Кучное выщелачивание — это промышленный процесс добычи , используемый для извлечения драгоценных металлов , меди , урана и других соединений из руды с использованием ряда химических реакций, которые поглощают определенные минералы и повторно отделяют их после их разделения от других земных материалов. Подобно добыче на месте , добыча кучным выщелачиванием отличается тем, что она помещает руду на подкладку, затем добавляет химикаты через капельные системы к руде, тогда как добыча на месте не имеет этих подкладок и поднимает продуктивный раствор для получения минералов. Кучное выщелачивание широко используется в современных крупномасштабных горнодобывающих операциях, поскольку оно производит желаемые концентраты по более низкой стоимости по сравнению с традиционными методами обработки, такими как флотация, перемешивание и выщелачивание в чанах. [1]
Кроме того, выщелачивание из отвалов является неотъемлемой частью большинства операций по добыче меди и определяет качество добываемого материала наряду с другими факторами.
В связи с рентабельностью, которую выщелачивание отвалов оказывает на процесс добычи, т.е. оно может внести существенный вклад в экономическую жизнеспособность процесса добычи, целесообразно включить результаты операции выщелачивания в общую экономическую оценку проекта. [2]
Процесс имеет древнее происхождение; один из классических методов производства купороса (железного купороса) заключался в том, чтобы свалить в кучу железный колчедан и собрать из кучи фильтрат , который затем кипятили с железом для получения сульфата железа (II) . [3]
Добытая руда обычно дробится на небольшие куски и складывается на непроницаемой пластиковой или глиняной площадке для выщелачивания, где ее можно оросить выщелачивающим раствором для растворения ценных металлов. Хотя для орошения иногда используются разбрызгиватели, чаще всего на предприятиях используется капельное орошение, чтобы минимизировать испарение , обеспечить более равномерное распределение выщелачивающего раствора и избежать повреждения обнаженного минерала. Затем раствор просачивается через кучу и выщелачивает как целевой, так и другие минералы. Этот процесс, называемый «циклом выщелачивания», обычно занимает от одного-двух месяцев для простых оксидных руд (например, большинство золотых руд) до двух лет для никелевых латеритных руд. Затем выщелачивающий раствор, содержащий растворенные минералы, собирается, обрабатывается на технологической установке для извлечения целевого минерала и в некоторых случаях осаждения других минералов и возвращается в кучу после корректировки уровней реагентов. Окончательное извлечение целевого минерала может варьироваться от 30% для содержащихся в отвалах сульфидных медных руд, выщелачиваемых методом выщелачивания, до более чем 90% для руд, которые легче всего поддаются выщелачиванию, некоторых оксидных золотых руд.
Важнейшими вопросами, которые необходимо решить в процессе кучного выщелачивания, являются: [4]
В последние годы добавление агломерационного барабана улучшило процесс кучного выщелачивания, обеспечив более эффективное выщелачивание. Вращающийся барабанный агломератор работает, принимая измельченные рудные мелочи и агломерируя их в более однородные частицы. Это значительно облегчает просачивание выщелачивающего раствора через кучу, прокладывая свой путь через каналы между частицами.
Добавление агломерационного барабана также имеет дополнительное преимущество, поскольку позволяет предварительно смешивать выщелачивающий раствор с рудной мелочью для получения более концентрированной, однородной смеси и позволяет начать выщелачивание до кучи. [5]
Хотя за последние несколько лет проектирование кучного выщелачивания достигло значительного прогресса благодаря использованию новых материалов и усовершенствованных аналитических инструментов, промышленный опыт показывает, что существуют значительные преимущества от расширения процесса проектирования за пределы облицовки и в саму горную массу. Характеристика физических и гидравлических (гидродинамических) свойств руды для выщелачивания фокусируется на прямом измерении ключевых свойств руды, а именно:
Теоретический и численный анализ, а также эксплуатационные данные показывают, что эти фундаментальные механизмы контролируются масштабом, размерностью и неоднородностью, все из которых отрицательно влияют на масштабируемость металлургических и гидродинамических свойств от лаборатории до поля. Игнорирование этих механизмов может привести к ряду практических и финансовых проблем, которые будут резонировать на протяжении всего срока службы кучи, влияя на финансовую отдачу от операции. Благодаря процедурам, выходящим за рамки обычно применяемых металлургических испытаний, и интеграции данных, полученных с помощью 3D-мониторинга в реальном времени, получается более полная репрезентативная характеристика физико-химических свойств среды кучи. Это улучшенное понимание приводит к значительно более высокой степени точности с точки зрения создания действительно репрезентативного образца среды внутри кучи. [6]
Придерживаясь описанной выше характеристики, можно получить более полное представление о средах кучного выщелачивания, что позволит отрасли перейти от фактического подхода «черного ящика» к физико-химически инклюзивной модели промышленного реактора.
Измельченная руда орошается разбавленным щелочным раствором цианида . Раствор, содержащий растворенные драгоценные металлы в продуктивном растворе, продолжает просачиваться через измельченную руду, пока не достигнет подкладки на дне кучи, где он сливается в пруд для хранения (продуктивного раствора). После отделения драгоценных металлов от продуктивного раствора разбавленный раствор цианида (теперь называемый «пустым раствором») обычно повторно используется в процессе кучного выщелачивания или иногда отправляется на промышленные очистные сооружения, где остаточный цианид обрабатывается, а остаточные металлы удаляются. В районах с очень большим количеством осадков, таких как тропики, в некоторых случаях образуется избыток воды, который затем после очистки сбрасывается в окружающую среду, что может привести к загрязнению воды , если очистка не проводится должным образом. [ необходима цитата ]
Производство одного золотого кольца этим методом может привести к образованию 20 тонн отходов. [7]
На этапе экстракции ионы золота образуют комплексные ионы с цианидом:
Восстановление золота легко достигается с помощью окислительно-восстановительной реакции:
Наиболее распространенными методами удаления золота из раствора являются либо использование активированного угля для его селективного поглощения, либо процесс Меррилла-Кроу , в котором добавляется цинковый порошок, чтобы вызвать осаждение золота и цинка. Чистым продуктом может быть либо сплав Доре (золото-серебряные слитки), либо цинково-золотой шлам, который затем очищается в другом месте.
Метод похож на метод цианида, описанный выше, за исключением того, что для растворения меди из руды используется серная кислота . Кислота перерабатывается из цикла экстракции растворителем (см. экстракция растворителем-электровыделение , SX/EW) и повторно используется на площадке выщелачивания. Побочным продуктом является сульфат железа(II) , ярозит , который производится как побочный продукт выщелачивания пирита , а иногда даже та же самая серная кислота, которая необходима для процесса. Выщелачивать можно как оксидные, так и сульфидные руды, хотя циклы выщелачивания сильно различаются, а для выщелачивания сульфида требуется бактериальный или биовыщелачивающий компонент.
В 2011 году методом кучного выщелачивания и подземного выщелачивания было получено 3,4 миллиона метрических тонн меди, что составляет 22 процента мирового производства. [8] Крупнейшие предприятия по кучному выщелачиванию меди находятся в Чили, Перу и на юго-западе США.
Хотя кучное выщелачивание является низкозатратным процессом, его норма извлечения обычно составляет 60-70%. Обычно он наиболее выгоден для низкосортных руд. Высокосортные руды обычно подвергаются более сложным процессам измельчения, где более высокие показатели извлечения оправдывают дополнительные затраты. Выбор процесса зависит от свойств руды.
Конечный продукт — катодная медь.
Этот метод представляет собой метод кислотного кучного выщелачивания, как и метод меди, в том смысле, что он использует серную кислоту вместо раствора цианида для растворения целевых минералов из измельченной руды. Количество требуемой серной кислоты намного выше, чем для медных руд, до 1000 кг кислоты на тонну руды, но 500 кг является более распространенным. Метод был первоначально запатентован австралийской горнодобывающей компанией BHP и коммерциализируется Cerro Matoso в Колумбии, дочерней компанией BHP, полностью принадлежащей BHP; Vale в Бразилии; и European Nickel для месторождений латеритных пород в Турции, рудника Talvivaara в Финляндии, на Балканах и Филиппинах. В настоящее время нет действующих промышленных масштабов кучного выщелачивания никеля из латерита, но в Финляндии работает сульфидный выщелачиватель.
Извлечение никеля из выщелачивающих растворов намного сложнее, чем извлечение меди, и требует различных стадий удаления железа и магния, а процесс производит как выщелоченные остатки руды («рипиос»), так и химические осадки из восстановительной установки (в основном остатки оксида железа, сульфат магния и сульфат кальция ) примерно в равных пропорциях. Таким образом, уникальной особенностью кучного выщелачивания никеля является необходимость в зоне утилизации хвостов.
Конечным продуктом могут быть осадки гидроксида никеля (NHP) или осадки смешанных гидроксидов металлов (MHP), которые затем подвергаются обычной плавке для получения металлического никеля.
Аналогично кучному выщелачиванию оксида меди, также с использованием разбавленной серной кислоты. Rio Tinto коммерциализирует эту технологию в Намибии и Австралии ; французская компания по производству ядерного топлива Orano в Нигере с двумя шахтами и Намибией; и несколько других компаний изучают ее осуществимость.
Конечный продукт — желтый кек — требует значительной дальнейшей переработки для получения топливного сырья.
В то время как большинство горнодобывающих компаний перешли от ранее принятого метода разбрызгивания к просачиванию медленно капающих выбранных химикатов, включая цианид или серную кислоту, ближе к фактическому рудному слою, [9] площадки кучного выщелачивания не слишком изменились за эти годы. По-прежнему существует четыре основных категории площадок: обычные, выщелачивание в отвалах, заполнение долин и площадки вкл/выкл. [10] Обычно каждая площадка имеет только одну геомембранную подкладку для каждой площадки с минимальной толщиной 1,5 мм, обычно толще.
Обычные площадки, самые простые по конструкции, используются в основном для ровных или пологих участков и удерживают более тонкие слои дробленой руды. Площадки для выщелачивания отвалов удерживают больше руды и обычно могут работать на менее ровной местности. Засыпки долин — это площадки, расположенные на дне или уровнях долин, которые могут удерживать все, что в них падает. Площадки включения/выключения предполагают размещение значительно больших нагрузок на площадках и их удаление и повторную загрузку после каждого цикла.
Многие из этих шахт, которые ранее имели глубину копания около 15 метров, копают глубже, чем когда-либо прежде, чтобы добывать материалы, примерно на 50 метров, иногда больше, что означает, что для того, чтобы вместить весь перемещаемый грунт, подушки должны будут выдерживать более высокие веса из-за большего количества измельченной руды, содержащейся на меньшей площади (Lupo 2010). [11] С этим увеличением накопления появляется потенциал для снижения выхода или качества руды, а также потенциальные либо слабые места в подкладке, либо области повышенного нарастания давления. Это накопление все еще может привести к проколам в подкладке. По состоянию на 2004 год амортизационные ткани, которые могли бы уменьшить потенциальные проколы и их утечку, все еще обсуждались из-за их тенденции увеличивать риски, если на подкладку будет помещен слишком большой вес на слишком большой поверхности (Thiel and Smith 2004). [12] Кроме того, некоторые подкладки, в зависимости от их состава, могут реагировать с солями в почве, а также кислотой от химического выщелачивания, что влияет на успешность подкладки. Это может усиливаться с течением времени. [ необходима цитата ]
Добыча кучным выщелачиванием хорошо подходит для больших объемов руды с низким содержанием, поскольку для извлечения эквивалентного количества минералов требуется меньшая металлургическая обработка (измельчение) руды по сравнению с измельчением. Значительно сниженные затраты на обработку компенсируются снижением выхода, обычно примерно на 60-70%. Объем общего воздействия на окружающую среду, вызванного кучным выщелачиванием, часто ниже, чем при использовании более традиционных методов. [ необходима цитата ] Также для использования этого метода требуется меньше энергии, что многие считают экологической альтернативой.
В Соединенных Штатах Закон о горнодобывающей промышленности 1872 года давал права на разведку и добычу на землях общественного пользования ; первоначальный закон не требовал рекультивации после добычи (Woody et al. 2011). Требования к рекультивации отработанных земель на федеральных землях зависели от требований штата до принятия Закона о федеральной земельной политике и управлении в 1976 году. В настоящее время добыча на федеральных землях должна иметь одобренный правительством план добычи и рекультивации до начала добычи. Требуются облигации на рекультивацию. [13] Добыча на федеральных, государственных или частных землях подчиняется требованиям Закона о чистом воздухе и Закона о чистой воде .
Одним из предлагаемых решений проблем рекультивации является приватизация земель, подлежащих разработке (Вуди и др., 2011).
С ростом движения защитников окружающей среды также возросло понимание социальной справедливости, и в последнее время горнодобывающая промышленность демонстрирует схожие тенденции. Общества, расположенные вблизи потенциальных мест добычи, подвергаются повышенному риску подвергнуться несправедливости, поскольку на их окружающую среду влияют изменения, внесенные в разрабатываемые земли — как государственные, так и частные, — что в конечном итоге может привести к проблемам в социальной структуре, идентичности и физическом здоровье (Franks 2009). [14] Многие [ кто? ] утверждали, что, передавая электроэнергию от шахт через местных жителей, это разногласие можно смягчить, поскольку обе группы интересов будут иметь равный голос и понимание будущих целей. Однако часто бывает трудно сопоставить корпоративные интересы в горнодобывающей промышленности с местными социальными интересами, и деньги часто являются решающим фактором в успехе любых разногласий. Если сообщества чувствуют, что у них есть обоснованное понимание и влияние в вопросах, касающихся местной окружающей среды и общества, они с большей вероятностью будут терпеть и поощрять положительные преимущества, которые несет с собой добыча полезных ископаемых, а также более эффективно продвигать альтернативные методы добычи методом кучного выщелачивания, используя свои глубокие знания местной географии (Franks 2009).
