Лабораторная работа №6 гидрометаллургическая переработка окисленного медного сырья

1. Цель и задачи:

Воспроизвести в лабораторных условиях процесс гидрометаллургического извлечения меди из окисленного медного сырья.

2. Краткие теоретические сведения

Гидрометаллургические способы получения меди в принципе пригодны для переработки любых видов рудного сырья. Однако их обычно используют для извлечения меди из окисленных руд или предварительно обожженных сульфидных руд. Доля гидрометаллургических процессов в общем производстве меди за рубежом постоянно возрастает и составляет сейчас - 12... 15 %. В СНГ эти способы пока почти не применяют; лишь небольшое количество меди извлекается выщелачиванием вскрышных пород в отвалах (кучах) и забалансовых руд.

Ограниченное применение гидрометаллургических способов в медной промышленности является следствием в основном малых запасов окисленных руд и сложности попутного извлечения золота и серебра. По этой причине гидрометаллургию используют главным образом для переработки бедных руд с нерентабельным содержанием благородных металлов, пустая порода которых не вступает в химическое взаимодействие с растворителем. Для практической выгодности гидрометаллургии необходимо также, чтобы медь находилась в форме легкорастворимого соединения или переводилась в растворимую форму без значительных затрат.

Любой гидрометаллургический способ, не считая подготовительных и вспомогательных операций, состоит из двух основных стадий: обработки рудного сырья растворителем (выщелачивание) и осаждения металла из раствора.

При выборе растворителя учитывается ряд требований. Основными из них являются дешевизна и доступность растворителя, эффективность его воздействия на компоненты руды, незначительное воздействие на минералы пустой породы и возможность его регенерации. Применительно к медному сырью этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют вода и растворы серной кислоты и сульфата трехвалентного железа.

Вода - наиболее дешевый и доступный растворитель - пригодна, как правило, для обработки сырья и полупродуктов, содержащих медь в форме сульфатов или хлоридов. В условиях естественного (природного) выщелачивания сульфидных минералов при совместном действии воды и кислорода воздуха происходит окисление сульфидов с образованием серной кислоты и сульфата трехвалентного железа, которые и растворяют в конечном итоге сульфиды.

Раствор серной кислоты - наиболее распространенный растворитель в гидрометаллургии меди. Он обладает достаточно высокой растворяющей способностью, дешев и легко регенерируется. Однако его невыгодно применять для сырья с повышенным содержанием основных породообразующих минералов (известняка, кальцита, доломита и т.д.) из-за резкого увеличения расхода растворителя на их растворение и невозможности регенерации H₂S0₄ из сульфатов кальция и магния.

Сульфат трехвалентного железа является хорошим растворителем для многих природных сульфидов меди. Однако этот растворитель самостоятельного значения в гидрометаллургии меди не имеет. Причиной этому является гидролиз Fe₂(S0₄)₃ в водных растворах. Для придания устойчивости сульфату растворы нужно подкислять серной кислотой.

При совместном воздействии указанных двух реагентов на сульфидные минералы Fe₂(S0₄)₃ работает как окислитель сульфидов, а серная кислота является их фактическим растворителем. Сульфат трехвалентного железа при этом восстанавливается до FeS0₄. Регенерацию растворителя осуществляют путем окисления FeS0₄ до Fe₂(S0₄)₃ аэрацией (продувкой) воздухом, часто в присутствии определенного вида бактерий (бактериальное выщелачивание) и реже хлором.

Для выщелачивания медных руд и концентратов применяют несколько методов: выщелачивание в кучах; подземное выщелачивание; выщелачивание путем просачивания раствора через слой рудного материала (перколяция); выщелачивание в чанах с механическим перемешиванием (агитация); автоклавное выщелачивание (под давлением).

В отечественной металлургии меди нашли применение только первые два метода.

Кучное выщелачивание применяют для извлечения меди на месте из вскрышных пород (отвалов) старых и новых карьеров и бедных крупнокусковых руд, содержащих 0,1…0,3 % Cu. Основным растворителем служит разбавленный кислый раствор Fe₂(S0₄)₃, образующийся при воздействии кислорода воздуха и воды на пирит:

2FeS₂ + 2H₂O + 7O₂ = 2Fe₂(S0₄)₃ + 2H₂S0₄;

4FeS0₄ + 2H₂S0₄ + O₂ = 2Fe₂(S0₄)₃ + 2H₂0;

CuFeS₂ + 2Fe₂(S0₄)₃ + 2H₂0 + O₂ = CuS0₄ + 2H₂S0₄ + 5FeS0₄

При кучном выщелачивании кусковую руду в виде кучи объемом до 6000 тыс.т укладывают на водонепроницаемое основание с уклоном в одну сторону для сбора растворов в отстойниках.

Вода и оборотные растворы после выделения меди периодически подаются на орошение кучи сверху и медленно протекают через нее на основание, растворяя медь. Полученные растворы содержат 0,3 … 3,0 г/л Cu.

Выщелачивание в кучах при незначительных капитальных и эксплуатационных затратах позволяет обрабатывать огромные массы забалансового сырья. Этот метод используется для извлечения меди из карьерных отвалов.

Существуют также подземное (для извлечения меди из отработанных или законсервированных шахт) и бактериальное выщелачивание.

Выделение меди из бедных растворов вышеуказанных способов выщелачивания можно методами цементации, сорбции и экстракции.

Цементация меди производится за счет вытеснения ее из раствора электроотрицательным металлом:

CuS0₄+Me = Cu + MeS0₄

В качестве промышленного осадителя меди используют материалы на основе железа - железный лом, стружку, обреэь жести, обезлуженную консервную жесть, губчатое (пористое) железо и т.д. в связи с их достаточной активностью, доступностью и невысокой стоимостью.

В современной практике цементации меди наибольшее распространение получили цементационные желоба, вращающиеся барабаны и чаны с механическим перемешиванием.

Основной продукт цементации - цементную медь - отправляют для дальнейшей переработки на медеплавильные заводы. Она содержит 65... 75 % Си, а остальное - в основном железо. Отработанные растворы с содержанием - 0,05 г/л Си направляют на выщелачивание. Извлечение меди при цементации составляет 90... 98 %. Расход железа на цементацию I т меди колеблется от 1,5 до 2,5 т.

Основными недостатками цементационного осаждения меди являются: необходимость расходования серной кислоты при регенерации оборотных растворов, содержащих FeS0₄; необходимость дополнительной очистки (переработки) получающейся цементной меди для получения товарного продукта.

Экстракцию меди из бедных растворов органическими растворителями успешно используют на нескольких заводах в США и Африке. При экстракционном способе предусматривается в стадии реэкстракции органической фазы получение медного раствора, содержащего до 90 г/л Си. Такой раствор может быть переработан методом электролиза с получением чистой катодной меди или автоклавным способом на медный порошок.

Разработаны также сорбционные процессы для извлечения меди из окисленных медных руд и растворов после кучного или подземного выщелачивания с использованием ионообменных материалов, которые также позволяют получать медь в виде катодов или порошков.