Politechnika Wrocławska Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Rok akademicki 2016/2017, semestr zimowy Wykład, Budynek L-1, sala A5 Środa 11:15 13:00 Prowadzący: dr inż. Tomasz Ratajczak tomasz.ratajczak@pwr.wroc.pl Wykłady prowadzone w oparciu o prezentacje do wykładów autorskich dr. hab. inż. Andrzeja Łuszczkiewicza, prof. nadzw. WYKŁAD 1. Wprowadzenie

2 Kalendarz akademicki 2016/2017 Semestr zimowy Egzamin: I termin: , II termin (poprawkowy): r., godz. 10:00-12:00, budynek Geocentrum, sale A4 i A5 Wykłady T. Ratajczak Konsultacje: wtorek: 11:00-13:00 czwartek: 12:00-14:00 WYDZ. GEOINŻ., GÓRN. I GEOL. Technologie przeróbki surowców mineralnych. Wykład autorski. Prof. Andrzej Łuszczkiewicz

3 Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii TEMATYKA WYKŁADÓW 1. Wprowadzenie, miejsce inżynierii mineralnej 2. Ocena procesów separacji, bilansowanie ilościowe operacji 3. Technologie rozdrabniania i klasyfikacji 4. Fizyczne metody separacji: a) technologie wzbogacania grawitacyjnego b) technologie separacji magnetycznej, elektrycznej i optycznej 5. Technologia flotacji 6. Technologie chemiczne i biotechnologie górnicze 7. Wybrane technologie przeróbki kopalin: a) rudy metali nieżelaznych b) rudy żelaza c) rudy pierwiastków rzadkich d) technologia przeróbki surowców energetycznych e) surowce ceramiczne i inne niemetaliczne 8. Gospodarka wodna zakładów przeróbki kopalin

4 Salaries in minng by sector Gdzie i ile zarabia inżynier górnik w świecie?

5 Salaries in minng by sector Gdzie i ile zarabia inżynier górnik w świecie? wg. pełnionej funkcji

6 NALEŻY OBOWIĄZKOWO ZAPOZNAĆ SIĘ W TYM ZAKRESIE Z DANYMI PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU GEOLOGICZNEGO

7 Surowce energetyczne Azotowy gaz ziemny Gaz ziemny Hel Metan pokładów węgla Ropa naftowa Węgiel brunatny Węgiel kamienny Uran

8 Surowce metaliczne Rudy arsenu Rudy cynku i ołowiu Rudy cyny Rudy miedzi i srebra Rudy molibdenowowolframowo-miedziowe Rudy niklu Rudy złota i złoto rodzime Rudy żelaza, tytanu i wanadu Pierwiastki współwystępujące w rudach oraz surowce metaliczne pozostałe Minerały ciężkie Zr, Ti, REE

9 Surowce chemiczne Baryt i fluoryt Fosforyty Siarka Skała diatomitowa Sole potasowo-magnezowe Sól kamienna Surowce ilaste d/p farb mineralnych Ziemia krzemionkowa

10 Surowce skalne i inne SUROWCE ILASTE Bentonity i iły bentonitowe Gliny ceramiczne Gliny ogniotrwałe Surowce ilaste ceramiki budowlanej Surowce ilaste do produkcji kruszywa lekkiego Surowce ilaste dla przemysłu cementowego Surowce kaolinowe` SUROWCE Dolomity Gipsy i anhydryty Kalcyt Kamień łamany i bloczny Kreda Krzemienie Kwarc żyłowy Kwarcyty ogniotrwałe Łupki SUROWCE OKRUCHOWE Piaski i żwiry Piaski formierskie Piaski podsadzkowe Piaski kwarcowe do produkcji cegły wapiennopiaskowej i betonów komórkowych Surowce szklarskie Żwirki filtracyjne ZWIĘZŁE Magnezyty Surowce skaleniowe Wapienie i margle dla przem. cementowego i wapienniczego INNE Bursztyny Surowce dla prac inżynierskich Torfy Solanki, wody lecznicze i termalne

11

12 1. Wyniki badań i odkryć geologicznych, koncesje na badania geologiczne 2. Lokalizacja (infrastruktura terenu, regionu) i rozmiary złoża, sposób zalegania (geologia inżynierska) 3. Jakość kopaliny 4. Metody i koszty górnicze: koszty udostępnienia złoża, przygotowania i eksploatacji

13 7. Zapotrzebowanie na kopalinę lub składniki użyteczne w niej zawarte, wartość kopaliny lub substancji użytecznej (cena na rynkach światowych) 8. Koncesja, ZTE. Projekt Techniczny 9. Aspekty finansowe: koszty inwestycyjne: koszty badań geologicznych, infrastruktury terenowej, górniczej, przeróbczej, przetwórczej koszty operacyjne: górnicze, przeróbcze, przetwórcze uzyskany (posiadany) kapitał, koszty obsługi kredytu bankowego opłaty koncesyjne, podatki, opłaty za korzystanie ze środowiska 10. Koszty operacyjne, bieżąca obsługa technologii

14 PRZERÓBKA KOPALIN JEST NIEZBĘDNYM EKONOMICZNIE ELEMENTEM ŁĄCZĄCYM GÓRNICTWO Z ODBIORCAMI PRODUKTÓW TEGO GÓRNICTWA PRZERÓBKA KOPALIN JEST NIEZBĘDNYM TECHNOLOGICZNIE OGNIWEM ŁĄCZĄCYM ROZPOZNANIE GEOLOGICZNE ZŁÓŻ Z TECHNOLOGIAMI GÓRNICZYMI Zatem pytania podstawowe w projektowaniu technologii górniczych: CO W DUŻYM STOPNIU DECYDUJE O KRYTERIACH BILANSOWOŚCI ZŁÓŻ? CO DECYDUJE O ŁAGODZENIU KOSZTOWYCH KRYTERIÓW BILANSOWOŚCI? Odpowiedź koniunkturalna: CENY RYNKOWE SUROWCÓW: Odpowiedź rzeczowa (obiektywna): STAN WIEDZY W PRZERÓBCE KOPALIN

15 STAN UZYTECZNEJ TECHNOLOGICZNIE WIEDZY W PRZERÓBCE KOPALIN wymaga szerokiej interdyscyplinarnej współpracy GEOMETALURGIA

16 $$$ = ZYSK RYNEK Mineralny produkt pochodny technologia wykorzystania surowca mineralnego Surowiec mineralny przeróbka kopalin GEOMETALURGIA } } Użytkowanie lub przetwarzanie surowca mineralnego Etap przeróbki kopalin Urobek górniczy górnictwo Złoże kopaliny uzytecznej nauka o złożach Minerał - skała } } Etap górniczy Dokumentacja geologiczna złoża Etap badań geologicznych mineralogia - petrografia Skorupa geologia ziemska (procesy minerało- i złożotwórcze geochemia

17 Badania geologiczne Górnictwo (wydobycie) GEOMETALURGIA Odpady mineralne Surowce Surowce pierwotne pierwotne i wtórne (odpady mineralne) Górnictwo (Przeróbka kopalin) Inne przemysły Chemia Energetyka Materiały budowlane i ceramiczne Hutnictwo

18 Średnia zawartość miedzi w wydobywnych rudach, % Rudy miedzi, kryteria bilansowości: XX w. i początek XXI w. Zawartości miedzi w wydobywanych rudach z największych złóż Świata 10,00 1,00 0,10 Wartości średnie Śr. zawart. Cu w odpadach Śr. zawart. maksymalne Śr. zawart. minimalne 0, Lata

19 Górnictwo i przemysły z nim związane są wytwórcą największej ilości stałych odpadów przemysłowych, głównie odpadów mineralnych Do wyprodukowania 1 mb rury 22 mm/1 mm (0,6 kg Cu) --- z rudy zawierającej 1,0% Cu powstaje 60 kg odpadów stałych Do wyprodukowania 1 Mg miedzi z rudy zawierającej 1,0% Cu przerabia się 115,0 Mg skały i powstaje 114,0 Mg odpadów stałych (przy całkowitym uzysku miedzi = 85%) Wydobycie złota na te dwie obrączki pozostawiło w środowisku 20 Mg odpadów stałych, głównie chemicznych w postaci ciekłej (zawiesiny) o wysokiej toksyczności o objetości ok. 100 m 3 1 kg Au 3,7 cm 3,7 cm Wydobycie i przeróbka rudy na tą sztabkę złota pozostawiło w środowisku Mg odpadów, głównie chemicznych o wysokiej toksyczności o objetości około m 3

20

21 Techniki pozyskiwania złota w starożytnym Egipcie ( p.n.e)

22 Naturalis Historiae Vol. XXXIV (AD 49) Gaius Plinius Secundus (Piniusz Starszy) AD (25 sierpnia!) Pliniusz Starszy opisał m.in. technikę górniczą stosowaną na półwyspie Iberyjskim (w rejonie Las Médulas) nazywaną Ruina Montium, polegającą na drążeniu i podmywaniu góry (złoża) dużą ilością wody dostarczanej przez akwedukty korzystających z rzek w pobliskich górach. Dziś krajobraz Las Médulas składa się z postrzępionych szczytów, wąwozów i jarów, komponujących się w jeden z najpiękniejszych w świecie pejzaży post-industrialnych.

23 Georgius Agricola ( ) Kruszenie rudy Kompendium wiedzy o górnictwie i metalurgii

24 Drzeworyty z DE RE METALLICA Płuczka korytowa do wzbogacania rud metali (separator strumieniowy) Separacja złota na owczym runie

25 Herbert Clark Hoover ( ) 31 st President of the United States In office March 4, 1929 March 4, 1933 Zbiory biblioteki cyfrowej Politechniki Wrocławskiej

26 Austriak wynalazca pompy ciepła, konstruktor maszyn górniczych Stworzył podstawy nowoczesnej technologii przeróbki kopalin, dokonał opisu matematycznego głównych operacji jednostkowych rozdrabniania, klasyfikacji ziarnowej i wzbogacania grawitacyjnego. Opracował podstawy teorii rozdrabniania. Peter Ritter von Rittinger Zbiory biblioteki cyfrowej Politechniki Wrocławskiej Autor jednego z pierwszych nowoczesnych podręczników. Dar Uniwersytetu Berlińskiego dla biblioteki Technische Hochschule Breslau z 1910 r.

27 Professor Arthur F. Taggart ( ) Wydania

28 Antoine Marc Gaudin (August 8, August 23, 1974) Gaudin A.M., Flotation. Second Edition, McGraw-Hill Book Company, Inc Gaudin A.M., Flotacja. Tłum. z II wydania oryginału: J. Olszewski, T. Piaseczny. Wyd. Śląsk, Katowice 1963

29 Maria Curie-Skłodowska ( ) Podstawy hydrometalurgii pierwiastków rzadkich i promieniotwórczych. Dwukrotnie otrzymała Nagrodę Nobla w 1903 r (Piotrem Curie) i w 1911 r. Opracowała teorie promieniotwórczości i odkryła dwa nowe pierwiastki - rad i polon jest prekursorem radiochemii i hydrometalurgii Thomas Alva Edison ( ) Przemysłowa separacja magnetyczna rud żelaza Jeden z najbardziej znanych i twórczych wynalazców na świecie. Dorobek założonych i administrowanych przez niego laboratoriów to około 5000 patentów, z których 1093 wystawionych jest na jego nazwisko. Założyciel prestiżowego czasopisma naukowego Science (1880) Albert Einstein ( ) Podstawy hydrodynamiki zawiesin Jeden z największych fizyków-teoretyków XX wieku, twórca ogólnej i szczególnej teorii względności, współtwórca korpuskularnofalowej teorii światła, odkrywca emisji wymuszonej. W 1921r. otrzymał Nagrodę Nobla "za zasługi dla fizyki teoretycznej, szczególnie za odkrycie praw rządzących efektem fotoelektrycznym. Wniósł też swój wkład do rozwoju filozofii nauki.

30 Jan Krzysztof Kluk ( ) polski przyrodnik i ksiądz katolicki. Doktor nauk wyzwolonych i filozofii Szkoły Głównej Wielkiego Księstwa Litewskiego w Wilnie oraz "Akademii Wileńskiej Kolegium Fizycznego Towarzysza. W roku 1781 otrzymał również od króla Stanisława Augusta złoty Medal Merentibus za zasługi na polu szerzenia kultury rolnej oraz wiedzy przyrodniczej. Opublikował wiele prac, które stanowiły przełom w ówczesnych polskich naukach przyrodniczych i rolniczych. Witraż w Muzeum Rolnictwa im. ks. Krzysztofa Kluka w Ciechanowcu Rzeczy kopalnych osobliwie zdatniejszych szukanie, poznanie i zażycie t. 1: O rzeczach kopalnych w powszechności, o wodach, solach, tłustościach ziemnych i ziemiach, Warszawa 1781 t. 2: O kamieniach w powszechności, o klejnotach, kruszcach, ich kopaniu, i o górnictwie, Warszawa 1782

31 Stanisław Wawrzyniec Staszic ( ) Działacz oświeceniowy, pionier spółdzielczości, pisarz i publicysta, filozof i tłumacz, geograf i geolog; ksiądz katolicki (przez niemal 20 ostatnich lat życia Staszic nie pełnił posługi duszpasterskiej i nie nosił sutanny). Minister stanu Księstwa Warszawskiego od 1809 roku, radca stanu Księstwa Warszawskiego od 1810 roku, zastępca ministra oświaty Królestwa Polskiego w latach , minister stanu Królestwa Polskiego od 1824 roku Geolog i badacz natury. W 1825 opublikował informacje o Górach Izerskich i Karkonoszach. W latach pełnił funkcję dyrektora generalnego Wydziału Przemysłu i Kunsztów Królestwa Kongresowego. Przygotował budowy Staropolskiego Okręgu Przemysłowego. Wznowił eksploatację węgla kamiennego ze złoża Reden na terenie obecnej Dąbrowy Górniczej. Z inicjatywy Staszica powstało wiele obiektów przemysłowych, m.in. pierwsze w Królestwie Polskim huty cynku (4 huty o wspólnej nazwie Konstanty ) oraz ośrodki hutnictwa żelaza Przestrogi dla Polski (1790) O ziemorództwie gór dawnej Sarmacji, potem Polski (1805) O ziemorództwie Karpatów i innych gór i równin Polski (1815)

32 Henryk Czeczott Podlaska Biblioteka Cyfrowa (tłumaczenie z rosyjskiego 1935) Akademicka Biblioteka Cyfrowa KRAKÓW Leningrad 1925

33 Uczeni i ich podręczniki w naukach górniczych i inżynierii mineralnej w Polsce Henryk Czeczott ( ), GÓRNICTWO Cz. I, Kraków, 1924 Генрих О. Чечотт, ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ. Вып. I 1924, вып. II-III 1925, IV-V 1927, VI-VII Henryk Czeczott; Przeróbka mechaniczna użytecznych ciał kopalnych. [przekł. z ros.: Henryk Oszczakiewicz]. Cz. 1, 1930, Cz. 2-4 do Witold Budryk ( ), Pierwsza w Polsce praca doktor- -ska z górnictwa (dot. przeróbki kopalin) AGH, 1928, Przeróbka mechaniczna kopalin. Skrypt AGH, Kraków Tadeusz Laskowski ( ), Politechnika Śląska Wzbogacanie w cieczach ciężkich. Wyd. Śląsk 1979 Włodzimierz Stępiński ( ), AGH Wzbogacanie grawitacyjne. Ekononika wzbogacania Andrzej Battaglia ( ) Odwadnianie produktów wzbogacania i obiegi wodne. WGH 1963 Andrzej Bolewski ( ), AGH Mineralogia ogólna, Mineralogia szczegółowa, Surowce mineralne Świata, Encyklopedia surowców mineralnych

34 HISTORIA XX wieku w POLSCE 31 maja 1913 cesarz Franciszek Józef zatwierdził utworzenie Wyższej Szkoły Górniczej w Krakowie. Nowy rok akademicki miał być otwarty w październiku 1914 r. W akademii planowano stworzenie jednego wydziału górniczego, którego program studiów obejmował cztery lata. Jednak: Wskutek wybuchu wojny nie otwarto akademii górniczej, cała sprawa odroczona do spokojnych czasów. W 1919 r, uchwałą Rady Ministrów RP została powołana do życia AKADEMIA GÓRNICZA w Krakowie. 1 maja 1919 r. Naczelnik Państwa Józef Piłsudski mianował jej pierwszych profesorów. Uroczystego otwarcia Akademii Górniczej wraz z pierwszą inauguracją dokonał 20 października 1919 r. w auli Uniwersytetu Jagiellońskiego Naczelnik Państwa Marszałek Józef Piłsudski 1949: AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA Oddzielna specjalność PRZERÓBKA KOPALIN pojawiła się z początkiem lat 50. XX w. na AGH w Krakowie i na Politechnice Śląskiej w Gliwicach

35 100 LAT HISTORII WE WROCŁAWIU Królewska Wyższa Szkoła Techniczna (Königliche Technische Hochschule Breslau), powołana została do życia w 1902 r. decyzją cesarza Wilhelma II. Jesienią 1905 r. rozpoczęto budowę pierwszych budynków. Uzasadnieniem potrzeby uruchomienia takiej uczelni był rozwinięty w Prowincji Śląskiej przemysł wydobywczy, przetwórczy, chemiczny, hutniczy i maszynowy. Działalność dydaktyczną rozpoczęto 1 października 1910 roku, ale uroczystości otwarcia odbyły się 29 listopada 1910 roku. Przybył na nie cesarz Wilhelm II, któremu podczas uroczystości nadano pierwszy doktorat honoris causa Uczelni. Z uroczystościami tymi zbiegło się uroczyste oddanie do użytku mostu Cesarskiego (Kaiserbrücke, obecny most Grunwaldzki) W 1910 r. Uroczyste otwarcie Königliche Technische Hochschule Breslau z udziałem cesarza Wilhelma II

36 Wizualizacja Gmachu Głównego z 1903 r r. Uroczyste otwarcie Königliche Technische Hochschule Breslau z udziałem cesarza Wilhelma II

37 100 LAT HISTORII WE WROCŁAWIU Königliche Technische Hochschule Breslau 1913: powołano Fakultet Górniczo- Hutniczy, w tym specjalność Górnictwo i Przeróbka Kopalin: Bergbau und Aufbereitung Gmach hutniczy. Obecny budynek B1

38 HISTORIA we WROCŁAWIU Dekretem Polskiej Rzeczypospolitej Ludowej z dnia 24. sierpnia 1945 powołano Uniwersytet Wrocławski i Politechnikę Wrocławską jako jedną uczelnię - Politechnika i Uniwersytet we Wrocławiu, ze wspólnym rektorem, senatem i administracją. Powołano cztery wydziały politechniczne w budynkach dawnej Technische Hochschule Breslau : Chemiczny, Mechaniczno-Energetyczny, Budownictwa i Hutniczo-Górniczy Decyzją Senatu i Ministra Oświaty, 30 września 1946 r. zlikwidowano Wydział Hutniczo-Górniczy na Politechnice Wrocławskiej z powodu trudności kadrowych i istnienia takich specjalności na Politechnice Śląskiej w Gliwicach i na AGH w Krakowie. 4 grudnia 1964 r. powstał Oddział Górnictwa Odkrywkowego przy Wydziale Budownictwa Lądowego 1 października 1968 r. Minister Szkolnictwa Wyższego podpisał decyzję o utworzeniu Wydziału Górniczego na Politechnice Wrocławskiej i tego dnia odbyła się pierwsza inauguracja roku akademickiego 1968/69. Od tego też momentu wykładana jest Przeróbka Kopalin 1 stycznia 2004 r. Wydział Górniczy zmienił nazwę na Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii

39 Od chwili powstania w 1968 do 1992 r. Wydział Górniczy miał swoją siedzibę w gmachu NOT przy ul. J. Piłsudskiego 74 (dawniej ul. K. Świerczewskiego 74) W 1992 r. Wydział Górniczy przeniósł się do własnego budynku przy Pl. Teatralnym 2, który pożegnaliśmy z końcem 2012 roku Geocentrum I, wrzesień 2012

40 Tematyka wykładów Wprowadzenie. Wykorzystanie wyników badań surowców mineralnych do opracowania podstaw technologii ich przeróbki i wykorzystania: skład ziarnowy, krzywe wzbogacalności, krzywe rozdziału, krzywe sedymentacji. Kryteria technologiczne wykorzystania surowców mineralnych. Podstawowe definicje. Operacje przeróbcze, systemy operacji: schematy technologiczne jakościowe, jakościowo-ilościowe, maszynowe. Woda i zawiesiny w przeróbce kopalin i ich właściwości. Parametry składu zawiesin: gęstość, zagęszczenie części stałych, rozcieńczenie, porowatość, wilgotność. Rozdzielanie zawiesin: zagęszczanie, odwadnianie, bilanse masowe i objętościowe składników. Schematy wodno-mułowe (ilościowe). Maszyny i operacje. Standardowe, specjalne i kombinowane sposoby przeróbki surowców. Metody hydrometalurgiczne. Główne typy maszyn w przeróbce kopalin. Budowa schematów technologicznych (systemy operacji). Gospodarka wodna w operacjach przeróbczych. Podstawy technologii przeróbki wybranych surowców pierwotnych

41 Tematy prezentacji: wybrane technologie Rudy miedzi Rudy cynku i ołowiu Rudy niklu Rudy żelaza Surowce energetyczne: węgiel kamienny, rudy uranu Rudy złota i platynowców Diamenty Metale krytyczne Minerały ciężkie (surowce Ti, Zr, Sn, Au, REE) Surowce REE Surowce aluminium Surowce ceramiczne i szklarskie Technologie biogórnicze i biometalurgia

42 Pojęcia podstawowe Występujące (rozproszone ) w skorupie ziemskiej pierwiastki tworzą minerały. Cenne (użyteczne) pierwiastki tworzą użyteczne minerały. Minerały użyteczne skoncentrowane w pewnych częściach skorupy ziemskiej tworzą złoża. Zawartość złoża zwana kopaliną użyteczną przedstawia skałę składającą się z minerałów użytecznych i innych objętych nazwą skały płonnej. Minerał użyteczny lub zawarty w nim cenny pierwiastek nadają wartość ekonomiczną złożu. W wyniku eksploatacji górniczej złoża uzyskuje się urobek będący mieszaniną minerałów użytecznych ze skałą płonną najczęściej w postaci impregnacji, zrostów (przerostów) o charakterze żyłkowym, warstwowym, gniazdowym i nierównomiernie lub równomiernie rozproszonych wtrąceń.

43 Minerał użyteczny = nośnik substancji, składnika użytecznego. Składnik użyteczny = substancja użyteczna (cenny składnik, pierwiastek, metal). Pojęcie składnika użytecznego bywa rozumiane szerzej jako część użyteczna surowca. Minerały nieużyteczne, skała płonna (minerały nieużyteczne?) Surowiec mineralny, pojęcie różnie definiowane: produkt na określonym etapie przetwarzania, np. górniczo-przeróbczy, hutniczy, np. urobek kopalniany, koncentrat minerałów, itp., często jako produkt handlowy Celem przeróbki kopalin (mineralurgii) jest oddzielenie poszczególnych minerałów od siebie i wydzielenie produktów zawierających w przewadze jeden minerał lub kilka minerałów użytecznych. Celem może być także wydzielinie ziarn mineralnych o określonych cechach Materiał kierowany (wchodzący) do procesu lub operacji przeróbczej nazywamy nadawą Produkt bogaty w jeden minerał (w cenny składnik) nazywamy koncentratem tego minerału (lub tego składnika). Odpad produkt zubożony w składniki użyteczne do poziomu wynikającego z uwarunkowań ekonomicznych w danym okresie wydobycia kopaliny.

44 Periodic Table of the Elements Group Period I II III IV V VI VII VIII H He Li Be B C N O F Ne K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Na Mg Al Si P S Cl Ar Alkali metals Alkaline earth metals Lanthanides Actinides Transition metals Poor metals Metalloids Nonmetals Halogens Noble gases

45 Pierwiastki główne i rzadkie w geochemicznym podziale pierwiastków litofilne (Ca, Mg, Si), Be, Sc, Ti, V, Zr, Nb, REE*), Hf, Ta, Th, U syderofilne (Fe, Ni, Cu), Mo, Ru, Rh, W, Re, Os, Ir, Pt, Pd, Ga, Ge, Ag, Au chalkofilne (S), Se, Te, Cd, In, Hg, Pb atmofilne (H, O, C, N), He, Ne, Kr, Xe *) REE pierwiastki ziem rzadkich (lantanowce + itr)

46 Przeciętne rozproszenie pierwiastków w litosferze Rare earth elements

47 Fizyczne chemiczne Znajomość nazw, wzorów chemicznych i podstawowych właściwości wybranych minerałów jest obowiązkowa Wybrane minerały, to te które są m. in. wymieniane w trakcie niniejszych wykładów

48 L.p MINERAŁ WZÓR CHEMICZNY ZAWARTOŚĆ SKŁADNIKA UŻYTECZNEGO GĘSTOŚĆ 10 3 kg/m 3 1. Złoto rodzime Au; Au(Ag, Cu) 50-95% Au PODATNOŚĆ MAGNET.m 3 /kg Piryt, Markasyt FeS % Fe, 53.4% S , Pirotyn; troilit Fe 7 S 8 ; FeS Kowelin CuS 66.5% Cu Chalkozyn Cu 2 S 78.9% Cu Bornit 2Cu 2 S CuS FeS 63.6% Cu Chalkopiryt CuFeS % Cu Malachit Cu 2 [(OH) 2 CO 3 ] 57.49% Cu Kupryt, tenoryt Cu 2 O, CuO 88,8%, 79,9% Cu Galena PbS 86.6% Pb Sfaleryt ZnS 67.1% Zn Pentlandyt (Fe,Ni) 9 S % Ni 4, Arsenopiryt FeAsS 46.01% As Molibdenit MoS % Mo Hematyt Fe 2 O 3 70% Fe Magnetyt FeO Fe 2 O % Fe Goethyt FeOOH 60-63% Fe Syderyt FeCO % Fe Ilmenit FeO TiO % TiO Rutyl TiO % TiO 2 4,2 4, Kasyteryt SnO % Sn , Sylwin KCl 63.2% K 2 O Anglezyt PbSO Uraninit UO

49 MINERAŁ WZÓR CHEMICZNY ZAWARTOŚĆ SKŁADNIKA GĘSTOŚĆ PODATNOŚĆ UŻYTECZNEGO 10 3 kg/m 3 MAGN.m 3 /kg Wolframit (Mn,Fe)WO % WO Scheelit CaWO 4 8O.53% WO , Monacyt (Ce,La,Y,Th)PO %(Ce,La,Nd,...) 2 O Bastnaesyt (Ce,La,Y, )CO 3 F 70-80% REO Piroluzyt MnO 2 63,2% Mn Kasyteryt SnO % Sn , Cyrkon ZrSiO % ZrO ,44 2, Baddeleyit ZrO Baryt BaSO 4, 65.7% BaO Chromit FeO Cr 2 O % Cr 2 O Apatyt (fluorowy) Ca 5 [F (PO 4 ) 3 ] 42.26% P 2 O 5, 3.78% F , Fluoryt CaF % F , Magnezyt MgCO % MgO , Dolomit CaCO 3 MgCO % CaO; MgO Kalcyt CaCO % CaO , Kwarc SiO Korund Al 2 O Gibbsyt, boehmit, diaspor Al[OH] 3 ; AlOOH 65% Al 2 O 3 ; 85% Al 2 O Skalenie (Na,Ca,K)AlSi 3 O 8 ~11 16% (Na+K) 2 O Gips; anhydryt CaSO 4 2H 2 O; CaSO 4 32,6% CaO; 41.2% CaO 2,4; 3.0 5,33; 4, Diament C 100% C Grafit C % C Węgiel kamienny C ny H mx

50

51 Minimalne przemysłowe zawartości metali w złożach w urobku, w produktach handlowych (koncentratach) Klark, ppm (g/mg) przeciętna zawartość w litosferze Zawartość w surowcach przemysłowych, ppm Klark, ppm = WG wskaźnik geochemiczny, WG = stopień wzbogacenia dokonanego przez Naturę Zawartość w koncentratach, ppm Klark, ppm wskaźnik geochemiczny przemysłowy, WGP = = WGP stopień wzbogacenia (technologia)

52 Minimalne przemysłowe zawartości metali w złożach w urobku, w produktach handlowych (koncentratach) Klark, ppm (g/mg) przeciętna zawartość w litosferze Zawartość w surowcach przemysłowych, ppm Klark, ppm 1,25% Cu = = 200x(WG) 63 ppm wskaźnik geochemiczny, WG = stopień wzbogacenia (Natura) Zawartość w koncentratach, ppm Klark, ppm = WGP 25% Cu 63 ppm = 4000x(WG) wskaźnik geochemiczny przemysłowy, WGP = stopień wzbogacenia (technologia)

53 Przeciętne rozproszenie niektórych pierwiastków w przyrodzie (klarki) i przybliżone wymagania jakościowe stawiane surowcom tych pierwiastków oraz wskaźniki geochemiczne WG i WP Pierwiastek Klark ppm (g/mg) Zawartość w surowcach przemysłowych, ppm Stosunek zawartości przemysłowej do klarku (WG) (stopień wzbogacenia) Zawartość w koncentratach handlowych, ppm stosunek zawartości w koncentracie do klarku (WGP) (stopień wzbogacenia) Mn mangan Co kobalt Cu miedź Ti tytan Fe żelazo Al glin Fergusson J. E., Inorganic Chemistry and the Earth. Pergamon Press 1982 Natura (procesy złożotwórcze) Przeróbka kopalin (produkt sprzedażny górnictwa)

54 Przeciętne rozproszenie niektórych pierwiastków w przyrodzie (klarki) i przybliżone wymagania jakościowe stawiane surowcom tych pierwiastków oraz wskaźniki geochemiczne WG i WGP Pierwiastek klark ppm (g/mg) Zawartość w surowcach przemysłowych, ppm Stosunek zawartości przemysłowej do klarku (WG) (stopień wzbogacenia) Zawartość w koncentratach handlowych, ppm stosunek zawartości w koncentracie do klarku (WGP) (stopień wzbogacenia) Hg rtęć Pt platyna Au złoto Pb ołów Cr chrom Sn cyna Zn cynk U uran Natura (procesy złożotwórcze) Fergusson J. E., Inorganic Chemistry and the Earth. Pergamon Press 1982 Przeróbka kopalin (produkt sprzedażny górnictwa)

55 ROZDRABNIANIE Minimalne przemysłowe zawartości niektórych metali w złożach masywnych i okruchowych * Metal Klark ppm TYPY ZŁÓŻ Pierwotne Okruchowe lub zwięzłe (masywne) (luźne, rozsypiskowe) Minimalny Zawartość Minimalny Zawartość współczynnik minimalna, współczynnik minimalna, ppm koncentracji ppm koncentracji ZŁOTO 0, ,02-0,03 11 PLATYNA 0,0004 1,0-1, ,015-0,02 15 CYNA 5, TYTAN ,6 CYRKON 190 brak danych WOLFRAM METALE ZIEM RZADKICH <1 * Łuszczkiewicz A., Poznawcze i technologiczne aspekty występowania minerałów ciężkich w surowcach okruchowych. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej Monografie Nr 36. Wrocław 2002

56 Średnia zawartość miedzi w wydobywnych rudach, % Rudy miedzi, kryteria bilansowości: XX w. i pocz. XXI w. 10,00 1,00 0,10 Wartości średnie Śr. zawart. Cu w odpadach Śr. zawart. maksymalne Śr. zawart. minimalne 0, Lata

57 Produkcja miedzi, cynku i aluminium w XX w. i początku. XXI w.

58

59 Operacje przeróbcze - zespół określonych czynności wykonywanych na przerabianym materiale. W każdej operacji wyróżnia się dwa rodzaje strumieni materiału: wejściowy (nadawa) i wyjściowe (produkty operacji przeróbczej) System przeróbczy (system operacji = układ technologiczny, schemat przeróbczy) - zespół powiązanych ze sobą pojedynczych operacji przeróbczych Przeróbki kopaliny (surowca mineralnego) dokonuje się w wyniku wielu różnych operacji przeróbczych, które podzielono na jakościowe i ilościowe

60 Operacje jakościowe - w wyniku których następuje zmiana struktury ziarnowej lub mineralnej materiału: rozdrabianie (pomniejszanie wymiarów ziarn) uwalnianie minerału (wyswobodzanie wyróżnionego minerału z masy skalnej, zwykle przez rozdrabnianie) klasyfikacja (wydzielanie ziarn o określonych rozmiarach) wzbogacanie (zwiększenie lub zmniejszenie udziału wyróżnionego minerału lub składnika w produkcie operacji) mieszanie - operacja odwrotna do klasyfikacji lub do wzbogacania (często ma na celu uśrednianie materiału)

61 Operacje jakościowe dzielimy na: operacje główne - w wyniku których powstają końcowe (handlowe) produkty systemu przeróbczego. Są to produkty o silnie zróżnicowanych właściwościach, np. granulacjach, gęstościach, własnościach magnetycznych, fizykochemicznych, chemicznych przygotowawcze - poprzedzające operację główne. Co nazwiemy operacją przygotowawczą zależy od rodzaju surowca i związanego z jego przeróbką systemu operacji uzupełniające - stosowane do poprawienia jakości produktu finalnego np. odwadnianie, formowanie itp.

62 Schemat blokowy operacji w zakładach surowców skalnych Urabianie i transport urobku skalnego Magazynowanie i uśrednianie Rozdrabnianie Operacje przygotowawcze Klasyfikacja Operacja główna Suszenie i pakowanie produktów Operacja uzupełniająca ODBIORCA

63 PRZERÓBKA KRUSZYW NATURALNYCH nadawa (materiał wydobyty ze złoża) Przesiewanie suche piaski i muły < 2,0 mm Przesiewanie mokre klasyfikacja hydrauliczna odpady (muły i piasek drobnoziarnisty piasek płukany sortymenty żwiru płukanego Żwir gruboziarnisty PRODUKTY HANDLOWE

64 PRZERÓBKA KRUSZYW NATURALNYCH nadawa (materiał wydobyty ze złoża) piaski i muły < 2,0 mm przesiewanie kamienie klasyfikacja hydrauliczna kruszenie odpady (muły i piasek drobnoziarnisty piasek płukany sortymenty żwiru płukanego PRODUKTY HANDLOWE

65 Schemat blokowy operacji w zakładach przeróbki surowców rudnych (z koncentracją składników użytecznych) Magazynowanie i uśrednianie Rozdrabnianie i klasyfikacja Operacje przygotowawcze Wzbogacanie Operacja główna Gospodarka odpadami Odwadnianie koncentratu Operacje uzupełniające Suszenie ODBIORCA

66 Schemat typowego zakładu przeróbczego z koncentracją składników użytecznych. OPERACJE JAKOŚCIOWE PROGRAM WYKŁADÓW Operacje przygotowawcze Operacje główne Operacje uzupełniające

67 Operacje jakościowe z innego punktu widzenia dzielimy na: operacje z wykorzystaniem metod fizycznych w wyniku których struktura chemiczna przerabianego materiału nie ulega zmianom. Są to np. rozdrabnianie, klasyfikacja, wzbogacanie grawitacyjne, flotacyjne, magnetyczne, odwadnianie, formowanie itp., operacje z wykorzystaniem metod chemicznych w wyniku których struktura chemiczna przerabianego materiału ulega zmianom. Są to np. metody metalurgiczne: pirometalurgia, hydrometalurgia, biohydrometalurgia, a także halurgia i inne metody przeróbki chemicznej.

68 Operacje ilościowe wszystkie operacje, które z założenia nie prowadzą do zmian struktury materiału (transport, składowanie, itp).

69

70 Schemat dyferencjacji magmowej - szereg Bowena Typ magmy oliwin wysoka temperatura magmy wczesna krystalizacja) wysoka zawartość wapnia bytownit anortyt bazaltowa andezytowa ryolitowa pirokseny amfibole biotyt labrador andezyn oligoklaz albit wysoka zawartość sodu skalenie potasowe muskowit, kwarc niska temperatura (późna krystalizacja)

71 Transport i osadzanie produktów wietrzenia. Powstawanie złóż okruchowych

72 SKAŁY MAGMOWE, OSADOWE, METAMORFICZNE wietrzenie chemiczne, eluwium żwiry Górnictwo surowców okruchowych przesiewanie żwirki produkty rozkładu minerałów mało odpornych chemicznie, minerały ilaste przesiewanie piaski płukane klasyfikacja hydrauliczna wietrzenie chemiczne i dezintegracja, deluwium produkty rozkładu minerałów średnio odpornych, osady drobnoziarniste, muły mułki i piaski drobnoziarniste wzbogacanie grawitacyjne transport, dalsza dezintegracja górny bieg rzek przewaga żwirów transport (klasyfikacja w aluwium), depozycja dolny bieg rzek, delty morskie przewaga piasków materiał najbardziej odporny chemicznie i mechanicznie (surowce okruchowe) koncentrat złota koncentrat minerałów ciężkich odmyte piaski drobnoziarniste muły * Łuszczkiewicz A., Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej Monografie Nr 36. Wrocław 2002

73

74 Wieściszowice, Rudawski Park Krajobrazowy kolorowe jeziorka. Naturalne zjawiska bioługowania Jeziorko szmaragdowe Jeziorko purpurowe Wyrobiska po wydobyciu pirytów w XVIII i XIX w. : pozostałość po kopalniach "Neues Glück" i "Hoffnung"

75 AMD (acid mine drainage) naturalne zjawisko niekontrolowanego bioługowania Wypływy kwaśnych wód ze starych wyrobisk i hałd pokopalnianych. Emisja siarkowodoru. Metale ciężkie dostają się do wód gruntowych

76 Nihil novum sub sole... Biometalurgia... Nic nowego pod słońcem Drzeworyt z De re metallica, Georgiusa Agricoli (1556) Pozyskiwanie miedzi z naturalnych wypływów wód kopalnianych A sztolnia B cebrzyk drewniany C basen Wody kopalniane z wyrobisk (górotworu) kopalni rud miedzi są roztworem siarczanu miedzi CuSO 4

77 Zjawisko naturalnego ługowania/ wymywania metali ze skał zostało wyjaśnione w połowie XX w. Wykazano, że przechodzenie metali do roztworu jest wynikiem utleniania siarczków metali, a głównym tego sprawcą jest powszechnie obecna w przyrodzie bakteria Acidithiobacillus ferrooxidans Bakteria ta została wyizolowana przez Colmera i Hinkle w 1947 r. Colmer A.R., Hinkle M.E. (1947), The Role of Microorganisms in Acid Mine Drainage: Preliminary Report. SCIENCE, Vol. 106, No. 2751,

78 Biotechnologie górnicze (Biomining) Mechanizmy procesu bioługowania mechanizm bioutleniania bezpośredniego MeS + 2O 2 + mikroorganizmy MeSO 4 mechanizm bioutleniania pośredniego MeS + 2Fe 3+ + mikroorganizmy Me 2+ + S 0 + 2Fe 2+ np. Cu 2 S + 4Fe 3+ 2Cu Fe 2+ + S 2S 0 + 3O 2 + 2H 2 O + mikroorganizmy 2H 2 SO 4

79 AMD BIOHYDROMETALURGIA (BIOGÓRNICTWO) Wydzielanie metali z minerałów (ubogie rudy i koncentraty) za pomocą mikroorganizmów. W przypadku minerałów siarczkowych nierozpuszczalne siarczki są utleniane z udziałem bakterii do rozpuszczalnych siarczanów.

80 Przyjazny bio-metalurg... 0,3 do 1,4 µm

81 GÓRNICTWO HYDROMETALURGIA BIOHYDROMETALURGIA XX wiek STANDARDOWY PROCES TECHNOLOGICZNY WYKORZYSTANIA RUD METALI UDOSTĘPNIENIE ZŁOŻA XXI wiek PROCES TECHNOLOGICZNY WYKORZYSTANIA UBOGICH RUD METALI UDOSTĘPNIENIE ZŁOŻA WYDOBYCIE RUDY WYDOBYCIE RUDY KRUSZENIE MIELENIE GÓRNICTWO HUTNICTWO KRUSZENIE MIELENIE ODPADY FLOTACYJNE WZBOGACANIE (FLOTACJA) ODPADY ŁUGOWANIE ŻUŻLE WYTOP WYTRĄCANIE Z ROZTWORU RAFINACJA METALE TOWA- RZYSZĄCE METAL GŁÓWNY METALE TOWA- RZYSZĄCE MIEDŹ METALICZNA

82 ZUBOŻONE W METALE ZŁOŻE ODPADY OCZYSZCZONE Z METALI CIĘŻKICH GÓRNICTWO HYDROMETALURGIA BIOHYDROMETALURGIA GÓRNICTWO HYDROMETALURGIA BIOHYDROMETALURGIA Górnictwo się zmienia... a huty? PROCES TECHNOLOGICZNY WYKORZYSTANIA UBOGICH RUD W ZŁOŻU PROCES TECHNOLOGICZNY WYKORZYSTANIA UBOGICH ODPADÓW GÓRNICZYCH Z PRZERÓBKI RUD METALI UDOSTĘPNIENIE ZŁOŻA (OTWORY) BUDOWA INFRASTRUKTURY ZRASZANIA HAŁDY BIOŁUGOWANIE W ZŁOŻU BIOŁUGOWANIE HAŁDY ODBIÓR ROZTWORU ODBIÓR ROZTWORU WYTRĄCANIE Z ROZTWORU WYTRĄCANIE Z ROZTWORU METALE TOWA- RZYSZĄCE METAL GŁÓWNY np. Cu, Ni, Co METALE TOWA- RZYSZĄCE METAL GŁÓWNY np. Cu, Ni, Co

83 Ługowanie miedzi z ubogiej rudy/odpadów górniczych (ługowanie na hałdzie) Panoramic view of the Mintek heap bioleach pilot plant

84 Literatura podstawowa 1. Drzymała J. Podstawy mineralurgii. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001, Laskowski J., Łuszczkiewicz A., Przeróbka kopalin. Wzbogacanie surowców mineralnych. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1989, 3. Wills B.A., Mineral processing technology. Pergamon Press 1983,1988,1992 i późniejsze wydania, ostatnie: Blaschke Z. i inni, Górnictwo Cz.V. Zarys technologii procesów przeróbczych, Skrypt AGH, Kraków, Malewski J., Przeróbka Kopalin. Zasady rozdrabiania i klasyfikacji. Skrypt Politechn. Wrocł., Wrocław Bulatovic S.M. Handbook of flotation reagents: chemistry, theory and practice, Elsevier Science, Chodyniecka L., Gabzdyl W., Kapuściński T., Mineralogia i petrografia dla górników. Wyd. Śląsk, Katowice Bolewski A. Mineralogia szczegółowa. Wyd.Geol. 1965,1968, 1975, 1981, 1994 (Bolewski A, Manecki A.) 9. Koch J., Noworyta A. Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. WNT, Warszawa Dziedzic K. et al. (red), Surowce mineralne Dolnego Śląska. Ossolineum 1979

85 Literatura podstawowa c.d. 11. Kelly E. G., Spottiswood D. J., Introduction to mineral processing. J.Wiley& Sons, N. Jork Fuerstenau M. C., Principles of Mineral Processing, Society for Mining Metallurgy and Exploration Burt R.O., 1984, Gravity concentration technology. Developments in mineral processing, vol. 5, Elsevier, Amsterdam. 14. Gupta A., Yan D., Mineral Processing Design and Operation: An Introduction. Elsevier Science; Gaudin A.M., Flotacja. Wyd. Śląsk, Katowice Industrial Minerals and rocks, 6 th edition, D.D. Carr (Editor), Soc. Min, Metall. Explor. Littleton, Col Battaglia A. Odwadnianie produktów wzbogacania i obiegi wodne płuczek. WGH, Katowice Piecuch T. Technika wodno-mułowa. Urządzenia i procesy. Wyd. Nauk.-Techn. Warszawa Manecki A., Encyklopedia minerałów. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-dydakyczne AGH, Kraków Bolewski A., redakcja, , Encyklopedia surowców mineralnych. Tom 1-4. Wydawnictwa CPPGSMiE, PAN (Centr. Podst. Probl. Gosp. Sur. Min.i Energią, PAN), Kraków.

86 Literatura bieżąca ważniejsze czasopisma 1. Rudy i Metale Nieżelazne 2. Przegląd Górniczy 3. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 4. Cuprum: czasopismo naukowo-techniczne górnictwa rud 5. Górnictwo i Geoinżynieria 4. Inżynieria Mineralna (Journal of the Polish Mineral Engineering Society) 5. Physicochemical Problems of Mineral Processing 6. International Journal of Mineral Processing 7. Minerals Engineering 8. Engineering and Mining Journal 9. Mineral Processing and Extractive Metallurgy (Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, section C) 10. Minerals and Metallurgical Processing 11. International Mining 12. Mining Engineering