ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ
(от
гидро... и металлургия), извлечение металлов из руд, концентратов
и отходов различных произ-в водными растворами хим. реагентов с последующим
выделением металлов из растворов.
На
возможность применения гидроме-таллургич. процессов для извлечения металлов
из руд указывал М. В. Ломоносов (1763). Значит, вклад в развитие Г. внёс
русский учёный П. Р. Багратион, создавший теорию цианирования
золота (1843). В нач. 20 в. пром. значение приобрела Г. меди. Позднее
были разработаны гидрометаллургич. способы получения мн. др. металлов.
Г.
включает ряд осн. технологич. операций, выполняемых в определённой последовательности.
Механич. обработка руды - дробление и измельчение с целью полного или частичного
раскрытия зёрен минералов, содержащих извлекаемый металл. Изменение хим.
состава руды или концентрата для подготовки их к выщелачиванию-хлорирующий,
окислит., сульфатизирующий или восстановит, обжиг, спекание. Цель - разложение
хим. соединений извлекаемого металла и перевод их в растворимую форму.
Выщелачивание - перевод извлекаемого металла в водный раствор. Эта операция
иногда осуществляется попутно в процессе мокрого измельчения (в мельницах,
классификаторах) или в спец. аппаратуре (чаны для выщелачивания, автоклавы).
Отделение металлосодержащего раствора от измельчённого материала обезвоживанием
и промывкой в сгустителях, на фильтрах. Подготовка растворов к выделению
из них соединений или металлов отделением взвешенных частиц (осветление)
или хим. осаждением сопутствующих металлов и примесей. Осаждение металлов
или их соединений из растворов электролизом (медь, цинк и др.), восстановлением
более электроотрицат. металлом - цементацией (медь, серебро, золото
и др.), сорбцией ионообменными смолами или углем, жидкостной экстракцией
соединений металла орга-нич. растворителями с последующей ре-экстракцией
в водный раствор и осаждением из него чистого металла или хим. соединения.
Переработка осадка с целью дальнейшей очистки выделенного соединения или
чернового металла или непосредств. получение готового товарного металла
может осуществляться: перекристаллизацией, возгонкой, прокаливанием, переплавкой,
электролизом из водных или расплавленных сред.
При
хим. взаимодействии металла с растворителем нейтральный атом металла переходит
в ионное состояние, образуя растворимое соединение. Растворение происходит
легко в случае выщелачивания руд или концентратов, в к-рых металл присутствует
в окисленной (ионной) форме. Примером могут служить окисленные медные и
урановые руды, обожжённые цинковые концентраты, продукты хлорирующего обжига.
В нек-рых случаях для извлечения металла растворителем необходимо предварит,
окисление кислородом или др. окислителем (напр., при содовом выщелачивании
руд, содержащих 4-валентный уран, для перевода последнего в 6-валентный).
При растворении металлов (самородных или восстановленных) неизбежно окисление
их для перехода в ионное состояние. Окисление металла с одноврем. ионизацией
окислителя (напр., растворённого в воде молекулярного кислорода) в случае
более благородных металлов термодинамически возможно лишь при затрате энергии,
к-рая, напр., может быть получена при образовании комплексного иона (цианирование
золота и серебра, аммиачное выщелачивание металлич. меди, никеля).
Растворение
минералов с различными видами хим. связи в кристаллич. решётке (ковалентная,
металлическая, ионная) характерно для выщелачивания сульфидов, арсенидов,
селенидов, теллуридов. Растворение этих минералов, если предварительно
не проведён окислит, обжиг, в большинстве случаев также требует окисления
в пульпе, напр, при аммиачном выщелачивании медно-никелевых сульфидных
руд в автоклаве под давлением кислорода или воздуха. Перенос растворителя
и удаление продуктов реакции происходит в объёме раствора конвекцией (турбулентной
диффузией), а в слое на границе с минералом - молекулярной (тепловой) диффузией.
Обычно реакция, происходящая при гидрометаллургич. извлечении, находится
в диффузионной области; определяющим фактором является скорость диффузии
вещества, лимитирующая течение реакции. Возрастание скорости растворения
минерала происходит при увеличении его относит, поверхности (т. е. степени
измельчения), при ускорении перемешивания и при повышении темп-ры.
Форма
поверхности и размер частиц растворяемого минерала определяют функциональную
зависимость количества растворившегося металла от времени контакта с раствором;
поэтому они влияют на степень извлечения и на объём аппаратов для выщелачивания.
Растворителями
для выщелачивания соединений является преим. серная к-та (ванадий, медь,
цинк), сода (ванадий в карбонатных рудах, молибден, вольфрам), едкий натр
(глинозём, вольфрам), аммиак (медь, никель), цианистые соли (золото, серебро),
сернистый натрий (сурьма, ртуть), растворы хлора и хлоридов (благородные
металлы, свинец, редкие металлы), тиосульфаты (золото, серебро).
Для
жидкостной экстракции применяют различные соединения (напр., раствор трибутилфосфата
и ди-2-этилгексилфосфата в керосине и др.). После экстракции очищенное
соединение металла извлекается из органич. растворителя водным раствором,
часто с добавкой к-ты или др. реагента. Из раствора металлы осаждаются
методом цементации или углем, или водородом под давлением. Применяются
также аниониты или катиониты. После сорбции соединение металла снимается
растворителем с ионита и последний подвергается регенерации.
При
больших масштабах гидрометаллургич. произ-ва (напр., при выщелачивании
меди из окисленных крупнокусковых руд) обработка иногда осуществляется
орошением штабелей руды слабыми растворами серной к-ты. Медьсодержащие
растворы дренируются в сборные резервуары, а затем в цементаторы. Для дроблёных
и рассортированных Песковых фракций руд (напр., золотых) применяется просачивание
раствора в чанах через слой хорошо фильтрующей загрузки.
Для
интенсификации этого процесса раствор иногда предварительно насыщают воздухом,
создают вакуум под фильтрующим днищем. Для выщелачивания тонкоизмельчённого
материала применяют чаны для перемешивания (механич., пневматич. и пневмомеханич.)
пульпы. Для непрерывного выщелачивания обычно их соединяют последовательно.
Иногда
возможны комбиниров. схемы выщелачивания: зернистого классифици-ров. материала
- просачиванием, отделённого мелкого материала (шлама) - перемешиванием.
В отд. случаях возможно и другое аппаратурное оформление выщелачивания,
например в автоклавах непрерывного и периодического действия. Выщелачивание
кислыми растворами производится в стальной гуммированной, керамич. или
др. кислотоупорной аппаратуре; для щелочных растворов пригодна стальная,
иногда деревянная аппаратура. Методы жидкостной экстракции или дополняют
выщелачивание, или применяются для непосредств. извлечения соединений металлов
из руд. Экстракция производится по принципу противотока в экстракционных
колонках (экстракт и отходящий раствор непрерывно удаляют в разных направлениях).
Обезвоживание и промывка производятся в сгустителях (греоковые с центральным
и периферич. приводом, многоярусные) и фильтрах (вакуум-фильтры и фильтр-прессы
непрерывного и периодич. действия). Осаждение из растворов производится
в аппаратах, конструкция к-рых зависит от осадителя. Для химических (растворимых)
осадителей применяют реакторы и фильтры. Порошкообразные осадители (цинковая,
алюминиевая пыль) вводятся в смесители с раствором, осаждение затем может
продолжаться внутри перекачивающего насоса, в трубопроводе и через слой
осадителя на фильтре. Можно осаждать металл или его соединения в самой
пульпе (напр., погружением в пульпу сетчатых корзин с ионитом). Порошковые
осадители после контакта с раствором можно выделять флотацией. Осаждение
кусковыми осадителями (железо для меди, цинковая стружка или уголь для
золота) производят в желобах или ящиках с перегородками для зигзагообразного
движения раствора вверх и вниз через слой осадителя. Возможно выделение
примесей (напр., железа) гидролизом из очищенного раствора с последующим
получением основного металла (напр., цинка) осаждением на катоде электролизом
с нерастворимыми анодами. См. также Благородные металлы.
Лит.: Основы
металлургии, т. 1 - 5, М., 1961 - 68; Автоклавные процессы в цветной металлургии,
М., 1969; В ur kin A. R., The chemistry of hydrometallurgical processes,
L., 1966; H abas hi F., Principles of extractive metallurgy, v. 1-2, N.
Y. -L. -P., 1969-70.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я