Физические способы

По своей природе подземное выщелачивание является физико-химическим процессом, в основе которого лежит химическое взаимодействие растворителя с рудой и породообразующими минералами. Химическое взаимодействие веществ определяется способностью системы превращать свою внутреннюю энергию в химическую. Согласно первому закону термодинамики, всякие переходы системы из одного состояния в другое сопровождаются изменением энергии. Придавая системе дополнительную энергию в виде механической, электрической, лучистой, химической и т. д., можно целенаправленно управлять процессами, протекающими в системе. Физические методы интенсификации химических превращений основаны на придании реагирующей системе дополнительной энергии в результате физического воздействия на систему.

По способу воздействия все известные физические методы инициирования процессов подземного выщелачивания металлов можно разбить на две группы: воздействие на рудное тело и воздействие на растворы. По типу используемой энергии можно выделить тепловое, ионизирующее, электрическое, магнитное.

На предприятиях ПСВ Казахстана были проведены исследования по влиянию температуры на геотехнологические показатели процесса подземного выщелачивания. Исследовано влияние температуры растворов в интервале 20¸50 °С. Повышение температуры растворов в исследуемых пределах привело к сокращению времени выщелачивания и увеличению среднего содержания урана в растворах примерно в 2 раза. Удельный расход кислоты при увеличении температуры с 20 до 30 °С увеличивается с 1,67 до 1,77 % при 80 % извлечении, а при дальнейшем росте температуры до 50 °С снизился до 1,40 %. Были проведены лабораторные исследования зависимости извлечения урана из руд одного из месторождений Казахстана от температуры выщелачивающих растворов в интервале 15¸35 °С. Исследовалась руда с исходным содержанием урана 0,055; 0,059 и 0,063 %. В качестве выщелачивающих растворов применялись раствор H₂SO₄, 10 г/л, и раствор NH₄HCO₃, 2 г/л. В исследуемых пределах при сернокислотном выщелачивании повышение температуры выщелачивающих растворов от 15 до 25 °С привело к повышению извлечения урана на 7¸12 %, а повышение температуры от 15 до 35 °С - на 16¸18 %. В бикарбонатных растворах повышение температуры от 15 до 35 °С привело к повышению извлечения урана на 3¸5 %. Таким образом, также, как и при гидрометаллургическом выщелачивании руд, воздействие тепловой энергии на процесс подземного выщелачивания приводит к положительному эффекту. Однако практическое осуществление этого воздействия связано с определенными трудностями: поскольку в процессе подземного выщелачивания в переработку вовлечены большие объемы рудной массы и растворов, повышение температуры реакции связано с огромными затратами энергии. Тем не менее, существуют технические решения такого воздействия, правда, косвенные: с помощью глубинного излучателя электромагнитной энергии, помещенного в скважину, воздействуют на породу, при этом электромагнитная энергия преобразуется в тепловую, что приводит к нагреву пласта, в том числе растворителя, снижает вязкость последнего и увеличивает подвижность [35, 36, 37].

Механическое воздействие применяется главным образом при выщелачивании скальных пород. При разрушении горной породы (взрывом, пневмоимпульсом) происходит разрыв химической связи в кристаллической решетке минералов, при этом последние приобретают большую химическую активность. Известны исследования по активации растворов механической энергией, сущность которых заключается в дезинтеграции растворов при высокой интенсивности механического воздействия. При механическом воздействии часть механической энергии превращается в тепловую, что усиливает положительный эффект [38, 39].

Воздействие ионизирующего излучения (рентгеновских лучей, альфа-частиц, гамма-лучей, нейтронов и др.) вызывает в веществе глубокие физико-химические изменения и инициирует разнообразные реакции. Наложение на рудную залежь электрических и магнитных полей интенсифицирует в ней физические и бактериально-химические процессы. Поглощение электромагнитной энергии средой и преобразование ее в другие виды энергии обусловлены конкретными физическими свойствами горного массива и, прежде всего, электрическими свойствами: проводимостью и диэлектрическими потерями, а также частотой источника тока. Поглощение электрической энергии горной породой и преобразование ее в тепловую происходят за счет диэлектрических и электропроводных потерь электромагнитного поля. Неравномерность электромагнитного поля, неоднородность электрических свойств горной породы приводят к значительным температурным градиентам и образованию термоупругих напряжений, в результате чего происходит разрушение рудного скелета породы, увеличение трещиноватости, пористости и проницаемости пласта, что способствует ускорению массообменных процессов [40].

Процесс выщелачивания инициируют и воздействием электромагнитной энергии на растворы: подвергают растворы магнитной ионизации, при этом в выщелачивающем растворе переходят в активную форму не только ионы трехвалентного железа, но и двухвалентного; подвергают раствор электроионизации; электроактивируют окислитель или бактериальный раствор. На предприятии Казахстана проведены опыты по омагничиванию пластовой воды и раствора серной кислоты концентрации 10 г/л с помощью постоянного электромагнита с напряженностью магнитного поля 2000 эрстед. Показано, что фильтрационные свойства пород на омагниченной воде улучшаются, а омагничивание растворов серной кислоты на процесс выщелачивания урана не влияет. Затраты энергии на омагничивание растворов достаточно велики и составляют около 20 квт час/м³ [41, 42, 43, 44]

Существуют способы повышения эффективности процесса выщелачивания путем воздействия на рудное тело энергией волновых полей, излучаемой из скважин импульсами с периодически изменяемой формой волны и несимметричным распределением энергии во времени [45].

Разработаны способы интенсификации технологических процессов с применением ультразвука и электрогидравлического эффекта. Механизм ультразвукового диспергирования по существу подобен процессу очистки твердых поверхностей от поверхностных загрязнений. Поверхностные слои твердых частиц в процессе ультразвукового диспергирования как бы отшелушиваются в виде очень тонких частичек не только с наружной поверхности частиц, но и с поверхностей, выстилающих стенки капилляров и трещин. Ультразвуковые колебания особенно интенсивно проявляют свое воздействие на границах раздела фаз, в пограничных слоях. При распространении ультразвуковых колебаний в жидкостях возникает кавитационное поле и сопутствующие ему явления, такие как локальное повышение температуры и давления, микротурбулентные потоки в пограничных слоях, микропульсации жидкости, образование новых химических и физических явлений. Все эти явления способствуют ослаблению действия или полному устранению факторов, лимитирующих протекание массообмена в гетерогенных системах, - диффузионных, капиллярных и кинетических. Исследования показали, что применение ультразвукового воздействия особенно эффективно для таких процессов выщелачивания, в которых по мере химического взаимодействия твердых частиц с растворителем на поверхности частиц образуется твердый продукт реакции, затрудняющий доступ растворителя к реакционноспособным участкам поверхности частиц [46].