Выщелачивание ценных компонентов

Выщелачивание - основная операция ги­дрометаллургического процесса. Она про­водится для селективного растворения по­лезных компонентов и является первым этапом отделения их от основной массы породы и вредных примесей. Выщелачивание в зна­чительной степени определяет показатели гидрометаллургического процесса, в част­ности полноту извлечения минеральных ком­понентов. Результаты выщелачивания отдельных элементов и соединений зависят от веществен­ного состава обрабатываемого материала, характера взаимосвязи минералов друг с дру­гом, крупности их зерен, концентрации и температуры растворителя, удельной по­верхности, пористости твердых частиц и содержания их в пульпе, продолжительности и гидродинамических условий выщелачи­вания.

Для выщелачивания рудных компонентов применяют концентрированные растворы кис­лот, щелочей и солей с окислителями или восстановителями, а также водные растворы, содержащие бактерии. Концентрация рас­творителей изменяется от 0,02 % KCN для выщелачивания золота до 30 % НС1 или 94 % H₂SO₄ для разложения шеелитовых, ильменитовых, перовскитовых и ниобиевых концентратов.

Выбор растворителей определяется селек­тивностью их действия, влиянием на скорость растворения определенных минералов изме­нениям крупности их частиц, концентраций реагентов, температуры раствора и продол­жительности выщелачивания.

Стоимость растворителя и обеспеченность его получения в необходимом количестве (в особенности в многотоннажном производ­стве) играют решающую роль, так как за­траты на реагенты могут составлять основную статью расходов в гидрометаллургическом переделе и определять рентабельность при­менения химической технологии.

Извлечение металлов в раствор может достигать 98—99 % при незначительном рас­творении сопутствующих минералов (отно­сительное извлечение не более 3—5 %). При выщелачивании применяют два ме­тода перемешивания: механическое или пневмомеханическое перемешивание измельчен­ного материала с растворителем и перколяцию (просачивание, фильтрация) раствори­теля через находящийся в покое в чанах или в виде куч, отвалов или под землей крупно­зернистый или даже кусковой материал. . Выщелачивание с механическим или пневмомеханическим перемешиванием пульпы по­лучило широкое распространение в гидро­металлургии. Этот метод выщелачивания применяют только для материала крупностью менее 0,2 мм.

В промышленности используют различные аппараты для выщелачива-ния, работающие без давления и под давлением при повышен­ных температурах. Продолжительность выще­лачивания при перемешивании не превышает нескольких часов при высоком извлечений металла в раствор. Выщелачивание ocyществляют периодически или непрерывно. В последнем случае пульпу направляют через каскад последовательно соединенных аппаратов, сочетая обычно непрерывное вы­щелачивание с непрерывно действующей си­стемой обезвоживания отвальных кеков.

Устройства для перемешивания пульпы в реакторах могут быть механическими, пневматическими, комбинированными, с подачей пульпы насосами. При механическом перемешивании пульпы применяют пропеллерные, импеллерные, турбинные, цепные и другие мешалки.

Реактор с пневматическим перемешива­нием обычно выполняют с центральным аэро­лифтом (пачук). Он представляет собой высокий железный или деревянный цилин­дрический чан диаметром 3—4,5 м с кониче­ским днищем, высотой от 9 до 15 м, иногда выше. Чан снабжен центральной открытой трубой, которая не доходит до дна и не­много возвышается над уровнем пульпы. Снизу чана в трубу подают воздух под дав­лением 0,15—0,2 МПа (при пуске 0,3 МПа). В печках можно выщелачивать плотные пульпы с соотношением.., Т : Ж = 1,2 : 1. Пачуки применяют в гидрометаллургии цин­ка, золота, алюминия, урана и др.

Реакторы с комбинированным перемеши­ванием работают с центральным аэролифтом и гребками, вращающимися с частотой 0,017—0,083 с ^-1, или с периферическим аэро­лифтом и центральной трубкой с импеллером.

Один из новых способов выщелачивания — кислотная обработка в кипящем слое, на­пример - цинковых огарков, позволила зна­чительно интенсифицировать процесс выще­лачивания и увеличить производительность аппаратуры.

Все большее значение в гидрометаллургии приобретают автоклавные процессы [20]. Автоклавы представляют собой металличе­ские вертикальные или горизонтальные со­суды (большей частью стальные, иногда освинцованные, гуммированные или титано­вые), работающие под давлением от 1 до 5 МПа. Нагрев пульпы в автоклаве может быть внешний (паровые рубашки, электро­нагреватели) и внутренний (острый пар). Поступающий в пульпу острый пар обычно обеспечивает и ее интенсивное перемешивание (барботаж). Окисление сульфидных мине­ралов в процессе выщелачивания в основном осуществляется в результате подачи в авто­клав кислорода или воздуха, применяют также перекись водорода, соединения мар­ганца, хромпик, хлор и др. Вместимость применяемых автоклавов от 5—10 до 130 м³. Они могут быть объединены в батареи, со­стоящие из 5—10 аппаратов. В алюминиевой, Урановой, никелевой и вольфрамовой про­мышленности на ряде предприятий авто­клавы работают по принципу непрерывного выщелачивания сырья.

Перколяция — самый дешевый метод вы­щелачивания, так как применение его исключает затраты на измельчение материала и перемешивание пульпы. Растворение мине­ралов при перколяции протекает очень медленно (до нескольких суток и даже месяцев в чанах и годы в кучах и под землей), в то время как вы­щелачивание с механическим перемешиванием пульпы продуктов обогащения золотосодержащих руд ускоряет растворение золота в 4 – 15 раз. Этот метод применим лишь в том случае, когда раствор легко проходит через всю толщу выщелачиваемого материала. Исходный материал должен быть пористым, с микроскопическими каналами и трещинами, способствующими проникновению раствора к рудным минералам. Высокое извлечение металлов в раствор достигается в том случае, когда в результате выщелачивания материал растрескивается и рассыпается.

Перколяции можно подвергать как крупные куски размером от десятков до миллиметров (выщелачивание в кучах) , так и и более мелкие — до 3 мм (выщелачии в чанах). Из исходного материала перед выщелачиванием в чанах шламы должны быть удалены, так как они затрудняют просачивание раствора.

Скорость просачивания – основная характеристика материала, поступаю-щего на перколяционное выщелачивание. При выщелачивании в чанах она определяется понижением уровня раствора над материалом в < деленный промежуток времени. Удовлетворительной скоростью просачивания раствора при выщелачивании мелкого материала считается 3 см/ч и более.

Выщелачивание может быть периодическим: с дренированием раствора или же непрерывным, когда растворы различной концентрации в течение цикла выщелачивания проходят последовательно через серию чанов с исходным материалом.

Типичный пример перколяционного выщелачивания крупнозернистого и куске материала в чанах — сернокислотное выщелачивание окисленных медных руд и ци рование золотосодержащих руд. Выщелачивание производится чаще всего в железобетонных резервуарах прямоугольной формы, футерованных внутри асфальтом смолой (реже листами свинца). Вместимость их составляет 5000 – 10 000 т руды, при меньших объемах применяют также деревянные или железные чаны. Для фильтрации растворов используют ложные днища деревянные решетки или доски с просверлёнными отверстиями). Сверху иногда дополнительно укладывают фильтрующий материал. Перколяционное выщелачивание в сочетании с сорбционным или экстракционным извлечением соединений металлов приобретает большое промышленное значение в cвязи с переработкой отвалов, вскрышных пород и с развитием геотехнологии полезных иско- паемых (подземное выщелачивание). За последние десятилетия достигнуты крупные успехи в разработке и внедрении подземного выщелачивания в урановой, медной и золотодобывающей промышленности. Медь непосредственно извлекается из недр при ее содержании менее 0,4 а в некоторых случаях менее 0,1 %, уран менее 0,01 %, а золото всего 5 – 10 г/т [25, 76].

Технология кучного выщелачивания золота. В ряде случаев выщелачивание золотосодержащих руд экономичнее других способов извлечения золота, особенно при разработке неболь­ших месторождений, переработке старых отвалов, бедных за­балансовых руд. Экономичность процесса обеспечивается низ­кими капитальными и эксплуатационными затратами, возмож­ностью эффективной защиты окружающей среды от токсичных растворов.

Так как выщелачивание золотосодержащей руды ведется цианистыми растворами, то руда должна содержать мало углерода, сорбирующего золото-цианистые комплексы, в ней не должно быть избытка тонких фракций руды, глины, пре­пятствующих просачиванию растворов.

Площадки для кучного выщелачивания золото- и серебро-
содержащих руд готовят или путем асфальтирования, или при­меняя полимерные пленки одноразового использования. Плен­ки от повреждений снизу защищают слоем песка или тщатель­ной подготовкой площадки, сверху — мелкой рудой. Размеры куч при выщелачивании золотосодержащих руд значительно меньше, чем медьсодержащих руд. Например, типичной счи­та-
ют кучу c массой руды 10000 т. Содержание золота в выщелачиваемой руде составляет 0,5—10 г/т.

Укладку кучи дробленой руды на площадке ведут автосамосвалами с планировкой бульдозерами, но по условиям про­ницаемости кучи, особенно для руды, имеющей высокое содер­жание мелких классов, укладку ведут фронтальными укладчи­ками. Увеличения проницаемости кучи достигают формирова­нием конуса высотой 1 м из мелкой руды, а затем укладкой руды в кучу. При этом создаются вертикально расположенные зоны повышенной проницаемости из крупного материала.

Технология выщелачивания золота из руд включает следую­щие операции: растворение золота 0,1%-ным раствором циа­нистого натрия (NaCN) с получением продуктивного раствора (одна часть золота на 0,2-10⁷ частей воды); абсорбцию золота в абсорбционных колонках, заполненных углем, с последую­щей десорбцией золота в горячих щелочных растворах и элект­ролитическое осаждение золота.

Цианистые растворы готовят смешивая воду с NaCN (0,5— 1 г/л) и поддерживая рН в пределах 10—10,5 (за счет подачи извести). Продолжительность выщелачивания составляет 30— 80 сут., затем руду промывают водой 1.0—20 сут. Извлечение золота составляет 60—80%. Глина, разбухая, прекращает фильтрацию и, таким образом, снижает извлечение. Руды с содержанием глины более 30% не рекомендуется выщелачи­вать в кучах.

При продолжительности кучного выщелачивания и промывке кучи водой 80—100 сут. этот процесс можно использовать, и в странах с умеренным климатом.

Процесс кучного выщелачивания золотосодержащих руд используется в США (рудник «Эберли»), Канаде и других странах. В вашей стране ведется переработка забалансовых кварцевых золотосодержащих руд крупностью —100+0 мм. Извлечение золота находится в пределах 60—80%. Процесс рентабелен при условии дробления руды до крупности 5 мм. Кучное выщелачивание урановых руд получило распростра­нение с 1963 г. и в настоящее время осуществляется во Фран­ции, Испании и Мексике.

Урановые руды при содержании более 0,02% U относят к кондиционным рудам. Бедными считают руды, содержащие U от 0,02 до 0,01%.

Кучному выщелачиванию подвергают бедные урановые ру­ды в кучах массой от 1000 до 16000 т максимальной круп­ностью —120+0(—400 + 0) мм. Растворами для выщелачива­ния служат серная кислота, отработанные растворы гидроме­таллургических заводов. Отработанные содержат растворы Fе₂(SО₄)з, около 2 г/л H₂ SO₄ и имеют рН 1,6.

Площадку под кучу готовят очень тщательно. Полимерная пленка или специальные пластины (поливиниловые) со сбор­ным резервуаром из того же материала предотвращают поте­ри продуктивных растворов.

Выщелачивание длится от 7 до 9 мес, расходы кислоты со­ставляют от 10,5 до 12,5 кг/т руды при извлечении урана от 68 до 80%. В зависимости от объема руды, содержания и из­влечения съем урана достигает от 1400 до 3000 кг. Во Франции работает комплекс кучного выщелачивания годовой производи­тельностью свыше 100 т в год.

Отличительной особенностью кучного выщелачивания ура­на в Испании (провинция Саламанка) является раздельное выщелачивание богатой (более 0,07% U₃O₈) и бедной (0,02— 0,07% U₃O₈) руд.

Вначале на землю кладут полиэтиленовую пленку, на ко­торую осторожно укладывают руду послойно. После отсыпки на поверхности кучи проводят борозды и кучу орошают кис­лым раствором, содержащим до 28 г/л H₂SO₄. Урансодержащие растворы (0,3—3 г/л U₃O₈ с рН 1,2—1,4) направляют на экстракцию урана аланином 336 и изодеканолом в керосине. Сточные воды обрабатывают известью и хлористым барием. В процессе реэкетракции получают товарный урановый про­дукт.

Кучное выщелачивание урана (богатых (0,28% U₃O₈) маломощных месторождений (Эль-Нопаль, Мексика) проводят на материале крупностью до 38 мм. При длительности выщелачи­вания 45 сут достигают извлечения 80—>85%. Расход H₂SO₄ составляет около 25 кг/т руды, содержание U₃O₈ в продукгивном растворе 7 г/л.

Технология чанового выщелачивания. Чановое выщелачивание получило значительное распростране­ние для окисленных медных, урановых, золото-содержащих руд, труднообогатимых продуктов. Широкое применение этого процесса в отечественной практике нашло для переработки, сильвинитовых руд.

Отличия чанового выщелачивания от кучного:

-интенсификация процесса чанового выщелачивания идет за счет увеличения скорости подвода растворителя к растворяе­мой поверхности и отвода от нее продуктов растворения;

-возможность осуществления фильтрации раствора через ру­ду сверху вниз, снизу вверх, горизонтально;

-возможность интенсификации процесса за счет перемеши­вания руды с растворителем и вовлечение в переработку шламистых руд, тонкодисперсных труднообогатимых продуктов обогащения;

-возможность создания в закрытых помещениях оптималь­ных воспроизводимых условий для жизнедеятельности микро­организмов;

-небольшие объемы выщелачиваемой руды;

-сбор продуктивных растворов без потерь.

Различают два вида чанового выщелачивания: перколяционное и выщелачивание с перемешиванием.

В соответствии с этим выделяют два типа оборудования для реализации процессов выщелачивания: чаны без устройств перемешивания и чаны с перемешиванием. Более интенсив­ный процесс растворения обеспечивают аппараты с перемеши­ванием. По этой причине в этих аппаратах перерабатывают труднообогатимые, тонкодисперсные, упорные продукты.

Обычная схема подземного выщелачивания состоит из перколяционного выщелачивания, сорбции или экстракции соединений металла из полученного продуктивного раствора, переработки элюата или реэкстракта на конечные продукты обычными гидрометаллургическими или электрохимическими методами.

В качестве растворителя рудных минералов большей частью применяют cepную кислоту как наиболее дешевый и наиболее распространенный активный растворитель. В зависимости от вещественного состава по­лезных ископаемых в качестве растворителей также могут быть эффективными другие минеральные кислоты, карбонаты щелочных металлов, в присутствии различных окисли­телей и некоторых видов бактерий.

Основные преимущества подземного выще­лачивания:

-значительное расширение сырьевой базы вследствие вовлечения в эксплуатацию бед­ных и забалансовых руд, а также руд, ха­рактеризующихся сложными условиями за­легания;

-снижение в 2—4 раза капитальных затрат на строительство горнорудных предприятий и численности работающих;

-значительное улучшение условий труда;

-уменьшение отрицательного воздействия предприятия на окружающую среду.

Избирательное растворение определенных минералов в недрах и транспортирование под землей получаемых растворов сопряжены с рядом трудностей. Поэтому подземное вы­щелачивание (ПВ) применимо лишь для руд определенной структуры и текстуры.