Наука про відходи та детальна література щодо статичних випробувань та кінетичних випробувань, таких як
резюме
Анотація
Записи індексу
Ключові слова: кислотне дренування шахт, прогнозування, статичні випробування, кінетичні випробування, вологі клітини ASTM, мінералогія
Ключові слова: кислотне дренування шахт, прогнозування, статичні випробування, кінетичні випробування, клітина вологості ASTM, мінералогія
Повний текст
Скиди, вироблені гірничодобувною промисловістю, часто є джерелом забруднення навколишнього середовища. Останнє пов’язано з їх фізичною нестабільністю (випадок скупчень породних порід та утримувальних дамб у хвостосховищах), але також і, перш за все, з їх хімічною нестійкістю внаслідок їх взаємодії з атмосферою, зокрема з водою та водним повітрям. Дійсно, тверді відходи видобутку можуть містити іноді незначну кількість невикористовуваних металевих корисних копалин, таких як сульфіди Fe, які під час природного впливу повітря (кисню) та вологості (води) окислюються та генерують кислотність. Це явище називається дренажем кислотних шахт (AMD).
Ця стаття починається з лаконічного визначення дренажу кислотних шахт та процесів його утворення та знешкодження. Потім представлений синтетичний опис (з таблицями) статичних тестів та кінетичних тестів для прогнозування DMA з їх обмеженнями та перевагами. Читач знайде дуже багату літературу, присвячену питанням DMA, за допомогою міжнародної конференції з дренажу кислотних шахт (ICARD) та канадської програми MEND, а також через численні статті в журналах, зокрема Blowes and Ptacek (1994), Evangelou (1995), Nicholson and Шарер (1994), Нордстрем і Альперс (1999).
Таблиця 1. Реакції окислення основними сульфідними мінералами киснем і залізним залізом (Walder and Schuster 1998; Bussière et al. 2005 de Rimstidt 1994)
Окислення мінералів сірки під дією кисню (нейтральний рН)
Окислення сульфідних мінералів під дією Fe 3+ (кислий рН)
FeAsS + 11Fe 3+ + 7H2O 12Fe 2+ + H3AsO3 + 11H + + SO4 2-
CuFeS2 + 16Fe 3+ + 8H2O Cu 2+ + 17Fe 2+ + 2SO4 2- + 16H +
ZnS + 8Fe 3+ + 4H2O Zn 2+ + 8Fe 2+ + SO4 2- + 8H +
PbS + 8Fe 3+ + 4H2O Pb 2+ + 8Fe 2+ + SO4 2- + 8H +
Двома сульфідними мінералами, які найчастіше зустрічаються в шахтах, є пірит та піротин. Загальне рівняння окислення піриту під дією води та кисню для утворення ДМА представлене у рівнянні 1 і відбувається у три етапи, подробиці якого можна знайти в Evangelou 1995; Blowes та ін. 1998; Милона та ін. 2000; Ніколсон та ін. 1988 рік.
Роль піротиту в утворенні DMA подібна до ролі піриту, але більшої величини. Дійсно, швидкість окислення піротиту в 20-100 разів більша, ніж піриту на відкритому повітрі (Ніколсон і Шарер, 1994). У шахтних відходах пірит та піротин можуть асоціюватися з часом у значних кількостях арсенопіриту, особливо в родовищах золота (де Au часто асоціюється з As). Халькопірит, сфалерит та галеніт також можуть бути знайдені в шахтних відходах, але в значно менших залишкових кількостях після їх концентрації для основних металів. У таблиці 1 наведено реакції їх окислення киснем та Fe 3+. Близько нейтральності халькопірит, сфалерит (кольоровий) та галенит, в принципі, не генерують жодної кислотності (рівняння 2-6). Однак їх окислення під дією Fe 3+ генерує кислотність, як показано у рівняннях 7-11.
7), переважає саме бікарбонат-іон (HCO3-), але коли рН знижується (pH + (Dold 2005; MEND 2009).
CaCO3 + H + Ca 2+ + HCO3 (12)
CaCO3 + 2H + Ca 2+ + H2CO3 (13)
У глобальному масштабі реакції нейтралізації сірчаної кислоти, що виникають в результаті окислення піриту, кальцитом і доломітом, проілюстровані рівняннями 14 і 15. Рівняння 14 показує зі стехіометричної точки зору, що для нейтралізації однієї молі потрібно два молі кальциту сірчаної кислоти, тоді як для нейтралізації одного молю сірчаної кислоти потрібен лише один моль доломіту (рівняння 15), що надає йому більший потенціал нейтралізації.
Однак не всі карбонати мають однакову кінетику реакційної здатності та однакову здатність нейтралізувати кислоту, що утворюється в результаті окислення сульфідів (Bouzahzah 2013). Blowes and Ptacek (1994) класифікують карбонати за ступенем реакційної здатності в наступному спадному порядку: кальцит> доломіт> Mg-анкерит> анкерит> сидерит. Кінетика розчинення кальциту є найшвидшою, що забезпечує йому найкращу нейтралізаційну силу та дозволяє підтримувати середовище в нейтральних умовах рН (між 6,5 і 7,5). Кілька досліджень вважають, що сидерит не має нейтралізуючої сили (Paktunc 1999b; Frostad et al. 2003; Barnes et al. 2009). Насправді частина кислоти, нейтралізована сидеритом і виведена кислотою, що утворюється в результаті гідролізу її розчиненого заліза; що буде пояснено далі. Іншим основним класом мінералів з потенціалом нейтралізації є силікати, але їх участь залишається досить низькою порівняно з карбонатами через їх низьку кінетику розчинення (Frostad et al. 2003). Однак іноді силікати можуть самостійно забезпечити нейтралізацію всієї кислотності всередині хвостів (Пепін, 2009; Планте та ін., 2010).
Гірничі роботи можуть суттєво порушити навколишнє середовище, якщо не вжити жорстких заходів контролю. Ці порушення можуть мати фізичний характер (модифікація ландшафтів) та хімічні після дестабілізації сульфідних корисних копалин, переміщених із початкового місця розташування в глибокі відкладення та повернутих на поверхню, що спричинює утворення ДМА. Зберігання відходів видобутку, щоб контролювати DMA, є справжнім екологічним викликом для гірничих компаній, що змушує їх приймати рішення про реальну здатність своїх хвостів виробляти кислотність, щоб безпечно управляти ними та відновлювати свої ділянки після вони перестають діяти. Витрати та методи управління, зберігання хвостів, а також методи відновлення гірничих майданчиків залежать від їх здатності генерувати ДМА. Витрати на відновлення сайтів, що генерують кислоту, набагато більші, ніж на сайтах, що не генерують, що вимагає точного та надійного прогнозування DMA.
Для керівництва гірничодобувною промисловістю у виборі методів зберігання відходів та відновлення їхніх ділянок відповідно до їх природи, що стосується виробництва DMA, доступно кілька інструментів прогнозування. Найбільш широко використовуються статичні та кінетичні тести (Plante 2004; Benzaazoua et al. 2001, 2004; Villeneuve. 2004; Villeneuve et al. 2009; MEND 1991, 2009; Plante et al. 2012). Статичні тести врівноважують потенціал викиду для отримання кислотності (PA) та його потенціал для нейтралізації (PN) (Sobek et al. 1978; Lawrence and Wang 1997; MEND 2009). Вони мають особливість бути дуже швидкими у виконанні, таким чином даючи результати, як правило, протягом доби. Однак статичні випробування не можуть дати інформацію про поведінку навколишнього середовища, яку можуть мати викиди в умовах in situ. Для цього ми використовуємо кінетичні тести, які імітують більш-менш прискорену природну зміну відходів видобутку в контрольованих умовах в лабораторії або на місцях (для врахування кліматичних ефектів, таких як температура, опади та мороз. - розмороження тощо). ).
3.1 Статичні випробування
Існує три основних типи статичних випробувань, які зазвичай використовуються гірничодобувною промисловістю: NAG (тести генерації NetAcid), статичні хімічні та мінералогічні випробування. Випробування NAG проводяться в один етап, в той час як статичні хімічні та мінералогічні випробування проводяться у два окремі етапи, які (1) визначають АП, пов'язану з присутністю кислотоутворюючих мінералів (ацидогенних) та (2) визначають ПН, пов'язаний з нейтралізуючими мінералами (вживання кислоти). Основні статичні випробування та їх властивості зведені в таблиці 1.2 та 1.3.
3.1.1. Тести NAG
3.1.3. Статичні мінералогічні випробування
З метою покращення прогнозування, отриманого за допомогою статичних тестів, деякі автори пропонують враховувати мінералогію зразка при визначенні AP та PN. У таблиці 3 узагальнено основні підходи. Квонг (1993), Лапакко (1994), Лі (1997), Лоуренс і Шеске (1997), і Пактунк (1999a, b) і Бузахза (2013a) пропонують розрахунки на основі суми індивідуальних внесків кожного мінералу у виробництво кислотність та її нейтралізація, таким чином, даючи, на думку цих авторів, більш точну оцінку PA і PN.
Для розрахунку PN, статичні мінералогічні тести враховують індивідуальний внесок нейтралізуючих мінералів, враховуючи їх пропорції у зразку та їх відносну реакційну здатність. Для обчислення мінералогічного AP найбільш застосовується метод Пактунка, але він не враховує відносну реакційну здатність сульфідних мінералів, як для розрахунку PN. Щоб виправити це обмеження, Bouzahzah et al. (2013a) запропонував модифікацію рівняння Пактунка (табл. 3) для розрахунку АП, враховуючи відносну реакційну здатність найбільш поширених сульфідів (халькопірит, сфалерит, арсенопірит, галенит), який оцінювали за допомогою кінетичного тесту на основі їх кислотності ставка. Розглянуті чотири сульфіди дають кислотність з різною швидкістю, що є фактором, який необхідно враховувати при розрахунку AP.
3.1.4. Інтерпретація результатів статичних випробувань
Рисунок 2. Екстремальні профілі насичення (червоний), що шкодять реакційній здатності зразка, і профіль, сприятливий для оптимальної реакційної здатності (пунктирний чорний)
Для PNN зона невизначеності, як правило, становить від -20 кг CaCO3/т до +20 кг CaCO3/т (Ferguson and Morin, 1991; Miller et al. 1991). Однак викид з PNN> 20 кг CaCO3/т вважається таким, що не створює кислотності, тоді як якщо його PNN 2-) та інші розчинені іони (мг/кг), деякі з яких є прямими показниками реакцій окислення-нейтралізації (як Ca, Mg та Mn). Потім всі дані аналізу обробляються для інтерпретації результатів для прогнозування PGA. Методи інтерпретації представлені в розділі 4.
3.2.1. Кінетичний тест на вологі клітини
Тест на кінетику вологих клітин (CH), стандартизований ASTM (Американське товариство випробувань та матеріалів, ASTM D 5744-96, 1998; 2007), є найбільш широко використовуваним кінетичним тестом у гірничій промисловості. Він був розроблений з метою забезпечення добре контрольованих умов реакції та відтворюваних результатів (Villeneuve 2004). Стандарт ASTM детально описує кожен крок тесту. Кінетичний тест на СН вимагає приблизно 1 кг сухого зразка. Це порівняно легко виконати, але вимагає більше втручання маніпулятора, ніж інші кінетичні тести. Під час тесту зразок промивають раз на тиждень 500 мл (або 1 л) деіонізованої води протягом повторних тижневих циклів. Щотижневий цикл починається з промивання зразка деіонізованою водою, яка залишається в контакті із зразком протягом 3 - 4 годин. Після відновлення води для промивання починається цикл сухого повітря три дні, а потім 3 дні зволоженого повітря між 90 і 100%. Швидкість потоку повітря, що використовується, становить від 1 до 10 л/хв і повинна періодично перевірятися протягом 6 днів тестової вентиляції.
Таблиця 3. Перелік різних мінералогічних статичних випробувань з їх деталями.
Таблиця 4. Експериментальні пристрої різних кінетичних випробувань з їх описом (підсумок Villeneuve 2004; MEND 1991)
Всі потенціали підкислення та нейтралізації виражаються в кг CaCO3/т, за винятком методу Квонга (1993), (Plante 2004, Plante et al. 2012)
Таблиця 5. Короткий зміст цілей, переваг та недоліків певних вологих клітин MC: Міні-клітина для зміни, CH: мокра клітина, Col: стовпчик, Cel-Col: поле комірки-колонки in situ).