5.2 Гидрометаллургия

Гидрометаллургические процессы реализуют в водных растворах кислот, щелочей, солей. Их температура равна положительной температуре окружающей среды или превышает ее, достигая 80–200С. Гидрометаллургия нашла применение в производстве цветных металлов: цинка, меди, золота, никеля, алюминия, редких металлов. Некоторые технологические схемы состоят из гидрометаллургических операций, в других случаях эти операции перемежаются с пирометаллургическими.

Гидрометаллургическим операциям обычно предшествует подготовка исходных продуктов, которая включает измельчение для увеличения удельной поверхности твердой фазы и при необходимости руду обогащают.

Гидрометаллургические схемы включают следующие этапы:

• перевод ценных составляющих руды, концентрата или полупродукта в раствор (выщелачивание);

• подготовка раствора к извлечению из него основного компонента;

• выделение основного компонента из раствора.

На всех этапах протекают гетерогенные процессы, лимитируемые диффузией. Процессы развиваются на границе твердой и жидкой, двух жидких или жидкой и газообразной фаз.

При выщелачивании реализуется ряд процессов избирательного перехода одного или нескольких компонентов из руды, концентрата или полупродукта в раствор, который может быть либо физическим растворением или сопровождаться обменной реакцией.

Простое растворение осуществляется, когда металл находится в твердой фазе в виде водорастворимых соединений, например:

МеSO₄ + aq  MeSO₄ (раствор).

Растворение с обменной реакцией имеет место, когда растворяемое соединение металла взаимодействует с реагентом, образуя растворимую соль. Другими продуктами взаимодействия могут быть вода, или менее растворимый, чем выщелачиваемое вещество, осадок продукта реакции, например:

МеО_тв + H₂SO₄ = МеSO_{4 р-р} + H₂O;

МеS_тв + H₂SO₄ = MeSO_{4 р-р} + H₂S ;

MeS_тв + MeSO₄ = MeS_тв + MeSO_{4 р-р}.

Растворитель должен легко взаимодействовать с извлекаемым компонентом, но не реагировать с пустой породой, т.е. обладать ярко выраженным селективным действием.

Подготовка и извлечение из раствора основного компонента заключается в его отделении фильтрованием или отстаиванием от нерастворимого остатка пустой породы или в доведении его содержания в растворе до заданного за счет разбавления или концентрации путем выпаривания и другими физико-химическими методами.

Выделение чистых соединений из растворов осуществляют различными химическими процессами, которыми компоненты переводятся в осадок в виде малорастворимых соединений (солей, гидроксидов, сульфидов и др.), металлических (процесс цементации) или электролитических компаундов. Осаждение может быть реализовано и физическими методами, например, охлаждением или выпариванием раствора.

В настоящее время применяют гидрометаллургические технологии кучного, чанового, автоклавного и геотехнологического выщелачивания.

Кучному выщелачиванию подвергаются бедные забалансовые руды или старые отвалы руд цветных металлов. Высота куч и отвалов составляет 6–100; ширина – 10–20; длина – 100–800 м и более. Масса руды, закладываемой на выщелачивание, изменяется от сотен до миллионов тонн. Площадка для кучного выщелачивания выравнивается, уплотняется, накрывается водоизолирующим материалом (асфальт, полимерный пластик и т. п.). Отвалы и кучи орошаются разбрызгиванием растворителя по их поверхности или через нагнетательные скважины. Сбор раствора осуществляется через перфорированные асбоцементные трубы. Скорость фильтрации в куче составляет 10–15 м/сутки.

Орошение куч ведут до тех пор, пока концентрация выщелачиваемого компонента в растворе не становится ниже заданного предела, например, для медных руд не менее 1,0 г/л Cu. В этом случае ее извлечение достигает 50–90% при продолжительности выщелачивания до 3–4 лет.

Чановое выщелачивание – более регулируемый и интенсивный процесс, позволяющий организовать фильтрацию раствора через руду в заданном направлении (сверху вниз, снизу вверх, горизонтально).

Длина, ширина и глубина чанов может достичь соответственно 50, 35 и 6,0 м, которые вмещают 5–10 тыс. т материала, изготавливаются из бетона, их поверхность покрывают асфальтом, смолой, листовым свинцом или полимерным материалом. Извлечение, например, меди при ее концентрации в растворе 10–26 г/л составляет 75–90% при расходе кислоты 10–55 кг/т руды. Для выделения меди из растворов применяют электролиз.

Автоклавное выщелачивание производят в толстостенных герметических сосудах, способных выдержать давление паров раствора больше атмосферного. Температуру выщелачивания в ряде случаев доводят до 220–260С. В соответствии с правилом Вант-Гоффа увеличение температуры выщелачивания резко ускоряет химические процессы.

Герметичность аппаратуры снижает потери реагентов и исключает загрязнение окружающей среды, но превращает процесс в периодический, что может обернуться его крупным недостатком.

Под биогидрометаллургией понимают избирательное извлечение металлов из руд, концентратов, горных пород в растворах под воздействием микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности. Ее методы дают возможность в большей степени использовать разубоженные, забалансовые тонковкрапленные руды, хвосты обогатительных фабрик, шламы, сточные воды, другие промышленные отходы.

Установлено, что микроорганизмы эффективны при извлечении многих цветных металлов, образующих сульфиды, например, меди, 30% которой в США производится этим способом.

Интенсификация извлечения металлов в биогидрометаллургии осуществляется различными методами. Бактерии могут, например, служить катализаторами реакций окисления сульфата двухвалентного железа до сульфата трехвалентного железа и соды до серной кислоты. Ускорение выщелачивания может происходить под влиянием продуктов жизнедеятельности бактерий. Например, сильным окислителем является выделяемый некоторыми бактериями ион трехвалентного железа.

Технологию бактериального извлечения металлов, как гидрометаллургический процесс, реализуют в вариантах кучного и чанового выщелачивания при рН 1,3–1,5, используя растворы, содержащие бактерии, серную кислоту. Перемешивание и аэрация способствуют извлечению материалов. Перспективность применения биотехнологических методов вызывает определенные опасения, потому что возможен непосредственный выброс микроорганизмов в окружающую среду и необходима всесторонняя оценка возможных последствий их взаимодействия с флорой и фауной.