2.1. Выщелачивание

Выщелачивание - это перевод в раствор ценных составляющих руды или концентрата селективно действующим растворителем с последующим отделением минералов пустой породы.

Выщелачивание - наиболее важная стадия гидрометаллургического передела, так как от полноты ее протекания зависят в значительной мере технико-экономические показатели последующих операций и технологической схемы в целом. Металл, недоизвлеченный в раствор при выщелачивании, безвозвратно теряется и попадает в отвалы. Одновременно с этим большое значение имеет селективность действия применяемого для выщелачивания реагента, так как в противном случае в раствор наряду с извлекаемым металлом перейдет большое количество примесей, от которых впоследствии придется избавляться.

Выщелачивание - гетерогенный процесс, в котором участвуют по меньшей мере две фазы: твердое вещество и раствор. В зависимости от характера физико-химических процессов, протекающих при выщелачивании, различают следующие его виды:

1. простое растворение, не сопровождающееся химической реакцией, когда металл извлекается в раствор в составе соединения, которое присутствовало в исходном материале. В процессах простого растворения участвуют, как правило, вещества, в твердом состоянии образующие ионную кристаллическую решетку (хлориды, сульфаты), а в растворе присутствующие в виде гидратированных ионов;

2. выщелачивание с химической реакцией, в результате которой металл, присутствующий в исходном сырье в составе малорастворимого соединения, переходит в хорошо растворимую форму. Выщелачивание с химической реакцией - наиболее распространенный вид выщелачивания, осуществляемый после предварительной подготовки либо без нее; при выщелачивании могут протекать реакции между оксидами и кислотами или щелочами, обменные или окислительно-восстановительные реакции.

Материал должен быть подготовлен к выщелачиванию. Эта стадия может включать в себя механическую подготовку материала (дробление, размол) или физико-химическую. Дроб­­ле­ние и измельчение производят для раскрытия и увеличения поверхности тех минералов, в которых содержится подлежащий извлечению металл. Физико-химическая подготовка заключается в изменении химического состава металлсодержащих минералов с целью перевода их в хорошо и, желательно, избирательно растворимую форму. Обычно это осуществляется пирометаллургическими методами: труднорастворимые сульфиды за счет окислительного обжига переводятся в оксиды и сульфаты; оксидные минералы, в свою очередь, могут быть с помощью хлорирующего обжига превращены в хорошо растворимые хлориды; за счет спекания (или сплавления) с солями или щелочными реагентами (содой, известью, хлоридами, сульфатами м др.) также получают хорошо растворимые вещества.

При выщелачивании применяют специально подобранные растворители, которые должны отвечать ряду требований. Среди них важнейшим является селективность, то есть способность растворять ценные минералы и не переводить в раствор пустую породу и примеси. Растворитель должен хорошо растворять выщелачиваемые химические соединения, чтобы была возможность получать достаточно концентрированные растворы и иметь достаточно высокую скорость выщелачивания. Он должен быть дешев, доступен и безопасен, не должен разлагаться, испаряться и оказывать сильного воздействия на применяемую аппаратуру. Желательно, чтобы растворитель можно было регенерировать в ходе дальнейшего технологического процесса.

В качестве растворителей при выщелачивании используют: воду, кислоты - H₂SO₄, HСl, HNO₃, щелочи - NaOH, NH₄OH, водные растворы солей - Fe₂(SO₄)₃, Na₂CO₃, NaCl, NaCN, Na₂S, Na₂S₂O₃ и др.

В качестве примера рассмотрим выщелачивание обожженного сульфидного цинкового концентрата раствором серной кислоты:

(ZnO+Fe₂O₃+SiO₂)_тв+H₂SO₄=ZnSO₄+(Fe₂O₃+SiO₂)_тв+H₂O

концентрат кек

Оксид цинка из концентрата избирательно растворяется с образованием цинкового купороса, а нерастворившийся остаток (кек) отделяется от раствора отстаиванием и фильтрацией. После очистки раствора от примесей цинк из него осаждают электролизом.

Самый распространенный способ извлечение золота - это цианирование, когда для перевода его в раствор используют соли цианистоводородной (синильной) кислоты:

2Au + 4NaCN + H₂O + 0,5 O₂ = 2NaAu(CN)₂ + 2NaOH

Из полученного раствора выделяют золото цементацией на металлическом цинке.

На стадии выщелачивания молибденитовых огарков применяют 8-10 %-ные растворы аммиака. При взаимодействии NH₄OH c молибденовым ангидридом, содержащимся в огарке, молибден переходит в раствор по реакции:

MoO₃ + 2NH₄OH = (NH₄)₂MoO₄ + H₂O

Один из способов переработки вольфрамитового концентрата состоит в выщелачивании вольфрама раствором щелочи:

FeWO₄ + 2 NaOH = Na₂WO₄ + Fe(OH)₂

Шеелитовые концентраты выщелачивают содой в автоклаве:

CaWO₄ + Na₂CO₃ = Na₂WO₄ + CaCO₃

Процесс ведут при температуре 200-250 ⁰С и давлении 2,5-2,7 МПа.

В производстве глинозема из боксита содержащийся в нем гидроксид алюминия выщелачивают раствором щелочи:

Al(OH)₃ + NaOH NaAlO₂ + 2H₂O,

а затем алюминатный раствор отделяют от нерастворившихся остатков руды, очищают от примесей и осаждают из него чистый Al(OH)₃, причем приведенная выше реакция в этом случае идет в обратном направлении.

По возрастанию трудности выщелачивания минералогические формы гидроксида алюминия можно расположить в следующий ряд: гиббсит (гидраргиллит) Al(OH)₃ - бемит AlOOH - диаспор AlOOH. Гидраргиллитовые бокситы выщелачиваются растворами NaOH (200-250 г/л) при атмосферном давлении и температуре 100-105 ⁰С. Бокситы, относящиеся к диаспоро-бемитовому типу, требуют выщелачивания в автоклавах при температуре до 240 ⁰С и повышенных концентрациях щелочи (290-300 г/л). Резкое различие скоростей растворения бемита и диаспора, имеющих одинаковый химический состав, свидетельствует о сильном влияния типа кристаллической структуры на реакционную способность минерала.

Одной из разновидностей выщелачивания является электрохимическое растворение. Этот способ используют, например, при переработке сульфидных материалов (концентратов, штейнов) в металлургии меди, свинца, никеля, благородных металлов. Растворению подвергают как плавленые компактные аноды, так и кусковые и порошкообразные материалы.

Электрохимическое растворение моносульфида железа - основной фазы бедных штейнов и пирротиновых концентратов - используют при вскрытии этих материалов.

Файнштейн - полупродукт переработки сульфидной никелевой руды, представленной преимущественно соединением Ni₃S₂. Электрохимическое выщелачивание никеля непосредственно из файнштейна позволяет устранить трудоемкие операции обжига и восстановительной плавки огарка и получить побочный продукт - элементарную серу. Аноды для такого процесса отливают из файштейна в форме пластин толщиной 30-100 мм. При анодной поляризации протекает реакция

Ni₃S₂ - 6 e  3Ni²⁺ + 2S⁰,

а на катоде выделяется никель

Ni²⁺ + 2 e  Ni⁰

Процесс ведут в сернокислом электролите, содержащем 100-150 г/л H₂SO₄ при температуре 40-60 ⁰С. Оптимальная плотность тока не превышает 200 A/м². Основными недостатками способа являются малая скорость растворения (из-за пассивации поверхности анодов элементарной серой) и большой (до 15 %) выход анодного скрапа.