Конспект лекций по курсу «Комбинированные методы обогащения руд» (стр. 11 )

Ионный обмен, который имеет место при сорбции, нельзя отождествлять с адсорбцией. Ионний обмен представляет собой стехиометрическое замещение: на каждый эквивалент поглощенных ионов ионит отдает в раствор эквивалент ионов того же знака, тогда как адсорбция есть лишь избирательное поглощение раст­воренного вещества.

Воздушно-сухие иониты, выпускаемые промышленностью, состоят из твердых гранул или бусин размером от 0,5 до 4 мм. При погружении в воду они набухают. Скорость ионного обмена определяется скоростью диффузии в зерне ионита (в концентри­рованных растворах) или скоростью внешней диффузии через пленку жидкости, примыкающей к поверхности ионита (при низких концентрациях раствора).

В практике наибольшее распространение получила сорбция из осветленных растворов (без твердых частиц сырья) в колон­ках с неподвижным слоем ионита. Однако в целом в ряде отрас­лей применяют безфильтрационную сорбцию металла ионитами прямо из жидкой фазы пульпы. При этом ионит имеет меньшую крупность, чем выщелачиваемый материал (например, соответ­ственно 0,5-1,5 и менее 0,1 мм), что позволяет отделять его пропусканием пульпы через сито соответствующего размера.

Безфильтрационная сорбция удешевляет и упрощает схему ионообменного процесса вследствие исключения предварительно­го фильтрования пульпы. Можно значительно повысить показате­ли гидрометаллургического процесса за счет совмещения ионооб­менной сорбции с выщелачиванием из руды полезных компонентов. Для последующей десорбция металлов из ионитов (элюирование) применяют растворы различных реагентов - нитраты алюминия или натрия, хлористого натрия, аммиака, едкого натрия, угле­кислого натрия, минеральных кислот и др.

Элюаты (растворы после десорбции металла из ионитов) имеют концентрацию металла в 100 раз выше, чем в исходных растворах. Так, например, при концентрации молибдена в ис­ходном растворе 0,2-0,3 г/л получают элюаты с содержанием металла 80-100 г/л, т. е. концентрированные в 30-500 раз. Во многих случаях сорбция металлов характеризуется высокими тех­нологическими показателями. Емкость ионита по урану, напри­мер, составляет 30-50 кг на I м3 смолы в набухшем состоянии, извлечение металла из раствора достигает 98-99,8 %. Еще бо­лее высокая емкость получена по вольфраму и молибдену - до 160 кг на I м3 ионита. Продолжительность использования ионообменных сорбентов во многих случаях определяется посте­пенным снижением их емкости вследствие частичного „отравле­ния" ионитов, образования инертных пленок, разрушения обмен­ных групп, а также за счет неизбежных механических потерь ионитов.

Ионообменная сорбция с использованием ионообменных смол позволяет решать следующие задачи: I) селективно извлекать металлы из бедных растворов и получать более концентрирован­ные растворы извлекаемых металлов; 2) разделять близкие по свойствам редкоземельные элементы (цирконий, гафний и др.); 3) обезвреживать сточные воды, очищая их от различных вред­ных примесей; 4) извлекать металлы из промышленных сточных вод; 5) получать высокочистую и умягченную воду. Ионообменные процессы осуществляют или в ионообменных колоннах или в пачуках с воздушным перемешиванием.

2.1.4 Экстракция

Экстракцией называется процесс, при котором вещество, находящееся в растворителе, извлекается другим раст­ворителем, который не смешивается с первым. Растворитель, в который извлекается вещество из другого растворителя, назы­вается экстрагентом. Экстракция позволяет разделять сложные, многокомпонентные смеси, причем в ряде случаев эффективнее и быстрее, чем другие методы (например, ионообменные). При экстракционном процессе в гидрометаллургии водный раствор со­лей металлов вступает в контакт с малорастворимой в воде ор­ганической жидкостью, извлекающей определенные металлы из исходного раствора. Последующей реэкстракцией снова извле­кают из органической фазы экстрагированный металл в водный раствор. Эффективность экстракционного процесса количествен­но характеризуется коэффициентом распределения извлекаемого металла, который определяется по формуле:

D=Сорг/Свод,

Где Сорг и Свод концентрации металла в органической и водной фазах соответственно. Практически экстракционный процесс может быть применен при коэффициенте распределения металла не менее 0,3.

В качестве экстрагентов используют амины, кётоны, карбоновые кислоты, спирты, эфиры, фосфорсодержащие соединения. Для уменьшения плотности и вязкости экстрагента и снижения его потерь экстрагенты растворяют (разбавляют). В качестве растворителей (разбавителей) используют углеводороды и их хлорпроизводные (чаще всего керосин, лучше гидрированный, смесь керосина с дециловым или октиловым спиртом и др.).

Экстрагенты по характеру действия (определяется структурой молекулы), также как и сорбенты, могут быть катионоактивными, анионоактивными и нейтральными.

Экстрагент должен обладать хорошей экстракционной спо­собностью, селективностью по отношению к извлекаемому метал­лу, малой растворимостью в воде, водных растворах кислот и щелочей, устойчивостью в водных растворах (не окисляться, не восстанавливаться, не гидролизоваться), легко регенериро­ваться с возвращением в цикл экстракции, иметь низкую вяз­кость и плотность, отличную от плотности водного раствора (для лучшего разделения фаз при перемешивании). Кроме того, экстрагент должен быть малолетучим·, нетоксичным, трудновос­пламеняемым (в целях безопасности). Разбавители должна обла­дать низкой вязкостью и плотностью, иметь низкую стоимость и быть безопасными в работе (нетоксичными, не воспламеняемы­ми).

Высокое извлечение или практически полное выделение ме­талла осуществляется при противоточном процессе экстракции, когда эта операция повторяется многократно. В промышленности для экстракции применяют различные аппараты: смесители, от­стойники, колонны с насадкой, тарельчатые колонны с пульса­цией, центробежные экстракторы и др.

Реэкстракцйя металла производится после отделения орга­нической фазы (экстрагента) от водной обработкой ее щелочным или кислым раствором, а иногда только водой. В реэкстракте можно получить концентрацию извлекаемых элементов во много раз выше, чем в исходном растворе, Экстракционные процессы широко используют в урановой промышленности, В настоящее время область их применения расширяется - они используются для извлечения и очистки многих редких и некоторых цветных металлов: никеля, меди, кобальта, тантала, ниобия, рения и др.

Ионный обмен и экстракция могут дополнять друг друга, а иногда конкурировать друг с другом. Применение этих мето­дов позволило ввести в эксплуатацию многие месторождения бедных руд.

2.2 Пирометаллургические операции в комбинированных методах

В комбинированных методах обогащения чаще всего используются следующие пирометаллургические операции: обжиг, плавка и конвертирование.

Обжиг¾высокотемпературный нагрев материала без расплавления. По своим задачам и по атмосфере, создаваемой в обжиговых агрегатах, обжиг бывает: окислительный, восстановительный, сульфатизирующий и хлорирующий. В каждом конкретном случае происходят свои строго определенные фазовые превращения в обжигаемом материале. Например, при окислительном обжиге сульфидных руд и концентратов происходит окисление сульфидов металлов, и перевод их в окислы; при восстановительном¾перевод окисленных соединений металлов в элементарный металл или в соединения, в которых металл находится в более низшей валентности.

Обжиг может осуществляться в трубчатых печах, многоподовых печах и печах кипящего слоя.

Плавка¾нагрев материала до полного расплавления. Плавку обычно проводят в присутствии флюсов, которые обеспечивают требуемый состав образующихся при плавке шлаков и протекание требуемых физико-химических превращений исходного материала.

Плавка проводится в различных металлургических печах: отражательных, шахтных, электродуговых, и др., источником тепла в которых может быть твердое, газообразное или жидкое топливо или электроэнергия.

Конвертирование¾процесс продувания какого либо расплава кислородом воздуха. При этом в расплаве происходят необходимые физико-химические превращения исходного материала.

Осуществляется конвертирование в горизонтальных или вертикальных конвертерах.

2.3 Примеры комбинированных методов обогащения

На рисунке 18 приведена одна из распространенных схем извлечения золота из коренной руды. Как видно из схемы, первой обогатительной операцией является гравитационное обогащение. Оно необходимо, чтобы вывести из процесса крупное золото. Золото тяжелый и ковкий металл, поэтому оно будет аккумулироваться в циркулирующей нагрузке¾мельница-классификатор. В связи с этим на разгрузке мельницы или на песках классификатора устанавливаются гравитационные аппараты (отсадочные машины, концентрационные столы и др.) В получаемых при этом гравиаконцентратах содержание золота составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч граммов на тонну. Дальнейшее извлечение золота из них осуществляется амальгамацией.

Амальгамацией называют процесс извлечения благород­ных металлов из руд и концентратов при помощи жидкой ртути. При амальгамации измельченный золотосодержа­щий материал приводят в контакт со ртутью. Частички зо­лота смачиваются ртутью и коллектируются в ней, образуя амальгаму. Минералы вмещающей породы, цветные метал­лы и железо не смачиваются ртутью и в амальгаму не пе­реходят. Таким образом, в основе процесса лежит способ­ность жидкой ртути селективно смачивать золото с об­разованием амальгамы, которая вследствие своей большой плотности легко может быть отделена от пустой породы.

Процесс амальгамации осуществляется двумя способами: 1)внутренней амальгамацией, которую проводят одновременно с измельчением руды или чаще концентрата внутри самого измельчающего аппарата; 2) внешней амальгамацией, проводимой вне измельчающего прибора (обычно на шлюзах, реже в специальных аппаратах — амальгаматорах).

Наиболее распространенным аппаратом для проведения внутренней амальгамации является амальгамационная бочка (небольшая шаровая мельница периодического действия). Если перед амальгамацией необходимо доизмельчить материал, то ртуть загружают не сразу, а пускают бочку с повышенной скоростью. После доизмельчения материала заливают ртуть, и переводят бочку на вращение с пониженной скоростью во избежание пемзования ртути. Для борьбы с пемзуемостью ртути применяют химические реагенты, например, ксантогенат. Продолжительность предварительного измельчения для более полного вскрытия золота и освежения его поверхности в каждом отдельном случае устанавливают опытным путем. В среднем, на ту и другую операцию затрачивают по 3—4 ч. В амальгамационной бочке размером 800—1200 мм можно переработать 2,5—5 т концентрата в сутки.