در موضوع: مهندسی محیط زیست معدنی
بررسى تأثیر پیریت بر دمپهاى باطله معدن مس سرچشمه
خلاصه مطالب:
چکیده
مشکل عمده بسیاری از باطله های معادن فلزی، اسیدزائى در اثر هوازدگى سولفیدها و بویژه پیریت مى باشد. باطله هایی که حاوی پیریت مى باشند و در یک محیط خنثى یا قلیایی دپو شده باشند، در اثر هوازدگى پیریت در مدت چندین ماه و حتى چندین سال خاصیت اسیدی قوی را بوجود مى آورند، لذا در چنین باطله هایی به pH اولیه و اندازه گیری شده در محل نمى توان اعتماد نمود و بایستى اسید تولید شده در اثر هوازدگى پیریت را نیز در نظر گرفت. بر همین اساس و به عنوان یک مطالعه موردی، pH سه دامپ شماره 5، 15 و 31 معدن مس سرچشمه و تاثیر هوازدگى پیریت بر آن مورد مطالعه قرار گرفت که بر این اساس pH این دمپها قبل از تاثیر پیریت با استفاده از محلول بافر به ترتیب5/5، 6 و 6 بدست آمد و پس از تاثیر هوازدگى پیریت به ترتیب 43/3، 45/4 و 9/4 تخمین زده شد و در ادامه با توجه به شرایط و امکانات موجود راه حلهای مناسب و قابل انجامى از جمله خنثى سازی توسط آهک، ایجاد یک پوشش ارگانیکى بر روی باطله ها و استفاده از لایه نفوذ ناپذیر روی باطله ها به منظور جلوگیری از افزایش خاصیت اسیدی محیط ارائه شد.
واژه هاى کلیدى:پیریت، دمپ، هوازدگى پیریت.
پیش گفتار:
یکى از مواد مزاحم و مشکل ساز در امر بازسازی معادن سولفیدی، پیریت موجود در باطله های فلزی و احیانا غیر فلزی مى باشد که در اثر اکسیداسیون و وجود رطوبت و آب کافى تولید اسید سولفوریک نموده و محیط دامپ را اسیدی مى نماید. در محیط اسیدی نیز عناصر سمى و مضر فعال مى شوند. با این نگرش مطالعاتى جهت تعیین درصد پیریت باطله های مس سرچشمه و تاثیر هوازدگى پیریت بر pH محیط دامپ و ارائه راهکارهایی در خصوص مقابله با آن صورت گرفت
متن اصلی:
موقعیت جغرافیایی و شرایط آب و هوایی منطقه
معدن مس سرچشمه با ارتفاع 0 262 متر از سطح دریا در فاصله 160 کیلومتری غرب کرمان و 50 کیلومتری رفسنجان قرار دارد و بزرگترین معدن مس و روباز ایران مى باشد. تغییرات سالیانه درجه حرارت در این ناحیه از 15- تا 32+ درجه سانتیگراد است و متوسط میزان بارندگى در ارتفاعات 550 میلیمتر و در محل دمپهای باطله 300 میلیمتر گزارش شده است[1].
دمپهاى معدن مس سرچشمه
دمپهای معدن مس سرچشمه را مى توان به دمپهای سولفوری کم عیار، اکسیدی و بدون عیار تقسیم بندی نمود که در این پروره از دمپ سولفوری شماره 5 و دمپهای بدون عیار شماره 15 و 31 نمونه برداری صورت گرفت. از آنجائیکه باطله های اکسیدی جهت فرآیند لیچینگ مورد استفاده قرار مى گیرند، از این دمپ نمونه برداری نشد[ 1].
نمونه بردارى
در محل دمپها تشخیص انواع باطله (خاکى، سنگى، پیریت دار،...) بطور چشمى به سهولت امکان پذیر بود. با توجه به اطلاعات موجود در مورد نحوه تشکیل دمپها و بررسى گزارشهای موجود، دمپها ابتدا به چند بخش تقسیم شده و بر همین اساس نمونه برداری صورت گرفته است. بدین معنى که از پشته ها نمونه های جدکانه ای تهیه گردید و برای اینکه نمونه های جمع آوری شده تا حد امکان معرف باشند، تعداد جزء نمونه ها زیاد و متناسب با حجم هر قسمت در نظر گرفته شد. در پایان همه جزء نمونه های مربوط به هر دمپ با یکدیگر مخلوط شد و نمونه کلى در حدود 100 کیلوگرم برای هر دمپ بدست آمد.
آماده سازى نمونه
نمونه های جمع آوری شده پس از حمل از معدن به آزمایشگاه کانه آرائى دانشگاه صنعتى امیرکبیر منتقل شد. این نمونه ها در آزمایشگاه مورد خردایش و تجزیه سرندی قرار گرفتند.
- خردایش
بدلیل ابعاد نسبتا درشت ذرات نمونه ها (در حدود 8 سانتیمتر) ، ابتدا نمونه ها توسط سنگ شکن فکى و سپس سنگ شکن غلطکى خرد شده تا همگى از سرند 20 مش عبور کنند. خردایش به گونه ای انجام شد که حداقل نرمه تولید شود[2].
- تجزیه سرندى
برای تعیین درصد پیریت مى بایستى نمونه حاصل را تجزیه سرندی نموده و آنگاه عیار مواد موجود در هر سرند را بدست آورده و با توجه به وزن آن، عیار متوسط نمونه را پیدا نمود. جهت تجزیه سرندی از سرندهای 30، 60، 100، 140 و 200 مش استفاده گردید. در جدول 1 نتایج تجزیه سرندی نمونه های برداشته شده از دمپهای مورد مطالعه آمده است[2].
تعیین عیار پیریت
پس از انجام تجزیه سرندی برای تعیین عیار پیریت به دلیل اینکه با آنالیز شیمیایی نمى توان عیار پیریت را مشخص کرد، از روش ذره شماری استفاده مى شود. عمل ذره شماری برای تعیین عیار پیریت برای همه فراکسیونها بکار گرفته شد (با انجام چندین بار شمارش و در حالت استاندارد تعیین شده برای هر بار شمارش 200 ذره در نظر گرفته شد) . در نهایت عیار پیریت در نمونه کل برای نمونه های برداشته شده از دمپهای کل 5، 15 و31 به ترتیب برابر 83/4، 46/2 و 11/3 درصد بدست آمد.
قابلیت اسید زدایی
از آنجایی که پیریت در مجاورت هوا اکسید شده و در اثر وجود آب تبدیل به اسید سولفوریک مى گردد، لذا با توجه به تناژ کل محل های دمپ، میزان حدودی سنگهای پیریت دار و عیار پیریت، مقدار حدودی پیریت محل های دمپ برآورد.
جدول 1- نتایج تجزیه سرندی نمونه های برداشته شده از دمپهای 5، 15 و 31
و از روی آن میزان اسید تولید شده مشخص مى گردد. بدیهى است که هیچگاه پیریت موجود در باطله به یکباره تبدیل به اسید نمى شود و این عمل به صورت تدریجى انجام مى گیرد، لذا جهت تعیین خاصیت اسیدی حاصل از اکسیداسیون پیریت آزمایشات وسیعتر و دقیقتری مى بایست صورت گیرد. در ادامه با توجه به پیریت موجود و میزان بارندگى سالیانه، تجزیه و تحلیلى بر روی اسید تولید شده و pH حاصله در محیط صورت گرفته است. بدیهى است که pH بدست آمده تنها به دلیل وجود پیریت مى باشد و جهت بررسى ها دقیق تر مى بایست pH محل را نیز مورد توجه و بررسى قرار داد. همانطور که مى دانیم پیریت طبق رابطه 1 اکسید شده و تبدیل به اسید سولفوریک مى گردد:
فرمول1
با توجه به اینکه ، برای دمپ های مختلف داریم:
- دمپ شماره 5
بدلیل اینکه میزان بارندگى محل های دمپ 300 میلى لیتر در نظر گرفته شده است و با در نظر گرفتن مساحت دمپ، حجم بارندگى در یک سال را مى توان بدست آورد. با استفاده از روابط زیر پارامترهای مورد نیاز جهت تعیین pH ناشى از اکسیداسیون پیریت را مى توان مشخص نموده و نتیجتأ pH ناشى از اکسیداسیون پیریت را بدست آورد. فرمولها به قرار زیر مى باشند:
فرمول2_3
تولید شده
فرمول4
تولید اسید
فرمول7
که در آن:
m= میزان اسید سولفوریک تولید شده بر حسب گرم،
v= حجم آب اضافه پس از تولید اسید بر حسب لیتر،
C= غلظت اسید بر حسب گرم بر لیتر،
E= اکى والان گرم بر حسب گرم،
N= نرمالیته بر حسب نرمال،
و نهایتا با توجه به اینکه در اسیدهای قوی [H+]=N داریم :
$Image5
نتایج حاصل از محاسبات مربوط به این دمپ در جدول 2 آورده شده است.
جدول 2- محاسبه pH ناشی از تاثیر پیریت در محل دمپ شماره 5 معدن مس سرچشمه.
- دمپ شماره 15
با توجه به اینکه مواد حاوی پیریت تنها قسمتى از باطله های این دمپ را تشکیل مى دهند، لذا با بررسى های صورت گرفته (این بررسى ها در مورد نحوه تخلیه باطله های قسمتهای مختلف معدن در محل دمپ باطله ها و اطلاعات بدست آمده از معدن در مورد عیار هر قسمت و گزارشهای مربوطه مى باشد) مشخص شد که مى توان حدود کل باطله این دمپ را باطله حاوی پیریت فرض کرد. نتایج حاصل از محاسبات مربوط به این دمپ در جدول 3 آمده است.
- دمپ شماره 31
در این دمپ نیز با بررسى های انجام گرفته مشخص شد که مطابق دمپ 15 تنها حدود کل باطله محتوی پیریت مى باشد. نتایج مربوط به محاسبات این دمپ نیز در جدول 4 ارائه شده است.
جدول 3- محاسبه pH ناشى از تاثیر پیریت در محل دمپ شماره 15 معدن مس سرچشمه.
جدول 4- محاسبه pH ناشى از تاثیر پیریت در محل دمپ شماره 31 معدن مس سرچشمه.
تعیین pH خاک محلى دمپها قبلى از تأثیر پیریت
جهت تعیین pH محل دمپها قبل از تاثیر پیریت از محلول بافر 7 استفاده گردید. نتایج حاصل در جدول آمده است.
جدول 5- pH اولیه دمپها قبل از تاثیر پیریت.
تعیین pH نهایى حاصلى از خاک اولیه و تأثیر پیریت بر دمپها
همانطور که از نتایج جدول 4 مشاهده مى شود، دمپ 5 که یک دمپ سولفوری کم عیار مى باشد دارای pH کمتر و در نتیجه خاصیت اسیدی بیشتر مى باشد و همچنین استنباط مى شود که در شرایط عادی محل های فوق تقریبا خنثى بوده و مشکل حادی را بوجود نمى آورند. اما بدلیل وجود پیریت در این باطله ها و امکان هوازدگى آن در اثر مرور زمان و در نتیجه خاصیت اسیدزایی در مجاورت آب، لذا در امر بازسازی باید این مسائل را نیز در نظر گرفت.
برای محاسبه pH نهایى، با فرض یکسان بودن حجم محلول خاکى و اسیدی (ناشى از هوازدگى پیریت) داریم:
فرمول8
که در آن:
1 N = نرمالیته خاک،
2 N= نرمالیته ناشى از هوازدگى پیریت (اسیدی) ،
N = نرمالیته کلى،
اما با توجه به اینکه [H+]=N و pH=-Log[H+] رابطه فوق را مى توان بصورت زیر نوشت:
فرمول9
که در آن:
1 pH= pH مربوط به خاک،
2 pH= pH مربوط به هوازدگى پیریت،
pH= pH کلى،
با توجه به رابطه 9، pH کلى هر دمپ محاسبه شده که در جدول 6 آمده است.
تجزیه و تحلیل نتایج
با توجه به درصد پیریت بدست آمده از باطله های معدن مس سرچشمه و با توجه به نتایج بدست آمده مشخص گردید که دمپ 15 از نظر کیفیت خاک پوششى ضعیف بوده و دمپهای 5 و 31 نیز دارای قابلیت های مسمومیت زایى مى باشند. همچنین با توجه به pH بدست آمده از باطله ها چنین بر مى آید که دمپ 5 که یک دمپ سولفوری مى باشد، دارای pH کمتر و در نتیجه خاصیت اسیدی بیشتری نسبت به دمپهای 15 و 31 مى باشد. اما بطور کلى در شرایط عادی به دلیل اینکه محدوده pH محلهای فوق بین 5/5 تا 6 مى باشد مشکل حادی بوجود نمى آید. مشکل زمانى بروز مى نماید که آب بارندگى به محلهای مذکور نفوذ نماید، در این صورت پیریت های هوازده واقع در لایه های سطحى و پیریت های موجود در لایه های زیرین که در اثر نفوذ آب باران اکسید شده اند، طبق رابطه 1 قابلیت اسید زایی پیدا کرده و pH محلهای دمپ را تا محدوده 5-3 پایین مى آورند.
جدول 6- pH کلى دمپها پس از در نظر گرفتن تاثیر پیریت.
افزایش خاصیت اسیدی باطله ها باعث آلوده ساختن منابع آبهای سطحى و زیرزمینى، آلوده شدن زمینای اطراف، حل شدن عناصر و فلزات سمى در خاک و نتیجتأ آسیب رساندن و مسمومیت گونه های گیاهى و حیوانى موجود در محل مى گردد. لذا مى بایست به نحوی از تولید آبهای اسیدی جلوگیری و یا آنرا کنترل نمود. بدین منظور راه حلهای مختلفى قابل ارائه مى باشد.
الف- اضافه نمودن آهک
اضافه نمودن آهک در حین تشکیل دمپ امکان پذیر مى باشد. با توجه به نتایج حاصل از جداول 1، 2 و 3 که مقدار اسید سولفوریک تولیدی از طریق اکسیداسیون پیریت را ارائه نموده است، مى توان با دقت قابل قبولى مقدار آهک مصرفى را جهت خنثى نمودن این اسید محاسبه نمود[3] این محاسبه بر اساس رابطه 10 انجام شده است و نتایج برای سه دمپ مورد مطالعه در جدول 7 آورده شده است.
جدول 7- مقدار آهک مصرفى بمنظور خنثى سازی اسید حاصل از هوازدگى پیریت.
فرمول10
ب- ایجاد لایه نفوذناپذیر
مى بایست از رسیدن اکسیژن و آب به محلهای حاوی پیریت جلوگیری به عمل آورد و برای اینکار مى توان روی باطله ها را توسط یک لایه نفوذناپذیر و سد محافظتى پوشاند و در بالا و پایین این سد محافظتى از سیستم زهکشى استفاده نمود. سیستم زهکشى که در بالای این لایه نفوذناپذیر بکار گرفته مى شود جهت جمع آوری و هدایت آبهای بارندگى به کانال و از آنجا به محل های مورد نظر مى باشد تا بدین طریق از آلودگى آب باران جلوگیری شود. سیستم زهکشى که در زیر این لایه استفاده مى شود، به این دلیل است که اگر احیانا آب بارندگى از این سد محافظتى عبور کند و در اثر مجاورت با پیریت تولید اسید نمود، بتوان آنرا جمع آوری و توسط کانالهای خاصى به محل از قبل تعیین شده هدایت نمود. با بکارگیری لایزیمتر در زیر سد محافظتى مى توان از عبور آب بارندگى از این سد آگاه شد. جهت ایجاد لایه نفوذناپذیر با استفاده از رس، ابتدا سطح دمپ را تا حدود چند متر متراکم نموده و جهت خروج و هدایت آبهای اسیدی احتمالى، شیبى در حدود 3% به آن داده شود. در چنین باطله هایی عموما ضخامت لایه رسى مى بایست در حدود 1- 3/0 متر مى باشد[4].
البته در مورد دمپ شماره 15 چون عیار پیریت کمتر از 3% مى باشد، لذا کافیست با شیار زدن بر روی سطح، لایه های پیریت دار را در مجاورت اکسیداسیون قرار داد و سپس خاصیت اسیدی ناشى از آن را با آهک زدن و یا شستشو خنثى نمود و این عمل را مرتبا انجام داد تا خاصیت اسیدزایی کاهش یابد.
ج- ایجاد یک پوشش ارگانیکى
این پوشش به دلیل اینکه از هوازدگى پیریت و در نتیجه تولید اسید جلوگیری مى نماید، یک راه حل مناسب مى باشد.
این پوشش سبب ایجاد سد فیزیکى در برابر عبور اکسیژن، مصرف اکسیژن، جلوگیری از رشد و سوخت و ساز باکتریهای سولفات ساز، کاهش انحا!ل اکسیدهای آهن، کاهش سولفات و جلوگیری از اکسیداسیون غیرمستقیم سولفید آهن و تولید اسید و همچنین کاهش نفوذ آب مى شود[ 5].
نتیجه گیری:
نتیجه گیرى
معدن مس سرچشمه با ارتفاع 2620 متر از سطح دریا در فاصله 160 کیلومتری غرب کرمان و 50 کیلومتری رفسنجان قرار دارد و بزرگترین معدن مس و روباز ایران مى باشد. تغییرات سالیانه درجه حرارت در این ناحیه از 15- تا 32+ درجه سانتیگراد است و متوسط میزان بارندگى در ارتفاعات 550 میلیمتر و در محل دمپهای باطله 300 میلیمتر گزارش شده است.
دمپهای معدن مس سرچشمه را مى توان به دمپهای سولفوری کم عیار، اکسیدی و بدون عیار تقسیم بندی نمود که در این پروره از دمپ سولفوری شماره 5 و دمپهای بدون عیار شماره 15 و 31 نمونه برداری صورت گرفت. نمونه های جمع آوری شده پس از حمل از معدن به آزمایشگاه، مورد خردایش و تجزیه سرندی قرار گرفتند. عیار پیریت در نمونه کل برای نمونه های برداشته شده از دمپهای 5، 15 و 31 به ترتیب برابر 83/4، 46/2 و11/3 درصد بدست آمد. جهت تعیین pH محل دمپها قبل از تاثیر پیریت از محلول بافر 7 استفاده گردید که برای دمپهای 5، 15 و 31 به ترتیب 5/5، 6 و 6 بدست آمد. پس از بررسیهای صورت گرفته در نتیجه این تحقیق مشخص شد که هوازدگى پیریت موجود در دمپهای 5، 15 و 31 محیطى اسیدی با pH به ترتیب 43/3، 45/4 و 9/4 ایجاد مى کند که این محیط اسیدی اثرات سوء بر محیط زیست منطقه دارد. بنابراین ارائه راهکارهایی در جهت کاهش اثرات سوء آن ضروری مى باشد که برای این پروره سه راه حل پبشنهاد گردید. بهترین راه حل افزودن آهک به منظور خنثى سازی باطله ها مى باشد که برای هر دمپ مقدار مورد نیاز آهک بدست آمد. همچنین بر اساس اطلاعات و تجارب موجود از موارد مشابه در معادن بزرگ دیگر، استفاده از لایه های نفوذ ناپذیر مانند رسها در جهت جلوگیری از رسیدن اکسیژن به لایه های زیرین راه حل مناسبى مى باشد. اضافه کردن میکروارگانیکها به باطله در جهت مصرف اکسیژن موجود به منظور کاهش اکسیداسیون پیریت نیز روش قابل اجراء و انجامى مى باشد که نیاز به بررسى و تحقیق دارد.
منابع:
مراجع
[1] دفتر طراحى و مهندسى مجتمع مس سرچشمه، 1377، "گزارش اجمالی از وضعیت مس سرچشمه"
[2] رضایى، بهرام، 1376، "تکنولوژی و فرآوری مواد معدنی" ، انتشارات هرمزگان.
[3] Williamson, N. Anne., Johnson, M. S., & Bradshaw, A. D., (1982), “Mine Waste Reclamation”, The Stablishment of Vegetation on Metal Mine Wastes, Mining Journal Books Ltd., 15 Wilson St., London, England
[4] \williams, D. J., Wilson, G. W. & Currey, N. A., (1997), “A Cover System for a Potensially Acid Forming Waste Rock Dump in a Dry Climate”, Tailings and Mine Waste"97.A. A. Balkema, Roterdam, Brookfield.
[5] Elliott, L. C. M., Liu, L. & Stogran, S. W., (1997), “Evaluation of Single Layer Organic and Inorganic Cover Materials for Oxidized Tallings”, Tailings and Mine Waste"97.A. A. Balkema, Rotterdam, Brookfield.