Способ комплексного внутриотвального обогащения и доизвлечения металлов

Изобретение относится к области развития технологии комплексного химического и электрохимического доизвлечения металлов из хвостов, шламов и обедненных руд непосредственно в местах их складирования: в хвостохранилищах, шламонакопителях, горных отвалах. Технический результат: повышение эффективности концентрирования металлов на подвижном геохимическом барьере, повышение степени доизвлечения металлов из дренажных вод и повышение экологической безопасности окружающей среды. Способ заключается в том, что формируют слой из хвостов, шламов или обедненных руд (далее шламов) на водоупорном основании, размещают внутри слоя шлама, по крайней мере, одну скважину для подачи химических реагентов, по крайней мере, одну скважину для размещения угольного анода, генерирующего кислород, размещают, по крайней мере, три цементационные пары С анод - Al катод, две из которых помещают в тело шлама, а третью - в дренажный колодец вместе, по крайней мере, с одним угольным или алюминиевым катодом. В качестве химических реагентов используют водный раствор серной кислоты или смесь серной кислоты с сульфатом железа (+3), преимущественно смесь концентрации 0.15М H₂SO₄+0.15M Fe₂(SO₄)₃. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области развития технологии комплексного химического и электрохимического доизвлечения металлов (цинка, свинца, меди, кадмия, никеля, кобальта и благородных металлов), преимущественно из хвостов, шламов и обедненных руд непосредственно в местах их складирования: в хвостохранилищах, шламонакопителях, горных отвалах.

Известно достаточно большое количество патентов по способам внутриотвального обогащения горных пород, например (RU 2002951 С1, 15.11.1993), металлосодержащих пород, например (RU 2013551 С1, 30.05.1994), некондиционных руд, например (RU 2060391 С1, 20.05.1996).

Для всех способов общими признаками является формирование дренажного, обогащаемого, выщелачиваемого слоев, наличие перфорированных трубопроводов, обработка выщелачиваемого слоя химическими реагентами, при этом обогащаемые растворы удаляют через дренажный слой. Общим недостатком таких способов является низкая эффективность извлечения металлов.

Известен способ внутриотвального обогащения и переработки некондиционных руд, преимущественно содержащих никель (RU 2058483 С1, 20.04.1996).

Способ заключается в следующем: первоначально формируют дренажный слой, затем обогащаемый (адсорбционный) слой из некондиционных металлсодержащих (на примере никеля) руд на основе минералов - осадителей никеля, преимущественно минералов с некомпенсированными зарядами слоев, после чего производят формирование выщелачиваемого слоя из никельсодержащих сульфидных пород; в период хранения горной массы в процессе гипергенеза происходит выщелачивание никеля из выщелачиваемого слоя и миграция никельсодержащих растворов в обогащаемый слой, где никель осаждается на геохимическом барьере, далее техногенные руды перерабатывают путем электродиализа.

Известное изобретение позволяет повысить эффективность перераспределения в отвальном массиве никеля, однако последующее его извлечение имеет достаточно низкий коэффициент.

Известен способ выщелачивания металлов переменным электрическим током, включающий вскрытие рудной залежи скважинами, размещение в них обсадных колонн, фильтров, оголовков и электродов, подачу технологических растворов и электроэнергии, при этом выщелачивание металлов из руд ведут при совпадении частоты подаваемого переменного электрического тока с частотой собственных оптических колебаний решетки выщелачиваемых минералов при частоте подаваемого переменного электрического тока, равной 10¹³ Гц, в результате происходит выщелачивание металлов из руд и миграция металлоносных растворов к откачной скважине, через которую их извлекают на дневную поверхность и направляют далее, на гидрометаллургический завод (RU 2105877 С1, 27.02.1998).

Способ достаточно эффективен для извлечения металлов из рудных залежей, но малоэффективен для обедненных руд, шламов и отвалов, содержащих металлы на уровне ниже 0,1%. Кроме того, способ требует дополнительного извлечения металлов из обогащенных растворов вне места разработки.

Патентные исследования показали, что в настоящее время нет эффективных способов внутриотвального обогащения и доизвлечения металлов из хвостов, шламов и обедненных руд, которые могли бы быть использованы непосредственно в местах их складирования.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание принципиально нового способа комплексного внутриотвального обогащения и доизвлечения металлов из хвостов, шламов и обедненных руд как эффективных, экономичных и экологически безопасных способов формирования техногенных месторождений непосредственно в местах их складирования и переработки сырья вблизи горно-обогатительных (ГОК) и горнометаллургических (ГМК) комбинатов.

Техническим результатом способа является повышение эффективности концентрирования металлов на подвижном геохимическом барьере, повышение степени доизвлечения металлов из дренажных вод и повышение экологической безопасности окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что способ комплексного внутриотвального обогащения и доизвлечения металлов из шламов, хвостов или обедненных руд характеризуется тем, что формируют слой из хвостов, шламов или обедненных руд (далее шламов) на водоупорном основании, размещают внутри слоя шлама по крайней мере одну нагнетательную перфорированную скважину для подачи химических реагентов, по крайней мере одну скважину для размещения угольного анода, генерирующего кислород, размещение по крайней мере трех цементационных пар С анод - Al катод, две из которых помещают в тело шлама, а третью в дренажном колодце вместе, по крайней мере с одним угольным или алюминиевым катодом, предназначенным для доизвлечения металла из дренажных вод, при этом в качестве химических реагентов используют водный раствор серной кислоты или смесь серной кислоты с сульфатом железа (+3), преимущественно смесь концентрации 0.15М Н₂SO₄+0.15М Fe₂(SO₄)₃. В качестве химических реагентов могут быть использованы также сернокислые растворы отходов горно-обогатительных или горно-металлургических комбинатов.

Разработка способа имеет двойное назначение и направлена на:

1) формирование комплексных техногенных месторождений как средства возобновления минерально-сырьевых ресурсов;

2) снижение экологической нагрузки на окружающую среду (природные воды и атмосферу) в местах складирования и переработки хвостов, шламов и обедненных руд;

3) удешевление процессов окисления сульфидов и осаждения металлов в зоне вторичного обогащения с применением доступных реагентов крупнотоннажных химических технологий, используемых в практике конкретных ГОК и ГМК.

На чертеже представлен вариант схемы комплексного внутриотвального обогащения и доизвлечения металлов на примере шлама, где 1 - шлам, 2 - водоупорное основание, 3 - перфорированная нагнетательная скважина для подачи химического реагента, 4 - скважина, в которой расположен угольный анод, 5, три цементационные пары 6, 7 - дренажный колодец, в который помещен катод 8. Стрелками показано направление фильтрации раствора.

В качестве шлама использован шлам Садонской группы месторождений, содержащий кварц, полевые шпаты, карбонаты, пирит и рудные минералы: галенит, сфалерит, халькопирит. Количество анодов, катодов цементационных пар зависит от объема шламохранилища и может достигать до нескольких десятков единиц.

Сущность способа заключается в следующем.

В рамках эксперимента интенсификацию процесса окисления проводят комплексно, т.е. реагентным путем, посредством введения в нагнетательную скважину в качестве окислителя сульфидов раствора серной кислоты или смеси раствора серной кислоты и сульфата железа (0.15М H₂SO₄+0.15M Fe₂(SO₄)₃)) и электрохимически за счет генерации кислорода на угольных анодах. Основной процесс концентрирования - вторичное отложение сульфидов рудных элементов при взаимодействии их сульфатных растворов с обычно доминирующим пиритом или арсенопиритом и рассеянными исходными сульфидами рудных элементов. Дополнительный процесс, способствующий концентрированию и накоплению рудных элементов - гидролитическое образование гидроокиси железа на подвижном барьере при взаимодействии и нейтрализации сернокислых растворов с полевыми шпатами и карбонатами пород и хвостов обогащения. На перемещающемся фронте образования гидроксида Fe(III) при изменении рН от 1-2 до 5-6 происходит адсорбционное и соосадительное накопление тяжелых металлов. Частичный перехват и их концентрирование, а также мониторинг скорости перемещения геохимического барьера осуществляется катодами цементационных и нагруженных пар электродов, введенными в раствор ниже по потоку (например, в дренажный колодец или непосредственно в тело шламонакопителя).

При такой комплексной обработке шлама происходит хроматографическое перемещение металлов в виде сульфатных растворов по направлению фильтрации и вторичное адсорбционно-осадительное концентрирование рудных сульфидов в подвижном слое в направлении к дренажной системе, где осуществляют катодное доизвлечение металлов из растворов дренажных вод для их доочистки.

Применительно к условиям складирования в хвостохранилищах прудового типа это выглядит следующим образом. До основания хвостохранилища бурится система скважин, в которые помещают аноды, генерирующие кислород. Производится подача сернокислого раствора, но основная фильтрация потока - латеральная, по направлению к дренажной системе. Происходит окисление сульфидов и перевод тяжелых металлов в подвижное состояние. В процессе фильтрации раствор взаимодействует с карбонатами и сульфидами шлама и нейтрализуется. В дренажную систему приходит фильтрат (рН 5-7) с растворенными в нем металлами. В дренажный колодец помещают катод нагруженной пары (или катоды пар), который перехватывает и концентрирует на своей поверхности тяжелые металлы, тем самым доизвлекая их из раствора. Частичный перехват и концентрирование металлов производится цементационными и нагруженными парами, введенными непосредственно в тело шламохранилища (хвостохранилища).

Реагентное окисление сульфидов шлама раствором серной кислоты и сульфата трехвалентного железа описывается следующими реакциями:

(1) 2FeS₂+4Н₂SO₄=5S+Fe₂(SO₄)₃+4Н₂О

(2) FeS₂+Fe₂(SO₄)₃+4H₂O=3Fe(OH)₂+2S+3Н₂SO₄ и

для всех сульфидов: (3) MeS+2O₂=MeSO₄.

При этом раствор сульфата трехвалентного железа начинает гидролизоваться с образованием гидроксида железа (III) и новых порций серной кислоты: Fe₂(SO₄)₃+6Н₂О=2Fe(ОН)₃+3H₂SO₄. Таким образом, 75% серной кислоты генерируется при гидролизе Fe₂(SO₄)₃.

Генерацию кислорода на графитовых анодах ускоряет процесс окисления за счет электролитического разложения воды: O₂+4H⁺+4е^-→2Н₂О

В прианодном пространстве происходит подкисление раствора, т.е. происходит дополнительная генерация серной кислоты электрохимически.

Опытные данные показали, что при фильтрации химического реагента через шлам и за счет кислорода анода происходит интенсивное извлечение рудных элементов в раствор, но по пути продвижения раствора по направлению фильтрации концентрация снижается из-за образования новых сульфидов. В шламе образуется подвижный геохимический барьер, который медленно передвигается по направлению фильтрации раствора, в начале фильтрации содержание элементов на выходе раствора в дренажный колодец низкое из-за интенсивной нейтрализации серной кислоты шламом. По мере продвижения барьера по направлению фильтрации содержание элементов в нем и в дренажном колодце возрастает, и когда их концентрация превышает в колодце предельно допустимую норму, проводят доизвлечение металлов на катоде, после чего дренажные воды становятся неопасными для окружающей среды.

Коэффициент концентрации металлов на подвижном геохимическом барьере изменяется от 10 до 100 в зависимости от природы металлов и шламов.

В прикатодном пространстве раствор электрохимически подщелачивается.

Эксперименты показали, что доизвлечение металлов из шламов составляет от 10 до 50% в зависимости от природы металла и времени воздействия. Так для свинца и цинка первоначальная концентрация составляла 0,5% и 2% соответственно. После комплексного воздействия в течение 30 дней в верхней зоне шламонакопителя она снизилась до 0,1%. Процесс полного внутриотвального доизвлечения и обогащения является длительным, но является промышленно выгодным.

Основной процесс реагентного и электрохимического доизвлечения рудных компонентов из всей толщи хвостов (шламов и обедненных руд) с последующим извлечением на катодах организуется при закачке агрессивных растворов так, чтобы в теле накопленных хвостов образовался адсорбционно-осадительный геохимический барьер, концентрация рудных элементов на котором медленно, но непрерывно возрастает по мере его продвижения к дренажной системе. Сочетание химически контрастных процессов: окисления и подкисления в анодной зоне, восстановления и подщелачиания - в катодной зоне, для шламонакопителей сделано впервые. Первые процессы мобилизуют рудные компоненты с растворением сульфидов в тылу барьера и вторичном отложении на его фронте. Катодные процессы обездвиживают, иммобилизуют рудное вещество, дополнительно извлекая из раствора также все возрастающие концентрации полезных компонентов.

Прелагаемый способ может использоваться для создания комплексных техногенных месторождений как средства возобновления минерально-сырьевых ресурсов и снижения экологической нагрузки на окружающую среду в местах складирования и переработки руд. Использование доступных реагентов крупнотоннажных химических технологий, используемых или производимых при работе большинства ГОК и ГМК, удешевляет процесс.

Таким образом, разработан новый перспективный, экологически безопасный способ комплексного обогащения и доизвлечения металлов из хвостов, шламов и обедненных руд.

1. Способ комплексного внутриотвального обогащения и доизвлечения металлов из шламов хвостов или обедненных руд, характеризующийся тем, что формируют шламовый слой на водоупорном основании, размещают внутри тела шламов, по крайней мере, одну нагнетательную скважину для подачи химических реагентов, по крайней мере, одну скважину для размещения угольного анода, генерирующего кислород, размещают, по крайней мере, три цементационные пары С анод - Al катод, две из которых помещают в тело шлама, а третью - в дренажный колодец вместе, по крайней мере, с одним угольным или алюминиевым катодом, предназначенные для мониторинга извлечения металла, в том числе из дренажных вод, при этом в качестве химических реагентов используют водный раствор серной кислоты или смесь серной кислоты с сульфатом железа (+3), преимущественно смесь концентрации 0,15М H₂SO₄+0,15M Fe₂(SO₄)₃.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве химических реагентов используют серно-кислые растворы отходов горно-обогатительных или горно-металлургических комбинатов.