Вещественный состав продуктов сернокислотного выщелачивания хвостов флотационного обогащения медеплавильных шлаков

Объект исследований. Хвосты флотации отвальных литых шлаков Среднеуральского медеплавильного завода после 15 ч выщелачивания при 90°С серной кислотой с концентрацией 300 г/дм³.

Цель. Изучить вещественный состав продуктов выщелачивания хвостов флотации медеплавильных шлаков. На основе полученных данных описать процессы, протекавшие при выщелачивании данного типа отходов.

Материал и методы. Использованы методы рентгенофлуоресцентного и спектрального анализа (EDX-8000 и CPM-35), масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (NexION 300S), порошковой рентгеновской дифракции (ДРОН-3 и D8 ADVANCE), сканирующей электронной микроскопии (TESCAN MIRA LMS (S6123) со спектрометром INCA Energy 450 X-MaxEDS).

Результаты. Установлено, что сернокислотное выщелачивание хвостов флотации медеплавильных шлаков сопровождается уменьшением содержания цинка, меди, марганца, мышьяка и увеличением содержания серы в кеке, преимущественно состоящим из SiO₂ (32.5 мас. %) и Fe₂O₃ (18.0 мас. %). С использованием рентгенофазового анализа в продукте выщелачивания обнаружены следующие минеральные фазы: минералы группы пироксенов, аморфный кремнезем, гипс, барит, минералы группы шпинели, сульфиды, сульфатные формы двухвалентного железа, представленные мелантеритом и ссомольнокитом, сульфат трехвалентного железа – кокимбит, который с течением времени окисляется и дегидратируется, превращаясь в ярозит. По данным сканирующей электронной микроскопии, фазовый состав кеков представлен ассоциацией кремнезема, кристаллической серы, кислородсодержащих соединений железа, свинца, цинка, меди и их сульфидов. Во всех вновь образованных железистых фазах присутствует цинк. Мышьяк приурочен к кремнезему. В выделениях серы обнаруживается медь. Кристаллическая сера, как правило, встречается в сочетании с сульфидами. Выявлена редкоземельная минерализация, представленная фосфатом церия, неодима, лантана, а также фосфатом неодима в ассоциации с ниобием и висмутом. Фазовый состав кеков является отражением протекающих во время выщелачивания химических процессов – электрохимического окисления сульфидов, кислотного гидролиза силикатов, реакций ионного обмена.

Выводы. Полученные данные по химическому и минералогическому составу продуктов сернокислотного выщелачивания хвостов флотации медеплавильных шлаков представляют интерес для разработки эффективных способов их использования, утилизации или захоронения с учетом экологических последствий для окружающей среды.

1. Белогуб Е.В., Щербакова Е.П., Никандрова Н.К. (2005) Сульфаты Урала. Миасс: ИМин УрО РАН, 128 с.

2. Блинов И.А., Белогуб Е.В., Новоселов К.А., Филиппова К.А. (2011) Техногенная гипергенная минерализация Верхне-Аршинского свинцово-цинкового месторождения (Башкортостан). Башкирский хим. журн., 18(4), 136–144.

3. Гавриленко В.В., Сахоненок В.В. (1986) Основы геохимии редких литофильных металлов. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 172 с.

4. Гирина О.А. (1998) Пирокластические отложения современных андезитовых вулканов Камчатки и их инженерно-геологические особенности. Владивосток: Дальнаука, 174 с.

5. Емлин Э.Ф., Рылова Л.П. (1986) Геохимическая миграция цинка и кадмия при промышленном освоении колчеданных месторождений. Свердловск: изд-во НТО горное, 64 с.

6. Ерохин Ю.В., Козлов П.С. (2010) Фаялит из шлаков Среднеуральского медеплавильного завода (г. Ревда). Минералогия техногенеза, 11, 32-40.

7. Котельникова А.Л., Золотова Е.С., Рябинин В.Ф. (2022) Миграция элементов из отходов переработки медеплавильных шлаков в систему торф–растения. Литосфера, 22(1), 135-147. https://doi.org/10.24930/1681-9004-2022-22-1-135-147

8. Котельникова А.Л., Рябинин В.Ф. (2018) Особенности вещественного состава и перспективы использования отхода вторичной переработки отвальных медеплавильных шлаков. Литосфера, 18(1), 133-139. https://doi.org/10.24930/1681-9004-2018-18-1-133-139

9. Листова Л.П., Бондаренко Г.П. (1969) Растворимость сульфидов свинца, цинка и меди в окисленных условиях. М.: Наука, 184 с.

10. Макаров А.Б., Гуман О.М., Долинина И.А. (2010) Минеральный состав отходов переработки отвальных шлаков Среднеуральского медеплавильного завода и оценка их потенциальной экологической опасности. Вестн. Урал. отд-я РМО, 7, 80-86.

11. Никитина Л.П. (1978) Миграция металлов с активных вулканов в бассейн седиментации. М.: Наука, 80 с.

12. Пуртов В.К., Ятлук Г.М. (1982) Экспериментальные исследования процессов мобилизации петрогенных компонентов в гидротермальных системах. Свердловск: ИГГ УрО РАН, 61 с.

13. Путятин Ю.В. (2019) Влияние кислотности дерновоподзолистой супесчаной почвы на накопление 90Sr сельскохозяйственными культурами. Почвоведение и агрохимия, (1), 211-219.

14. Реутов Д.С., Котельникова А.Л., Халезов Б.Д., Кориневская Г.Г. (2015) Поиск технологии извлечения цинка, меди и утилизации песков из твердых отходов, полученных после флотации медеплавильных шлаков. Проблемы недропользования, 2(5), 79-84.

15. Реутов Д.С., Халезов Б.Д. (2015) Поиск оптимальных условий сернокислотного выщелачивания для извлечения меди и цинка из хвостов флотации медеплавильных шлаков. Бутлеровские сообщения, 44(2), 199-203.

16. Современные технологии переработки техногенного сырья. (2019) (Под общ. ред. К.В. Булатова, Г.И. Газалеевой). Екатеринбург: Урал. рабочий, 200 с.

17. Стась Н.Ф. (2013) Изучение взаимодействия железных руд с кислотами. Фундамент. исследования, (1) (ч. 2), 422-427.

18. Халезов Б.Д. (2013) Кучное выщелачивание медных и медно-цинковых руд. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 332 с.

19. Хожиев Ш.Т. (2020) Разработка эффективной технологии извлечения меди из конверторных шлаков. J. Advan. Engin. Technol., (1), 50-56.

20. Чантурия В.А., Вигдергауз В.Е. (1993) Электрохимия сульфидов. Теория и практика флотации. М.: Наука, 206 с.

21. Чантурия В.А., Макаров В.Н., Макаров Д.В. (2005) Экологические и технологические проблемы переработки техногенного сульфидсодержащего сырья. Апатиты: КНЦ РАН, 218 с.

22. Челищев Н.Ф. (1973) Ионообменные свойства минералов. М.: Наука, 203 с.

23. Щербакова Е.П. (2000) Современное минералообразование в техногенных водоемах сульфатного типа (Южный Урал). Минералогия техногенеза – 2000. Миасс: ИМин УрО РАН, 169-171.

24. Fedorov S.A., Amdur A.M. (2021) Review of Man-Made and Secondary Raw Materials of Platinum-Group Metals and their Classification. Metallurgist, 65, 808-814. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01218-6

25. Kasikov A.G., Shchelokova E.A., Timoshchik O.A., Sokolov A.Y. (2022) Utilization of Converter Slag from Nickel Production by Hydrometallurgical Method. Metals, 12, 1934. https://doi.org/10.3390/met12111934

26. Kolesnikov A., Fediuk R., Amran M. et al. (2022) Modeling of Non-Ferrous Metallurgy Waste Disposal with the Production of Iron Silicides and Zinc Distillation. Materials, 15(7), 2542. https://doi.org/10.3390/ma15072542

27. Makhathini T.P., Bwapwa J.K., Mtsweni S. (2023) Various Options for Mining and Metallurgical Waste in the Circular Economy: A Review. Sustainability, 15(3), 2518. https://doi.org/10.3390/su15032518

28. Men D., Yao J., Li H. et al. (2023) The potential environmental risk implications of two typical non-ferrous metal smelting slags: contrasting toxic metal (loid) s leaching behavior and geochemical characteristics. J. Soils Sedim., 23, 1944-1959. https://doi.org/10.1007/s11368-023-03468-0

29. Meng C., Tian D., Zeng H. et al. (2019) Global soil acidification impacts on belowground processes. Environ. Res. Lett., 14(7), 074003. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab239c

30. Muravyov M.I., Fomchenko N.V., Usoltsev A.V., Vasilyev E.A., Kondrat’eva T.F. (2012) Leaching of copper and zinc from copper converter slag flotation tailings using H2SO4 and biologically generated Fe2(SO4)3. Hydrometallurgy, 119, 40-46. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2012.03.001

31. Naz M., Dai Z., Hussain S. et al. (2022) The soil pH and heavy metals revealed their impact on soil microbial community. J. Environ. Manag., 321, 115770. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.115770

32. Seyrankaya A. (2022) Pressure leaching of copper slag flotation tailings in oxygenated sulfuric acid media. ACS omega, 7(40), 35562-35574. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c02903

33. Urosevic D.M., Dimitrijevic M.D., Jankovic Z.D., Antic D.V. (2015) Recovery of copper from copper slag and copper slag flotation tailings by oxidative leaching. Physicochem. Probl. Miner. Process, 51. https://doi.org/10.5277/ppmp150107

34. Zhai Q., Liu R., Wang C. et al. (2022) Mineralogical characteristics of copper smelting slag affecting the synchronous flotation enrichment of copper and arsenic. J. Environ. Chem. Engin., 10(6), 108871. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108871

35. Zolotova E., Ryabinin V. (2019) Elements Distribution in Soil and Plants of an Old Copper Slag Dump in the Middle Urals, Russia. Ecol. Quest., 30(4), 41-47. http://dx.doi.org/10.12775/EQ.2019.026