанах с механическим, пневматическим или пневмомеханическим перемешиванием при атмосферном давлении; в чанах без перемешивания (в перколяторах или диффузорах); в трубчатых реакторах; в автоклавах при повышенных давлениях и температурах. 

       Избирательность выщелачивания определяется химическими свойствами и концентрацией растворителя, структурой твёрдого вещества и его физико-химическими свойствами, растворимостью соединений выщелачиваемого вещества в данных условиях. Скорость выщелачивания зависит от удельной поверхности раздела твёрдое - жидкость (т. е. от размера частиц твёрдого), разности концентраций растворителя и химических реагентов на поверхности твёрдого и в объёме, вязкости растворителя, величины коэффициента диффузии, интенсивности перемешивания (уменьшение диффузионного слоя, ускорение растворения газообразных реагентов), температуры (увеличение констант скорости реакции и диффузии), парциального давления газообразного реагента (кислорода, сернистого ангидрида и др.) над раствором, концентрации растворимого окислителя, например, сульфата железа. Чаще всего В. как гетерогенный процесс протекает в диффузионной области, хотя возможны смешанные диффузионно-кинетические или кинетические режимы. 

       Интенсификация выщелачивания достигается одновременной сорбцией выщелачиваемого компонента на смолах (так называемое диффузионное выщелачивание), внесением бактерий (см. Бактериальное выщелачивание), применением повышенных температур до 300°С и давлений до 5 Мн/м² (50 кгс/см²) - автоклавное выщелачивание. Иногда выщелачивание осуществляется в режиме «кипящего слоя», с виброперемешиванием, с ультразвуковой кавитацией. 

     Выщелачивания проводят из отвалов бедной руды (кучное выщелачивание) или непосредственно из рудного тела, если руда пористая или трещиноватая. Для создания необходимой трещиноватости руду разрыхляют путём взрывов с использованием обычных взрывчатых веществ или атомных зарядов (подземное выщелачивание). В этих случаях растворы подают на руду сверху, обогащённые (просочившиеся через неё) растворы собирают в выработках снизу, подают их на установку для выделения металла и обеднённый раствор после регенерации растворителя возвращают для повторного использования. 

       Эффективность выщелачивания определяется полнотой извлечения ценных компонентов, концентрацией извлекаемых компонентов и вредных примесей в конечном растворе, расходом материалов, электроэнергии, пара, затратами рабочей силы, скоростью процесса.

     2.3. Кучное выщелачивание

     Перспективы применения кучного выщелачивания  для переработки золотосодержащей горной массы базируется на значительном объеме экспериментальных исследований по обоснованию параметров инфильтрационных процессов, при которых массообмен между твердой и жидкой фазами протекает при неполном заполнении выщелачивающим реагентом порового пространства предварительно раздробленной и уложенной в штабель руды. 

       В настоящее время в золотодобывающей  промышленности для извлечения  золота из руды нашли широкое  применение цианиды. В своей деятельности ОАО «МНПО «Полиметалл», являющийся одним из крупнейших холдингов в сфере добычи драгоценных металлов, самым серьезным образом подходит к вопросам экологического характера при работе с опасными реагентами.

     Цианид  представляет собой весьма часто встречающееся в природе соединение, образующееся в процессе различных биохимических реакций. Большинство растений синтезируют органические соединения, содержащие цианистые гликозиды. Многие хорошо известные продукты, такие как салат, кукуруза, сладкий картофель, фасоль, миндаль содержат цианиды. Есть цианистый водород и в сигаретном дыме. Химический анализ показывает общее содержание цианида в миндале около 2 ррм., а в сигаретном дыме 1600 ррм.

     Цианид  натрия - это ключевой ингредиент раствора, применяемого для процесса извлечения золота методом кучного выщелачивания. Цианидный ион CN^- образует с золотом и серебром настолько прочные комплексные соединения, что становится возможным процесс окисления благородных металлов кислородом воздухам и их переход из руды в раствор. Помимо NaCN (концентрация 0.1%) в выщелачивающий раствор обязательно добавляется щелочь (гидроксид натрия или кальция) для предотвращения выделения из него цианистого водорода.

     Главными  типами руд, пригодных для цианирования и цианидного кучного выщелачивания, являются:

     - окисленные вкрапленные руды;

- сульфидные руды, в которых благородные металлы не являются тесно ассоциированными с сульфидными минералами;

- руды коренных месторождений и россыпи, содержащие тонкое золото или частицы с высоким отношением площади поверхности к весу.

     Ниже  приводятся более детальные характеристики свойств руд, с точки зрения их пригодности для кучного выщелачивания  цианидными растворами:

- наличие благородных металлов, поддающихся растворению цианидами;

- нахождение золота в форме очень тонких или же уплощенных частиц;

- высокая пористость и проницаемость пород, заключающих орудинение;

- отсутствие в руде углистого материала и других сорбентов - вызывающих преждевременную адсорбцию либо осаждение золота и серебра из выщелачивающего раствора;

- низкое содержание в руде цианисидов, металлоцианидных комплексов, "оттягивающих" на себя цианиды и нарушающих ход реакции растворения;

- низкое содержание в руде глинистого компонента и других тонких фракций, препятствующих равномерной циркуляции выщелачивающего раствора (если в исходном материале для штабеля чрезмерно много такого материала, необходима его предварительная агломерация);

- отсутствие в руде кислотообразующих ингредиентов, обуславливающих повышенное потребление цианида и материалов подстилки.

     Следовательно, кучному выщелачиванию подвергают легкообогатимые руды, в которых  золото и серебро находятся преимущественно  в цианируемой форме, т.е. свободное (самородное) или в сростках в  основной своей массе. К такому виду сырья можно отнести окисленные руды или коры выветривания коренных месторождений, отработка которых возможна открытым способом, а также смешанные руды без четкого разграничения между окисленными и первичными их разновидностями, забалансовые рудные отвалы, техногенное сырье (лежалые хвосты золотоизвлекательных фабрик и обогатительных фабрик) и текущие хвосты переработки золотосодержащих руд.