Теоретические основы химического обогащения

Химическое обогащение — область технологии переработки полезных ископаемых по комбинированным схемам, включающим в начале, середине или конце химические процессы. При этом используются следующие процессы:

  • гидрохимические;
  • термохимические;
  • пирометаллургические;
  • хлоридо- и фторидовозгонка;
  • сульфатизирующий;
  • восстановительный;
  • окислительный;
  • сегрегационный обжиг и др.

Наибольшее промышленное применение получили гидрохимические процессы.

Гидрохимические процессы — это процессы извлечения ценных компонентов или удаления вредных примесей из руд и продуктов обогащения путем селективного растворения их водными растворами химических реагентов. При последующем выделении из раствора ценных компонентов получают высококачественные продукты, часто называемые химическими концентратами. При этом выделяют физическое и химическое растворение.

Физическое растворение — это процесс, который протекает без изменения состава растворяемого компонента или полезного ископаемого.

Химическое растворение — это процесс, сопровождаемый изменением химического состава компонентов полезного ископаемого.

Физическое растворение положено в основу геотехнологических способов добычи и переработки растворимых в воде солей: галита, сильвина, бишофита и др. Химическое растворение используется в процессах добычи и переработки металлов, их солей и оксидов. В качестве растворителей выступают кислородные (серная, азотная, фосфорная, сернистая) и бескислородные (соляная, сероводородная) кислоты, водные растворы солей (соды, сернистого натрия, сернокислых солей щелочных металлов). Результатом растворения является образование раствора (применительно к физическому растворению солей — рассола).

В основе процессов химического растворения лежат реакции обмена, окислительно-восстановительные, комплексообразования.

Реакции обмена

лежат в основе взаимодействия оксидов металлов с кислотами, щелочами или растворимыми солями, в результате которых происходит образование легкорастворимых сульфатов, хлоридов, нитратов и других солей, например:

CuO+H2SO4 C11SO4+ Н20;

Fe203+ 6НС1 = 2FeCl3 3H20;

Ge02 2NaOH Na2Ge03 H20;

ЗСиО + 2FeCl3 3H2= ЗСиСЬ + 2Fe(OH)3.

Окислительно-восстановительные реакции

протекают с нарушением химических связей в кристаллической решетке минералов и образованием нового легкорастворимого соединения. Этот процесс протекает за счет окисления катиона металла до состояния высшей валентности, например, при кислотном выщелачивании урановой смолки из руд в присутствии окислителя (пиролюзита):

U3Og4H2S04 Mn02 3U02S04 MnS04 4H20.

Реакции могут протекать и за счет окисления аниона, а также за счет одновременного окисления катиона и аниона.

Реакции комплексообразования обеспечивают получение растворимых соединений металлов и других элементов, когда некомплексные их соединения разлагаются или нерастворимы. Например, при аммиачном выщелачивании самородной меди и ее оксидов из руд протекают следующие реакции:

2Cu02 + nNH3 =2CuO • nNH3;

2Cu2CuO • rcNH3 2Cu2• nNH3;

CuO+2NH4OH (NH4)2C03 Cu(NH3)4C03 3H20;

Cu+Cu(NH3)4C03 Cu2(NH3)4C03.

Для физического и химического растворения характерно наличие трех стадий процесса:

  • подвод растворителя к поверхности минерала;
  • взаимодействие растворителя с минералом;
  • отвод продуктов реакции от поверхности раздела фаз. ,

Определяющей стадией кинетики растворения может быть любая из перечисленных.

Извлечение металлов в раствор при этом может достигать 98—99 % при незначительном растворении (3—5 %) сопутствующих минералов. Увеличение скорости выщелачивания достигается повышением температуры раствора, применением добавок окислителей, восстановителей, бактериальных культур и продуктов их жизнедеятельности, наложением магнитных и электрических полей, виброакустических и других воздействий.

При бактериальном выщелачивании используется способность автотрофных бактерий (Thiobacillus ferrooxidans, Ferroba- cillus thiooxidans и др.) поглощать для своей жизнедеятельности энергию, выделяемую при окислении сульфидов и тиосульфагов металлов, серы, а также при переходе Fe2+ в Fe3+Указанные бактерии содержат вещества, катализирующие эти реакции. В результате образуется H2S04 или соли Fe3+которые можно применять как реагенты для выщелачивания. Наибольшая активность бактерий наблюдается при 30—35 °С.

Различие в химическом и бактериальном процессах заключается в том, что при химическом выщелачивании требуется вводить окислитель в процесс, а при бактериальном он генерируется в самом процессе выщелачивания. Так, например, окисление пирита в водной среде с растворенным кислородом в присутствии бактерий Thiobacillus ferrooxidans может быть представлено суммарной реакцией

2FeS27,5 02p_pH2Бактерии Fe2(S04)3 H2S04.

Реакции окисления сульфидных минералов меди до медного купороса имеют вид

CuS2 02p_p Бактерии CuS04;

Cu2S+ 5 0_р Бактерии 2CuS04Н20.

Многие медные руды содержат молибденит (MoS2), который окисляется бактериями по реакции

MoS2+ 4,5 0_р + ЗН20 Бактерии Н2Мо04 + 2H2S04.

Гетеротрофные бактерии вида Aeromonas интенсифицируют процессы растворения золота, обеспечивая повышение извлечения золота до 82 %.