Лекция 13. Термодинамика процессов выщелачивания

Гидрометаллургическими называются процессы извлечения металлов из руд, концентратов, промежуточных продуктов и отходов металлургического производства, а также из вторичного сырья в водную фазу при их обработке водными растворами химических реагентов с последующим вы­делением из растворов металлов или их соединений.

Руды представляют собой многокомпонентное комплексное сырье, содержащее кроме основных металлов ряд сопутствующих элементов, извлечение которых отвечает требованиям комплексности использования сырья. С развитием современной техники и технологии все большее потребление находят редкие, редкоземельные и рассеянные металлы, содержание в рудах которых зачастую находится на уровне сотых и тысячных долей процента. Применительно к большой группе металлов, не имеющих собственных руд (галлий, гафний, германий, рений, осмий и т.д.), попутное извлечение их при переработке руд других металлов – единственно возможный путь.

Проблемой современной металлургии является превращение производства цветных металлов в безотходное или малоотходное. Современные технологии должны отвечать требованиям охраны окружающей среды, не являться источником вредных выделений и не оказывать негативного воздействия на экосистему.

Выше описанные проблемы в определенной мере решаются при использовании гидрометаллургических приемов переработки сырья. Расширение сферы использования гидрометаллургических процессов определяется следующими преимуществами:

1) Возможностью эффективной переработки бедного и сложного по составу сырья.

2) Более низкими энергозатратами.

3) Возможностью механизации и автоматизации процессов.

4) Относительная экологическая безопасность.

Основные процессы и операции в гидрометаллургии

1) Подготовительные операции:

− механическая обработка рудного сырья (дробление, измельчение, классификация) с целью вскрытия ценных минералов и создания большой удельной поверхности выщелачиваемой твердой фазы. Механическая обработка не сопровождается изменением химического состава материалов;

− обработка исходного материала с изменением химического состава сырья с целью получения более пригодных для гидрометаллургической переработки соединений (обжиг, спекание, плавка).

2) Выщелачивание – извлечение компонента из твердой фазы в водный раствор.

3) Разделение твердой и жидкой фаз (операции отстаивания, сгущения и фильтрации).

4) Подготовка растворов к выделению из них металлов или чистых соединений:

− очистка растворов от примесей (рафинирование);

− концентрирование раствора по извлекаемому компоненту.

5) Выделение из растворов металлов или их соединений.

Реагенты

Растворители, применяемые в гидрометаллургической практике.

Вода. Вода используется для выщелачивания хорошо растворимых природных и техногенных соединений – сульфатов, хлоридов.

Кислоты. Наиболее часто используется серная кислота, как разбавленная, так и концентрированная. Иногда используется смесь серной кислоты с другими кислотами (например, плавиковой, соляной). Соляную и азотную кислоты используют ограниченно. Смесь соляной и азотной кислот («царскую водку») используют для выщелачивания платиновых руд, а также при рафинировании золота и се­ребра.

Щелочи. Используются растворы гидроксида натрия, аммония.

Водные растворы солей. Растворы солей применяют для процессов обменного и окислительного выщелачивания, а также при выщелачивании с образованием комплексных соединений.

Виды растворения

Простое растворение. Когда процесс выщелачивания сводится к простому переходу вещества из твердой фазы в раствор.

Растворение с обменной реакцией. Эта разновидность процесса встречается в трех вариантах:

1) Оксид металла взаимодействует с кислотой, образуя соль и воду: MeO+H₂SO₄=MeSO₄+H₂O.

2) Выщелачивание кислотой с удалением аниона в газовую фазу: MeS + H₂SO₄ = MeSO₄ + H₂S; MeCO₃ + H₂SO₄ = MeSO₄ + H₂CO₃; H₂CO₃ = H₂O + CO₂.

3) Солевое обменное выщелачивание: MeS_тв + Me¹SO₄ = Me¹S_тв + MeSO_4.

Растворение с окислением металла

1. Окисление металла за счет восстановления иона водорода кислоты: Me + H₂SO₄ = MeSO₄ + H₂.

2. Окисление металла кислородом и другими окислителями: Me + H₂SO₄ +0,5 O₂ = MeSO₄ + H₂O;

Me + Fe₂(SO₄)₃ = MeSO₄ + 2FeSO₄, Me + H₂SO₄ + H₂O₂ = MeSO₄ + 2H₂O.

Растворение с окислением аниона.

MeS + H₂SO₄ + 0,5O₂ = MeSO₄ + H₂O + S^о; MeS + 2O₂ = MeSO₄; MeS + 2Me^'Cl₂ = MeCl₂ + 2Me¹Cl + S⁰; MeS - 8ē + 4 H₂O = MeSO₄ + 8H⁺ (анодное окисление).

Растворение с восстановлением металла. Процесс возможен, если извлекаемый металл образует ионы нескольких степеней окисления: 3CuO + 2FeCl₂ + 3H₂O = CuCl₂ + 2CuCl + 2Fe(OH)₃.

Растворение с образованием комплексов: 2Au + 4KCN + H₂O + 0,5O₂ = 2KAu(CN)₂ + 2KOH;

Ni₃S₂ + 10NH₄OH + (NH₄)₂SO₄ + 4,5O₂ = 3Ni(NH₃)₄SO₄ + 11H₂O.

Технологические схемы процессов выщелачивания

Выщелачивание на месте. Руды дробят и здесь же на месте добычи выщелачивают.

Подземное выщелачивание. Выщелачивают«потерянные» руды в старых забоях или месторождениях, разработка которых нерентабельна или невозможна.

Кучное выщелачивание. Производят в специально подготовленных кучах.

Выщелачивание просачиванием (перколяция). Подготовленный материал выщелачивают в чанах с ложным днищем просачиванием через слой материала растворителя.

Агитационное выщелачивание.

1) Механическая агитация - мешалки.

2) Пневматическая агитация сжатым воздухом в пачуках (рисунок 1).

3) Совместное действие воздуха и мешалок.

Выщелачивание в автоклавах под давлением в отсутствии кислорода и в присутствии кислорода.

Произведение растворимости L_Р (Пр)

Поиск по сайту: