Alternativne metode eksploatacije Dobivanje otapanjem

Alternativne metode eksploatacije Dobivanje otapanjem

D. Vrkljan studeni 2010. 1

SADRŽAJ

1. Dobivanje otapanjem 1 1.1. Modeliranje stupnja izlučivanja ovisno o kemijskoj difuziji 5 1.2. Dobivanje otapanjem evaporitnih ležišta 7 1.2.1. Marinski evaporiti 7 1.2.2. Alkalna evaporitna ležišta 8 1.2.3. Dobivanje otapanjem topivih evaporita 8 1.2.4. Dobivanje otapanjem nepropusnih evaporita 9

1.3. Dobivanje otopanjem „in situ“ 11

1.4. Dobivanje otapanjem „in situ“ ležišta bakra 14

1.4.1. Otapanje bakra (copper leaching) 15 1.4.2. Kemizam otapanja bakrene rude 16 1.4.3. Izlučivanje iz otopine (Solvent extraction) 17

1.5. Geologija ležišta urana 18

1.5.1. Kemizam otapanja urana 20

1.6. Dobivanje otapanjem bunarima 20

1.6.1. Sheme bunarske mreže 23

1.7. Ekonomičnost dobivanja otapanjem 24

1.8. Bioizlučivanje 25



1. Dobivanje otapanjem Dobivanje otapanjem uključuje sve vrste izdvajanja rudnih minerala iz stijene izlučivanjem i dobivanjem iz fluida, in situ metodama ili izlučivanjem iz otkopane rude. Naglasak je na mineralima, otopinama soli i drugim otopinama koje se javljaju u prirodi, ali teorija i praksa razvijena dobivanjem rudnih minerala može se primijeniti na zagađivače uvedene u zemlju ljudskim djelatnostima. Nekoliko minerala lako je topivo u vodi, tvoreći solne otopine (brines) i dobivanje ovih fluida predstavlja najraniju primjenu rudarenja otapanjem. Vađenje čvrstih minerala vodenom otopinom koja teče kroz njih i izlučuje ih iz domicilne stijene postalo je od rastuće važnosti za rudarenje otopinama. To uključuje kako lako topive evaporitne minerale tako i metalne rude koje zahtjevaju reakciju izlučivanja sa kiselinama ili drugim kemijskim otopinama i, često, oksidaciju minerala. Rudarenje otapanjem je interdisciplinarno područje koje uključuje geologiju, kemiju, hidrologiju, ekstraktivnu metalurgiju, rudarsko inženjerstvo, procesno inženjerstvo i ekonomiju. Nekoliko faktora koje je potrebno proučiti u projektima rudarenja otapanjem su: kemija izlučivanja, kemija stijena, tok otopine u rudnom tijelu, tok zraka u rudnom tijelu (percolation leaching), otvoreni prostori u stijenskoj masi pogodni za tok, rudna mikroporoznost, transport unutar zatvorenih mikropora kemijskom difuzijom, tehnologija oplemenjivanja metala/minerala i njezin utjecaj na vađenje otapanjem, zagađenje okoliša, gubitak otopine, kemija solnih otopina (brines), solarna evaporacija i uređenje okoliša. Dobivanje otapanje možemo podijeliti na slijedeće postupke:

- dobivanje minerala „in situ“ iz neporemećene rude u ležištu, - modificirano „in situ“ rudarenje otapanjem (izlučivanje iz rude prethodno

rastresene nekom metodom u ležištu), - izlučivanje iz odložene rude prethodno otkopane klasičnim rudarskim

metodama (heap leaching), - izlučivanje iz odložene otkrivke (dump leaching), - otapanje u spremnicima

Tehnologija izlučivanja povezana je sa oplemenjivanjem, koje se izvodi na površini i u blizini lokacije izlučivanja. Velike količine vode cirkuliraju između izlučivanja i oplemenjivanja. Transport otopine odvija se gravitacijski ili crpljenjem. Otopine iz postupka izlučivanja nazivaju se „noseće otopine“ (pregnant solutions), dok se fluidi koji se vraćaju u postupak izlučivanja nazivaju jalove otopine („barren solutions“). Dovoljna propusnost rudnog ležišta za tok otopine je važan i često ograničavajući faktor otapanja rudarenjem. In situ otapanje ovisi o otvorenim praznim prostorima u rudi za stvaranje puta za otopinu. Pješčenjaci i evaporiti su često dovoljno otvoreni da osiguraju dobru propusnost. Evaporiti sadrže velike količine topivih minerala te isto tako teže većoj otvorenosti progresivno izlučivanju minerala. Mnogi metalni minerali odloženi su geokemijskim procesima gdje su hidrotermalne otopine tekle kroz prirodne stijenske pukotine. Ako pukotine ostanu otvorene predstavljaju dobre puteve za tok otopine.



Stijene nositelji sulfidnih rudnih ležišta tipično sadrže pukotine sa mikroporoznošću od samo 1 do 6% i vrlo nisku propusnost, često premalu za ostvarenje komercijalne proizvodnje otapanjem. Također, glavne pukotine omogućuju jake tokove, stvarajući kratke spojeve i ne dozvoljavajući uniformno prožimanje kroz glavninu rudne mase. Nije dovoljna samo odgovarajuća propusnost, već pravilna uniformna propusnost. Uspješno otapanje zahtjeva ponekad bitno povečanje propusnosti, rastresanjem rude „in situ“. Učinkovito rastresanje povećava volumen 15-20%. Planirena promišljena izrada podzemnih prostorija, miniranje i prirodno slijeganje iznad podzemnih otkopa i napuštenih rudnika su stvarni izvori rastresanja; slijeganje krovnih naslaga osigurava veliki volumen izdrobljene rude. Izlučivanje zaštitnih ploča napuštenih podzemnih rudnika je opća primjena rudarenja otapanjem. U rudarenju otapanjem primjenjuju se dvije metode „in situ“: ♦metoda plavljenja (flooded leaching) i ♦metoda filtriranja (percolation leaching). Metoda plavljenja odgovara situaciji kada se rudno tijelo saturira otopinom, obično je prisutna jedna fluidna faza i operacija se izvodi ispod razine vodnog lica, ili je otopina na drugi način ograničena (blokirana). Metoda natapanja ima značajke toka u mnogočemu sličnom toku podzemne vode. Primjenjivi su hidrološki matematički modeli i numeričke metode. Metoda filtracije uključuje gravitacijsko kretanje prema dolje nezasićene otopine, dvije fluidne faze, otopinu i zrak, unutar rudnog tijela. Otapanje lužina primjenjuje se i u podzemnim i površinskim ležištima evaporita i glavni je izvor za proizvodnju brojnih vodeno topivih soli i minerala, uključujući kuhinjsku sol, potašu, magnezij, litij, tronu (natrij karbonat NaCO3) i minerale borona. More, slana jezera i podzemne lužine su značajni izvori ovih minerala. Nekoliko industrijski važnih minerala metala nije topivo u vodi ili prirodnim lužinama ali su topivi u vodenoj kemijskoj otopini. Oksidirani minerali bakra i urana su topivi u kiseloj otopini pri dovoljno niskoj pH vrijednosti (ispod pH za njihovu hidrolizu). Sumporna kiselina se najčešće koristi primarno zbog niske cijene. Oksidirani uran je također topiv u amonij – karbonatnim otopinama, i ovo otapalo se koristi kada je uranova ruda sadrži vapnenac, dolomit ili drugi mineral koji troši kiselost. Kemijska oksidacija korisnih minerala, ili drugih minerala u rudi, je često potrebna da ih se učini topivim. Vodikov peroksid se često koristi pri otapanju urana. Iako je kisik potreban za otapanje zlata pri otapanju cijanidom, količina je mala. Za većinu otapanja odložene rude (heap leaching), gdje nema u rudi sulfida ili organske materije, koristi se kisik otopljen u otopini za izlučivanje. Za izlučivanje sulfida ili karbonatnih ruda potrebne su velike količine kisika, gdje je zrak jedini raspoloživi izvor. Topivost kisika



otopljenog u vodenoj otopini je nedovoljna za postizanje stupnja komercijalne proizvodnje. Ovakav sustav izlučivanja slučaj je dvo faznog toka: istovremeno mora imati tekuću fazu i zračnu fazu. Topivost kisika na sobnoj temperaturi je niska, izlučivanje sulfida i drugih minerala koji se oksidiraju bilo bi veoma sporo, izuzev za željezne ione. Nasreću, željezo je široko raprostranjeni element i mnogi neželjezoviti minerali ga sadrže. Željezni ioni su često prisutni u otopini za izlučivanje kao primarni oksidanti. Regeneracija željeznih iona (željezni ioni od oksidacije minerala) je kinetički vrlo sporo bez prisustva bakterije Thiobacillus ferooxidans. Ova bakterija katalizira oksidaciju oba željezna iona i sulfidnih minerala. Biooksidacija minerala je važan aspekt mnogih primjena dobivanja otapanjem. Uloga bakterija i njihovih proizvoda poput enzima, proširila se na mnoge aspekte dobivanja otapanjem, uključujući postupak tretiranja uporabljenih otopina, otpadnih voda i štetnih ostataka te oksidacije minerala. Kada je tehnički izvodljivo, dobivanje otopinama, često može imati znatno niže troškove u odnosu na druge tehnologije. U slučaju siromašnih ruda, dobivanje otopinama je često jedini mogući način i njegova uporaba bilježi značajan rast. Dobivanje otapanjem odložene rude i jalovine korištenjem širokog spektra mehanizacije toliko se razvilo u zadnjih nekoliko destljeća da se postižu vrlo niski specifični troškovi otkopavanja, manji od 1$/toni rude. Dobivanje otapanjem je gotovo glavni izvor nekoliko metala i minerala. U zapadnim državama SAD 1990. godine dodana vrijednost dobivanje ruda otapanjem prešla je vrijednost od 2 milijarde $ i veća je od podzemne eksploatacije čvrstih neenergetskih mineralnih sirovina. Mnogi rudnici zlata niskog sadržaja rude, otvoreni u posljednjoj dekadi, posluju profitabilno zahvaljujući niskim troškovim izlučivanja odložene rude.

Dobivanje otapanjem Metoda plavljenja (Flooded leaching) Metoda filtracije (percolation leaching)

Kretanje otopine uslijed razlike pritiska injekcijske i proizvodne bušotine, kroz rudno tijelo odgovarajuće propusnosti

Gravitacijsko strujanje otopine u adekvatno propusnom rudnom tijelu i otapanje korisnih minerala

zrak nije uobičajno prisutan, iako se može dodavati zrak ili kisik kao kemijski reaktant protusmjerno otopini

Otopina se jednoliko raspršuje na površini i sakuplja na dnu rudnog tijela iznad nepropusnog sloja koji sprečava daljnji prodor otopine

Otapanje ispod razine podzemne vode (prirodne ili umjetno postignute)

Potrebna propusnost → fragmentiranjem rude otkopavanjem ili dodatnim drobljenjem rude. Izuzetno fine i glinovite rude niske propusnosti mogu se aglomerirati za poboljšanje propusnosti

Propusnost mora biti uniformna da se osigura široko zahvačanje i dobivanje, rudno tijelo mora biti ograničeno stijenom znatno manje propusnosti u cilju zadržavanja toka otopine

Otopina nije zasićena i prisutan je zrak koji može i nemora biti važan za kemiju izlučivanja

Značajna primjena u dobivanju lužina iz bunara, izlučivanje urana i bakra (trenutno ograničeno ali u znatnom eksperimentalnom razvoju) ispod razine podzemne vode

Važna primjena za izlučivanje odloženih ruda zlata, srebra, bakra, za izlučivanje jalovišta bakra, izlučivanje slegnutih naslaga u rudnicima bakra i urana



Jednostavnim pokusom otapanja šečera u vodi, različite granulacije (mljeveni, normalni granulirani i u kocki) gdje je topivost šečera vrlo visoka i neograničena, nema kemijske reakcije sa drugom otopinom ili komponentom u vodi da se postigne otapanje i nema druge tvari koja utječe na postupak, može se zaključiti slijedeće:

- veličina mineralne čestice je važna za otapanje, manje čestice se brže otapaju nego krupnije,

- zagrijavanje, općenito, ubrzava otapanje, - potrebna otvorena mikroporoznost koja dozvoljava pristup otapala (vode) do

čestica minerala, - otapalo treba moćiti stijenu i ulaziti u mikropore kapilarama, što je u funkciji

površinske energije i viskoznosti, - ako su granule minerala omotane materijalom (masnim) koji sprečava močenje vode i ulaženje u kapilare neće doći do optapanja.

Slika 1. Udjel izlučenog metala

Kako je vidljivo iz slike 1. udjel ekstraktiranog raste vremenom, ali se stupanj ekstrakcije smanjuje kada otopina ima dulji put da napusti kuglice sa krupnim pijeskom i koncentracijski gradijent (driving diffusion), se smanjuje. Očekuje se smanjenje stupnja ekstrakcije kako se veličina čestica u kuglicama smanjuje.



Ostali parametri koju utiču na uspješnost postupka otapanja su: mogućnost toka otopine kroz stijenu, odvođenje otopljenih minerala i izbjegavanje zasićenja na površini stijene i ukupna količina minerala u stijeni. Otopljeni mineral transportira se iz mikropora stijene kemijskom difuzijom a ne tokom otopine. Otopina unutar stijene je stacionarna. Difuzija potiče koncentraciju minerala u otopini koja je veća unutar stijene u odnosu na njenu površinu. Tok otopine postaje relevantan faktor tek kada je otopljeni mineral izvan čestica stijene. 1.1. Modeliranje stupnja izlučivanja ovisno o kemijskoj difuziji Za većinu sustava otapanja, razdrobljene stijene su gotovo ekvidimenzionalne i mogu se aproksimirati kao kugle. Aproksimacija čestica kuglom pojednostavljuje matematički opis procesa transporta unutar stijene, korištenjem jednodimenzionalnih polarnih koordinata. Pukotinski sustav pogodan za otapanje in situ često nema željenu orijentaciju i može se jednostavno pretpostaviti. Rudna masa ima široku raspodjelu komada stijene, od velikih blokova do vrlo finih čestica. Sitnjenje, prethodno otapanju odložene rude otklanja velike blokove, dobiva se rudna masa veličine čestica oko 20 mm, ali sa još uvijek širokim rangom raspodjele veličine čestica. Izlučivanje minerala iz sitnijih čestica je mnogo brže. Ovakva situacija modelira se podjelom rudne mase u histogram od nekoliko (često 12) diskretnih veličina stijene, za koju se izvodi posebna numerička subrutina. Konvencionalni metalurški i oplemenjivački postupci izdvajanja, za ubrzanje postupka koriste se reakcijskim posudama ograničene veličine, sa vremenom izvođenje postupka mjerenog sekundama ili minutama, rjeđe u satima. Postupak dobivanja otapanja odvija se kroz znatno dulji vremenski period. U odnosu na nekoliko tona materijala u reakcijskim posudama u postupak otapanja uključene su tisuće ponekad i milioni tona rude. Proces otapanja minerala ( složena kemijska reakcija otopine i čestica minerala) i unutarnji porni difuzijski proces je uobičajno sporiji u odnosu na transportni proces izvan pojedinih stijenskih komada. Ova dva spora procesa upravljaju učinkovitošću stupnja izdvajanja.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

=∂∂

rc

rrcD

tc

eff2

2

2

ε

Gdje je c – koncentracija otopine u pornom fluidu D – difuzivnost (sposobnost difuzije) ε - djelomična mikroporoznost (unutarnji djelomični volumen otvorenih

mikropora ispunjen vodom)

τ - faktor koji izražava vijugavost mikropora (uporedbom eksperimentalnih i rezultata dobivenih proračunima za porozne medije faktor iznosi obično 2)

r - radijus mineralne čestice



τεDDeff =

Deff – efektivna difuzivnost

Efektivna difuzivnost izražava se u danima. Dobivanje otapanjem je spor proces koji traje tjednima, mjesecima, ponekad i godinama. Uz standardne vrijednosti za difuznost i vijugavost efektivna difuznost šećera iznosi:

Deff=0,75 * 10-4 [cm2/dan]

Djelomično izdvajanje šećera Ft,ro za određeno vrijeme t i poroznu kuglicu pijeska radijusa ro (Crank, 1956):

∑∞

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−=

12

22

22, exp161n o

effrt r

tnDn

Fo

ππ



1.2. Dobivanje otapanjem evaporitnih ležišta Evaporitna ležišta i solne otopine su značajni izvori topivih solnih minerala, značajne industrijske važnosti, uključujući natrijev klorid (halit), natrijev karbonat, borate, natrijev sulfid i potašu (KCl). Magnezijev oksid (MgO) i metali, magnezij i litij, dobivaju se iz solnih otopina. Kaverne otvorene u solnim ležištima, radi izuzetno niske propusnosti soli, koriste se za skladištenje. Evaporitna ležišta dijele se u marinska i alkalna.

1.2.1. Marinski evaporiti

Najčešći solni mineral je halit (NaCl). Halit je odložen u slojevima, kao rezultat isparavanja morske vode zarobljene u plitkim zaljevima.

Otopljene sastavnice u morskoj vodi

Kationi % Anioni % Na 30,61 Cl 55,04 Mg 3,69 SO4 7,64 Ca 1,16 HCO3 0,41 K 1,10

Mnogi su ioni otopljeni u morskoj vodi pa se nekoliko soli može izlučiti kako se postiže njihovo točka zasićenja tijekom sunčane koncentracije (isparavanjem). Općenito, izlučivanje netopivih karbonata započinje gipsom CaSO4•2H2O, polihalitom K2Ca2(Mg(SO4)4) i halitom. Nako što 91,7% vode ispari kristalizira halit. Gips može biti dehidriran u anhidrit (CaSO4). Ostale soli se formiraju nakon zasićenja halita, uključujući soli potaše silvit (KCl), karnalit (KMgCl3•6H2O) i langbeinit (K2Mg2(SO4)3). Sekvenca sedimentacije je često epizodna, uzrokujući seriju horizontalnih slojeva, često različitih sadržaja i sa različitim intruzijama siltova i glina. Marinski evaporiti su komercijalno važni mineralni resursi halita, silvita (potaše) i povremeno natrijevog sulfata. Oba kloridna minerala, silvit i karnalit, pretalože se u halitnu kašu. Komercijalna ležišta silvita formiraju se, eventualno, sekundarnom alternacijom od pretaloženja sulfatom bogatih otopina soli (brines), najčešće u evaporitima perma.

Struktura marinskih ležišta soli Solne dome i antiklinalna ležišta, iako rijetka, su komercijalno važna. Halit i drugi kloridi lako se plastično deformiraju u dubini pod utjecajem umjerene temperature i pritiska te budući je njihova gustoća niža od okolnih stijena, imaju tendenciju plutanja prema gore, obično prodirući kroz višeležeće naslage. Na taj način, sol se može akumulirati u beskrajne solne dome i antiklinale, posebice kada je izhodišni sloj soli tanak. Ovakvi procesi izdvajanja uklanjaju nečistoće i umetke i proizvode više gustu solnu masu neznatne propusnosti. Preko 600 solnih doma nalazi se u Gulf Coast Basinu (SAD) nastalih iz dubljih solnih slojeva. Ove solne dome su važna spremišta za naftu, prirodni



plin i sumpor. Strateške naftne rezerve spremljene su u približno 100 miliona m3 šupljina solnih doma Golf Coasta. Većina šupljina izrađena je rudarenjem otapanjem. Antiklinalna ležišta sreću se u Paradox bazenu, Utah i Kolorado. Dolazi do stvaranja komercijalnih ležišta, izdvajanjem i odvajanjem silvita iz halita. Budući je antiklinalna i poremećena ležišta teško eksploatirati konvencionalnim rudarskim metodama, predstavljaju potencijal za dobivanje otapanjem. Kalijev klorid (potaša) je važan mineral koji se primarno proizvodi iz marinskih evaporita. Komercijalna ležišta ostalih soli (osim halita) u marinskim evaporitima mnogo su rjeđa. Magnezijev klorid može se izdvojiti iz marinskih evaporita. Budući se značajnije ne izdvaja tijekom evaporacije mora, obično se dobiva direktno taloženjem iz solnih otopina (brina) i morske vode kao Mg (OH)2, korištenjem vapnenog dolomita (CaOMgO).

1.2.2. Alkalna evaporitna ležišta

Nastala iz kopnenih mora poput Velikog slanog jezera u Utah ili Mrtvog mora. Kasnijim geološkim pokretima su prenesena u dubinu. Kopnene morske vode (brines) također sadrže halit (NaCl) kao glavnu otopljenu sol. Primarno je oceanskog porijekla, nošena vjetrom i odložena kišom i snijegom u taložni bazen. Otopljene alkalne soli potiču od trošenja stijena taložnog bazena te se sadržaj otopljenih soli u kopnenim morima razlikuje od onoga morske vode. Topivost alkalnih soli je ograničena i pretaloženi su u alkalne evaporite, često sa proslojcima gline i blata koji su ulazili u unutarnje more tijekom ekstremnih plavljenja. Alkalni evaporiti i prateće brine izvor su halita na zapadu SAD i osiguravaju potašu zajedno sa morskim ležištima. Alkalni evaporiti su jedini važni izvori natrij karbonata (trone-soda ash), borata, natrijevog sulfata i litija.U Green River Basinu, Wayoming, dobiva se trona iz gotovo horizontalnih slojeva, otapanjem i konvencionalnim rudarskim metodama. Otapanju prethodi otkopavanje komorno-stubnom metodom, podzemne rudarske prostorije kasnije služe za tok otopine koja otapa stupove, zidove i kršje. Soli se u prirodi pojavljuju u mnogo molekularnih kombinacija i minerala. Primjerice za boron postoji četrnaestak glavnih minerala (sa sadržajem borona iznad 35%). U pojedinom ležištu samo je jedan od tih minerala dominantan, pa su za svako ležište i odgovarajuće razlike pri iskorištavanju otopanjem.

1.2.3. Dobivanje otapanjem topivih evaporita

Evaporiti se mogu podijeliti u propusne i nepropusne. Obje klase se dobivaju i klasičnim rudarskim metodama i otapanjem. Solni su minerali prilično mekani, ležišta su uslojena i približno horizontalna, oprema i metode potiču ponajviše iz podzemnog otkopavanja ugljena. Dobivanje otapanjem propusnih evaporita je izdvajanja topivih soli, obično iz gotovo horizontalnih ležišta, u poljima injekcijskih i proizvodnih bušotina. Otapalo je voda, bez kemijskih reagenasa, uz izuzetke kada se kemijskim reagensima postiže ili povećava topivost. Evaporitno ležište mora biti ograničeno naslagama niske propusnosti da zadrže otopinu. U gustim evaporitima poput natrijevog karbonata (trone) dobivanje



otapanjem se danas koristi nakon konvencionalnog otkopavanja kao sekundarna metoda iskorištavanja. Otopina polagano teče kroz prethodno izvedene otkope. Otapanje evaporita prati velika gustoća otopine i promjene u gustoći uslijed prirodnih faktora ili uslijed pripreme otopina prije ponovnog injektiranja. Varijacije gustoće mogu dovesti do stratifikacije otopine u vodonosniku ili druge oblike slabog miješanja. Kristalizacija soli, obično potaknuta promjenom temperature otopine, može ozbiljno ugroziti bunare, cjevovode i procesnu opremu. Upotreba svježe ili brakične vode za kontrolu izlučivanja soli gotovo uvijek je potrebna.

1.2.4. Dobivanje otapanjem nepropusnih evaporita Evaporitna ležišta su izvorno visoko porozna i propusna, ali djelovanjem natkrivke se konsolidiraju, uslijed viskoplastične prirode soli povezane sa litostatskim pritiskom. Iako se neke zarobljene šupljine ispunjene otopinama ili plinom mogu pojaviti u solnim domama, ove formacije su visoko nepropusne.

Slika 2. Otapanje soli u solnim domama

Zbog visoke koncentracije NaCl u zasićenim otopinama, halit se brzo otapa i velike količine soli proizvode se pojedinim bunarom (do 1200 tona dnevno). Postupak obuhvaća injektiranje vode i proizvodnju otopina, bunarima izrađenim u solnoj domi i dovoljno debelim slojevima. Krov solne šupljine otapa se mnogo brže od bokova (slika 2). Slijedom toga, otapanje počinje stvaranjem male šupljine na dnu bušotine. Postepeno se šupljina povećava i širi prema gore. U toj fazi mogu se stvoriti netopivi minerali, obično anhidrit, na dnu šupljine tako da odloženi sediment nemože zapriječiti kontinuirano otapanje. Kod ove metode potrebno je spriječiti podizanje nezasićene otopine u bušotini



iznad krova šupljine, željene razine izdvajanja otopine, uporabom manje gustog fluida kao pokrova iznad otopine (obično nafta, plinsko ulje ili stlačeni prirodni plin).

Slika 3. Spuštanje injekcijske kolone u solnoj domi

Periodički, kolona injekcijske bušotine se pomalo spušta (slika 3.). Veličina šupljine ovisna je o mehaničkim osobinama krovine (do 150 m). Nekoliko bunara i šupljina može se izvesti u jednoj solnoj domi (slika 4). Pritisak tekućine u šupljini odgovara litostatskom pritisku u cilju sprečavanja zarušavanja krovine.

Slika 4. Bunari i šupljine izvedeni u solnoj domi (Freeport, Texas)



Druga metoda otapanja nepropusnih evaporita koristi se u uslojenim ležištima i zahtjeva dva ili više bunara. Nakon izrade bunara, razmaknutih 150 do 200 m, izvodi se hidrauličko frakturiranje, pritiscima iznad litostatskog, kojima se ostvaruje pukotinska veza između bunara. Ovo je drugačiji pristup u odnosu na otapanje metalnih rudi, gdje se kratka veza izbjegava u cilju osiguranja učinkovitog otapanja kroz cijelo rudno tijelo. Upumpana voda rastapa sol i dalje otvara dalje vezni kanal. Često jedan centralni injekcijski bunar osigurava vodu za nekoliko okružujućih proizvodnih bunara. 1.3. Dobivanje otapanjem „in situ“

Otapanje u ležištu (in situ leaching – ISL), ponekad se naziva i rudarenje otapanjem (solution mining) ili dobivanje u ležištu (in situ recovery – ISR), je postupak otapanja minerala poput bakra ili uran neposredno u rudnom ležištu. Serijom bušotina, uspostavlja se tok otopine za izluživanje, koja ispire rudu te se dobije tekuća faza za oplemenjivanje. Otapanje u ležištu izvorno je razvijeno u ranim šezdesetim godinama prošlog stoljeća za uranovu rudu. Danas sudjeluje sa oko 15 % u svjetskoj proizvodnji urana. Glavna prednost metode je mogućnost dobivanje vrijednih metala ili minerala bez konvecionalnih rudarskih metoda. Posljedica je mali utjecaj na poremećaj površine te izbjegavanje odlagališta jalovine.

Preduvjet primjene metode otapanja u ležištu je propusnost (permaibilnost) rudnog tijela, posebice obzirom na fluid koji se koristi za izluživanje. Tipični primjeri pogodnih ležišta su rude u propusnoj sedimentnoj formaciji, poput pješčenjaka ili visoko frakturiranih stijena. Nadalje, rudno tijelo treba biti umetnuto u relativno nepropusne naslage (aquitards), u cilju usmjeravanja agenasa izluživanja kroz rudno tijelo i izbjegavanja propuštanja (leakage). Propuštanje otapajućeg fluida vodi onečiščenju okoliša i smanjuje učinkovitost metode gubitkom zasićene otopine. Nadalje treba postići ostale uvjete:

• obzirom na mineralogiju rudnog tijela - povoljnu kinetiku izluživanja korisnih minerala,

- nizak odbojni kapacitet vezano na Ph and Eh vrijednost, posebice nizak sadržaj karbonata koji su potrošači kiselosti,

• obzirom na hidrodinamsko okruženje - pogodan medij, u cilju izbjegavanja propuštanja i vođenja otapajućeg

fluida kroz rudno tijelo, - propusno rudno tijelo sa optimalno pristupačnim zrnima

Savršena kombinacija uvjeta rijetko se sureće u stvarnosti. Svaka instalacija otapanja u ležištu ima specifičnu konfiguraciju, mineralogiju, geologiju i hidrogeološko okruženje. Dobivanje otopanjem „in situ“ (flooded leaching) koristi se za izdvajanje:

- neželjezovitih metala, posebice urana i bakra, - topivih soli (uključujući halit, tronu, potašu, boron i magnezijeve minerale), - molten sumpora Frasch postupkom,



- izgradnju podzemnih prostorija u solnim ležištima (za skladištenje naftnih rezervi, odlaganje nuklearnog otpada i drugih podzemnih potreba koje traže vodonepropusno okruženje).

Dobivanje otapanjem „in situ“ ima potencijal za izdvajanje nekoliko drugih neželjezovitih metala uključujući mangan, molibden, cink, kobalt, nikl i vanadij. Slika 5. ilustrira tri modela otapanja „in situ“ u plićim ležištima ispod razine podzemne vode:

1. snižavanje razine podzemne vode crpljenjem, uz eventualno injektiranje za sprečavanje dotoka vode ⇒ dovoljna razdrobljena (rubblized) ležišta, mogu se otapati filtriranjem (percolation leaching),

2. rastresanje ležišta parcijalnim rudarenjem ili frakturiranjem eksplozivima, hidraulički ili kemijski u cilju povećanja propusnosti (poroznosti) ⇒ tekućina za otapanja uvodi se injekcijskom bušotinom u dno ležišta i zatim crpi,

3. uspostava horizontalnog toka otopine od injekcijskog do proizvodnog bunara kroz ležište dovoljne prirodne mikroporoznost



Slika 5. Modeli otapanja „in situ“ u plićim ležištima ispod razine podzemne vode:

Slika 6. Proizvodno polje bunara za otapanje uranove rude u ograničenom ležištu

Shema bunara za dobivanje otapanjem sastoji se od paralelnih redova injekcijskih i proizvodnih bušotina (slika 6.). Metoda je pogodna za propusna horizontalna ležišta ograničena nepropusnim naslagama u krovini i podini koja sprečavaju gubljenje otopine.



Sedimentana ležišta, uključujući evaporite, prateće naslage su često nepropusne. Kolona bušotina perforirana je u području orudnjenog sloja tako da je tok otopine približno paralelan slojevitosti. Ograničena propusna rudna ležišta imaju dosta zajedničko sa ograničenim vodonosnicima i naftnim ležištima, koja zapravo svoj postanak duguju ograničavajućim krovinskim naslagama koje su ih zarobile. Tako je u mnogočemu tehnologija dobivanja otopinama preuzeta iz hidrologije i posebice naftnog inženjerstva. Mnoge naftne kompanije bave se i proizvodnjom urana, posebice u južnom Teksasu, gdje je jaka eksploatacija urana otapanjem. Ležišta urana otkrivena tijekom su tijekom istraživanja na naftu i plin.

Slika 7. Dobivanje otapanjem na većim dubinama ispod nivoa podzemne vode

Duboka ležišta, daleko ispod razine podzemne vode, mogu biti neeksplatibilna konvencionalnim rudarskim metodama. Dobivanje otapanjem dubokog primarnog (hypogene) sulfidnog rudnog ležišta prikazano je slikom 7. Istraživači Lawrence Livermore Laboratory preporučili su uporabu nuklearne opreme za rastresanje dubokih bakarnih ležišta u cilju postizanja vodopropusnosti. Glavna prednost dobivanja otapanjem dubokih sulfidnih ležišta je znatno povećana topivost kisika uzrokovana velikim hidrostatskim pritiskom. Na atmosferskom pritisku, voda sa zrakom ima topivost 7 ppm, a sa komercijalnim čistim kisikom 35 ppm. Povećanim pritiskom, iznos otopljenog kisika raste znatno povećanjem dubine ispod razine podzemne vode.



1.4. Dobivanje otapanjem „in situ“ ležišta bakra Stupanj otapanja bakarnih sulfidnih minerala proporcionalan je koncentraciji otopljenog kisika. Otapanje se može provesti brzo, na znatnim dubinama ispod razine podzemne vode, uporabom kisika kao glavnog reaktanta, čime se znatno razlikuje od otapanja odložene jalovine. Budući su okružujuće naslage dobar toplinski izolator, proces otapanja postaje praktički adijabatski. Temperatura se u zoni otapanja postepeno povećava nakon započinjanja oksidacije, često iznad 100oC. Povećana temperatura, također povećava stupanj otapanja, koji može biti vrlo brz u usporedbi sa otpanjem odložene jalovine. Ovaj općeniti zaključak potvrđen je za bakrenu porfirnu rudu ( sadržaj bakra 0,7% pretežno kalkopirita), u opsežnom eksperimentu vođenom od strane Lawrence Livermore Laboratory. Glavne teškoće otapanja dubokih ležišta bakra zahtjevaju više istraživanja:

- kontrola kretanja otopine, - dobivanje (vađenje) rude iz otopine, - postizanje odgovarajuće propusnosti

Duboki sustavi mogu raditi na povišenoj temperaturi i povećanoj kemijskoj koncentraciji poređeno sa otapanjem odložene jalovine. Stupanj reakcije otapanja sulfida ovisi o neposrednom djelovanju kisika ili drugih kemijskih oksidanata, više nego od djelovanja željeznih iona. Koriste se i injektirani kisik te stabilna emulzija kisika u otopinama. Bakterije važne u otapanju odložene jalovine i rude nemogu opstati u težim uvjetima, ali nasreću nisu ni potrebni na višim temperaturama i topivosti kisika koja se postiže na znatnim dubinama rudnih ležišta. 1.4.1. Otapanje bakra (copper leaching) Mineralogija bakrene rude Najčešće bakrene rude koje se susreću uglavnom se sastoje od bornita (Cu5FeS4) i kalkopirita CuFeS u slabo sortiranom matriksu pijeska, silta i zaglnjenih šljunaka (graywacke), koji sadrže u principu kvarcit sa nešto feldspara i karbonatnih facijesa. Rude također sadrže zanemarive količine bakrenih sulfida Cu2S (kalkocit), kovelita CuS i vrlo malu količinu prirodnog bakra. Oksidacija kalkocita u kiseli željezni sulfat čini se provodi se u dva odvojena stupnja: kalkocit oksidira u kovelit a zatim kovelit oksidira dalje i tvori čisti sumpor. Razlaganje međuprodukata je vjerojatno sporije od razlaganja izvornog kalkocita. Stupanj pretvorbe kalkocita u kovelit je deset puta viši u odnosu na razlaganje kovelita. Vrijeme za poptuno razlaganje kovelita je direktno proporcionalno početnoj veličini zrna, odnosno izloženoj površini. Oksidne rude su sastavljene od slabo sortiranog matriksa pijeska, silta i zaglinjenih šljunaka, uz sadržaj uglavnom kvarcita sa nešto feldspara i karbonatnih facijesa. Uobičajeni oksidni bakreni minerali su malahit Cu2CO3(OH)2), manje količine azurita (iste formule) i krizokola (CuSiO3), tenorta (CuO) i kuprita Cu2O). Oksidna bakrena ruda



može sadržavati izvjesne količine barnei sulfida, bilo sekundarnih minerala kalkocita i kovelita, ili primarnih minerala bornita i kalkopirita. Topivost pojedinih minerala konvencionalno se prikazuje Poubaix-ovim dijagramom. Dijagram prikazuje očekivane dominantne vrste zavisno o pH i Eh (redox potencijal) faktoru za bakar, u prisustvu željeza, sulfida i silikata. Vidi se da u redukcijskim uvjetima, minerala kalkopirita, se očekuju se prevladavajuće željezne čestice, zajedno sa (ipak manje prevladavajućim) bornitom, kalkocitom, bakrom i kovelitom. U više oksidirajućim uvjetima, sa termodinamske točke gledišta (bez kinetike), u uvjetima srednjih i visokih pH vrijednosti, prevladavaju kuprit, malahit i moguće antlerit (Cu3(SO4)(OH)4) ili brohanit (Cu4(SO4)(OH)6), sa termodinmske točke gledišta (bez kinetike). Kako god što se tiče stvarne mineralne faze, dijagram pokazuje povećanu očekivanu topivost u gornjem desnom kutu, to jest u kiselim i oksidirajućim uvjetima. Bakar se topi na pH vrijednostima manjim od 5, osiguravajući povečanje oksidacijskog stanja (Eh>300 mV, približno). Iako omogućuje brzi pregled prevladavajuće faze, korištenje pH-Eh dijagrama za potrebe predviđanja, treba uzimati sa oprezom. Ovaka tip dijagrama je temeljen na jednostavnoj hipotezi. Prvo, dijagram pretpostavlja stalnu ternodinamsku ravnotežu, koja se rijetko susreće u heterogenim prirodnim sustavima. Drugo, dijagram koristi koristi jako pojednostavljene geokemijske uvjete, sa samo nekoliko glavnih faza zadanih konstantnom aktivnošću ili koncentracijom. Precizija predviđanja mogu se provesti korištenjem alata razvijenih od Reactive Hydrodynamics Group (CHESS i HYTEC). 1.4.2. Kemizam otapanja bakrene rude (Leaching) Postupak otapanja rude upravlja se sastavom tekućine za otapanje i mineralogijom rude. Glavni parametar tekućine za otapanje je pH vrijednost i oksidacijski status (redox potencijal), iako prateće kemikalije u tekućini mogu imati značaja (npr. sadržaj karbonata, koncentracija želejznih iona ….). Tip minerala metala u rudnom tijelu je presudan za otapanje. Stijena domaćin i prateći minerali su također važni, budući mogu djelovati kao potrošači kiselosti i tako smanjiti učinkovitost otapajućeg fluida. Otapanje zahvaća sve minerale u rudnom tijelu koji sadrže bakar. Zajedničke reakcije razlaganja bakrenih oksida su:

Cu2CO3(OH)2 + 4H+ + 2SO42- ⇔ 2 CuSO4(aq) + CO2(aq) + 3 H2O

Cu2SiO3 + 2H+ + SO4

2- ⇔ 2 CuSO4(aq) + SiO2(aq) + H2O

CuO + 2H+ + SO42- ⇔ 2 CuSO4(aq) + H2O

Sve tri reakcije zahtjevaju dva mola H+ za stvaranje jednog mola Cu2+. Općenito prihvaćena reakcija razlaganja bakrenih sulfida:



Cu2S + 2H+ + SO4

2- + 0,5 O2 (aq) ⇔ CuSO4(aq) + CuS + H2O

CuS + 2 O2 (aq) ⇔ CuSO4(aq)

Oksidacija kalkocita zahtjeva međukorak kroz stvaranje kovelita. Često se spominje da je razlaganje kovelita praćeno povečanjem željeznog iona, vjerojatno vezano na djelovanje bakterija. Korištenjem željeznog iona umjesto kisika reakcija glasi:

Cu2S + Fe2(SO4)3 (aq) ⇔ CuSO4(aq) + CuS + 2Fe2SO4

CuS + Fe2(SO4)3 (aq) ⇔ CuSO4(aq) + 2Fe2SO4 + S

S + 1.5 O2 (aq) + H2O ⇔ 2H+ + SO42-

Zadnja reakcija znači da obilno prisustvo željeznog iona u otopini. Željezni ion je teško topiv i prisutan kao hematit i magnetit. Otapanje ove faze zahtjeva također kiselu sredinu. Stvorena otopina često se naziva zasićena otopina (Pregnant Leach Solution – PLS). Bakar se dobiva iz PLS vađenjem otopine pomoću bunara/bušotina. 1.4.3. Izlučivanje iz otopine (Solvent extraction) Izlučivanjem iz otopine (Solvent extraction -SX) povećava se sadržaj bakra u zasićenoj otopini ((Pregnant Leach Solution – PLS) prije elektrolize (electrowinning EW). Metoda se temelji na uporabi ilučivača (ekstranta), primjerice LIX 984, složenog od jednog organskog izlučivača (općenito inertan, na kerosenu temeljen ugljikovodik, zvan diluent) pomiješanog sa sa zasićenom otopinom (PLS). Organski izlučivač, za oko 15% lakši od PLS, pliva na površini vodene faze, i može se odvojiti. Ostatak rafinat, reciklira se za uporabu u postupku izlučivanja. Ovaj postupak izlučivanja i odvajanja se ponavlja, jednom ili više puta, dok se ne dobije povoljna koncentracija bakra, pogodna za elektrolizu. Općenito to je oko 40 g/litri. Kemijski proces izlučivanja iz otopine jednostavan je i može se opisati jednadžbom masene ravnoteže:

2 LIX (H) + Cu2+ ⇔ LIX2 (Cu) + 2H+

Naravno, u sulfidnoj kiseloj otopini slobodni bakar se lako kompleksira i stvara vodenu fazu CuSO4. Primjenom zakona očuvanja mase i izraženo u logaritamskoj formi dobivamo reakciju:

log [LIX2(Cu)] = log[K] + 2 log [LIX(H)] + log [Cu2+] + 2pH



Relacija pokazuje da se količina složenog bakra povećava sa vrijednosti pH. Obrnuto, manje bakra se dobiva pri nižoj pH vrijednosti. Izlučivač LIX 984 počinje skupljati željezne ione na pH≅1,8, a ostale metale (Ni2+, Co2+, Zn2+, …) pri pH≥3,5. U cilju izbjegavanja kompeticije sa drugim metalima u PLS, preporuča se optimum od pH~1,8. 1.5. Geologija ležišta urana Ležišta urana u SAD su uglavnom tipa pješčenjaka. U najviše slučajeva pretpostavlja se postanak migracijom oksidirajućih podzemnih voda koje su nosile topivi uran u dubinu formacije. U Wayomingu veliki granitni intruzivi su smješteni iznad rudnog ležišta pa se pretpostavlja da su izvor urana, koji je otapan podzemnom vodom. Ove migrirajuće otopine su se taložile kada su se postigli redukcijski uvjeti, često praćeni organskim nanosom. Okamenjen stabla Kolorado platoa sadrže velike koncentracije urana. Često kemijske zone odloženih minerala urana razvijaju se u redukcijskom okruženju neposredno u blizini oksidirajuće sredine (slika 8.). To se zove „roll front“ (kotrljajući front). Migracija može biti napredna (progresivna) kroz dulje razdoblje kako oksidirajuća otopina uđe, mobilizira i miče uran na kraću udaljenost. Kroz dulje vrijeme, znatno obogačenje ležišta na kotrlajućoj fronti može se desiti od vrlo razrjeđenih otopina. Oblik i koncentracija urana u ležištu varira znatno ovisno o lokalnoj propusnosti stijene domaćima i raspodjeli organskog minerala (slika 9.). Srednji sadržaj korisnog minerala varira znatno od < 0,05% do 0,5% urana, najčešće 0,2 do 0.3%. Ležišta urana većih koncentarcija postoje u Kanada i Australiji, koja dominiraju međunarodnim tržištem rudarstva urana.

Slika 8. Postanak ležišta uranove rude u pješčenjacima



Slika 9. Prikaz tipičnog ležišta urana

1.5.1. Kemizam otapanja urana Uran se javlja u reduciranim rudama u formi oksidnih minerala poput uranita i pitchblende. Uz uran često je pridružen vanadij u kemijski miješanim mineralima poput karnotita. Uran se također nalazi u fosfatima. Proces otapanja sastoji se od oksidacije urana UO3 ili uranovog iona UO2

2+,, koji je topiv kada je povezan sa karbonatnim ili sulfatnim ionima, ovisno o otapalu koje se koristi. Najčešće otapalo u površinskim postrojenjima, za otapanje mljevenog urana, je sumporna kiselina sa injektiranim kisikom. Željezni ion je posredni mineralni oksidant. Kada karbonatne stijene ili drugi minerali u rudi troše velike količine kiseline, može se primijeniti otopina natrijevog ili amonijevog karbonata. Sumporna kiselina može izazvati taloženje, primjerice gipsa, što narušava propusnost rudnog ležišta. Sumporna kiselina mobilizira ostale tvari koje se nalaze u vodonosniku ležišta i nanosima (primjerice molibden i selen). Posljedica je da je amonijev karbonat preporučljivo otapalo. Amonijev karbonat je visoko selektivno otapalo za uran i ne stvara taložine. Stvara se noseća otopina u reakciji:

2 UO2 + 2H2O2=2UO3 + 2H2O

UO3+(NH4)2CO3+2(NH4)HCO3=(NH4)4 UO2(CO3)3 + H2O



Ova razređena alkalna tekućina može se poslati na otapanje ili korak zamjene iona te se proizvedena organska otopina čisti jakom otopinom natrijevog karbonata i dobiva otopina veće koncentracije urana. Otopina se može tretirati natrijev hidroksidom za dobivanje tržnog proizvoda poznatog kao „žuti kolač“ preradom kojeg se dobije UO2.

Na4 UO2(CO3)3 + 4NaOH= Na2UO4+3Na2CO3 + H2O

2Na4 UO2(CO3)3 + 6NaOH= Na2 U2O7+6Na2CO3 + 3H2O

Iako je zrak najjeftiniji oksidant, obično se ne koristi u dobivanju otapanjem urana zbog niske topivosti kisika u dobivenoj otopini. Vodikov peroksid se obično koristi u Sjevernoj Americi. 1.6. Dobivanje otapanjem bunarima Dobivanje otapanjem „in situ“ izvodi se izradom mreže injekcijskih i produkcijskih bunara. Plan bunara mora se zasnivati na poznavanju hidroloških značajki rudnog ležišta i pratećih stijena. Upravljanje tokom otopine značajno određuje učinkovitost otapanja rude. Osnovne hidrološke značajke koje utječu na tok otopine:

- poroznost - propusnost - debljina rudnog ležišta - mogućnost prijenosa - kapacitet spremanja - razina podzemne vode - hidraulički gradijent

Idealno je da propusnost bude uniformna ali se to rijetko susreće. Promjene propusnosti uzrokuju neželjene tokove, kratke spojeve kroz visoko propusne zone i slabu učinkovitost otapanja. Zone niske propusnosti neće biti odgovarajuće otopljene i otopina će biti siromašna. Slaba učinkovitost otapanja je često ozbiljna teškoća u in situ otapanju ruda. Mogućnost prijenosa je produkt propusnosti i debljine ležišta. Kapacitet spremanja je volumen otopine dobiven iz ležišta (volumen rude koji se zahvati otapanjem) po injektiranoj količini volumena pora. Dodatno propusnosti i njenim varijacijama tri su glavna parametra koja utječu na stupanj otapanja i optimiranju koncentracije vrijednih minerala u proizvedenoj otopini:

- kinetika otapanja rude - injekcijski odaziv i - mehanizam premještanje otopine

Optimum je proizvesti maksimalnu koncentraciju otopine sa minimumom injektirane otopine.



Slika 10. Koncentracija otopljenog urana ovisno o injektiranoj količini

(izraženo u volumenu pora)

Vršna koncentracija otopljenog urana nakon injektiranja u iznosu 1,2 volumena pora je 8 mg/l U3O8 (za konfiguraciju mreže od 5 bunara). Iskorištenje je svega 55 % nakon injektiranja 2 porna volumena (slika 10). Srećom, iskorištenje raste u većim poljima bunara. Bunarsko polje će uvijek biti neučinkovito na rubovima ukoliko je ležiste bočno neograničeno. Jedan od načina rješavanja ovog problema je proizvodnja više otopine nego što se injektira, uz korištenje vanjskog kruga bunara kao produkcijske bušotine. Drugi pristup je izrada reda bunara za injektiranje vode na periferiji polja. Lagana injekcija vode stvara hidrauličnu zapreku toku, ograničava sustav i u principu omogućava 100% iskorištenje otopine. Na drugoj strani, otopina će biti rjeđa i nešto više otopine se proizvede od one koja je injektirana.

Slika 11. Koncentracija otopine ovisno o injektiranoj količini otopine uz injektiranje

vode na periferiji polja (izraženo u volumenu pora)



Proizvodna krivulja za bočno ograničeno polje na ovakav način prikazana je slikom 11. (dobiva se veće iskorištenje 100% i veća koncentracija otopine 15 mg/l U3O8 za isti injektirani volumen pora 1,2).

Slika 12. Ispitivanje propusnosti rudnog ležišta

Propusnost rudnog ležišta ispituje se injektiranjem poznate količine vode kroz ležište pri određenom pritisku (slika 12.). Interval ležišta koji se testira ograničava se pakerima koji sprečavaju injektiranje vode izvan testnog intervala. Znatne varijacije u propusnosti posebno su očekivane u sedimentnim ležištima (slika 13.).

Slika 13. Varijacije u propusnosti sa dubinom



1.6.1. Sheme bunarske mreže Jedan bunar može se koristiti za injektiranje otapala, nakon čega slijedi crpljenje otopine. Ciklusi se ponavljaju. Svaki ciklus uključuje određenu količinu otopine kroz određeno vrijeme i zatim crpljenje kroz određeno vrijeme. Iako se rijetko koristi u komercijalnom dobivanju otapanjem ova tehnika je izvanredni nisko troškovni pristup ispitivanja.

Slika 14. Sheme bunarskih mreža za otapanje „In situ“

Najčešće korištene sheme vertikalnih bunara prikazane su slikom 14. Najčešće se bunari izrađuju sa površine ali mogu se izraditi i iz podzemnih platformi. Shema sa pet proizvodnih bunara i jednim injekcijski centralnom smještenim je jedna od najučinkovitijih za manja polja. Primarno se koristi kod ispitivanja. Proširena shema pet bunara je najčešća komercijalno korištena sa jednakim brojem injekcijskih i proizvodnih bunara. Ponekad je učinkovitije imati više produkcijskih bunara. Primjerice, produkcijski bunari se znaju često začepiti zasićenim solima ili je poželjno proizvesti više tekućine nego što je injektirano. Izvodi se i shema sa paralelnim redovima bunara, gdje je jedan red injekcijski a drugi produkcijski. Usmjerenim bušenjem može se iz jedne vertikalne bušotine izraditi više horizontalnih bušotina rudno ležište. Horizontalne bušotine kroz ležište, osim što se smanjuje ukupna duljina bušenja, mogu osigurati učinkovitiji pristup rudnom ležištu. Stimulacija bunara poduzima se u radi povećanja propusnosti rudnog ležišta u blizini bušotine. Metode stimulacije uključuju:

- kiseljenje – često se koristi kad je domicilna stijena vapnenac ili dolomit - hidrauličko frakturiranje, sa ili bez podupirača, - frakturiranje eksplozivom

Stimulacija bunara posebice je važna u čvrstim stijenama koje nisu razdrobljene. Izvorna propusnost čvrstih ležišnih stijena može biti vrlo niska (u milidarsijima) što sprečava ili ograničava mnoge primjene in situ dobivanja otapanjem. Brzina i gradijent brzine uz bušotine je najveći i smanjuje se brzo udaljavanjem od bunara. Sukladno tome niska propusnost uz bunar je posebice nepovoljna. Učinkovito povečanje promjera bunara ili



radikalno smanjenje propusnosti u stijenskom cilindru oko bunara značajno ubrzava stupanj toka otopine. Hidraulično frakturiranje izvodi se upumpavanjem fluida u bunar pritiskom koji premašuje čvrstoću stijene. Na veliki dubinama to je često nešto više od litostatskog pritiska. U sedimentnim naslagama, stijena je obično slabija uz plohe slojevitosti i tu se odvaja te su pukotine paralelne slojevitosti. Tijekom procesa, početak frakture se registrira iznenadnim padom ritiska i povečanjem količine fluida. Fluid ulazi u pukotine i širi ih. Zatvaranje pukotina nakon skidanja pritiska sprečava se podupiračima koji se upumpava u obliku cementne kaše (slurry). Podupirači (proppants) su keramičke mikrosfere dovoljno čvrste da podrže litostatsko opterečenje bez sloma. Preko trećine naftnih i plinskih bušotina je frakturirano. Hidraulični fluidi su viskozni da se spriječi njihov gubitak i da zadrže čestice propannta. Visoka viskoznost daje šire pukotine. 1.7. Ekonomičnost dobivanja otapanjem Ekonomičnost dobivanja otapanjem ovisi o:

- dnevnoj količini otopine, - količini injektirane iproizvedene otopine po bunaru, - stupnju otapanja minerala, - volumenu rude koja dođe u kontakt sa otopinom

Glavna ulaganja su: površinsko postrojenje, bunari, pumpe i kemikalije za otopinu. Količina i troškovi kemikalija koji se moraju prethodno nabaviti može biti izuzetno velika. Uključuje kemikalije kojima se ispunjava praznine u rudnom ležištu i za reakcije sekundarnog obogačivanja kojima se dobivaju otopljeni metali. U otapanju bakrenih ruda troše se velike količine kiseline ili amonij sulfata. Poželjna je što viša koncentracija metala u otopini da se poveća kapacitet pojedinog bunara i minimizira broj bunara. Trokovi pumpanja rastu količinom otopine, brojem bunara i pritiskom. Početni troškovi vezani su uz uklanjanje vode iz proizvodne zone sa otopinom. U početku metal se otapa sa postojećomvodom u porama i početna otopina biti će siromašna. Najmanje jedna, ponekad i nekoliko, izmjena volumena vode u produkcionoj zoni je potrebna (porni volumen) za postizanje punog kapaciteta proizvodnje metala (stacionarnog toka). Viši stupanj zasićenja otopine zahtjeva i višu kemijsku koncentraciju (topivih iona i oksidanata) i veće troškove ulaganja u kemikalije. Veće zasićenje zahtjeva duže zadržavanje otopine u proizvodnoj zoni, polaganiji toko otopine i duže vrijeme za izmjenu pornog volumena. Negativni tok novca u početku radi većeg stupnja zasičenja otopine. Općenito direktni troškovi i kapitalna amortizacija je niža kod većeg stupnja zasičenja otopine, kada je jednom postigne stabilna proizvodnja. Početna shema bunara neće pokriti cijelo rudno ležište. Periodički se moraju dodavati bunari za kompenziranje smanjene proizvodnje iz starijih bunara i za održanje približno stalnog količinskog toka i konstantnu prosječnu koncentraciju metala potrebnu pri postupku oplemenjivanja metala. Vijek trajanja bunara ima znatan utjecaj na profitabilnost dobivanja otapanjem. Pravilan



izbor razmaka bunara, početno stimuliranje bunara i kasnije periodičko stimuliranje može imati glavni utjecaj na vijek trajanja bunara i profitabilnost postupka. Glavni ciljevi zaštite okoliša pri dobivanju otapanjem „In situ“ su:

- zadržavanje otopine tijekom postupka otapanja, - tretiranje otpadnih voda tijekom postuka i kasnije tijekom obnove

vodonosnika

1.8. Bioizlučivanje (Bioleaching) Bioizlučivanje (Bioleaching) je izlučivanje metala iz rude određenim prirodnim mikroorganizmima. Deseci bakterijskih vrsti posjeduju bioizlučivi potencijal. Komercijalni potencijal uključuje vrste poput Thiobacillus, Leptospirillum, Sulfobacillu i Sulfolobus. Thiobacillus ferrooxidans je najviše proučavana i komercijalno primjenjiva vrsta. Aerobična je, štapičastog oblika, uzima energiju oksidacijom različitih sulfidnih minerala i topivih željeznih iona (Fe2+). Uporaba ovih mikroorganizama od velikog je komercijalnog interesa za rudarstvo, budući se mnogi važni metali dobivaju i rafiniraju iz sulfidnih minerala. Većina sulfidnih minerala su inertni i oksidiraju vrlo polako pri sobnoj temeperaturi i pritisku. Tipična reakcija bioizlučivanja na piritu:

2 FeS2 + 7,5 O2 ⇒ Fe2 (SO4)3 + H2SO4

Produkti izlučivanja su željezni sulfat i sumporna kiselina. Znatna količina kisika potrebna u reakciji uzima se iz zraka. Komercijalna primjena bioizlučivanja razvijena je za bakar i uran iz ruda niskog sadržaja i jalovine. Minerali urana često prate pirit. Bakterija Thiobacillus ferrooxidans koristi se za oksidaciju pirita i oslobađa uran prema gornjoj relaciji. Razvijeni željezni sulfat i sumporna kiselina izlučuju zatim uran. Tehnologija uporabe bakterija za oksidaciju sulfida najveći napredak zabilježila je pri povečanju iskorištenja zlata i srebra iz ruda koje su teške za oplemenjivanje. Bioizlučivanje je prihvaćeno budući nudi potencijalno jeftinu i nezagađujuću tehnologiju za oplemenjivanje sulfidnih ruda metala. Postupak bioizlučivanja temeljno se sastoji od dviju faza: I faza – oksidacija sulfidnih minerala pomoću bakterija u kiseloj sredini

II faza – oksidirane zlatonosne čestice mješaju se sa vapnom i povećava pH na 10 do 12 te se provodi klasično cijanidno izlučivanje

Postupkom bioizlučivanja iskorištenje ruda može se povećati i preko 90%.

Documents

Alternativne metode eksploatacije Dobivanje otapanjem