Исследование кинетики и механизма выщелачивания тяжелых металлов из медных шлаков в условиях кислых атмосферных осадков

Целью исследования стало выявление закономерностей миграции и кинетики выщелачивания металлов из медного шлака, приближенных к природным условиям хранения и эксплуатации. Особое внимание уделено изучению влияния рН среды, температуры и размера частиц на скорость и объем переходящих в раствор металлов. Материалом исследования служили отобранные образцы медного шлака, прошедшие предварительную сортировку по размерам частиц. Проведены систематические тесты по моделированию процесса выщелачивания в водных растворах с фиксированным рН и температурой. Изучались динамика растворения основных минералов (фаялит, виллемит, сульфиды металлов) и влияние размеров частиц на эффективность выщелачивания. Результаты показали, что величина рН играет решающую роль в процессе выщелачивания. При низком уровне рН (4,3) наблюдалось существенное увеличение концентрации металлов в растворе. Размер частиц оказывал непосредственное влияние на скорость выщелачивания, мелкодисперсные фракции демонстрировали гораздо более высокие показатели растворения, что обусловлено значительной поверхностью соприкосновения с агрессивной средой. Показано, что процесс выщелачивания разделяется на две четко различающиеся стадии: быстрая миграция металлов в первую очередь обусловлена наличием поверхностных загрязнений и минералов с высокой степенью растворимости, тогда как на втором этапе происходит образование защищающих пленок, ограничивающих дальнейшие потери металлов. Проведена оценка энергетических затрат и степени растворения основных компонентов шлака, что позволило обосновать оптимальный выбор режимов проведения экспериментов и интерпретации полученных кинетических данных. Проанализирована термодинамика реакций выщелачивания основных компонентов шлака, выявлены причины вариаций концентрации металлов в зависимости от условий эксперимента.

Шабанов М. В., Маричев М. С., Стрекулев Г. Б., Попов Ю. В., Соколова С. А. Исследование кинетики и механизма выщелачивания тяжелых металлов из медных шлаков в условиях кислых атмосферных осадков // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 6. – С. 83–97. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_6_0_83.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-77-00021, https://rscf.ru/project/25-77-00021/ в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете.

Шабанов Михаил Викторович¹ — канд. с.-х. наук, доцент, доцент, e-mail: geohim.spb@gmail.com, Scopus Author ID: 35171489500, ORCID ID: 0000-0003-4725-3673,
Маричев Максим Сергеевич¹ — канд. биол. наук, зав. лабораторией, e-mail: m.s.marichev@yandex.ru, Scopus Author ID: 57216298057, ORCID ID: 0000-0003-0429-2234, 
Стрекулев Григорий Борисович¹ — аспирант, e-mail: strekulev@gmail.com, OIU-3902-2025, ORCID ID: 0009-0000-8265-243X,
Попов Юрий Витальевич — канд. геол.-минерал. наук, доцент, заместитель директора по научно-исследовательской и инновационной деятельности Института наук о Земле Южного федерального университета, руководитель ЦКП «Центр исследований минерального сырья и состояния окружающей среды», e-mail: popov@sfedu.ru, ORCID ID: 0000-0002-0216-5998,
Соколова Софья Андреевна — лаборант-исследователь, Южный федеральный университет, Академия биологии и медицины, e-mail: sosoko@sfedu.ru, ORCID ID: 0009-0002-4014-0887,
¹ Санкт-Петербургский государственный аграрный университет.

Маричев М.С., e-mail: m.s.marichev@yandex.ru.

1. Ерохин Ю. В., Пономарев В. С., Захаров А. В., Леонова Л. В. Минералогия медных шлаков Сысертского железоделательного завода // Минералогия. — 2023. — № 9(2). — С. 30—40. DOI: 10.35597/2313-545X-2023-9-2-3.

2. Piatak N. M., Ettler V. Metallurgical slags: Environmental geochemistry and resource potential. Series: Chemistry in the Environment; Royal Society of Chemistry Publisher: Cambridge: UK, 2021, 306 р. 

3. Ерохин Ю. В., Цыганко М. В., Хиллер В. В., Ширяев П. Б., Фаррахова Н. Н. Минералогия медных шлаков Петропавловского завода (Североуральск, Свердловская область) // Минералогия. — 2025. — № 11(3). — С. 37—50. DOI: 10.35597/2313-545X-2025-11-3-3.

4. Куликова Е. Ю., Баловцев С. В., Скопинцева О. В. Геоэкологический мониторинг при ведении горных работ // Устойчивое развитие горных территорий. — 2024. — Т. 16. — № 2. — С. 580—588. DOI: 10.21177/1998-4502-2024-16-2-580-588.

5. Samouhos M., Gkika A., Kostakis M. G., Siandri E., Romanos G., Godelitsas A. Stability of ferronickel and lead slags in rainwater and seawater environments // Minerals. 2025, vol. 15, article 1030. DOI: 10.3390/min15101030.

6. Котельникова А. Л., Золотова Е. С., Реутов Д. С. Вещественный состав продуктов сернокислотного выщелачивания хвостов флотационного обогащения медеплавильных шлаков // Литосфера. — 2025. — № 25(1). — С. 168—181. DOI: 10.24930/2500-302X-2025-25-1-168-181.

7. Zhang C., Zhang Y., Zhang Z., Zhang G. Effective separation and recovery of valuable metals from copper slag: A comprehensive review // Environmental Research. 2025, vol. 283, article 122145. DOI: 10.1016/j.envres.2025.122145.

8. Шабанов М. В., Маричев М. С., Невидомская Д. Г., Минкина Т. М. Влияние кислых сульфатных вод на загрязнение почв террикона в Карабашском рудном районе // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 4. — С. 888—900. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-4-888-900.

9. Котельникова А. Л., Рябинин В. Ф. Особенности вещественного состава и перспективы использования отхода вторичной переработки отвальных медеплавильных шлаков // Литосфера. — 2018. — № 18(1). — С. 133—139. DOI: 10.24930/1681-9004-2018-18-1-133-1.

10. Ettler V., Johan Z. 12 years of leaching of contaminants from Pb smelter slags: geochemical/mineralogical controls and slag recycling potential // Applied Geochemistry. 2014, vol. 40, pp. 97—103. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2013.11.001.

11. Didmanidze O. N., Karelina M. Yu., Klyuev R. V., Martyushev N. V., Serdechnyy D. V. Application of artificial intelligence and modern technologies in geomonitoring to improve the efficiency of the mining industry utilising the Earth’s resources // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences. 2025, vol. 2, no. 470, pp. 84—96. DOI: 10.32014/2025.2518-170X.492.

12. Соколов А. А., Мирошников А. С., Соколова Е. А. Алгоритмы управления устойчивостью системы «предприятие горно-металлургического комплекса — внешняя среда» // Горный журнал. — 2016. — № 12. — С. 83—86. DOI: 10.17580/gzh.2016.12.17.

13. Loncnar M., Van der Sloot H. A., Mladenovič A., Zupančič M., Kobal L., Bukovec P. Study of the leaching behaviour of ladle slags by means of leaching tests combined with geochemical modelling and mineralogical investigations // Journal of Hazardous Materials. 2016, vol. 317, pp. 147—157. DOI: 10.1016/j.hazmat.2016.05.046.

14. Potysz A., Kierczak J., Fuchs Y., Grybos M., Guibaud G., Lens P. N. L., Hullebusch E. D. Characterization and pH-dependent leaching behaviour of historical and modern copper slags // Journal of Geochemical Exploration. 2016, vol. 160, pp. 1—15. DOI: 10.1016/j.gexplo.2015.09.017.

15. Themelis N. J. Pyrometallurgy near the end of the 20 th Century // JOM. 1994, pp. 51—57.

16. Kinnunen P., Mäkinen J., Salo M., Soth R., Komnitsas K. Efficiency of chemical and biological leaching of copper slag for the recovery of metals and valorisation of the leach residue as raw material in cement production // Minerals. 2020, vol. 10, article 654. DOI: 10.3390/min10080654. 

17. Шабанов М. В., Маричев М. С., Минкина Т. М., Соколов А. А. Окисление техногенных минеральных образований кислыми стоками сульфидных отвалов (на примере Карабашской агломерации) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 4. — С. 69—85. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_4_0_69.

18. Доливо-Добровольский В. В. Некоторые закономерности процесса растворения дисперсного твердого вещества // Записки Горного института. — 1963. — Т. 42. — № 3. — С. 3.

19. Ерохин Ю. В., Захаров А. В., Леонова Л. В. Вещественный состав шлаков Карабашского медеплавильного завода // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. — 2019. — Т. 17. — № 3. — С. 12—18. DOI: 10.18503/1995-2732-2019-17-3-12-18. 

20. Król A., Mizerna K., Bożym M. An assessment of pH-dependent release and mobility of heavy metals from metallurgical slag // Journal of Hazardous Materials. 2020, vol. 384, article 121502. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2019.121502.

21. Georgiev P., Nicolova M., Spasova I., Iliev M., Ilieva R. Non-ferrous metal bioleaching from pyrometallurgical copper slag using spent medium of different fungal species // Metals. 2025, vol. 15, article 1359. DOI: 10.3390/met15121359.

22. Abdul F., Adachi K., Ho Hsing-Jung, Iizuka Atsushi, Shibata E. Kinetic evaluation of the CO2 sequestration process of MgO-rich materials derived from ferronickel slag // International Journal of Environmental Science and Technology. 2025, vol. 23, no. 1, article 62. DOI: 10.1007/s13762-025-06911-6.

23. Wang Z., Yi H., Du W., Jiang D., Jiao Y., Zhao H., Su T. Study on improving the stability of steel slag fine aggregate by boiling pretreatment combined with microbial mineralization // Coatings. 2025, vol. 15, no. 11, article 1358. DOI: 10.3390/coatings15111358.

24. Katarzyna D. K., Kierczak J., Potysz A., Pietranik A. Combined approach for assessing metal(loid)s leaching, mobility and accumulation in a specific near-neutral (pH) environment of a former Cu-smelting area in the Old Copper Basin. Poland // Applied Geochemistry. 2023, vol. 154, article 105670. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2023.105670.

25. Tyszka R., Pietranik A., Marciniak-Maliszewska B., Kierczak J. Pollution sources and metallic elements mobility recorded by heavy minerals in soils affected by Cu-smelting (Legnica, SW Poland) // Mineralogia. 2024, vol. 55, no. 1, pp. 1—14. DOI: 10.2478/mipo-2024-0001.