Процесс кучного выщелачивания из отвалов, вскрышных пород и вновь складируемых куч является наиболее освоенной технологией извлечения меди, урана и золота с использованием микроорганизмов. Наибольшее распространение получило кучное выщелачивание медных руд, как просто химическое, так и бактериально-химическое. Только в США бактериально-химическое выщелачивание применяется примерно на 15 предприятиях с общим количеством выщелачиваемой массы в отвалах и кучах более 5000 млн. т.

В настоящее время накоплен значительный зарубежный и отечественный опыт в технологии извлечения меди методом кучного выщелачивания, который в основном применяется как самостоятельный процесс переработки медьсодержащего сырья, так и в сочетании с другими процессами.

В таблице . приведены основные данные по некоторым промышленным установкам бактериального выщелачивания меди, введенным в действие в последние годы.

Таблица Промышленные установки кучного бактериально-химического выщелачивания меди

Процесс кучного выщелачивания применяется в промышленных масштабах для извлечения, например, меди применяется более 400 лет. Так еще в 1497 году в Северной Венгрии было налажено извлечение меди из растворов цементацией, а в 1566 году та же был организован полный цикл выщелачивания меди с использованием системы орошения. В Испании на руднике Рио-Тинто начали применять принудительное кучное выщелачивание меди из руд , содержащих 1,5% меди и 45% пирита, в 1725 году. До сих пор на этом руднике осуществляется этот процесс. В России кучное выщелачивание меди осуществлялось с 1874 по 1934 год на Кедабекском руднике. Выщелачивание меди успешно проводилось на Белореченском, Пышминском, Блявинском, Николаевском,, Волковском, Коунрадском и Кальмакырском рудниках.

Основное количество меди, добываемой методами выщелачивания, приходится на США, где работают крупнейшие промышленные установки, производящие в год от 3,5 до 70 тыс. т меди ( Бингамский Каньон, Сильвер Белл, Бьют, Багдад, Бисби и др.)

В растворах установок кучного выщелачивания, как правило, содержится от 10⁴ до 10⁷ кл/ мл бактерий, окисляющих Fe²⁺, S^o и сульфидные минералы. Среди этих бактерий основным видом являются микроорганизмы А.ferrooxidans. По глубине отвалов и куч микроорганизмы распространены на 5-8 метров, что объясняется наличием на такой глубине кислорода. В хорошо аэрируемых отвалах микроорганизмы обнаруживаются по всей высоте отвалов и куч. Это позволяет говорить о протекании в массе руд окислительных процессов с участием микроорганизмов, что значительно повышает извлечение меди из отвалов, забалансовых руд и вскрышных пород.

Содержание меди в рудах, подвергающихся кучному выщелачиванию обычно составляет 0,1-0,4%, когда применение обычных методов обогащение таких бедных руд становится нерентабельным.

На процесс кучного бактериального выщелачивания влияет множество факторов, основными из которых являются :

· минералогический состав руды и минералов;

· крупность, прочность, трещиноватость руды;

· наличие глины, карбонатов;

· температура окружающей среды;

· проницаемость и аэрируемость кучи;

· характеристика выщелачивающих и продуктивных растворов( концентрация серной кислоты, концентрация железа, величина ОВП, содержание выщелачиваемых металлов, количество выщелачиваемых растворов;

· годовое количество осадков;

· концентрация и активность бактерий, принимающих участие в окислении и выщелачивании минералов;

· геологическая и гидрогеологическая характеристика площадки выщелачивания;

· способ подготовки основания и отсыпки кучи;

· способ орошения и режим подачи выщелачивающего раствора;

· габаритные размеры кучи ( высота и площадь);

· принятый способ выщелачивания ( периодический или непрерывный);

· методы контроля;

· способ извлечения металлов из продуктивных растворов и их регенерации;

· требования к охране окружающей среды.

В настоящее время принято различать кучное выщелачивание отвалов бедных руд и вскрышых пород и выщелачивание руд из специально складируемых куч. Причем это может быть чисто химическое или бактериально-химическое выщелачивание. Химическое или сернокислое выщелачивание применяется для выщелачивании я меди из окисленных руд, когда медь на 70 и более процентов представлена окисленными минералами меди. Бактериально-химическое выщелачивание меди эффективно в тех случаях, когда сульфидными минералами меди представлено более 70% всей меди, содержащейся в руде.

Технология кучного выщелачивания практически одинакова для всех типов выщелачиваемых руд, независимо от объема одновременно выщелачиваемого количества их.

К наиболее благоприятными для кучного выщелачивания можно отнести те медные руды, которые характеризуются следующими особенностями:

· медь в руде представлена в основном окисленными минералами и вторичными сульфидными минералами ( азурит, малахит, брошантит, куприт, бирюза, борнит, ковеллин и халькозин);

· низкая основность выщелачиваемых пород ( кислотоемкость не более 20 кг кислоты на 1 т руды);

· наличие в руде сульфидных минералов, способствующих развитию микроорганизмов;

· тонкая вкрапленность сульфидных минералов;

· наличие железосодержащих минералов, легко растворимых в сернокислых растворах, например, лимонита, которые обеспечивают поступление в выщелачивающий раствор ионов железа;

· незначительное содержание в руде таких глинистых минералов, как монтмориллонит, каолинит, галлуазит, которые при выщелачивании закупоривают отверстия в руде ( физическая кольмотация) и значительно снижают проницаемость кучи.

Организация технологии кучного выщелачивания включает :

· выбор и подготовка площадки;

· укладка и формирование куч;

· выбор способа орошения кучи;

· система сбора продуктивных растворов;

· выбор эффективного способа извлечения металлов из растворов;

· система регенерации выщелачивающих растворов;

· применяемые методы контроля и управления процессом

 Выбор площадки для организации кучного выщелачивания осуществляется после проведения инженерных изысканий, при которых определяется состав породы основания, глубина залегания непроницаемого слоя, возможность утечки растворов, уклон площадки, обеспечивающий самотек выщелачивающих растворов из под кучи, наличие грунтовых вод, глубина промерзания, наличие осадков и их годовой объем, наличие и народнохозяйственное значение близлежащих водоемов.

Размер выбранной площадки определяется принятой производительностью, способом складирования и временем и способом выщелачивания. Площадка должна иметь водонепроницаемое основание и небольшой уклон для стока продуктивных растворов.

Организация водонепроницаемого основания под рудный штабель на установках кучного выщелачивания является наиболее ответственной операцией при подготовке руды к выщелачиванию. Это основание должно отвечать следующим требованиям:

- иметь достаточную механическую прочность, исключающую проседание под весом рудного штабеля;

- быть растворонепроницаемым, т.е. иметь надежную гидроизоляцию, исключающую возможность утечки рабочих растворов в неконтролируемые зоны;

- обеспечение полного сбора продуктивных растворов.

При выборе типа основания учитывается: производительность установки, свойства перерабатываемой руды; срок эксплуатации, размер и конфигурацию основания, стоимость строительства основания, высоту кучи, способ орошения, метод извлечения металлов из растворов и применяемые реагенты, возможные способы управления процессом, применяемые методы интенсификации активности микроорганизмов и т.п.

Старые отвалы бедных забалансовых руд и вскрышных пород подвергаются выщелачиванию на месте их складирования без подготовки площадки при естественной крупности рудной массы, поступающей при добыче из карьеров и шахт. При этом крупность руды не регулируется, поэтому куски руды могут иметь крупность 700 и даже 1000 мм. Отсутствует и технология укладки самих отвалов, что естественно сказывается на эффективности процесса выщелачивания. В настоящее время отвалы руд складируются также на специально подготовленных площадках. Считается, что отработка технологии кучного выщелачивания должна проводится на куче емкостью более 10000 т иди в колоннах диаметром 6-12 м.

Подготовка основания для рудного штабеля начинается с удаления растительного слоя и укладки водонепроницаемого основания. Выбор материала для создания основания определяется принятым видом процесса – одноразового или многоразового использования, необходимого размера площадки, наличием необходимых материалов, стоимостью основания и требованиями охраны окружающей среды.

Наиболее простым и довольно надежным способом подготовки основания под отвал или кучу является уплотнение площадки катками после снятия растительного слоя и укладка слоя глины толщиной около 600 мм с последующим его уплотнением.

При сложных природных условиях и необходимости максимальной сохранности продуктивных растворов, наличие проницаемости грунта основание готовится более тщательно большое значение приобретает формирование экранирующего слоя, который направляет насыщенный раствор в дренажную систему и препятствует проникновению растворов в почву .

При укладке в основание кучи одного экранирующего слоя используются грунт, глина, песок, бетон, асфальт, полиэтиленовая или полихлорвиниловая пленка. Непроницаемый экранирующий слой обычно укладывается поверх амортизационного материала, поэтому именно механическая прочность экранирующего слоя определяет устойчивость кучи.

Основание с двумя экранирующими слоями состоит из различных материалов. В структуру таких оснований входит дренажный и амортизационный слой, обычно состоящий из смеси песка и гравия или только из песка. Полиэтиленовая или поливиниловая мембрана состоит из двух частей – непроницаемого верхнего слоя из глины или песка и нижнего непроницаемого «дна». Верхний слой является «рабочим» слоем, который удерживает насыщеннай раствор, а нижний слой предотвращает попадание химических реагентов в окружающую среду. В основаниях с двумя экранирующими слоями возникает трение между различными материалами, что определяет устойчивость всей кучи. Для повышения ее устойчивости между разными материалами укладывается амортизационный слой из песка и дренажный слой из песка и гравия.

В зонах с активными разломами строят основания с тремя экранирующими слоями. Такие основания включают мембрану в два слоя глины. Однако эти основания считаются менее устойчивыми из-за скольжения по многочисленным границам между разнородными материалами. Кроме того, строительство таких оснований требует больших капитальных вложений.

При наиболее распространенном в настоящее время способе с одним экранирующим слоем на освобожденный от растительного слоя и разровненный участок поверхности земли укладывается слой глины толщиной 600 мм, который уплотняется катком. Сверху полосами внахлест укладывается полимерная пленка толщиной от 0,7 до 3 мм, после укладки полосы свариваются в единую герметичную поверхность, поверх которой насыпается слой песка мощностью 500-600 мм, а затем примерно такой же слой дробленой породы крупностью 3-5 мм. Внутри песчаной подушки могут размещаться перфорированные дренажные трубы для аэрации и сбора растворов. Такой способ дешевле других и обладает достаточно надежными эксплуатационными свойствами.

На некоторых предприятиях проводится цементирование или бетонирование площадки с последующим покрытием жидким гудроном или битумом, часто на площадку укладывается слой мелкозернистого песка толщиной 200-300 мм , который покрывается сначала полиэтиленовой пленкой толщиной 10 мм, а затем опять слоем песка толщиной 300мм. Иногда площадка покрывается слоем бутилового пластика толщиной 10 мм, усиленного стекловолокном с последующей засыпкой слоем мелкозернистого песка.

На руднике Бьют( США) для создания непроницаемого основания бульдозером снимается растительный слой , площадка выравнивается, грунт уплотняется катками и вибраторами, после чего насыпается слой крупностью 25 мм толщиной 100 мм, который также уплотняется вибраторами и заливается асфальтом. Затем вторично наносится слой асфальта толщиной 6 мм. Для предотвращения разрушения этого слоя на него укладывается слой мелкого материал толщиной около 320 мм, а затем слой крупного материала толщиной 1,5-1,8 м, что обеспечивает хорошую аэрацию у основания. Затем укладывают рядами через 5 м асбоцементные трубы с отверстиями диаметром 13 мм, сверху трубы защищаются деревянными щитами.

На подготовленное основание укладывается руда по определенной технологии. Первый слой, как правило, формируется из материала крупностью 200-300 мм для лучшей аэрации и проницаемости нижних слоев кучи. Дальнейшее заполнение штабеля производится или материалом крупностью -30 + 15 мм или смесью крупного и мелкого материала для создания проницаемости кучи. Начальная пористость такой кучи обычно составляет 40%, но по мере выщелачивания руда самоуплотняется и ее пористость снижается, через год она уже составляет 30%.

В настоящее время применяется горизонтальная (радиальная, линейная и комбинированная) укладка и вертикальная укладка в один ярус. Наибольшее распространение получила конвейерная укладка, при которой руда следует по системе конвейеров с концевым конвейером – стакером, движущимся в различных направлениях. Телескопичность стакера повышает гибкость всей конвейерной системы, обеспечивает оперативность смены место укладки, изменение высоты укладываемого штабеля и обеспечивает высокий темп укладки.

Отсыпка куч может производиться самосвалами с выравниванием поверхности бульдозером ( линейная укладка) или без выравнивания.

Высота отсыпаемой кучи зависит от проницаемости руды и количества пирита, содержащегося в ней. При складировании сплошных сульфидных руд высота кучи обычно не превышает 6-9 м во избежании самовозгорания сульфидных минералов и прежде всего пирита, в результате чего происходит разогрев кучи и гибель используемых при выщелачивании бактерий. При небольшом количестве сульфидов высота кучи 30-40 м, а иногда 60 и даже 370 м. Однако считается, что делать высоту отвала более 60 м нецелесообразно без применения специальных методов рыхления и искусственной аэрации, т.к. атмосферный воздух проникает в толщу кучи на глубину не более 60 м.

Ширина отвала в зависимости от количества выщелачиваемой руды обычно составляет от 10-20 м до 100-200 м, а длина до 100-800 и более метров. Обем одновременно выщелачиваемой руды составляет от 5 млн. т до 4-5 млрд. т.

Выбор способа орошения определяется минеральным составом выщелачиваемой руды, ее гранулометрической характеристикой, фильтрационными способностями рудной массы, высотой отвала, площадью орошения, климатическими условиями и т.п.

В настоящее время применяется три способа орошения: затопление, разбрызгивание и капельное орошение. При затоплении на поверхности кучи создаются прямоугольные( например, 18 х 18 м) неглубокие ( 0,45-0,6 м) прудки, которые заполняются выщелачивающим раствором до тех пор, пока содержание меди в продуктивном растворе не снижается менее установленного предела, а затем начинается просушка. Чередование периодов орошения и просушки необходимо для диффузии кислорода в толщу отвала, особенно при осуществлении бактериально-химического выщелачивания, когда кислород необходим для роста и жизнедеятельности бактерий. Обычно наибольшая скорость выщелачивания достигается тогда, когда период просушки составляет 25% общего времени выщелачивания.

Однако этот метод нашел ограниченное применение ввиду больших потерь раствора при испарении, возникновения канального эффекта при выщелачивании пористых руд, неравномерности орошения, размывания кучи и снижение ее устойчивости.

Более эффективным является метод разбрызгивания, при котором достигается равномерное распределение раствора по поверхности кучи. Разбрызгивание раствора достигается использованием дождевальных установок и разбрызгивателей вращательного типа. Зоны орошение при этой системе обычно перекрывают друг друга Потери воды при этом способе меньше, чем при прудковом заполнении. Повышается и степень извлечение меди. Однако металлические разбрызгиватели подвержены коррозии и химической кольматации. Для таких разбрызгивателей должно поддерживаться постоянное давление.

Широкое распространение при кучном выщелачивании получили капельные разбрызгиватели, которые устанавливаются как на поверхности кучи, так и на глубине 20-25 см. Главное преимущество таких разбрызгивателей заключается в обеспечении непрерывной подаче раствора с минимальной силой падения, что поддерживает необходимую степень разрыхления и значительно снижает канальный эффект. Также уменьшаются потери растворов при испарении и обеспечивается возможность работы в зимнее время.

Иногда по всей поверхности отвала бурятся вертикальные скважины на расстоянии от 3 до 7 м, в которые на глубину 12 м опускают полиэтиленовые трубы диаметром 100 мм с отверстиями диаметром 12 мм через 0,3 м. Эти трубы обеспечивают не только подачу выщелачивающих растворов, но и непрерывную подачу кислорода, что очень важно при бактериально-химическом выщелачивании.

 В качестве выщелачивающих растворов часто используются хвостовые растворы цементационных или экстракционных установок. Норма орошения обычно составляет 10 л/ч на 1 м² поверхности кучи при скорости подачи от 0,08 до 2,2 м³/с. Эти растворы содержат ль 0,01 до 0,12 г/л меди. При рН растворов более 3 в них добавляется серная кислота ( от 0,1 до 8 г/л) для предотвращения выпадения солей железа, которые закупоривают трубопроводы, осложняют работу насосных установок, снижают фильтрационные сво       йства кучи и прекращают циркуляцию растворов на отдельных участках кучи.

Время движения растворов через толщу кучи зависит не только от ее проницаемости, но и от ее высоты. Так при высоте кучи 30 м раствор дренируется через всю ее толщу за 2-3 дня, при высоте 76 м – за 3-4 дня . 91 м – за 6 дней и при высоте 120-150 м – за 12 дней.

На рисунке 30 показана схема процесса кучного выщелачивания меди забалансовых руд.

Растворы после выщелачивания собираются в растворные сборники, которые находятся вдоль подошвы всего отвала. Затем они перекачиваются в отстойники для продуктивных растворов, емкость которых обычно составляет не менее суточной производительности по раствору.. . Отстойники должны быть водонепроницаемыми, для чего их дно и стенки покрываются смолой, пластиком, цементом, глиной).

Характеристику продуктивных растворов дать довольно сложно, т.к. состав их индивидуален и зависит от большого количества факторов, относящихся как к вещественному составу выщелачиваемых руд, так и к самой технологии выщелачивания. Кислотность растворов составляет от 2,1 до 3,3 ед. рН. Содержание меди от 0,75 до 2,2 г/л, содержание железа 0,2-6,6 г/л. Температура растворов от 17 до 38⁰С. Практически во всех продуктивных растворах обнаруживается присутствие клеток A.ferrooxidans, A.thiooxidans в количестве от 10⁴ до 10⁶ кл/ мл в то время как в орошающих растворах их количество составляет 10²-10³ кл/мл. Высокая активность клеток наблюдается при хорошей аэрации и оптимальной температуре 32-35⁰С.

Из продуктивных растворов медь извлекается цементацией или экстракцией. Цементация меди железом – наиболее простой метод извлечения меди из бедных растворов. Для цементации обычно используются железный скрап, железный лом, губчатое железо, железная стружка. Цементацию проводят в различных аппаратах в зависимости от типа осадителя, состава раствора и требуемой производительности. Наибольшее распространение получиди желоба, конусные осадители, вращающиеся барабаны и чаны с механическим перемешиванием.

В настоящее время получил широкое распространение процесс жидкостной экстракции – электролиз. Экстракционное извлечение меди осуществляется с использованием экстрагента типа LIX 64N c керосином.

 Методом «жидкостная экстракция – электроэкстракция» ( Solvent extraction – electrowinning – SX-EW) катодная медь производится в 13 странах мира, работает уже более 40 заводов мощностью от 5 до 225 тыс. т меди в год.

Практика работы предприятий, использующих этот метод , показала, что он имеет более низкие капитальные и эксплуатационные затраты по сравнению со стандартной схемой « обогащение – плавка – рафинирование». Применяемый метод извлечения меди из продуктивных растворов SX – EW позволяет получать высококачественную катодную медь ( 99,99% меди).

Процесс кучного выщелачивания применяется также при извлечении тонковкрапленного золота из бедных руд, когда оно бактериальным выщелачиванием вскрывается из сульфидных минералов, а затем извлекается цианированием. Интересен опыт кучного бактериально-химического выщелачивания никеля из сульфидных руд месторождения Mount Sholl ( Австралия), содержащих 0,73% никеля и 0,87% меди, когда за 22 недели извлекается до 74% никеля.

Подземному выщелачиванию или выщелачиванию на месте залегания подвергаются забалансовые руды, целики, потерянные и обрушенные породы. Процесс это применяется значительно реже, чем кучное. Это объясняется большим количеством факторов, обусловленных горно-геологическими, гидрогеологическими и топографическими условиями залегания рудных тел.

При изучении горно-геологических условий определяются форма и пространственное размещение выщелачиваемой массы, наличие деформаций, разломов и трещин, которые приводят к сбросам и потерям выщелачивающих и продуктивных растворов. Размеры рудных тел по простиранию и в глубину определяют систему подачи растворов, которая зависит также от положения уровня грунтовых вод.

Выщелачивание просачиванием применяется для раздробленной горной массы, когда растворы не затопляют ее, а проходят постепенно через нее, позволяя кислороду диффундировать к поверхности частиц, что необходимо при наличии микроорганизмов.

Затопление горной массы применяется тогда, когда нет прямого доступа к горной массе, например, в забоях небольшой мощности. При таком способе нарушается режим аэрации и значительно ухудшается обеспечении кислородом, т.е. снижается эффективность бактериальных процессов.

При разбрызгивании при помощи установок типа дождевальных, выщелачивающие растворы подаются на обнаженную поверхность руды.

Продуктивные растворы при подземном выщелачивания собираются на нижнем водонепроницаемом горизонте, откуда перекачиваются на поверхность для цементационного или экстракционного извлечения выщелачиваемого металла.

При подземном выщелачивании температура сохраняется практически в течение всего года. Даже в районах, где зима длится несколько месяцев и температура составляет всего 0⁰С выщелачивание проводится успешно. Например, при температуре воздуха – 5⁰С, температура выщелачивающих растворов составляет +2⁰С, температура продуктивных растворов составляет в течение всего года + 11⁰С. Даже при температуре зимой – 25⁰С, а летом + 15⁰С, температура в шахте составляет + 8⁰С, а растворов 6-7⁰С. От температуры выщелачивающих растворов зависит прежде всего процесс бактериального выщелачивания сульфидных минералов, скорость которого значительно снижается при температуре менее 10-12⁰С.

При подземном выщелачивании большое значение приобретает проницаемость и степень трещиноватости рудной массы. При достаточной естественной проницаемости растворы и воздух свободно проходят через рудное тело. При низкой степени проницаемости рудная масса подвергается дроблению, для чего применяются кумулятивные взрывы с помощью химических взрывчатых веществ. При таком дроблении размер кусков составляет 230-300 мм , что значительно повышает степень разрыхления и проницаемость рудной массы.

Схема процесса подземного выщелачивания (рисунок 31) аналогична схеме процесса кучного выщелачивания. По этой схеме подземное бактериально-химическое выщелачивание руд колчеданного типа осуществляется на участке месторождения рудного массива длиной около 200 м и шириной 40-60 м. С поверхности до глубины 30-70 мм пробурены скважины с сеткой 10 х 10 м. На орошение рудного тела, залегающего на глубине 200 м подаются хвостовые растворы цементационной установки после предварительной регенерации их в специальном бактериальном прудке, имеющим размер 150 х 200 м, под действием бактерии й и кислорода закисное железо окисляется до окисного После регенерации выщелачивающие растворы, содержащие до 2 г/л Fe²⁺, и 10⁶ кл/мл бактерий A.ferrooxidans и имеющие рН 2,5 и температуру 13-14⁰С, по трубопроводу подаются на орошаемый участок, откуда по полиэтиленовым шлангам поступают в пробуренные скважины. Орошение проводится 5-7 суток, затем просушивание.

Медьсодержащие продуктивные растворы, прошедшие через рудное тело, собираются на одном из горизонтов шахты и из накопителя насосами подаются на поверхность в цементационные ванны. При наличии в выщелачиваемом растворе сульфата аммония, как питательной соли для бактерий, повышает их активность более чем в 2 раза и увеличивает их количество.