011038 Предпосылки создания изобретения

011038
Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к оптимизации процесса биовыщелачивания с целью извлечения
одного или нескольких металлов из руд, содержащих металл или металлы.
Изобретение описано далее со ссылкой на конкретный пример биовыщелачивания низкосортной
руды, содержащей медно-сульфидные руды. Однако необходимо иметь в виду, что кучное выщелачивание меди приведено здесь только в качестве примера и что принципы данного изобретения, модифицированные при необходимости, можно использовать при кучном выщелачивании для извлечения других
металлов, таких как золото, цинк, кобальт и никель.
Кроме того, хотя настоящее изобретение описано с подробной ссылкой на процесс кучного биовыщелачивания, следует иметь в виду, что некоторые принципы изобретения применимы к процессу чанового биовыщелачивания.
В обычном процессе кучного биовыщелачивания низкосортную руду, содержащую медно-сульфидные минералы, обычно с суммарным содержанием меди меньше 0,5%, подвергают биологической обработке, при которой агломерированную или неагломерированную руду складируют на непроницаемую
основу и затем обеспечивают эффективную систему распределения и сбора щелока от выщелачивания.
Кислотный выщелачивающий раствор пропускают через руду. Микробы, культивируемые в груде
руды, продуцируют ионы трехвалентного железа и кислоту, что приводит к разрушению минерала и его
растворению. В этом типе процесса аэрация может быть пассивной, при этом воздух проникает в груду
руды с потоком жидкости, или активной, при этом воздух продувают в груду руды через систему трубок,
установленных в нижней области груды.
Металлсодержащий выщелачивающий раствор (известный как насыщенный раствор щелока или
НРЩ), который вытекает из груды руды, собирают и подвергают процессу извлечения металла, который
обычно включает стадию экстракции растворителем. Во время этой стадии один или несколько металлов, содержащихся в выщелачивающем растворе, переходят в органическую фазу растворителя, который
обладает высоким сродством по отношению к данному металлу или металлам.
Выщелачивающий раствор, из которого методом экстракции растворителем удален металл, называют рафинатом и возвращают в оросительную систему груды, при необходимости добавляя кислоту и
питательные вещества, и снова пропускают через груду руды.
Для успешного кучного выщелачивания медно-сульфидных руд необходима микробная активность,
чтобы катализировать окисление восстановленной серы и различных форм железа. На фиг. 1, представленной в прилагаемых чертежах, схематически изображены процессы, протекающие при биовыщелачивании первичных медно-сульфидных руд, таких как халькопирит (CuFeS2), и вторичных медно-сульфидных руд, таких как ковеллин (CuS) и халькоцит (Cu2S). Следует отметить, что биовыщелачивание первичных медных сульфидов обычно протекает значительно медленнее вследствие большей кислотоупорности таких руд. Поэтому извлечение меди из первичных медных сульфидных руд обычно менее эффективно, чем извлечение меди из вторичных сульфидов, так как для последних процесс часто можно выполнить в субоптимальных условиях, при которых микробная каталитическая активность биовыщелачивания подавлена.
В случае вторичных сульфидных руд окисление микробами ионов двухвалентного железа до трехвалентного со скоростью, которая превышает скорость потребления ионов двухвалентного железа во
время выщелачивания, без существенного окисления серы, часто является достаточным для значительного извлечения меди даже при температуре окружающей среды. Окисление ионов железа(II) происходит быстрее, чем окисление восстановленной серы, по ряду причин, которые включают следующие факторы:
a) более низкая работа выхода электронов на моль ионов двухвалентного железа, чем на моль восстановленной серы, и
b) большая растворимость и подвижность ионов двухвалентного железа в руде по сравнению с соответствующими значениями для восстановленных форм серы.
Скорость выщелачивания халькопирита можно увеличить, если проводить выщелачивание при повышенной температуре в диапазоне от 40 до 65°С. При окислении восстановленных форм серы, таких
как пиррит (FeS2), вырабатывается теплота, и температура руды увеличивается. Для того чтобы окислить
восстановленную серу, условия для роста микробов должны быть значительно более благоприятными и
оптимизированными, чем в случае, когда необходимо только окисление железа.
Субоптимальными условиями роста можно считать, по меньшей мере, следующие:
a) неправильно выбранные рН условия,
b) отсутствие важнейших питательных макро- и микроэлементов,
c) высокая ионная сила или высокое суммарное содержание солей в перколирующем выщелачивающем растворе, который, как отмечено, обычно является раствором рафината,
d) присутствие растворенных или захваченных органических соединений, обладающих ингибирующим действием на рост микробов, и
e) условия, ограничивающие доступ углерода или кислорода.
Суммарное содержание солей является мерой присутствия солей, главным образом, содержащих
-1-
011038
сульфиды, со связанными катионами алюминия, магния, натрия, кальция и калия или, в более общем
смысле, с любым растворимым анионом или катионом, из перколирующего выщелачивающего раствора.
Когда суммарное содержание солей превышает примерно 80-120 г/л, активность микробов снижается в
возрастающей степени. Однако подавление микробов может происходить при более низких уровнях
суммарного содержания солей в присутствии определенных катионов и анионов, которые вызывают скорее специфическое ингибирование (в сравнении с неспецифическим ингибированием за счет ионной силы и осмотического потенциала), например хлоридов, нитратов, алюминия, фторида и мышьяка.
При кучном выщелачивании рН насыщенного раствора щелока обычно находится в интервале от
1,5 до 2,2. Кислоту преимущественно используют для растворения кислоторастворимых форм меди, сохранения таких форм в растворе и создания среды, благоприятной для роста бактерий и их активности.
Однако пустые породы часто являются кислотопоглощающими и могут реагировать с кислотой, содержащейся в растворе, который пропускают через груду руды. Эта реакция приводит к выделению солей,
обычно сульфатов, со связанными катионами алюминия, калия и магния, которые переходят в раствор в
виде растворенных форм. Концентрация таких растворенных солей возрастает со временем, по мере того
как протекает процесс кучного выщелачивания, и вследствие концентрирующего эффекта испарения.
Увеличение концентрации органических солей вышеуказанным способом приводит к возрастающим уровням подавления микробной активности. Это может быть неспецифическое подавление, которое
вызвано высокой ионной силой (высоким осмотическим потенциалом), что приводит к уменьшению активности воды, что, в свою очередь, приводит к пониженной микробной активности. В качестве альтернативы или дополнительных факторов подавление может быть вызвано определенными неорганическими соединениями, такими как нитрат, хлорид, алюминий, фторид и мышьяк. Обычный вид ингибирования микробной активности (или субоптимальной микробной активности), с которым сталкиваются в
процессе кучного выщелачивания, обусловлен высоким суммарным содержанием солей, что приводит к
более низкой активности воды и неспецифическому микробному подавлению.
Органические соединения могут проявлять сходный ингибирующий эффект на микробную активность. Как было описано, металл, содержащийся в насыщенном растворе щелока, удаляют из раствора во
время процесса экстракции растворителем. Хотя растворитель, в основном, не растворим в воде, небольшая часть растворителя на самом деле растворима и может оказаться в водной фазе. Она может присутствовать или в виде водорастворимых фракций или в виде дискретных капелек (мицелл). Затем органические соединения в той или иной форме попадают в рафинат и, в конце концов, просачиваются через
груду руды. Некоторые из органических растворителей подавляют биовыщелачивающие микроорганизмы, и введение их в груду руды может привести к пониженной или субоптимальной микробной активности. Органические соединения могут быть как основной причиной подавления микробов, так и вносить
свой вклад в ингибирующий эффект, обусловленный неорганическими солями. Так как органические
соединения являются, по существу, гидрофобными, эти соединения будут проявлять тенденцию к адсорбции на рудном материале во время перемещения в перколирующей оросительной жидкости. Такие
адсорбционные эффекты будут оказывать более отрицательное воздействие на окисление серы, чем на
окисление ионов двухвалентного железа. Причина этого явления, главным образом, обусловлена тем
фактом, что соединения восстановленной серы нерастворимы. Следовательно, микробное окисление таких соединений должно происходить у поверхности руды, и, таким образом, на это окисление более негативно влияют адсорбированные на поверхности ингибирующие соединения. Для сравнения, двухвалентное железо растворимо в воде, и может легко быть окислено неприкрепленными клетками микробов,
и, таким образом, на него меньше влияет присутствие поверхностно-адсорбированных органических соединений.
Процесс кучного выщелачивания сульфидов, которые, главным образом, содержат вторичные медно-сульфидные руды, не требует повышенной температуры. Поэтому при выщелачивании вторичных
медных руд окисление восстановленной серы, при котором вырабатывается тепло, используемое для
повышения температуры груды руды, не является жестким требованием, и удовлетворительные скорости
выщелачивания руды могут быть достигнуты при наличии окисления двухвалентного железа без существенного окисления серы. Поскольку субоптимальные микробные условия меньше влияют на скорость
окисления двухвалентного железа, чем на условия окисления серы, воздействие высокого содержания
солей или присутствия органических соединений на скорость выщелачивания вторичных сульфидных
руд относительно незначительно.
Однако субоптимальные условия, связанные с присутствием неорганических солей или органических соединений, оказывают значительное неблагоприятное воздействие на окисление серы, которое
заметно проявляется в отношении скорости растворения первичных сульфидных руд, таких как халькопирит, когда генерирование теплоты является решающим фактором для достижения удовлетворительной
скорости выщелачивания. Скорость растворения первичной медной сульфидной и пиритной руды ухудшается, и скорость выщелачивания меди из первичных медных сульфидных руд уменьшается.
Краткое изложение изобретения
Изобретение обеспечивает метод оптимизации процесса биовыщелачивания, по меньшей мере, в
отношении генерирования теплоты и выщелачивания первичных медных сульфидов путем активного
-2-
011038
мониторинга и регулирования содержания неорганических и органических соединений в растворе рафината, полученного в процессе, до уровней ниже уровня, который мог бы подавить микробную активность
биовыщелачивающих штаммов, используемых в процессе.
Процесс биовыщелачивания может быть осуществлен в реакторе, например в одном или нескольких чанах, или в груде.
Суммарное содержание солей в растворе рафината может быть снижено любым подходящим способом, и предпочтительным способом является растворение, осаждение, или обратный осмос, или комбинация этих способов.
Кроме того, настоящее изобретение распространяется на стадию контролирования фазы извлечения
металла с целью снижения содержания органических соединений в рафинате. Если применяют методику
экстракции растворителем, можно, например, использовать для экстракции органические соединения, не
подавляющие микробную активность. В качестве альтернативы или дополнительно можно удалять из
раствора рафината растворенные органические углеродные соединения любым подходящим способом,
например, используя методы окисления или поглощения.
Настоящее изобретение может включать стадии мониторинга содержания органических соединений
в рафинате и контролирования содержания органических веществ как отклик на стадию мониторинга.
Краткое описание фигур
Далее изобретение описано с помощью примера на основе фиг. 2, представленной в прилагаемых
чертежах. Фиг. 1, на которой концептуально проиллюстрированы аспекты, связанные с биовыщелачиванием первичных и вторичных сульфидных руд, обсуждалась выше.
Описание предпочтительного варианта изобретения
На фиг. 2, представленной в прилагаемых чертежах, показана груда 10 размельченной руды, которая содержит первичные и вторичные медно-сульфидные руды. Груда сооружена известным способом на
непроницаемой основе, и к ней подают кислотный выщелачивающий раствор из источника 12 и с помощью аэрационной системы 14 воздух. Далее эти аспекты не описаны.
Насыщенный раствор щелока 16, который вытекает из груды, подвергают процессу экстракции растворителем 20, используя органический растворитель 22, выбранный с учетом требуемого металла 24,
который должен быть удален из раствора 16.
В процессе 20 производят требуемый металл 24 и раствор рафината 30.
Рафинат 30, вследствие того, что его, как правило, подвергают рециркуляции через груду 10, а также в результате концентрирования, вызванного испарением, может содержать высокие суммарные концентрации солей и, более того, может быть загрязнен органическими соединениями, выделяющимися из
растворителя 22.
Рафинат 30 подвергают обработке на стадии 32 для снижения уровня концентраций тех соединений, которые подавляют микробную активность. Стадию обработки можно осуществлять регулярно или
в ответ на измерения суммарного содержания солей или органических соединений в рафинате, выполненные на стадии мониторинга 34.
Стадию мониторинга осуществляют для выполнения измерений уровня неорганических солей и органических соединений, которые обладают неблагоприятным эффектом на микробную активность. Стадию мониторинга можно выполнить разными способами, в том числе следующими: а) определением
концентраций клеток в насыщенном растворе щелока с помощью микроскопа; b) исследованием биологических проб с целью мониторинга скорости роста биовыщелачивающих микробов, влияющих на скорость окисления серы и/или железа; и с) респирометрическими методами определения скорости потребления кислорода и/или диоксида углерода в качестве индикатора микробной активности.
Способы обработки рафината на стадии 32 можно варьровать в зависимости от предъявляемых требований. Обычно суммарное содержание солей в рафинате уменьшают путем разбавления, осаждения,
обратного осмоса или любыми другими подходящими способами. Содержание органических соединений
в рафинате можно уменьшить путем улучшения физических условий процесса экстракции растворителем и разделения фаз, путем использования в фазе экстракции 20 в качестве растворителей органических
соединений, не подавляющих микробную активность, или путем удаления из раствора растворенных
органических соединений с помощью подходящих методов окисления или поглощения. При этом важно
обеспечить проведение в рамках обычного управления процессами кучного выщелачивания стадии предотвращения избыточного накопления всех солей в рафинате, а также предотвращения избыточного перехода органических химикатов, используемых в качестве растворителей при экстракции, в рафинат.
Однако такие шаги предпринимают по эксплуатационным причинам, связанным с высокой стоимостью
растворителей, а также влиянием высоких концентраций солей в растворе на физико-химические и электрохимические аспекты последующей обработки растворенного металла, а не по причинам микробной
активности, так как они относятся к фактической груде. Также важно отметить, что мониторинг и контроль, которые требуются для предотвращения вредного воздействия на рост микробов в груде, являются
существенно более строгими, чем те, которые были бы необходимы для других эксплуатационных причин. Например, такая низкая концентрация органического растворителя, как 5 мг/л, была бы смертельна
для микробной активности, тогда как с точки зрения управления потерями растворителей при экстракции
-3-
011038
такие потери в пределах интервала считались бы удовлетворительными.
Пустую породу 36, образовавшуюся на стадии обработки рафината 32, утилизируют по мере необходимости. Затем образовавшийся раствор, по выбору с добавлением питательных веществ 38 и кислоты
40, направляют в распределительную сеть, связанную с грудой руды.
При обработке рафината описанным способом можно преодолеть или уменьшить ингибирующий
эффект, который в противном случае проявился бы за счет неорганических солей и органических соединений. Настоящее изобретение способствует окислению восстановленных форм серы, и это приводит к
повышению температуры, что увеличивает эффективность выщелачивания первичных медных сульфидных руд.
Настоящее изобретение описано с ссылкой на процесс кучного выщелачивания, но необходимо
иметь в виду, что подобный эффект можно получить при обработке рафината из экстракционной установки, сообщающейся с биовыщелачивающим реактором или реакторами.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ оптимизации процесса биовыщелачивания, по меньшей мере, в отношении генерирования тепла и выщелачивания первичных медно-сульфидных руд путем активного мониторинга и контролирования содержания неорганических и органических соединений в растворе рафината, полученного в
этом процессе, до уровней ниже уровня, который может подавлять микробную активность биовыщелачивающих штаммов, используемых в этом процессе.
2. Способ по п.1, в котором процесс биовыщелачивания осуществляют в реакторе.
3. Способ по п.1, в котором процесс биовыщелачивания осуществляют в груде руды.
4. Способ по любому из пп.1-3, в котором суммарную концентрацию солей в растворе рафината
снижают путем разбавления, осаждения или обратного осмоса или комбинации этих способов.
5. Способ по п.4, который включает стадии мониторинга содержания органических соединений в
рафинате и контролирования их содержания как отклик на стадию мониторинга.
6. Способ по п.5, в котором стадию мониторинга выбирают из следующих стадий:
(a) определение концентраций клеток в насыщенном растворе щелока с помощью микроскопа;
(b) исследование биологических проб с целью мониторинга скорости роста биовыщелачивающих
микробов, влияющих на скорости окисления серы и/или железа; и
(c) респирометрические методы определения скоростей потребления кислорода и/или диоксида углерода в качестве индикатора микробной активности.
7. Способ по п.6, в котором насыщенный раствор щелока, полученный в процессе биовыщелачивания, подвергают фазе извлечения металла, и который включает стадию контролирования фазы извлечения металла с целью снижения содержания органических соединений в рафинате.
8. Способ по п.7, в котором методы экстракции растворителями используют в фазе извлечения металла и содержание органических соединений уменьшают путем использования при экстракции растворителей, не подавляющих микробную активность.
9. Способ по пп.7, 8, в котором растворенные органические соединения удаляют из раствора рафината, используя методы окисления или поглощения.
Фиг. 1
-4-
011038
Фиг. 2
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
-5-