Интенсификация подземного выщелачивания

Одним из основных препятствий на пути развития метода выщелачивания является низкая скорость растворения, обусловленная нахождением металлов в труднорастворимых соединениях. В связи с этим большое внимание уделяется разработке способов интенсификации процесса. Наметились два основных направления исследований — применение бактерий и наложение на выщелачиваемый массив различных полей. К ним относятся подогрев растворителя или предварительный обжиг руды под землей (В.А. Щелканов), наложение электрического тока, высокочастотного электромагнитного поля (Н.В. Петров, Н.К. Руденко. Ю.Н. Рыбаков), воздействие ультразвука и вибрации (В.С. Ямщиков), а также бактериальное воздействие. Анализ различных способов интенсификации выщелачивания показывает, что все они ускоряют процесс и повышают степень извлечения полезного компонента в несколько раз. Однако они не универсальны и могут применяться в зависимости от условий конкретных месторождений.

1 — гидроизоляционная оболочка; 2 — раствороподъемник; 3 — кондуктор; 4 — эксплуатационная колонна; 5 — цементировочный узел; 6 — фильтр; 7 — шланг для подачи выщелачивающих растворов; 8 — коллектор выщелачивающих растворов; 9 — оголовок; 10 — коллектор продуктивных растворов

Рисунок 17.5 – Схема оборудования эксплуатационной скважины ПВ при реверсировании потоков выщелачивающих и продуктивных растворов

Наиболее интенсивные исследования в настоящее время ведутся по бактериальному методу интенсификации подземного выщелачивания. Бактерии, способствующие выщелачиванию полезных компонентов из руд, называются «хемолитотрофами» — пожирателями камня. Энергию они получают за счет окисления неорганических веществ. Автотрофные микроорганизмы углерод получают из углекислого газа атмосферы. Палочковидная бактерия и другие относятся к ацидофилам — «любящим кислоту». Свою энергию эти бактерии получают за счет окисления либо железа либо серы (ион двухвалентного железа при участии бактерии превращается в ион трехвалентного железа — окисная формула) и образуют серную кислоту, а из нерастворимых сульфидов меди с помощью бактерий образуется хорошо растворимая сернокислая медь.

Принято считать, что бактериальное выщелачивание бывает прямым и косвенным. К первому относится действие ферментов микроорганизмов на компоненты минералов, которые могут быть окислены. При косвенном выщелачивании, например при переводе железа из двух - в трехвалентное, получают окислитель, способный взаимодействовать с другими металлами, чем ускоряется процесс выщелачивания.

К числу неблагоприятных для жизни бактерий факторов, относятся: высокая концентрация металлов в растворе, особенно серебра и ртути, нехватка воздуха, высокая или низкая температура.

В настоящее время трудами советских ученых С.И. Кузнецова, М.В. Иванова, Г.А. Заварзана, С.И. Полькина и их сотрудниками заложены научные основы рудничной микробиологии, изучена роль бактерий в образовании и разрушении месторождений, а также разработаны основы технологии бактериального выщелачивания цветных, редких и благородных металлов.

Бактериальное выщелачивание используют для добычи меди и урана, но известно, что бактерии разрушают и другие сульфидсодержащие минералы, например сфалерит, галенит. Их интересно использовать при кучном и подземном выщелачивании никеля, кобальта.

Микробиологические процессы очень чувствительны к погоде, химическому составу руды, концентрации кислоты и поэтому в настоящее время еще не готовы для широкого промышленного использования, но в будущем с их помощью можно будет эксплуатировать геотехнологическими методами многие ныне неэффективные для разработки месторождения полезных ископаемых.

При окислении сульфидных руд превращению подвергаются неорганические вещества и, прежде всего, сульфидная сера. Тионовые бактерии способны развиваться в кислых средах. Палочковидные бактерии играют при окислении сульфидных руд двойную роль, окисляя сульфиды и образуя при окислении закисного железа окись сернокислого железа Fе₂(SО₄)₃ — сильный химический окислитель сульфидов. Эти бактерии способны окислять сульфидные минералы — пирит, марказит, пирротин, халькопирит, борнит, ковеллин, халькозин, тетраэдрит, эпаргит, арсенопирит, реальгар, аурипигмент, кобальтин, пентландит, вибларит, бравоит, миллерит, полидемит, антимонит, молибденит, сфалерит, марматит, галенит, геокранит.

Образовавшееся в процессе химической реакции сернокислое закисное железо Fе₂SО₄ окисляется в процессе реакции до сернокислого окисного железа Fе₂(SО₄)₃. Разница между химическим и микробиологическим процессами заключается в том, что основной выщелачивающий агент Fе₂(SО₄)₃ при химическом выщелачивании нужно вводить извне, а при выщелачивании с помощью бактерий он легко регенерируется из сернокислого закисного железа. Кроме того, бактерии быстро окисляют сульфидные минералы, ускоряя тем самым выщелачивание меди из руд.

Из окисленных руд медь легко извлекается при химическом выщелачивании растворами серной кислоты. Из сульфидных минералов медь может быть извлечена только после их окисления. Многими исследователями (М.В. Иванов, Н.Н. Ляликова и др.) было показано, что халькопирит (главный медьсодержащий минерал), наиболее трудноокисляемый сульфид для выщелачивания, при воздействии палочковидных бактерий резко увеличивает скорость процесса окисления, что позволяет за 12 дней выщелочить 72 % меди против 5 % за 24 дня, полученных в контрольном опыте без бактерий. По данным Т. Рассела, в присутствии палочковидных бактерий из халькозина СиаЗ выщелочено в 3 раза, а в присутствии еще и сернокислого закисного железа в 6 раз больше меди, чем в контрольном опыте.

В Болгарии для интенсификации бактериального выщелачивания проведены опыты по влиянию электрического тока па скорость окисления сульфидов меди. В лабораторном перколяторе анод помещался в руду, катод — в камеру регенерации раствора. Затем подавалось напряжение 12 В. В результате извлечение меди увеличилось на 68 % (по сравнению с контрольным опытом). Таким образом, при протекании небольшого тока (до 12мА) химические, микробиологические и электрохимические явления в системе ускоряются.

Изучено влияние бактерий на интенсивность выщелачивания цинка, никеля, сурьмы, свинца, олова. Опыты Т. Рассела показали, что сульфиды цинка (сфалерит и марматит) в присутствии палочковидных бактерий окисляются значительно быстрее. Из руды за 15 дней цинк выщелочен более чем на 90 %. Им же изучалась интенсификация выщелачивания никеля из миллерита. В присутствии бактерий за 28 суток выщелочено 58 % никеля против 10 % в контрольном опыте. Опыты, проведенные на месторождениях Кольского полуострова, показали, что в этих условиях сульфиды никеля окисляются бактериями.

Многочисленными лабораторными исследованиями показано, что бактерии косвенно способствуют окислению сульфидов (носителей редких элементов) и влияют на миграционную способность рудного металла.

В настоящее время проведены первые опыты по изучению роли микроорганизмов при выщелачивании золота, которые показали, что бактерии способны растворять золото. Содержание золота в растворе достигало 1, 5 мг/л. Некоторые бактерии оказались очень активными и растворяли до 10 мг/л золота. Золото, перешедшее в раствор, извлекалось путем осаждения на активированный уголь. В ВИМСе (г. Симферополь) исследовано микробиологическое выщелачивание бокситов для удаления кремнезема в раствор силикатными бактериями. В СССР, США выполнены исследования по микробиологическому выщелачиванию марганцевых руд. В ГИГХСе выполнены исследования по определению возможности перевода песков в плывунное состояние с помощью бактерий. На многих рудниках, где ведется подземное или кучное выщелачивание бедных руд, интенсификация процесса достигается с помощью микроорганизмов. Процесс выщелачивания меди ведется циклично с регенерацией растворов после цементации меди в Бингамском каньоне (США) с годовой добычей меди свыше 70 тыс. т.