Условия и особенности применения технологий выщелачивания

Выщелачивание, или управляемый перевод в раствор одного или нескольких компонентов твердого вещества, осуществляется с помощью водного или органического растворителя, часто при уча­стии газов — окислителей или восстановителей. Выщелачивание включает в себя, по меньшей мере, два процесса: химический — пе­ревод одного из веществ в растворимое состояние, и физико-хи­мический — растворение или экстрагирование.

Твердое вещество подвергают механической обработке (дроб­ление, измельчение) и химической обработке (окисление или вос­становление в пульпе, обжиг, спекание, сульфатизация и др.). Рас­творителями веществ являются вода, водные растворы кислот (чаще всего серной и соляной), щелочей (аммиак, едкий натр), со­лей (углекислый натрий или алюминий), а также цианиды.

Интенсификация процесса осуществляется перемешиванием (аги­тация) измельченного до определенной крупности твердого мате­риала с жидким растворителем в контакте с газообразным реаген­том, например воздухом, или просачиванием (перколяция) жидкого реагента через неподвижный слой твердого.

Выщелачивание по признаку времени периодически или не­прерывно, по направлению движения раствора прямоточно или противоточно, проводят в чанах. При этом его сочетают с механи­ческим, пневматическим или комбинированным перемешиванием при атмосферном давлении. Возможно выщелачивание в чанах без перемешивания (перколяторы или диффузоры); в трубчатых реак­торах и в автоклавах при повышенных давлении и температуре.

Избирательность процесса определяется химическими свойст­вами и концентрацией растворителя, структурой вещества, ею фи­зико-химическими свойствами, а также растворимостью соедине­ний выщелачиваемого вещества.

Скорость выщелачивания зависит от удельной поверхности раздела твердое — жидкость (крупность частиц), разности концентраций растворителя и химических реагентов на поверхно­сти твердого и в объеме, вязкости растворителя, величины ко­эффициента диффузии, интенсивности перемешивания, темпе­ратуры, парциального давления газообразного реагента над рас­твором, а также концентрации растворимого окислителя. Гете­рогенный процесс протекает в диффузионной области, хотя при этом протекают смешанные диффузионно-кинетические или ки­нетические режимы.

Интенсификация процесса достигается одновременной сорб­цией выщелачиваемого компонента на смолах (диффузионное выщелачивание), включением в процесс бактерий, повышением температуры до 300°С и давления до 5 МН на 1 м (автоклавное выщелачивание), переводом в режим «кипящего слоя», переме­шиванием с вибрацией, ультразвуковой кавитацией.

Для создания условий фильтрации растворов руду разрых­ляют путем взрывов с использованием обычных взрывчатых ве­ществ или атомных зарядов. В этих случаях растворы подают на руду сверху, обогащенные растворы собирают в выработках и по­дают их на установку для выделения металла, а обедненный раствор после регенерации растворителя возвращают для повтор­ного использования.

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

Промышленное освоение подземного выщелачивания мед­ных руд было начато в США в 1919 г., в СССР — в 1939 г. Начиная с 70-х гг. прошлого века в СССР, США, Канаде, Герма­нии, Чехии, Болгарии и др. подземным выщелачиванием добы­вается значительная часть урана, меди и золота.

Достоинства технологии выщелачивания: полное использование недр за счет вовлечения в производство бедных руд, добыча и переработка которых традиционными способами невыгодна, и металлосодержащих отходов переработки руд.

Условия применения:

• достаточное количество полезного компонента в рудах;

• растворимость металлов реагентами;

• естественная проницаемость руд или возможность ее соз­дания;

• возможность подачи реагента и откачки растворов;

• экономическая целесообразность добычи.

По способу вскрытия рудных тел и подачи реагентов систе­мы разработки подразделяют на скважинные, шахтные и ком­бинированные.

Скважинные способы. Вскрытие, подготовку месторожде­ния и извлечение компонентов в раствор, а также транспорт раст­вора осуществляют через скважины. Различают площадное (ячеи­стое) и линейное расположение скважин. Расстояние между сква­жинами 15 — 50 м. Экономически целесообразная глубина раз­работки — до 500 м. Так разрабатывают месторождения урана, золота и марганца в обводненных породах.

Стационарный режим фильтрации обеспечивает локализа­цию зоны циркуляции растворов и минимальные потери реаген­та за счет его растекания. Для многих месторождений, залегаю­щих в сложных горно-технических условиях, скважинные сис­темы являются единственно возможным способом разработки ме­сторождений.

Достоинство способа - исключение присутствия людей в опасных шахтных условиях.

К недостаткам относят повышенную опасность за счет воз­можных утечек в экосистемы окружающей среды при наруше­нии режима выщелачивания.

В зависимости от места выщелачивания различают подзем­ное выщелачивание (в блоках, подготовленных выработками или скважинами) и кучное (в штабелях на земной поверхности) (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Объект кучного выщелачивания:

1— штабель KB; 2 — заезд; 3 — уступ штабеля; 4 — трубопровод рабочих растворов; 5 — трубопровод сжатого воздуха; 6 — насосная станция; 7 — зумпф продуваемых растворов; 8 — гидронепроницаемое основание; 9— аэрационная система; 10 — оросительная система; 11 — слои из мелкозернистого материала

В зависимости от условий движения растворов реагента сквозь руды различают следующие схемы:

• фильтрационная — постоянный или периодически дей­ствующий поток реагента заполняет трещины и открытые поры и движется за счет разности напоров у подающих и приемных устройств;

• инфилътрационная — наиболее часто поток реагента под действием гравитации в капельном режиме движется от по­дающих к приемным устройствам без заполнения пустот;

• пульсационно-статическая — периодическое затопле­ние реагентом с последующим выпуском продуктивных раство­ров и высвобождением межкускового пространства.

Процессу выщелачивания свойственно затухание со време­нем, потому что раствору нужно проникать по трещинам в глубь куска. Для оживления процесса применяют химические вещества (окислители, поверхностно-активные вещества, бактерии) или физическое воздействие (электромагнитные поля, напор и тем­пература раствора, гидроразрыв пород, встряхивающие взрывы, вакуумирование и комбинированные методы). На практике ис­пользуется механическое воздействие (протаскивание троса, пневмоподушки и т.п.). В результате интенсификации движение растворов активизируется и параметры извлечения улучшаются (рис. 14.2).

Рис. 14.2.Темпы перехода металла в раствор при выщелачивании:

1 —до интенсификации; 2 — после интенсификации