logo

logo

logo

logo

logo

التعدين ب-المحاليل

تعدين بمحاليل

Solution mining -

 التعدين بالمحاليل

التعدين بالمحاليل

فراس البلخي

عمليات التعدين بالمحاليل

المواد المستعملة في التعدين بالمحاليل

بعض تطبيقات التعدين بالمحاليل

 

التعدين بالمحاليل solution mining هو عملية استخلاص المركبات المعدنية من خاماتها بواسطة تمرير محلول مائي يدعى محلول النض (التصويل) leaching solution (lixiviant) حيث يتلامس المحلول مع فلزات المعدن metal ويتفاعل معها محرراً المعدن على شكل مركبات منحلة، ثم يضخ المحلول المحمّل بالمعدن إلى حاويات خاصة ليعالج لاحقاً ويستخلص المعدن منه.

يستخدم التعدين بالمحاليل في استخلاص معادن كثيرة، أهمها اليورانيوم والنحاس والنيكل والذهب والحديد وكذلك الفسفات والملح والكبريت والبوتاسيوم. ويعد اليورانيوم والنحاس العنصرين الرئيسين اللذين يستخرجان في الوقت الحاضر بهذه التقانة.

تعود أول إشارة تاريخية إلى تقنية التعدين بالمحاليل إلى الطريقة التي وثقها المؤرخ بليني Plinius (79-23) في كتابه «التاريخ الطبيعي» Naturalis Historiae Libri XXXVII، وبين فيها كيفية استعمال محلول نض طبيعي يدعى «الطلاء الذهبي» chrysocolla في استخلاص النحاس. وفي عام 166 طبق البيزنطيون طريقة بليني في استخراج النحاس من عدة مواقع في جزيرة قبرص، وفي عام 977 طبق الصينيون مبادئ تقنية التعدين بالمحاليل في استخلاص النحاس. كذلك وصّف عالم التعدين الإيطالي بيرنيغوشيو Biringuccio (1539- 1480) طريقة استخدام المحاليل في استخلاص كبريتات الحديد الثنائي  <span lang="AR-SA" dir="RTL" style="font-size: 14.0pt; mso-ansi-font-size: 12.0pt; line-height: 115%; mso-ascii-font-family: " times="" new="" roman";="" mso-fareast-font-family:="" calibri;="" mso-hansi-font-family:="" "times="" mso-ansi-language:="" en-us;="" mso-fareast-language:="" mso-bidi-language:="" ar-sa"="" class="style14"> . وفي عام 1752 شهد العالم ولأول مرة استخلاص النحاس تجارياً في ريو تنتو Rio Tinto في إسبانيا. وكانت العمليات المستخدمة في ذلك الوقت تشبه كثيراً العمليات المستخدمة حالياً. في عام 1890 ابتكرت طريقة فراش Frasch لاستخراج الكبريت. وفي الخمسينيات من القرن العشرين استُخلص البوتاسيوم باستخدام الماء الساخن في كندا. مع بداية الستينيات من القرن العشرين ظهرت المحاولات الأولى لاستخدام تقنية التعدين بالمحاليل في استخلاص اليورانيوم من مكامنه تحت الأرض في كل من الولايات المتحدة وروسيا الاتحادية. ليبدأ لاحقاً العمل بهذه الطريقة تجارياً لأول مرة عام 1974. يستخرج حالياً أغلب اليورانيوم المنتج في الولايات المتحدة بتقنية تعدين المحاليل، فثمة عدد من المشاريع المرخصة للعمل بهذه التقنية في كل من وايومنغ Wyoming ونبراسكا Nebrask وتكساس Texas ونيو مكسيكو New Mexico. أما في روسيا الاتحادية فتستخدم هذه التقنية في منطقتين أساسيتين هما دالماتوفسكويه Dalmatovskoe وخياغدا Khiagda. واستخرج ما يقارب نصف الإنتاج العالمي من اليورانيوم عام 2013 بهذه التقنية. وأما النحاس فإن 22% من الإنتاج العالمي استخرج عام 2011 بتقنية التعدين بالمحاليل، وتوجد أكبر المناجم في تشيلي والبيرو وجنوب غربي الولايات المتحدة الأمريكية.

عمليات التعدين بالمحاليل

تصنف تقنية التعدين بالمحاليل تبعاً لشكل الخامة ومكان معالجتها إلى أربع طرائق رئيسية، هي النض الموضعي in situ leaching ونض الركام heap leaching ونض النفايات dump leaching والنض في الحاويات vat or tank leaching.

النض الموضعي: ويدعى أيضاً الاستخلاص الموضعي in situ recovery (ISR)، في هذه الطريقة تترك الخامة في موضعها الجيولوجي الطبيعي تحت الأرض ويستخرج المعدن منها بحقن محلول النض خلال ثقوب تحفر في الأرض إلى مكامن الخامة، ثم يُضخ المحلول المحمل بالأملاح المعدنية إلى حاويات على السطح حيث يعالج ويستخلص المعدن منه.

تعد هذه الطريقة من أحدث تقانات التعدين وأكثرها اقتصادية لاستغنائها عن حفر الأنفاق أو المناجم، كما تمتاز بقلة أخطارها على العاملين وعلى البيئة المحيطة. يرتبط استخدام هذه التقانة ارتباطاً وثيقاً بمواصفات الموقع الجيولوجي من حيث حجم الترسبات وموقعها والشروط الهدرولوجية ونوع الصخور والفلزات الموجودة ومحتواها من المعدن؛ وهذا ما يجعلها مقيدة بأنواع محددة من المعادن، ولا تصلح إلا لأنواع خاصة من طبقات التربة والصخور.

من أهم تطبيقات النض الموضعي استخلاص اليورانيوم من ترسبات الحجر الرملي sandstone deposits الحاوية أكسيد اليورانيوم U3O8 (بمحتوى حتى أقل من 0.1 %). ويشترط أن تكون هذه الترسبات معزولة من الأعلى والأسفل بطبقات، وتقع تحت مستوى الماء. تحفر آبار (نقوب) الحقن injection wells لإدخال محلول النض إلى مكمن الخامة وآبار الاستخلاص extraction wells المزودة بمضخات غاطسة لضخ المحلول المحمل بأملاح اليورانيوم إلى معمل المعالجة. يراوح العمق النموذجي لهذه الآبار بين 100 و170 م، تبطن بمادة البوليفنيل كلوريد Polyvinyl chloride (PVC). وللتحكم بالعملية يجري توزيع آبار الحقن والاستخلاص وفق نماذج محددة سابقاً بحيث تحيط عدة آبار حقن (4 أو 6 أو12) ببئر الاستخلاص الوحيدة. تستخرج خلال عملية الاستخلاص نفايات صلبة وسائلة يجري التخلص منها في منشآت خاصة. ويبين الشكل (1) رسماً تمثيلياً لعملية النض الموضعي لخامة اليورانيوم.

الشكل (1) رسم تمثيلي لعملية النض الموضعي لخامة اليورانيوم.

نض الركام: في هذه الطريقة تُكدس الخامة -بعد تحطيمها وتفتيتها- على شكل أكوام فوق أرضية من اللدائن غير النفوذة للسوائل. يُرش محلول النض على رأس الكومة من مرشات ليرشح إلى الأسفل من خلال الكومة، ويتجمع في برك تجميع محملاً بالمعدن، ثم يضخ إلى منشأة المعالجة لمتابعة عمليات الاستخراج.

يبين الشكل (2) رسماً تمثيلياً لعملية نض الركام. يمكن أن تستمر هذه العملية شهراً أو شهرين في حالة الفلزات الأكسيدية البسيطة، كما هو شأن أغلب فلزات الذهب، وتسمح هذه الطريقة باستخلاص الذهب من فلزات تحوي أقل من 0.00001 %Au. وقد تستغرق العملية أكثر من عام في حالة استخلاص النيكل من فلز اللاتيريت (البُصرة) laterite ، والبُصرة هي التربة الحمراء المسامية وهي تربة اللاتريت. ويمكن تحسين عملية نض الركام بتحويل الفلزات المطحونة الناعمة إلى حبيبات منتظمة الشكل باستخدام آلات خاصة تدعى المكتلات الأسطوانية drum agglomerator. تسهل هذه العملية نفاذ محلول النض خلال الكومة وتزيد مردود العملية.

الشكل (2) رسم تمثيلي لعملية نض الركام.

نض النفايات: تماثل هذه الطريقة إلى حد كبير نض الركام، لكن الخامة في هذه الطريقة تؤخذ من المنجم مباشرة، وتكوّم كما هي على سطح منحدر من دون تحطيمها أو تفتيتها أو فرزها حجمياً. ويستخدم مصطلح نض النفايات لأنها كانت تقتصر في بداية ظهورها على نض النفايات كبقايا الصخور.

تتبع طريقة نض النفايات في استخلاص المعادن الثمينة كالذهب والفضة، وكذلك تستخدم في استخلاص النحاس من النفايات التي تحوي أقل من0.2% Cuمنه. وتعد صالحة عموماً للخامات الفقيرة بالمعادن؛ لأن كلفتها منخفضة جداً. ومن سيئاتها بطء سير العملية، إذ يمكن أن تستمر من عام حتى عامين لاستخراج 50% فقط من المعدن المطلوب.

النض في الحاويات: في هذه الطريقة تغمر الخامة- بعد تحطيمها وطحنها وفرزها حجمياً- بمحلول النض ضمن حاويات كبيرة (براميل أو خزانات). وثمة فرق رئيسي بين النض في الخزانات tank leaching والنض في البراميل vat leaching؛ ففي الحالة الأولى تطحن الخامة طحناً ناعماً جداً بحيث يتشكل سائل طيني مع محلول النض، أما في الحالة الثانية فتكون الخامة أكثر خشونة مما يعطيها ميزة اقتصادية لانخفاض كلفة عملية الطحن. غالباً ما تزود الحاويات بنوعيها بخلاطات لضمان بقاء الكتل الصلبة معلقة ضمن الحاوية لتحسين التماس بين محلول النض والخامة. وبعد انتهاء عملية النض يضخ المحلول الناتج والمحمل بالمركبات المعدنية، أو ينقل بالخزانات إلى محطات المعالجة لاستخلاص المعدن (الجدول 1).

الجدول (1) مقارنة بين طرائق التعدين بالمحاليل في حال استخلاص النحاس.

 

النض الموضعي

نض النفايات

نض الركام

النض في الحاويات

نسبة المعدن في الفلز

%1-0.5

%0.05

%1-0.5

%2-1

نوع الفلز

أكاسيد، سليكات، بعض الكبريتات

كبريتات، سليكات، أكاسيد

أكاسيد، سليكات، بعض الكبريتات

أكاسيد، سليكا، بعض الكبريتات

تحضير الخامة

لا يوجد

بالتفجير

تفتيت

تفتيت

الحاوية أو الأرضية

لا يوجد

لا يوجد

أرضية لدائنية أو من الآجر أو من كليهما

براميل كبيرة

المحاليل

حمض الكبريت، ، كبريتات الحديد الثنائي بحسب نوع الفلز

محاليل كبريتات الحديدي

حمض الكبريت في حال الأكاسيد، كبريتات الحديد الثنائي في حال الفلزات المختلطة

حمض الكبريت في حال الأكاسيد، كبريتات الحديد الثنائي في حال الفلزات المختلطة

مدة دورة النض

أشهر

أشهر حتى سنوات

أيام حتى أشهر

أيام حتى أشهر

طريقة وضع المحلول

آبار حقن واستخلاص

الغمر أو الرش أو الترذيذ أو التقطير

الرش أو الترذيذ

الغمر أو الترذيذ

استخلاص المعدن من المحلول

استخلاص المحل في حالة الفلزات الأكسيدية والفلزات الأكسيدية-الكبريتية، الترسيب الكيميائي في حال الفلزات المختلطة

استخلاص المحل في حالة الفلزات الأكسيدية والفلزات الأكسيدية-الكبريتية، الترسيب الكيميائي في حال الفلزات المختلطة

استخلاص المحل في حالة الفلزات الأكسيدية والفلزات الأكسيدية-الكبريتية، الترسيب الكيميائي في حال الفلزات المختلطة

استخلاص المحل في حالة الفلزات الأكسيدية والفلزات الأكسيدية-الكبريتية، الترسيب الكيميائي في حال الفلزات المختلطة

المواد المستعملة في التعدين بالمحاليل

يعد محلول النض العنصر الأساسي في تقانة التعدين بالمحاليل، ويمكن أن يكون المحلول قلوياً أو حامضياً. ويجري عادة التحكم بنمط محلول النض وتركيزه بحيث يعطي درجة ما من الانتقائية للمعدن أو مجموعة المعادن المطلوب استخلاصها. ففي تقنية التعدين بالمحاليل تعد درجة الحرارة وكمون الأكسدة ودرجة حموضة (الباهاء pH) المحلول من أهم العوامل، وغالباً ما يجري ضبطها للحصول على أفضل انحلال لمركب المعدن المطلوب في الوسط المائي.

تستخلص الأكاسيد من الفلزات عموماً باستخدام حمض الكبريت أو كربونات الصوديوم أو هدروكسيد الصوديوم، وتستخلص الكبريتات باستخدام الماء أو حمض الكبريت، ويستخدم هدروكسيد الأمونيوم في حال استخلاص الكربونات والكبريتات (السلفيدات) أو المعدن الخالص، وتستخدم محاليل السيانيد في حالة المعادن الثمينة، ويعد محلول كلوريد الصوديوم مُحلاً جيداً لبعض الكلوريدات، في حين يستخدم الماء حالّاً للترسبات الملحية (الملح الصخري وكلوريد الصوديوم) والسولفيت (البوتاس). في كل الحالات يجب أن يكون محلول النض رخيصاً ومتوفراً وفعالاً. يمكن أن تجري عملية النض عند درجة حرارة المحيط والضغط الجوي أو ضغوط أخرى، ويسهم ارتفاع درجة الحرارة والضغط في تسريع عملية النض عن طريق تحسين انحلالية المركبات المعدنية.

تجري معالجة محلول النض المحتوي على المركبات المعدنية بعدة طرائق غايتها استخلاص المعدن بشكله الصلب. من هذه الطرائق : الترسيب الكهرليتي كما في حالة استخلاص النحاس والكوبلت والزنك، والتبادل الإيوني كما في حالة استخلاص اليورانيوم، والترسيب الكيميائي كما في حالة استخلاص النحاس والنيكل، واستخلاص المُحِل بالطرائق الكيميائية والكهرليتية solvent Extraction- Electowinning (SX-EW) كما في حالة استخلاص النحاس من الخامات الفقيرة، وامتزاز (ادمصاص) الكربون مع المعالجة الكهرليتية كما في حالة استخلاص الذهب من محاليل السيانيد.

بعض تطبيقات التعدين بالمحاليل

استخلاص اليورانيوم

تطبق تقنيتا النض الموضعي ونض الركام في استخلاص اليورانيوم من فلز اليورانيوم المحتوي على أكسيد اليورانيوم U3O8. أما محاليل النض المستخدمة فهي إما حموض (حمض الكبريت H2SO4 أو حمض الآزوت HNO3)، وإما كربونات (كربونات الصوديوم الحمضية NaHCO3، أو كربونات الأمونيوم الحمضية NH4HCO3، أو ثنائي أكسيد الكربون CO2 المنحل). ويجب إضافة عامل مؤكسد لضمان بقاء المحاليل في حالة إرجاع موجبة، ويستخدم لهذا الغرض الأكسجين أو الماء الأكسجيني H2O2، أو كلورات الصوديوم NaClO3. يرشَّح محلول النض المحمل بأكسيد اليورانيوم خلال مبادلات إيونية (حبيبات راتنجية)، وعن طريق عملية التبادل الإيوني تتولى المبادلات الإيونية جذب اليورانيوم من المحلول. ينقل الراتنج المحمل باليورانيوم إلى معمل المعالجة حيث يجري فصل اليورانيوم عن المبادلات الإيونية وتنتج الكعكة الصفراء yellowcake.

استخلاص الذهب والفضة

يستخلص المعدنان الثمينان الذهب والفضة بتقنيتي نض الركام والنض الموضعي (الشكل 3). يستخدم محلول نض قلوي من سيانيد الصوديوم NaCN لحل الذهب والفضة فقط من دون التأثير في المركبات المعدنية الأخرى الموجودة في الفلز كالنحاس والزنك والزئبق والإيريديوم. يتفاعل الذهب في المحلول المائي لسيانيد الصوديوم بوجود الأكسجين ويتشكل الإيون المعقد وفق المعادلة (1):

الشكل (3) منجم استخلاص الذهب بطريقة نض الركام في منجم تاركوا Tarkwa الشمالي في غانا.

تضبط قلوية المحلول بين 9.5 و11، إذ إن أي قيمة تقل عن ذلك تزيد في استهلاك السيانيد، أما إذا كانت أعلى من ذلك فتخفض كمية المعدن المستخلصة. يمكن أن يستخلص الذهب من المحلول بطريقتين؛ الأولى باستخدام الكربون النشط الذي يمتص الذهب انتقائياً، أو باستخدام طريقة ميريل-كرو Merrill-Crowe، بإضافة مسحوق الزنك فيترسب الذهب كما في التفاعل (2):

ويكون المنتج النهائي إما قضبان من خليطة ذهبية golden مكونة من الذهب والفضة، وإما ترسبات طينية تحوي الذهب والزنك، تجري معالجتها لاحقاً للحصول على الذهب الخالص منها.

استخلاص النيكل

تستعمل طريقة نض الركام في استخلاص النيكل باستعمال محلول حمض الكبريت. تستهلك هذه العملية كميات كبيرة من الحمض (وسطياً 500 كغ لكل طن من الفلز). يستخلص النيكل من المحلول بطريقة معقدة نوعاً ما تتألف من عدة مراحل، وتشمل إزالة المغنزيوم والحديد. والمنتج النهائي للاستخلاص هو ترسيب هدروكسيد النيكل NHP، أو ترسيب هدروكسيدات معدنية مختلطة MHP، وتصهر لاحقاً للحصول على معدن النيكل.

 

مراجع للاستزادة:

- R. Bartlett, Solution Mining, Routledge, 2013.

- M. L. Free, Hydrometallurgy: Fundamentals and Applications, The Minerals, Metals & Materials Society, Wiley, 2013.

 


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد التاسع
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1119
الكل : 45285245
اليوم : 67120