способ извлечения никеля из силикатных руд кучным или подземным выщелачиванием

Формула изобретения

1. Способ извлечения никеля из силикатных руд, включающий выщелачивание раствором серной кислоты с получением продуктивных растворов, удаление из них примесей железа, алюминия, магния и кремния, извлечение никеля в концентрат и возврат оборотных растворов после укрепления серной кислотой на выщелачивание, отличающийся тем, что получение продуктивных растворов ведут кучным или подземным выщелачиванием раствором серной кислоты, при проведении процесса чередуют периоды выщелачивания и промывки руды, а концентрацию серной кислоты в выщелачивающем растворе поддерживают в дифференцированном режиме с изменением повышенной концентрации - 50-250 г/л в периоды режима выщелачивания руды на пониженную - 1-10 г/л в периоды режима промывки руды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый из периодов режима выщелачивания и промывки руды соответствует прохождению растворов через руду в объеме, кратном отношению Ж:Т в пределах 0,2-1,0:1.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при подземном выщелачивании осуществляют реверс выщелачивающих растворов с подачей их в откачные выработки и выводом продуктивных растворов из закачных выработок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидрометаллургии и горному делу, а именно к кучному или подземному выщелачиванию никеля, кобальта и других ценных компонентов из силикатных (латеритных) руд. Оно может быть использовано также при любом другом виде фильтрационного или инфильтрационного (перколяционного) выщелачивания: кюветного, колонного, чанового (без перемешивания).

Известен способ кучного выщелачивания никеля из латеритных (силикатных) руд, включающий рециркуляцию выщелачивающего раствора с концентрацией серной кислоты 1 н. (49 г/л). Выходной раствор рециркулируют до тех пор, пока концентрация никеля прекратит возрастать. Затем выщелачивающий раствор заменяют на новый. В другом варианте циркулирующий раствор корректируют по значению рН и укрепляют его кислотой до тех пор, пока не получат в растворе желаемую концентрацию никеля (патент Греции GR 1001555, МПК С22В 23/00, С22В 3/08 за 1994 г.).

Применение повышенной концентрации серной кислоты 1 н. при выщелачивании силикатных руд в течение всего процесса приведет к быстрому насыщению раствора кремнекислотой и другими примесями (Fe, Al), которые в условиях кучного выщелачивания по мере нейтрализации серной кислоты начнут образовывать осадки и блокировать часть рудной минерализации. Повторный цикл со свежим раствором серной кислоты концентрации 1 н. вновь приведет к насыщению раствора примесями, за счет присутствия которых движущийся фронт выщелачивания с пониженной кислотностью только частично обеспечит растворение уже отложенных осадков и далее вызовет образование новых отложений. В результате это приведет к повышенному побочному расходу реагента на взаимодействие с уже выщелоченными по никелю участками руды. В итоге конечный удельный расход серной кислоты на заданное извлечение никеля возрастет.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ извлечения никеля из латеритных (силикатных) руд кучным выщелачиванием в противоточной системе, когда в систему, состоящую из двух-трех куч (стадий) или отдельных участков (стадий) одной большой кучи, свежий выщелачивающий раствор серной кислоты с концентрацией в пределах 50-200 г/л подается в последнюю кучу (стадию), последовательно проходит все предыдущие кучи (стадии) и выводится на переработку. По окончании выщелачивания на последней куче она выводится из процесса и к системе подключается свежая куча (стадия). При этом вторая куча становится последней, первая - второй, свежая - первой по ходу руды и последней по ходу раствора. В результате организуется противоток руды и раствора. Кислотность выщелачивающего раствора предложено поддерживать как постоянной в течение всего процесса, так и варьировать в пределах 50-200 г/л (патент России № 2355793 МПК С22В 23/00, С22В 3/08 за 2006 г., конвенционный приоритет Бразилии BR 0505828-7 за 2005 г. и BR 0605643-1 за 2006 г.).

Использование раствора серной кислоты с повышенной концентрацией 50-200 г/л в течение всего процесса как в противоточной, так и в открытой системе (без использования выходного раствора на следующей по ходу руды куче) приведет к быстрому насыщению раствора кремнекислотой и другими примесями (Fe, Al), которые в условиях кучного выщелачивания начнут образовывать осадки и блокировать часть рудной минерализации, поры и трещины руды. И чем большая концентрация серной кислоты применяется, тем больше образуется осадков и выше ее побочный расход. Свежий фронт кислых растворов обеспечит растворение переотложенных осадков только при повышенном побочном расходе реагента на взаимодействие с уже выщелоченными по никелю участками руды. В результате конечный удельный расход серной кислоты на заданное извлечение никеля возрастет.

Задачей изобретения является снижение удельного расхода серной кислоты на заданное извлечение никеля.

Решение поставленной задачи достигается тем, что при проведении процесса концентрацию серной кислоты в выщелачивающем растворе поддерживают в дифференцированном режиме, изменяя ее периодически с повышенной, в периоды режима выщелачивания руды (преимущественно в пределах 50-250 г/л), на пониженную, в периоды режима промывки руды (преимущественно в пределах 1-10 г/л).

Сущность способа состоит в следующем. При просачивании через руду фронта выщелачивающих растворов с концентрацией серной кислоты 50-250 г/л с поверхности кучи к ее основанию - при кучном выщелачивании или при фильтрации от закачных горных выработок (скважин) к откачным - при подземном выщелачивании происходит снижение концентрации серной кислоты и накопление в растворе кремнекислоты и других примесей (Fe, Al). Однако кремнекислота имеет ограниченную растворимость даже в кислой среде и значительная ее часть осаждается на поверхности рудных минералов, в порах и трещинах руды, так же как трехвалентное железо и алюминий, особенно на фронте нейтрализации растворов. Выпавшие осадки затрудняют доступ серной кислоты к заблокированным участкам рудной минерализации и выход никеля в раствор. Кроме того, с осадками соосаждается и часть уже растворенного никеля. При продолжении процесса с повышенной кислотностью уже выщелоченные по никелю участки руды потребляют реагент непроизводительно, но в той или иной мере обогащают раствор кремнекислотой, железом, алюминием. Насыщенный примесями кислый раствор, хотя и постепенно растворяет переотложенные осадки, но образует новые, расходуя кислоту в это время в основном на взаимодействие с пустой породой. В результате возрастает побочный расход серной кислоты и удельный ее расход.

Периодический переход к режиму промывки слабокислыми растворами (1-10 г/л H ₂SO₄) приводит к растворению образовавшихся блокирующих осадков с поверхности рудных минералов при незначительном увеличении общего расхода серной кислоты. Дело в том, что силикатные руды содержат как легкорастворимые минералы, например карбонаты и некоторые силикаты магния, так и более упорные силикаты, окислы железа и алюминия. В период выщелачивания с высокой концентрацией серной кислоты (50-250 г/л) легкорастворимые минералы вырабатываются, поэтому переход к растворам с пониженной кислотностью (1-10 г/л H₂SO₄) на выщелоченных участках не ведет к расходу этой кислоты на взаимодействие с рудой, она потребляется только на растворение переотложенных осадков, в том числе и соосажденного никеля. В результате слабокислые растворы освобождают заблокированные участки руды и подготавливают их к выщелачиванию крепкими растворами серной кислоты.

Последующий период в режиме выщелачивания с высокой кислотностью вначале приводит к увеличению интенсивности выщелачивания никеля, как правило, при вытеснении объемов раствора, кратных соотношению Ж:Т=0,2-1,0:1, в зависимости от используемой концентрации кислоты в пределах 50-250 г/л. Затем кислота опять начинает потребляться непроизводительно. Последующая промывка руды слабокислыми растворами вновь подготавливает руду к эффективному выщелачиванию более крепкими растворами кислоты. При этом период промывки может протекать также до вытеснения объема раствора, кратного соотношению Ж:Т=0,2-1,0:1, в зависимости от используемой концентрации кислоты в пределах 1-10 г/л. Другими словами, периоды выщелачивания и промывки руды должны соответствовать прохождению через руду объемов растворов, предпочтительно кратных соотношению Ж:Т в пределах 0,2-1,0:1. Количество профильтрованных растворов в тот или иной период не является принципиальным, важно чтобы периоды в режиме выщелачивания руды с повышенной кислотностью чередовались с периодами в режиме промывки руды растворами с пониженной кислотностью.

Количество профильтрованных растворов (соотношение Ж:Т) в период выщелачивания с повышенной кислотностью, строго говоря, определялось нами экспериментально по снижению проницаемости рудного слоя и по резкому падению концентрации никеля в выходных растворах в этот момент. Соотношение Ж:Т, при котором выщелачивание протекало в этот период эффективно, соответствовало удельному расходу кислоты в 40-60 кг/т руды. Поэтому при использовании концентрации серной кислоты в выщелачивающем растворе, например, 50 г/л этот удельный расход достигался при соотношении Ж:Т=1,0:1. В случае кислотности 250 г/л соотношение Ж:Т этого периода, соответствующее такому расходу, составляло 0,2:1. То есть в зависимости от применяемой концентрации кислоты в пределах 50-250 г/л периоды поддержания повышенной кислотности в выщелачивающем растворе должны соответствовать прохождению через руду объемов растворов, предпочтительно кратных соотношению Ж:Т в пределах 0,2-1,0:1. Кроме того, нами экспериментально определено, что границы интервала рекомендуемой кислотности могут быть расширены с 50-200 г/л, указанных в прототипе, до 50-250 г/л.

Соотношение Ж:Т, соответствующее выщелачиванию руды в период промывки руды от осадков, должно соответствовать эффективному поровому объему руды или объему, который занимает раствор в руде во время ее выщелачивания, при концентрации кислоты в этот период, достаточной для растворения осадков. Эффективный поровый объем руд в зависимости от их крупности обычно составляет величину в 20-50% от их массы и соответствует соотношению Ж:Т=0,2-0,5:1. С другой стороны, соотношение Ж:Т в период промывки руды от осадков зависит от скорости их растворения и скорости фильтрации (при подземном выщелачивании) или инфильтрации (при кучном выщелачивании) растворов, а также от количества осадков, что определяется в основном концентрацией кислоты, использованной в предыдущий период выщелачивания с повышенной кислотностью. Кроме того, имеет значение и концентрация кислоты в период промывки руды с пониженной кислотностью. На наш взгляд, в зависимости от перечисленных выше факторов периоды промывки с пониженной концентрацией кислоты в растворе в пределах 1-10 г/л должны соответствовать прохождению через руду объемов растворов, также предпочтительно кратных соотношению Ж:Т в пределах 0,2-1,0:1.

Таким образом, периоды в режиме выщелачивания руды (50-250 г/л H₂SO₄) и периоды в режиме промывки руды (1-10 г/л H₂SO₄) должны соответствовать прохождению через руду объемов растворов, предпочтительно кратных соотношению Ж:Т в пределах 0,2-1,0:1.

При подземном выщелачивании руда вскрывается откачными и закачными горными выработками, например скважинами, и выщелачивающий раствор фильтруется по направлению от закачных к откачным скважинам. По ходу выщелачивания наиболее выщелоченными зонами рудного массива становятся участки вблизи закачных скважин, а наименее проработанными остаются участки, приуроченные к откачным скважинам. Если в определенный момент, когда выщелачиваемая руда в целом отработается, например, на 50% от заданного извлечения, осуществить реверс выщелачивающих растворов (изменение направления движения растворов на обратное) с подачей выщелачивающих растворов в откачные скважины и выводом продуктивных растворов из закачных скважин, то кислота начнет потребляться более производительно, расходуясь прежде всего на невыработанную по никелю часть руды. В результате удельный расход серной кислоты снизится еще в большей мере.

По известному и предлагаемому способам в лабораторных условиях проводили выщелачивание силикатной никелевой руды, дробленной по классу -10 мм. Химический состав руды приведен в табл.1.

Таблица 1
Химический состав пробы силикатной руды
Компоненты	Содержание, %
K 2O	0,03
Na2 O	0,04
SiO2	64,17
TiO2	0,07
Al 2O3	2,49
Cr 2O3	0,63
Fe 2O3	12,39
FeO	0,53
CaO	0,33
MgO	9,55
MnO	0,36
Ni	0,73
Co	0,026
CO 2	0,27
Cu	0,050
п.п.п.	8,19

Выщелачивание осуществляли в полиэтиленовых вертикальных трубных моделях (колонках), слой руды в которых составлял 1 м. Подачу выщелачивающего раствора проводили сверху с плотностью орошения 10 л/м²·час или 0,05 отношения Ж:Т в сутки.

По известному способу проведены 3 опыта ( № 1, 3, 5) с постоянной концентрацией серной кислоты в выщелачивающем растворе в течение всего процесса: 50, 150 и 250 г/л.

По предлагаемому способу проведены также 3 опыта ( № 2, 4, 6) с такими же концентрациями кислоты, но периодически, выщелачивание здесь переводилось на режим промывки руды с пониженной концентрацией кислоты, после чего оно вновь возобновлялось в режиме крепких растворов кислоты. При этом каждый период в режиме выщелачивания руды в опыте с 50 г/л соответствовал соотношению Ж:Т=1,0:1, в опыте со 150 г/л - соотношению Ж:Т=0,4:1 и в опыте с 250 г/л - соотношению Ж:Т=0,2:1. В периоды промывки руды концентрацию кислоты варьировали от 1 до 10 г/л и во всех опытах эти периоды соответствовали соотношению Ж:Т=0,5:1. Еще один опыт № 7 был проведен с реверсом выщелачивающих растворов, когда в момент извлечения никеля на 42% выщелачивающий раствор начали подавать в нижнюю часть колонки, то есть в обратном направлении. Концентрация серной кислоты в растворе в период выщелачивания руды здесь поддерживалась 150 г/л, в период промывки - 5 г/л.

Показатели опытов по известному и предлагаемому способам фиксировались по периодам, окончанием процесса считалось достижение степени извлечения никеля 70-72%. Результаты представлены в табл.2.

Как следует из табл.2, по сравнению с известным способом в предлагаемом способе во всех опытах на заданную степень извлечения никеля в 70-72% произошло значительное снижение удельного расхода серной кислоты. При концентрации серной кислоты в выщелачивающем растворе 50 г/л - с 300 до 202 кг/т руды, при 150 г/л - с 330 до 188 кг/т руды, при 250 г/л - с 400 до 220 кг/т руды. В опыте № 7 с реверсом удельный расход кислоты снизился еще значительнее - до 155 кг/т руды. Кроме того, из результатов опытов 2, 4, 6 по предлагаемому способу видно, что с увеличением используемой кислотности растворов в периоды выщелачивания от 50 г/л до 250 г/л удельный расход серной кислоты вначале уменьшается с 202 до 188 кг/т руды, а затем возрастает до 220 кг/т. При этом он остается во всех случаях ниже значений, полученных по известному способу (300-400 кг/т). Это свидетельствует о том, что оптимальная концентрация кислоты в период выщелачивания крепкими растворами серной кислоты находится преимущественно в интервале между 50 и 250 г/л. Из данных табл.2 следует также, что наряду с никелем из руды во всех опытах извлечено 60-70% и других ценных компонентов: кобальта, меди и хрома.

В приведенном примере по предлагаемому способу в периоды выщелачивания использовалась постоянная концентрация серной кислоты в выщелачивающих растворах в течение всего процесса. Однако очевидно, что ее можно изменять по ходу процесса дифференцированно, например с 250 в начальные периоды выщелачивания до 50 г/л в конечных периодах. Важно, чтобы в течение одного процесса она предпочтительно находилась в пределах 50-250 г/л. Аналогично, в периодах промывки слабокислыми растворами их кислотность может меняться в течение одного процесса, но предпочтительно в пределах 1-10 г/л.

Необходимо отметить еще одно важное обстоятельство. При организации процесса кучного и подземного выщелачивания наиболее рационально использовать оборотные растворы. В описании приведенного прототипа указывается, что переработка продуктивных растворов предусматривает получение никелевого концентрата как осаждением щелочами, так и экстракцией или ионным обменом. Но существуют экстрагенты и ионообменные смолы, позволяющие селективно извлекать никель из растворов в присутствии трехвалентного железа, алюминия, магния и кремния. В этом случае маточные растворы будут насыщаться солями этих элементов и для эффективного выщелачивания никеля использовать такие растворы в качестве оборотных выщелачивающих растворов представляется проблематичным из-за вероятного резкого снижения кинетики выщелачивания. Поэтому при использовании для выщелачивания оборотных растворов по предлагаемому способу переработка продуктивных растворов должна осуществляться с полным или в большей части удалением примесей железа, алюминия, магния и кремния.

Таким образом, если извлекать никель из силикатных руд кучным или подземным выщелачиванием раствором серной кислоты, перерабатывать продуктивные растворы с удалением примесей железа, алюминия магния и кремния, возвращать оборотные растворы после укрепления серной кислотой на выщелачивание и поддерживать при проведении процесса выщелачивания концентрацию серной кислоты в выщелачивающем растворе в дифференцированном режиме, изменяя ее периодически с повышенной - в периоды режима выщелачивания руды преимущественно в пределах 50-250 г/л на пониженную - в периоды режима промывки руды преимущественно в пределах 1-10 г/л, то удельный расход серной кислоты значительно сократится и поставленная задача будет решена.