Лекция № 9. Роль и значение гидрометаллургических процессов

процесс добычи руды

Гидрометаллургия

это техника в области добывающая металлургия, получение металлов из их руд. Гидрометаллургия предполагает использование водный решения для извлечения металлов из руд, концентратов и вторичных или остаточных материалов.[1][2] Технологии, дополняющие гидрометаллургию: пирометаллургия, паровая металлургия и электрометаллургия расплавов солей. Гидрометаллургия обычно делится на три основных направления:

Выщелачивание
Концентрация и очистка раствора
Восстановление металлов или металлических соединений

Выщелачивание

Выщелачивание включает использование водных растворов для извлечения металла из металлосодержащих материалов, который контактирует с материалом, содержащим ценный металл.[3] Первые образцы происходят из Германии и Испании 17 века, где его применяли для добычи меди.[4]

В выщелачивающий Условия раствора меняются с точки зрения pH, окислительно-восстановительного потенциала, присутствия хелатирующих агентов и температуры, чтобы оптимизировать скорость, степень и селективность растворения желаемого металлического компонента в водной фазе. За счет использования хелатирующие агентыможно выборочно извлекать определенные металлы. Такие хелатирующие агенты обычно представляют собой амины базы шиффа.[5]

Пять основных конфигураций реактора выщелачивания: на месте, в куче, чане, резервуаре и автоклаве.

Выщелачивание на месте

Выщелачивание на месте также называется «добычей решений». Первоначально этот процесс включает бурение скважин в залежи руды. Взрывчатые вещества или гидроразрыв используются для создания открытых путей внутри отложения для проникновения раствора. Раствор для выщелачивания закачивается в залежь, где он контактирует с рудой. Затем раствор собирается и обрабатывается. В Урановое месторождение Беверли является примером выщелачивания на месте, а также троянской шахтой в Зимбабве.[нужна цитата

]

Кучное выщелачивание

В процессах кучного выщелачивания дробленая (а иногда и агломерированная) руда складывается в кучу, покрытую непроницаемым слоем. Выщелачивающий раствор распыляется поверх кучи, и ему дают просачиваться вниз через кучу. Конструкция отвала обычно включает в себя отстойники, которые позволяют перекачивать «насыщенный» выщелачивающий раствор (т.е. раствор с растворенными ценными металлами) для дальнейшей обработки. Примером является цианирование золота, где пылевидные руды извлекаются раствором цианид натрия, который в присутствии воздуха растворяет золото, оставляя недрагоценный осадок.

Шариковая модель комплексного аниона ауроцианида или дицианоаурата (I), [Au (CN)2]−.[6]

Выщелачивание НДС

Выщелачивание НДС включает контактирование материала, который обычно подвергается измельчению и классификации, с выщелачивающим раствором в больших чанах.

Выщелачивание резервуаров

Бак с мешалкой, также называемое выщелачиванием с перемешиванием, включает контактирование материала, который обычно подвергается измельчению и классификации, с выщелачивающим раствором в резервуарах с мешалкой. Перемешивание может улучшить кинетику реакции за счет увеличения массопереноса. Резервуары часто имеют последовательную конфигурацию реакторов.

Выщелачивание в автоклаве

Автоклав реакторы используются для реакций при более высоких температурах, что может увеличить скорость реакции. Точно так же автоклавирование позволяет использовать в системе газообразные реагенты.

Коррозия

Коррозия — процесс самопроизвольного разрушения сплавов, металлов, который происходит под воздействием окружающей среды. Ржавчина начинает появляться при воздействии кислорода, воды, оксидов серы, углерода.

Виды коррозиии:

атмосферная.
электролитическая;
газовая;
подъемная;
биологическая.

Без металлов невозможно представить жизнь человека. Они применяются в разных сферах деятельности. Процесс добычи металлической руды для изготовления однородных материалов или сплавов практически не изменился с сотнями лет. Появилось новое оборудование, техника, но суть процесса осталась прежней.

Концентрация и очистка раствора

После выщелачивания щелок от выщелачивания обычно должен подвергаться концентрации ионов металлов, которые должны быть извлечены. Кроме того, иногда требуется удаление нежелательных ионов металлов.[1]

Осадки это селективное удаление соединения целевого металла или удаление основной примеси путем осаждения одного из его соединений. Медь осаждается в виде сульфида для очистки продуктов выщелачивания никеля.
Цементация представляет собой превращение иона металла в металл за счет окислительно-восстановительная реакция. Типичное применение включает добавление металлолома к раствору ионов меди. Железо растворяется и осаждается металлическая медь.
Экстракция растворителем
Ионный обмен
Редукция газа. Обработка раствора никеля и аммиака водородом дает металлический никель в виде порошка.
Электровиннинг особенно избирательно, если дорого электролиз процесс, применяемый для выделения драгоценных металлов. Золото можно гальванизировать из его растворов.

Экстракция растворителем

в экстракция растворителем представляет собой смесь экстрагент в разбавитель используется для извлечения металла из одной фазы в другую. При экстракции растворителем эту смесь часто называют «органической», потому что основным компонентом (разбавителем) является какой-то тип масла.

PLS (насыщенный выщелачивающий раствор) смешивают до эмульгирования с удаленным органическим веществом и дают ему разделиться.[нужна цитата

] Металл будет заменен PLS на органический, который они модифицировали.[
требуется разъяснение
] Результирующие потоки будут загруженными органическими и рафинат. При электролитическом выделении загруженные органические вещества затем смешивают до эмульгирования с обедненным электролитом и дают ему разделиться. Металл будет заменен органикой на электролит. Получающиеся потоки будут представлять собой очищенный от органики и богатый электролит. Органический поток рециркулирует через процесс экстракции растворителем в то время как водные потоки проходят цикл выщелачивания и электрохимического извлечения[
требуется разъяснение
] процессы соответственно.[
нужна цитата
]

Ионный обмен

Хелатирование агенты, натуральные цеолит, активированный уголь, смолы и жидкие органические вещества, пропитанные хелатирующими агентами, используются для обмена катионы или же анионы с раствором.[нужна цитата

] Селективность и извлечение зависят от используемых реагентов и присутствующих загрязнителей.

Свойства руд

Отвечать на вопрос: какими свойствами обладает железная руда, не совсем просто. Хотя бы потому, что перечень свойств зависит от процента данного металла в руде и количества посторонних примесей. К примеру, красный железняк, содержащий гематит (Fe2O3), содержит в себе целых 70% железа от общего количества.

В общем и целом, кстати, целесообразной добычей железа считается только та, где в рудах содержится от 40% железа и выше. Данная цифра действительно дает понять, что железо распространено в окружающем мире многократно больше других элементов. К примеру, для того же урана, содержание его в руде в количестве 2% считалось бы небывалой удачей…

Но вернемся к нашему красному железняку. Давая характеристику железной руде, можно сказать, что красный железняк представляет собой диапазон от порошкового вещества до плотного.

Лимонит (он же – бурый железняк), также является рудой железа, однако она представляет собой пористую и рыхлую породу, содержащую весомые доли фосфора и марганца. Пустой породой у него часто выступает глина. В силу чего, кстати, довольно легко поддается извлечению железа. Потому из него часто делают чугун.

Восстановление металлов

Восстановление металла — это заключительный этап гидрометаллургического процесса. Металлы, подходящие для продажи в качестве сырья, часто производятся непосредственно на стадии извлечения металла. Однако иногда требуется дальнейшее рафинирование, если нужно получить металлы сверхвысокой чистоты. Основными типами процессов восстановления металлов являются электролиз, газовое восстановление и осаждение. Например, главной целью гидрометаллургии является медь, которую обычно получают электролизом. Cu2+ ионы уменьшаются при умеренном потенциале, оставляя после себя другие загрязняющие металлы, такие как Fe2+ и Zn2+.

Электролиз

Электровиннинг и электрорафинирование, соответственно, включают извлечение и очистку металлов с использованием электроосаждение металлов на катоде, либо металл растворение или конкурирующий реакция окисления на аноде.

Осадки

Осаждение в гидрометаллургии включает химическое осаждение либо металлов и их соединений, либо загрязняющих веществ из водных растворов. Осадки продолжится, когда через реагент добавление, испарение, изменение pH или температурные манипуляции, любой конкретный вид превышает предел его растворимости.

Описание

Это химические процессы, протекающие в металлургических агрегатах при высоких (800—2000°С) температурах. Поэтому пирометаллургию иногда называют «химией высоких температур». Часто химические реакции сопровождаются изменением агрегатного состояния реагирующих веществ: плавлением, возгонкой, испарением образующихся металлов или их соединений. В таких процессах взаимодействия могут протекать между твёрдой, жидкой (расплавы) и газообразной фазами в любых сочетаниях.

Пирометаллургическими процессами являются процессы агломерации металлургического сырья, плавки шихтовых материалов, изготовления сплавов, рафинирования металлов. В частности, это — обжиг, доменная плавка, мартеновская плавка, плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах. Пирометаллургия — основа производства чугуна, стали, свинца, меди, цинка и др.

В пирометаллургии часто применяется восстановление углеродом — в тех случаях, когда восстанавливаемые металлы не образуют устойчивых карбидов, помимо указанных выше, к таким металлам относятся германий, кадмий, олово и другие. В случаях образования восстанавливаемыми металлами устойчивых карбидов вместо восстановления углеродом часто применяется металлотермия.

Пирометаллургия — основная и наиболее древняя область металлургии. С давних времён до конца 19 столетия производство металлов базировалось почти исключительно на пирометаллургических процессах. На рубеже 19 и 20 столетий промышленное значение приобрела другая крупная ветвь металлургии — гидрометаллургия. Однако пирометаллургия продолжает сохранять господствующее положение как по масштабам производства, так и по разнообразию процессов.

В начале 20 столетия вместе с пламенными способами нагрева в металлургии начали использоваться разные виды электрического нагрева (дуговой, индукционный и др.); приблизительно в это же время в промышленности был внедрён электролиз расплавленных химических соединений (производство алюминия и других цветных металлов).

Во 2-й половине 20 столетия получили распространение плазменная плавка металлов, зонная плавка и электроогневая плавка. Металлургические процессы, основанные на использовании электрического тока, выделяют в самостоятельную область пирометаллургии — электрометаллургию.