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 + 3H20 = 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):
U3Og+ 4H2S04 + 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:
2Cu+ 02 + nNH3 =2CuO • nNH3;
2Cu+ 2CuO • rcNH3 = 2Cu20 • 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
2FeS2+ 7,5 02p_p+ H20 Бактерии Fe2(S04)3 + H2S04.
Реакции окисления сульфидных минералов меди до медного купороса имеют вид
CuS+ 2 02p_p Бактерии CuS04;
Cu2S+ 5 02р_р Бактерии 2CuS04+ Н20.
Многие медные руды содержат молибденит (MoS2), который окисляется бактериями по реакции
MoS2+ 4,5 02р_р + ЗН20 Бактерии Н2Мо04 + 2H2S04.
Гетеротрофные бактерии вида Aeromonas интенсифицируют процессы растворения золота, обеспечивая повышение извлечения золота до 82 %.