Гидрометаллургия

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ
Выщелачивание – извлечение целевого продукта из твердого материала. Это происходит при частичном растворении твердой фазы, размер частиц которой, при этом, либо остается практически неизменным – при малом количестве извлекаемого компонента, либо может уменьшаться, если последний находится в заметных количествах.
При химическом взаимодействии, элементы, входящие в состав материала подвергающегося выщелачиванию, переходят в ионное состояние, образуя растворимые соединения. Выщелачивание руд или концентратов происходит легко, если металлы в них находятся в окисленной форме. С этой целью, перед выщелачиванием часто проводят подготовительные операции для окисления металлов: окислительный кислородом воздуха обжиг, обработку хлором, выщелачивание в присутствии окислителя – воздуха, двуокиси марганца. Скорость выщелачивания определяется фактором, влияющим на растворение в гетерогенной системе, образованной раствором и измельченной рудой или концентратом (температура, концентрация химического реагента, тонина помола рудных частиц).
Растворителями для выщелачивания соединений металлов являются преимущественно серная кислота (U, Cu, Zn), иногда азотная, плавиковая кислота, сода (U, Mo, W), едкий натр (глинозем, W), аммиак (Cu, Ni), цианистые соли (Au, Ag), сернистый натрий (Sb, Hg), растворы хлора и хлоридов (благородные металлы, Pb, редкие металлы), тиосульфаты(Au, Ag).
В качестве осадителей применяют цинк (Au, Ag, Pt), железо(Cu), медь(Ag), водород под давлением (H), активированный уголь, ионообменные смолы, для извлечения из водной фазы широко применяют экстрагенты - трибутилфосфат и ди 2-этилгексил-фосфорную кислоту. В процессе отстаивания и разделения жидкой и твердой фаз используют высокомолекулярный водорастворимый продукт - полиакриламид.
Выщелачивание- одноступенчатый процесс, который обычно реализуется периодически или непрерывно в одном баковом реакторе или в их каскаде.
Значительный прогресс в гидрометаллургии, достигнутый в последние десятилетия, обусловлен главным образом разработкой и внедрением новых методов выделения металлов из растворов и пульп, основанных на сорбции ионообменными смолами и жидкостной экстракции. В то же время, операции переведения металлов из рудного сырья в водный раствор (вскрытие, т. е. превращение содержащегося в сырье металла в растворимую форму, и выщелачивание, т. е. избирательное растворение металла) обычно сопряжены с наибольшими энергетическими, материальными и трудовыми затратами и в основном определяют извлечение ценных компонентов в товарные продукты и экономику гидрометаллургического передела в целом.
Внедрение новых эффективных методов выделения металлов из растворов и пульп еще больше увеличивает относительную долю затрат на рассматри­ваемые здесь головные операции гидрометаллургической схемы. Поэтому для дальнейшего повышения экономической эффективности гидрометаллургической переработки руд, концентратов и полупродуктов металлургического производства- в первую очередь необходимо повышать эффективность этих головных операций, что следует отнести к числу важнейших задач развития гидрометаллургии. Решить эти задачи можно в результате интенсификации процессов вскрытия и выщелачивания или разработки новых способов их осуществления.
Пути интенсификации выщелачивания рудного сырья в подавляющем большинстве случаев определяются характером кинетики процесса. Выщелачивание — сложный гетерогенный процесс. Он включает транспорт реагентов из растворов к реагирующей поверхности, химическую реакцию на поверхности и транспорт растворимых продуктов реакции от поверхности в объем раствора. В общем случае стадии транспорта могут включать диффузию через прилегающий к поверхности твердой фазы слой жидкости (внешняя диффузия) и диффузию через оболочку твердых продуктов реакции или через пористый остаточный слой невыщелоченного материала (внутренняя диффузия).
" Если химическая реакция необратима (константа равновесия реакции велика) или протекает в условиях, далеких от равновесия, то концентрация растворимого продукта реакции не будет влиять на скорость выщелачивания. В этом случае, наиболее распространенном в гидрометаллургии, удельная скорость процесса, т. е. скорость, отнесенная к единице реагирующей поверхности (j, моль/см² -мин), описывается уравнением 1

С₀ С₁

J = ------------------- = ---------------------------
₁ ₂ 1 1 1 1
--- + -- + -- -- + -- + --
D₁ D₂ K ₁ ₂ K

где - Со — концентрация реагента в объеме раствора; D₁ и D₂ — коэффициенты диффузии реагента в растворе и в оболочке твердого продукта;

₁ и ₂ толщины внешнедиффузионного слоя и слоя твердого продукта (или «золы»); ₁ == D₁/₁ и ₂ = D₂/₂— коэффициенты массопередачи; К — константа скорости химической реакции.
Величины 1/₁ и 1/₂ называют диффузионными сопротивлениями, а 1/К — химическим сопротивлением.
Таким образом, общее сопротивление процесса выщелачивания складывается из диффузионных и химического сопротивлений [ 1 ]:
1 1 1 1
-- =-- + -- + --
_ ₁ ₂ K
Если сопротивление одной из стадий во много раз больше сопротивлений I, остальных стадий, общая скорость процесса будет определяться («контролироваться») этой стадией. Отсюда следует, что скорость выщелачивания может контролироваться внешней диффузией, внутренней диффузией или скоростью химического взамодействия на реагирующей поверхности. Соответственно этому говорят о протекании процесса во «внешнедиффузионной области», «внутренней диффузионной области» и «кинетической области».
Направления интенсификации выщелачивания определяются контролирующей стадией.
Если химическое взаимодействие на поверхности контакта растворяемого минерала с выщелачивающим раствором протекает достаточно быстро и отсутствуют значительные внутридиффузионные сопротивления, скорость выщелачивания контролируется скоростью внешней диффузии. Это характерно для легковыщелачиваемых руд или в случае проведения процесса при повышенной температуре.
Закономерности процесса выщелачивания, протекающего во внешнедиффузионной области, определяются выражением

D
i =------- C₀=β*C₀ (2)

δ₁

где δ₁ — толщина эффективного диффузионного слоя жидкости, примыкающего к поверхности твердой фазы, в котором перенос ионов или молекул осуществляется преимущественно молекулярной диффузией.

Из выражения (2) следует, что скорость выщелачивания зависит от скорости жидкости относительно поверхности твердых частиц, так как δд=f(v). Известным критерием внешнедиффузионной области выщелачивания является ускорение процесса с повышением интенсивности перемешивания, t. Однако, при выщелачивании измельченного материала увеличение интенсивности перемешивания пульпы лишь в ограниченной степени приводит к ускорению выщелачивания, так как с повышением турбулизации пульпы твердые частицы все в большей степени увлекаются в поток вместе с прилегающим к ним диффузионным слоем и толщина этого слоя не уменьшается. Поэтому.в наиболее распространенных аппаратах для выщелачивания пульпы — реакторах с механическим или пневматическим перемешиванием (пачуках) — нельзя достичь большой относительной скорости жид­кости и свести к минимуму внешнедиффузионное сопротивление.