Основы процессов растворения и выщелачивания полезных ископаемых

С помощью различных растворителей можно переводить в подвижное состояние многие полезные ископаемые. Такой перевод происходит в результате процессов растворения и выщелачивания, которые различаются механизмом взаимодействия растворителя и полезного ископаемого.

Растворение протекает в результате диффузии и межмолекулярного взаимодействия без нарушения химического состава полезного ископаемого. Процесс растворения лежит в основе скважинной добычи растворимых в воде солей: галита, сильвина, бишофита и др.

Выщелачивание сопровождается изменением полезного ископаемого как химического соединения и переводом его в раствор. Способом выщелачивания ведется извлечение из руд металлов, их солей и окислов.

В качестве выщелачивающих агентов используют кислоты и водные растворы солей.

Процесс растворения — гетерогенная реакция, происходящая на границе раздела двух сред: твёрдой и жидкой Она включает:

§ поступление растворителя к поверхности растворяемого вещества;

§ взаимодействие растворителя и растворяемого вещества (межфазные процессы);

§ удаление растворённого вещества от поверхности растворяемого вещества (диффузионный процесс);

Скорость диффузионного процесса растворения определяется разностью концентраций растворяемого вещества на контакте между пограничным слоем насыщенного рассола и общей массой растворителя. По мере насыщения раствора скорость растворения уменьшается по логарифмическому закону.

Различают:

§ массовую скорость растворения – количество соли, растворяемое в единицу времени с единицы поверхности;

§ линейную скорость растворения – расстояние, на которое распространяется растворение в единицу времени.

Скорость растворения зависит от угла наклона поверхности растворяемого вещества и температуры растворителя. В то же время она мало зависит от давления.

Особенно сложен процесс, когда имеем дело с растворением одновременно нескольких веществ, например, сильвинита, состоящего из хлористого калия (сильвина) и хлористого натрия (галита).

Кристаллизация соли — процесс, обратный растворению. Она наступает, когда раствор при данной температуре пресыщен и происходит вследствие испарения части растворителя или понижения температуры насыщенного раствора. Скорость кристаллизации зависит от присутствия в растворе зародышей кристаллов, быстроты охлаждения раствора, перемешивания, высокой начальной температуры, чистоты раствора.

Природа растворения солей очень сложна, ещё больше её осложняет наличие нерастворимых компонентов.

Процесс выщелачивания более сложен, чем процесс растворения. Он описывается сложными дифференциальными уравнениями с учётом влияния формы, размеров и полисперстности частиц, длины слоя, концентрации растворителя, гидродинамики движения жидкости.

Методы химического извлечения минералов, основанные на выщелачивании, предусматривают обычно селективное извлечение полезного компонента.

Механизм процесса выщелачивания определяется структурой и составом растворяемого минерала, характером химической связи в его кристаллической решётке, комплексом физико-химических свойств растворителя. В основе выщелачивания могут лежать:

§ обменные реакции, при которых происходит образование легкорастворимых соединений за счёт обмена ионами (взаимодействие окислов и солей металлов с кислотами);

§ окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит образование легкорастворимых соединений за счёт передачи электронов от атомов выщелачивающего агента к атомам минерала и наоборот; вещества, отдающие электроны, называются восстановителями, а принимающие – окислителями;

§ реакции с образованием комплексных соединений.

Часто процессы выщелачивания сопровождаются осаждением ценных компонентов или образованием плотных плёночных покрытий на поверхности растворения.

Выщелачивание является основной операцией при извлечении урана на месте залегания руды, так как содержание полезного компонента в них ничтожно мало. Оно определяет величину извлечения и стоимость конечного продукта. Несмотря на многообразие типов месторождений, руд и минералов, содержащих уран, для извлечения его обычно используют водные растворы минеральных кислот или солей карбонатов щелочных металлов.

При подземном выщелачивании к растворителю предъявляются следующие требования:

§ обеспечение относительно полного перевода полезного компонента в раствор;

§ низкая стоимость реагента и его наличие в народном хозяйстве,

§ селективность в процессе выщелачивания;

§ обеспечение коррозионной стойкости применяемой аппаратуры и материалов;

§ исключение условий, приводящих к засорению пор и капилляров в выщелачиваемой рудной массе и снижающих проницаемость массива;

§ возможность осуществления процесса без нагрева, дополнительного измельчения, перемешивания и т п («мягкие» условия).

Наиболее дешёвым растворителем для выщелачивания является серная кислота. Другие растворители характеризуются следующими коэффициентами относительно серной кислоты:

HNО₃ – 2,15; НСl – 2,38; NaHCO₃ – 1,06; Na₂CO₃ – 1,18;

NH₄HCO₃ –1,32; (NH₄)₂CO₃ – 3,00

Для интенсификации процесса при подземном выщелачивании некоторых руд в растворитель добавляется окислитель. В качестве последнего могут быть использованы: кислород, перманганаты, перекись водорода, азотсодержащие окислители и др.

Процесс выщелачивания включает три основные стадии:

§ транспортировку растворителя к поверхности выщелачиваемых минералов;

§ химическую реакцию с образованием растворимых солей;

§ транспорт растворённых продуктов реакции в объём раствора.

В процессе выщелачивания происходит снижение проницаемости массива. Это явление называется кольматацией. Выделяют следующие формы кольматации:

§ химическую, связанную с образованием в порах химических осадков;

§ газовую, обусловленную образованием газообразных продуктов в пласте в результате взаимодействия кислоты с карбонатными составляющими пород;

§ ионообменную, связанную с изменением размера пор в присутствии органического вещества и глинистых частиц в проницаемых породах под действием изменения рН и минерализации фильтрующихся растворов;

§ механическую, вызываемую закупоркой поровых каналов пород механическими взвесями или частицами, содержащимися в фильтрующихся растворах. При отработке месторождения способом подземного выщелачивания обычно одновременно возникают и сосуществуют несколько форм кольматации.

Переведённый в раствор полезный компонент не полностью извлекается в процессе отработки. Часть его поглощается безрудными породами. Это негативный процесс, определяющий одно из слагаемых потерь полезного ископаемого в недрах.

На практике поглощение растворённого полезного компонента осуществляется покрывающими и подстилающими породами, а также слабопроницаемыми безрудными прослоями рудовмещающего горизонта. Потери за счёт поглощения в первый период выщелачивания могут доходить до 20–30% относительно общего объёма выщелачиваемого компонента. Однако впоследствии благодаря постоянной фильтрации по проницаемому слою растворителя эти потери могут быть снижены до 5–6 %.

По характеру проникновения внутрь куска руды растворители делятся на три типа.

§ руды, в которых растворитель просачивается более или менее одновременно и постоянно со всех сторон;

§ руды, в которых растворитель проникает сначала по трещинам и плоскостям слоистости, т.е. по основным каналам, а затем из них поступает в мельчайшие поры и капилляры;

§ руды, которые при обработке растворителем разрушаются.

Пористость рудных монолитов обычно во много раз ниже пористости глин (эффективная пористость скальных руд обычно 0,5-3,0 %), однако размеры пор и капилляров в куске выше, чем в глинистых породах.