ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2015, № 5, с. 415-424
_ ЗАГРЯЗНЕНИЕ _
ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
УДК 556.388
ОЦЕНКА КИСЛОТНОГО ДРЕНАЖА НА РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ © 2015 г. Б. Н. Рыженко*, Т. П. Белова**, А. Е. Рябенко***, Е. В. Черкасова*
*Институт геохимии и аналитической химии им.В.И. Вернадского РАН, ул.Косыгина, 19, Москва, 119991Россия. Е-та11: ryzhenko@geokhi.ru **Научно-исследовательский геотехнологический Центр (НИГТЦ) ДВО РАН, Северо-Восточное шоссе, 30, Петропавловск-Камчатский, 683002 Россия.
Е-таИ: belova@kscnet.ru ***ЗАО "ШАНЭКО", ул. Москворечье, 4, к. 3, Москва, 115522 Россия. Е-таИ: shaneco.group@shaneco.ru
Поступила в редакцию 10.06.2014 г. После исправления 1.12.2014 г.
Используя физико-химическое компьютерное моделирование систем вода-порода-газы (опирающееся на выводы фундаментальной геохимии о параметрах формирования химического состава природных вод), на примере одного из золоторудных месторождений показано, что опасность загрязнения природных вод представляют участки рудовмещающей породы, находящиеся в режиме смены пассивного и активного водообмена. Во время пассивного водообмена происходит накопление продуктов окисления сульфидов. При активном водообмене эти вещества вымываются из породы, создавая кислотные стоки. Очистка кислотных стоков более эффективна при поддержании реакционной смеси в восстановительных - слабощелочных условиях.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, геоэкология, кислотный дренаж, рудные месторождения.
ВВЕДЕНИЕ
Экологические риски, связанные кислотным дренажом на сульфидсодержащих рудных месторождениях, можно оценить, опираясь на закономерности фундаментальной науки. Для прогноза протекания гидрогеохимических процессов, формирующих состав подземных вод и поверхностных водных объектов, дренажных вод отвалов пород и отходов обогащения авторы предлагают использовать физико-химическое компьютерное моделирование систем вода-порода-газы, которое опирается на выводы исследований С.Р. Крайно-ва и сотрудников [2]. Формирование химического состава вод определяется физико-химическими параметрами, главные из которых: открытость -закрытость системы вода-порода-газы относительно СО2 и О2; отношение между взаимодействующими массами пород и подземных вод (R/W); петрохимический тип пород, особенно формы нахождения химических элементов в породах; температура - давление существования системы.
В системе вода-порода-газ сосуществуют водный и газовый растворы и минеральная ассоциация первичных (и вторичных) минералов.
Опираясь на методы химической термодинамики и используя разработанные компьютерные программы, несложно оценить равновесное состояние такой системы и определить рН, БИ, концентрации и формы существования компонентов в водном растворе, минеральные ассоциации при заданных температуре, давлении, балансе масс инертных и летучести (парциальном давлении) вполне подвижных компонентов [1].
Предлагаемая авторами технология оценки кислотного дренажа на рудных месторождениях включает: а) лабораторные опыты по выщелачиванию образцов исследуемых пород месторождения и б) компьютерное моделирование системы вода-порода-газы. Рассмотрим конкретный пример одного из золоторудных месторождений.
МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНОГО
ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ РУДОВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД
Лабораторное выщелачивание макро- и микроэлементов из образцов рудовмещающих пород выполнено в НИГТЦ ДВО РАН. Для эксперимен-
Таблица 1. Усредненный состав образцов пород, использованных для лабораторного и модельного исследования
Макрокомпоненты (мас.%) Проба I Проба II
БЮ2 66.8 88.4
А1А 15.7 1.94
ВД 3.73 5.52
FeO - 0.16
СаО 0.141 0.128
MgO 1.51 0.236
Ш20 0.732 0.539
К20 5.78 0.227
Р2О5 0.0566 0.0998
Микрокомпоненты (10-4 мас.%)
As 23 150
Ва 1000 50
Cd 5 -
С1 3300 -
Со 8 6
Си 31 150
Сг 126 40
^ 0.1 -
Мп 280 140
Li 46 -
№ 22 -
РЬ 90 600
Б 300 100
Бе 1 1
Бг 138 20
Ti 3300 -
V 93 54
Zn 126 91
Zr 155 110
тального моделирования использованы образцы, отобранные из отвала рудовмещающей породы (проба I) и окисленная руда (проба II) месторождения. Эксперименты проведены в статических условиях в двух параллельных реакторах. Реактор представлял собой пластиковый стакан объемом 2 л, диаметром 140 мм. Исследования проводили по следующей схеме: 500 г твердого образца с размерами частиц менее 5 мм (без рассева) заливали 500 мл (рН = 5.83) дистиллированной водой, закрывали крышками и интенсивно перемешивали в течение 10 мин, после чего оставляли на сутки при комнатной температуре (20±2 °С) для осветления. Через сутки отделение воды от породы проводили методом декантации, фильтровали через фильтры "синяя лента", в фильтратах оперативно определяли рН, сульфат-ионы, сульфид-ионы, содержание макро- и микрокомпонентов. Часть фильтрата дополнительно пропуска-
ли через мембранный фильтр с размерами пор 0.05 мкм с использованием водоструйного насоса для установления роли коллоидных частиц. Реакторы, содержащие увлажненную твердую фазу, накрывали фильтровальной бумагой, оставляли на неделю, что обеспечивало доступ воздуха и предотвращало испарение влаги. Всего проведено 8 недельных циклов.
В образцах пород, использованных для лабораторного исследования, определены макро- и микрокомпоненты, минеральный состав и площадь поверхности методом БЭТ. Состав проб I и II представлен в табл. 1. Как видно, пробы I и II существенно различаются только по содержанию SiO2 и А1203. Водные растворы (продукты взаимодействия вода-порода) анализировали на содержание макро- и микрокомпонентов.
Во время эксперимента отмечено скачкообразное уменьшение рН на 36 сут эксперимента: ДрН = 0.9 ед. рН, затем наблюдалась стабилизация значений. Необходимо отметить, что за 50 сут эксперимента снижение рН составило 1.44 ± 0.13 ед. рН.
ПРОГНОЗ СОСТАВА ДРЕНАЖНЫХ ВОД ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЛАБОРАТОРНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
При определении сульфат-ионов установлено плавное снижение концентрации от 52.3 до 28.7 мк • л-1в 1-й параллельной пробе и от 45.3 до 29.6 мк • л-1во второй пробе. В нескольких пробах обнаружено присутствие сульфид-ионов в количестве 0.09 и 0.092 мк • л-1. Совместно с данными по содержанию сульфатов и величине рН это позволило установить БИ состояние в изучаемой системе проба Ьвода. На 22-е сутки (в мг •л-1): SO4 (39.2+31.7)/2 = 35.4, Н2Б - 0.092; на 29 сутки: SO4 (38.3+34.9)/2 = 36.6, Н2Б - 0.09.
Согласно уравнению окислительно-восстановительной реакции:
Н2Б(ая) + 4Н20 = SO42- + 10Н+ + 8е,
ЕИ(У) = 0.301 + 0.0074 1я{[ SO42-]/[ Н2Б]} -0.074рН = -0.080V (при рН=5.4). (1)
Согласно БИ-рН диаграммам, точка (БИ = -0.080У, рН = 5.4) находится в поле устойчивости сульфидов, вблизи границы сульфид(тв)/ катион^) для части элементов (Со, Fe, №, Си, Мп, РЬ, Zn). Следовательно, можно утверждать, что возрастание концентрации этих элементов в водной фазе при выщелачивании проб породы
обусловлено растворением их сульфидов. При этом первые недели окислительное растворение сульфидов происходит при окислительно-восстановительных условиях, отдаленных от таковых на поверхности. Этим объясняется сложная временная зависимость концентраций микрокомпонентов, установленная при выщелачивании проб в лабораторных опытах. В целом содержания (в мкг • л-1) таких элементов, как As, Сг, Т1, V, составляют < 2.0; Zг - < 0.2; Р - < 80-40; содержание Мо - < 0.2 в 1-4-ю неделю, < 0.1 в 5-6-ю неделю, на 7-й неделе эксперимента содержание его повышается до 0.94, затем падает до 0.51. Во всех образцах содержание ртути менее пределов определений - 0.1 мкг-л-1.
По мнению сотрудников НГТЦ ДВО РАН, все химические элементы исследованной пробы I (рудовмещающая порода), выщелоченные водой при Т:Ж = 1, можно разделить на три группы: а) элементы, концентрация которых не превышает ПДКрх, - мышьяк, барий, бериллий, хром, молибден, свинец, стронций, титан, ванадий, цирконий; б) элементы, концентрация которых превышает П ДКрх [3 ] в каждом цикле исследований (в скобках максимальное превышение ПДКрх ) -марганец (в 69 раз), никель (в 4.2 раза), цинк (в 32 раза), селен (в 9 раз); в) элементы, для которых превышение ПДКрх установлено лишь в некоторых пробах, - алюминий (в 3-х пробах, максимально в 1.6 раза), кадмий (в 3-х пробах, максимально в 1.4 раза), кобальт (в 2-х пробах, максимально в 1.1 раза), железо (в 4-х пробах, максимально в 2.8 раза).
Результаты экспериментов по выщелачиванию пробы II (окисленная порода) принципиально не отличаются от результатов выщелачивания пробы I. Но ввиду более низкого содержания сульфидной серы фильтраты пробы II содержат сульфатов практически пропорционально меньше.
По мнению авторов, результаты для проб I и II позволяют оценить масштабы кислотного выщелачивания SO4 (серной кислоты) из рудной породы, содержащей 0.1% и 0.3% S. Измерения в 1-15-е сут выпадают из общей закономерности и, очевидно, обусловлены реакцией пылевидной части пробы. Результаты этих измерений изъяты (~50 мг) из рассмотрения суммарного содержания серы в пробах. Усредненная концентрация сульфата (серной кислоты), выщелачиваемого в последующие 15-50 сут, составляет, соответственно, 1.6 мг-л-1 • сут-1 (1.9*10-10 моль • л-1-с-1) и 5.4 мг • л-1 • сут-1 (6.3х 10-10 моль • л-1 • с-1) для проб II и I. Поскольку в опытах Т:Ж=1, то поток
сульфатов составляет ~2*10 10 моль^л 1 • с 1 от 1 кг образца с 0.1% S.
Как видно из рассмотрения экспериментальных данных, выщелачивание продуктов окисления сульфидов ^04 серной кислоты) зависит от времени. Очевидно, что скорость процесса зависит от площади поверхности растворяющихся фаз, которая уменьшается со временем пропорционально сокращению их массы.
В результате обработки экспериментальных измерений стандартным методом конечных разностей в интервале 15-50 недель получены следующие зависимости:
для породы с 0.1% S SO4(мг) =
950*ехр(-0.0018х - 0.000020х^), (2)
для породы с 0.3% S SO4(мг) =
2950*ехр(-0.0018х - 0.0000043х^). (3)
По смыслу в этих уравнениях первый коэффициент - скорость процесса, второй - изменение скорости со временем (ускорение). Более высокое значение ускорения в уравнении (2), вероятно, обусловлено присутствием п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.