Выщелачивание медных отвалов

Методы, использовавшиеся в XVIII в. на месторождении Рио-Тинто (Испания) для извлечения меди из груд выветрившейся породы, в основном сохранились до наших дней. В нынешнем столетии выщелачивание отвалов развивалось в США; оно используется для получения меди из бедных руд, а также из отвального материала с очень низким содержанием меди. Такие отвальные материалы накапливаются при крупномасштабной открытой разработке руды. Бедную руду или отвальную породу перевозят из карьера куда-либо поблизости (обычно в долину), где естественный уклон дает возможность собирать используемые растворы. Во избежание загрязнения подпочвенных и поверхностных вод выбирают непроницаемые для воды участки. Отвалы, образующиеся в результате работы землеройной техники, имеют огромные размеры, достигая в высоту 300 и более метров.

Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5-3,0‚ путем ее распыления, полива или инъекции через трубы, помещенные вертикально внутри породы. Этот кислый раствор, или «выщелачиватель», просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных тиобацилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В некоторых случаях содержание Thiobacillus ferrooxidans превышает 106 клеток на 1 кг породы и на 1 мл выщелачивающего раствоpa. Этот организм активно окисляет растворимые ионы двухвалентного железа и воздействует на серо- и железосодержащие минералы. Активность Т. ferrooxidans необходима для оптимального выщелачивания. При рН ниже 3,5 окисление железа перестает зависеть от рН.

Следовательно, при кислых значениях pH, необходимых для выщелачивания отвалов, и в отсутствие Т. ferrooxidans железо оставалось бы в двухвалентном состоянии и экстракция меди из сульфидных минералов была бы минимальной. Т. ferrooxidans ускоряет окисление двухвалентного железа в 10⁶ раз. При окислении медно-сульфидных минералов нередко образуется элементарная сера. Эта сера маскирует частицы минералов, ограничивая воздействие на них со стороны трехвалентного железа. Т. ferrooxidans, присутствующая в количестве 10³-10⁵ клеток на 1 г породы и на 1 мл выщелачивающего раствора, окисляет некоторые растворимые соединения серы и элементарную серу. Разрушение серы этим организмом приводит к удалению маскирующего слоя серы, окружающего некоторые частицы минералов, и усиливает процесс выщелачивания. Таким путем Thiobacillus thiooxidans и Thiobacillus ferrooxidans совместно разлагают минералы сульфидной природы и являются мощным окислителем для растворения медно-сульфидных минералов и образования серной кислоты. Эта последняя создает благоприятную среду для деятельности микроорганизмов и удерживает ионы двухвалентной меди в растворе.

Поскольку при выщелачивании отвалов в среде развиваются природные тиобациллы, никакого засева не проводят. Проявлению необходимой активности микроорганизмов способствуют обеспечение кислотности отвала и обилие кислорода. Последнее достигается путем аэрирования выщелачивающего раствора; циркуляции воздуха внутри породы способствует и особая форма отвалов (с гребнями или ребрами). Иногда вертикально внутри отвала помещают трубы с отверстиями и через них продувают сжатый воздух, способствующий протеканию биологических и химических реакций.

В выщелачиваемых отвалах происходит также много важных небиологических реакций. Самой ценной, с экономической точки зрения, является окисление медно-сульфидных минералов образующимися биологическим путем ионами трехвалентного железа (реакция халькоцита с сульфатом железа). К другим небиологическим реакциям, протекающим в выщелачиваемых отвалах, относятся гидролиз солей трехвалентного железа с последующим осаждением основного сульфата трехвалентного железа.

Выщелачиваемые отвалы имеют значительные размеры. Это создает много инженерных проблем и может препятствовать деятельности бактерий и протеканию важных химических реакций. К таким проблемам относятся, во-первых, уплотнение отвалов и образование осадков, которые затрудняют взаимодействие раствора с минералами, во-вторых, попадание внутрь отвалов крупных минерализованных глыб, мало подверженных разрушению, и в-третьих, повышение температуры отвалов за счет протекания в них экзотермических реакций. Так, в Бинг-хэм-Каньоне было отмечено повышение температуры выше 80°С. При таких температурах тиобациллы инактивируются, но может повышаться активность термофильных выщелачивающих бактерий. Из отвалов были выделены ацидотермофильные штаммы ТН, близкие к Thiobacillus, однако крайне термофильные штаммы Sulfolobus не обнаружены. Правда, это не исключает их существования в подобных средах.

Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие 0,75 - 2,2 г меди в 1 л. Эти растворы направляют в отстойники. Медь из них получают путем осаждения с использованием железа или экстракцией растворителями. В первом случае создают условия, при которых растворы контактируют с железом и протекает следующая реакция:

«Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал. В последние годы для получения меди из раствора начали применять экстракцию растворителями. Ионы меди из водной фазы экстрагируют органическими жидкостями, только частично растворимыми в воде. Затем медь извлекают из органического растворителя.