способ извлечения металлов

Формула изобретения

Способ извлечения металлов из руд, шламов, уноса, включающий создание пульпы или взвеси, содержащей твердый компонент и жидкий компонент, содержащий выщелачивающий агент, способный реагировать с извлекаемым металлом, подачу газа в пульпу, отделение нерастворимого осадка от раствора, извлечение металлов из полученного раствора, отличающийся тем, что твердый компонент вводят в жидкий компонент в виде высокодисперсного порошка с потоком газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидрометаллургии цветных металлов и предназначено для извлечения ценных компонентов из рудного сырья и преимущественно бедных руд. Изобретение может быть использовано также для получения металлов из нерудных пород, из пылевидных отходов и (или) других промышленных продуктов и материалов, содержащих металлы, их оксиды, сульфиды.

Известны способы переработки продуктов медно-никелевого производства, включающие выщелачивание сернокислотным раствором при нагревании и аэрации, при этом осуществляется перевод никеля, кобальта и меди в раствор, а драгоценных металлов - в твердый осадок. Окислительное выщелачивание ведут в две стадии. Аэрацию проводят воздухом /Патент 2144091, Россия. Опубликован: Б. 2000, N 1, ч. II, с. 407. МКИ C 22 B 3/08.// C 22 B 15:00; 23:00/.

Недостатками этого способа являются:

1) необходимость проведения процесса с применением двух стадий;

2) невысокая степень извлечения металла;

3) применение концентрированных выщелачивающих кислотных агентов, требующих применения приточно-вытяжной вентиляции, необходимой для создания экологически безопасных условий труда.

Известен также способ нейтрального выщелачивания металлов из шламов, руд и промышленных отходов, заключающийся в обработке исходного материала растворами не растворимых в воде хелатообразователей в анионной форме и последующим выведением в осадок образующихся хелатов металлов, причем хелатообразователь содержит в молекуле наряду с образующими лиганды донорными группами также депротонированные группы атомов, а между образующими атомами донорной группы, с одной стороны, и депротонированными атомами, с другой стороны, расположены по меньшей мере четыре атома углерода. Способ отличается тем, что в раствор переведенного в анионную форму хелатообразователя вводят растворимую в воде соль сероводорода или его производного / Заявка ФРГ N 3740680, МКИ C 22 B 3/00. Опубл. 89.06.08/.

Недостатком этого способа является незначительная степень перехода металла в раствор.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ извлечения металлов из пульпы или руд. Создают пульпу частиц руды, содержащую твердый и жидкий компоненты и по меньшей мере один выщелачивающий агент, способный реагировать с извлекаемыми металлами. Жидкий компонент пульпы, содержащий извлекаемые металлы, контактирует с потоком газа для удаления в газ летучих остаточных элементов выщелачивающего агента и летучих продуктов процесса выщелачивания перед извлечением основной части извлекаемых металлов из пульпы. Газ, содержащий удаленный материал, изолируют для последующей рециркуляции. Цветные металлы извлекают. /Патент США N 4992097, МКИ C 22 B 3/00, публ. 91.02.12/.

Недостатками этого способа являются:

1) незначительная степень извлечения металлов из руды;

2) монофункциональное, нерентабельное использование подачи газа (газ не способствует увеличению степени извлечения металла из твердой фазы в жидкую, а только удаляет летучие компоненты процесса выщелачивания).

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процесса за счет увеличения степени извлечения металла из руд, уноса и улучшение экологической обстановки этих производств.

Поставленная задача достигается тем, что для извлечения металлов из руд, уноса создают пульпу или взвесь, содержащую твердый и жидкий компоненты, причем жидкий компонент содержит выщелачивающий агент, способный реагировать с извлекаемым металлом, а для интенсификации процесса и улучшения условий труда высокодисперсный твердый компонент вводят в жидкий компонент с потоком газа.

Новый отличительный признак:

- твердый реагент приводится в контакт с жидкой фазой из газовой фазы, что приводит к увеличению степени извлечения, обусловленного следующими причинами:

- при введении твердой фазы газовым потоком протекает заряжение дисперсных частиц твердой фазы за счет трения частиц в потоке;

- частицы реагента закрепляются на границе раздела жидкость - газ;

- гидродинамическая обстановка на границе раздела позволяет повысить интенсивность конвекции и тем самым насыщать зону реакции реагентов жидкой фазы и более интенсивно отводить полученные продукты реакции; частицы флотируются на пузырьках, а не находятся в объеме;

- в двухфазном потоке происходит механическое взаимодействие твердых частиц, в результате деформации появляются дислокации, которые выходят на поверхность частицы, образуя активные центры.

Перечисленные причины приводят к увеличению химического потенциала реагентов твердой фазы, повышению скорости реакции без увеличения концентрации реагентов, изменяют гидродинамику процесса, что позволяет исключить перемешивание раствора по сравнению с прототипом.

Для осуществления предлагаемого способа высокодисперсные порошки руд, пылевидного уноса или отходов промышленных материалов, содержащих металлы, оксиды, сульфиды металлов вместе с потоком воздуха подают в реакционную ванну, содержащую раствор органического лиганда в органическом растворителе. Вследствие реакции комплексообразования нульвалентных металлов, оксидов или сульфидов металлов с органическим лигандом образуются хелатные комплексные соединения. Концентрацию этих соединений контролируют через 20 мин спектрометрическим измерением оптической плотности растворов на ЛМФ-79. С помощью калибровочных графиков определяют кинетику накопления комплексных соединений и степень растворения твердой фазы. Степень извлечения металла определяли взвешиванием промытого и высушенного осадка. Параллельно проводят опыт с загрузкой высокодисперсных порошков, содержащих металлы, сульфиды или оксиды, непосредственно в ванну, содержащую органический лиганд в неводном растворителе, и аналогично определяют кинетику процесса комплексообразования и степень извлечения при перемешивании механической мешалкой твердой и жидкой фазы. Для создания равных экспериментальных условий и насыщения кислородом жидкой фазы последнюю барботируют воздухом, в котором отсутствуют частицы твердого реагента (прототип).

Пример 1

1 г порошка пылевидных отходов абразивной обработки металлов с содержанием меди 0,192 г при температуре 28^oC подают с потоком воздуха в раствор салицилальанилина (C₁₃H₁₁NO) формулы I

, (I)

в диметилформамиде (C₄H₉NO) формулы II

. (II)

Дисперсность порошка 160 мкм. Концентрация салицилальанилина 0,1 моль/л, объем раствора 60 мл. Скорость подачи воздуха 4 л/мин, размер пузыря 8 мм, глубина всплывания пузыря 10 см, скорость подачи твердой фазы 0,008 г/мин. Пульпу в течение 2 ч перемешивают воздухом и оставляют на 12 ч, после чего нерастворимый осадок отделяют от раствора фильтрованием. Масса промытого и высушенного осадка 0,819 г, т. е. в раствор перешло 0,181 г металла, что составляет 94,3% от массы общего содержания меди в образце. Степень извлечения меди в прототипе составляет 10,5%. Из фильтрата отгоняют растворитель, кристаллы комплекса нагревают до 190^oC с целью выделения металла в высокодисперсном состоянии. В процессе двухчасового перемешивания пульпы воздухом с пылевыми отходами каждые 20 мин замеряют концентрацию образующегося салицилальанилината меди ((C₁₃H₁₀NO)₂Cu). По графику зависимости концентрации в функции времени рассчитывают скорость растворения твердой фазы и соответственно скорость образования комплексного соединения, которая оказалась равной 50,110^-7 моль/(см²ч). Скорость растворения меди по способу, описанному в прототипе, при перемешивании 200 об/мин - 5,5710^-7 моль/(см²ч). При этом увеличение скорости растворения меди предлагаемым способом по сравнению с прототипом составляет 7,16 раз.

Пример 2

Порошок обогащения халькопирита, содержащий 29% CuS со средним размером зерна 5 мкм массой 1 г, вводят с потоком воздуха по 0,008 г/мин в 0,1 моль/л раствор салицилальанилина в диметилформамиде при температуре 16^oC. Глубина всплывания пузыря 10 см, диаметр пузырей 8 мм, скорость расхода воздуха 4 л/мин. Процесс ведут 1 час, затем осадок отфильтровывают. Масса промытого и высушенного осадка - 0,722 г, т.е. в раствор перешло 96,6% металла от массы общего содержания его в образце. Степень извлечения металла в прототипе составляет 43,7%. Скорость донорно-акцепторного взаимодействия сульфида меди с лигандом составила 5,710^-6 моль/(см²ч). Скорость данного процесса в прототипе составила 2,5910^-6 моль/(см²ч), что свидетельствует об увеличении скорости в заявляемом способе в 2,2 раза.

Пример 3

1 г пылевидного порошка производства ванадиевых бронз, содержащего 15% V₂O₃ со средней дисперсностью порошка 60 мкм, вводили по 0,008 г в мин в 0,1 моль/л раствор салицилальанилина в диметилформамиде при температуре 28^oC с воздушным потоком. Глубина всплывания пузыря 10 см, диаметр газовых пузырей 8 мм, расход воздуха 4 л/мин. Объем жидкой фазы 60 мл. Процесс ведут 2 ч. Остаток отфильтровывают, промывают и сушат. Масса осадка 0,964 г. Степень извлечения металла - 90,6%, в прототипе - 46,4%. Скорость растворения оксида ванадия (III) составляет 910^-6 моль/(см²ч). Скорость растворения оксида ванадия (III) по способу, описанному в прототипе, - 4,610^-6 моль/(см²ч), что свидетельствует об увеличении скорости реакции в 1,95 раз.

Пример 4

1 г пылевидного порошка производства ванадиевых бронз, содержащего 12,4% VO₂ со средней дисперсностью порошка 100 мкм, вводят с потоком воздуха по 0,008 г в минуту в 0,1 М раствор салицилальанилина в ацетонитриле при температуре 12^oC. Глубина всплывания пузыря 10 см, диаметр пузыря 0,5 см, скорость расхода воздуха 4 л/мин. Процесс ведут в течение трех часов. Раствор фильтруют. Осадок промывают. Масса высушенного осадка 0,883 г, т.е. в раствор перешло 0,117 г металла, что составляет 94,3% от массы общего содержания его в образце. Степень извлечения металла по способу прототипа - 45,1%. Скорость донорно-акцепторного взаимодействия VO₂ с салицилальанилином при введении твердого реагента в контакт с жидкой фазой из пузыря воздуха составляет 8,9910^-6 моль/(см²ч). Скорость в прототипе 4,2810^-6 моль/(см²ч). Наблюдаемое увеличение скорости по сравнению с прототипом в 2,1 раз.

Из приведенных примеров видно, что для исследуемых образцов, содержащих как металлы, так и их оксиды и сульфиды, наблюдается существенное увеличение степени извлечения металлов. Таким образом, предлагаемый метод извлечения металлов обладает преимуществами по сравнению с известными (см. таблицу).

Процесс селективен: железо и р-металлы остаются в осадке, а извлекаются металлы переходного ряда.

В сырьевом материале сульфидных руд содержится 5-7 мас.% мышьяка водно-растворимой формы. Известный способ предусматривает электровыщелачивание пульпы, при котором происходит восстановление водорода на катоде, что приводит к образованию сильно ядовитого мышьяковистого водорода - арсина. В технологической схеме предлагаемого способа процесса электролиза или цементации не предусмотрено, тем самым предотвращается возможность выделения ядовитых газов. Мышьяк остается в нерастворимом осадке. При этом отпадает необходимость использования агрессивных выщелачивающих реагентов.

Преимуществом предлагаемого метода является упрощение аппаратурного оформления процесса. Ликвидируются дозатор, мешалка. Высокодисперсный твердый реагент засасывается в газовый поток путем создаваемого разрежения, и запыленная газом пульпа интенсивно аэрируется.

Отличительная особенность предлагаемого способа - возможность проведения процесса без нагревания.

Как видно из приведенных примеров, заявленный способ подачи твердого реагента в жидкую фазу повышает скорость взаимодействия твердой фазы с реагентом в жидкой фазе в среднем в 3 раза.

Общая причина процесса интенсификации химической реакции между твердым телом и жидкостью вследствие барботажа газом с запыленным реагентом - повышение химического потенциала. Кроме того, необходимо учитывать высокую скорость вращения частицы (до 0,5 млн. оборотов в минуту), входящей в жидкую фазу. В результате чего резко усиливается массообмен.

Имеет место двухфазный поток (твердые частицы - газ), в котором частицы трутся друг о друга, о стенки трубопровода (сосуды) и заряжаются (явление трибоэлектричества).

Вследствие соударений частиц друг с другом и о стенки сосуда происходит образование дислокаций, имеющих тенденцию выходить на поверхность. Таким образом дислокации, вышедшие на поверхность частицы, образуют активные центры.

В процессе реакции частицы находятся на границе раздела жидкость - газ на поверхности всплывающего пузыря, образуя трехфазный периметр смачивания. Это приводит к увеличению скорости реакции, т.к. частица находится в области границы раздела двух фаз, химический потенциал частиц в которой выше, чем в объеме, согласно уравнению Гюгенгейма:

₁= +zF,

где - химический потенциал частицы, ₁ - химический потенциал частицы в газовом потоке, z - число электронов, присоединенных частицей, F - постоянная Фарадея, - потенциал частицы, приобретаемый в потоке (А.И. Русанов. Фазовые равновесия и поверхностные явления. Изд. Химия, Ленинградское отд., 1967. - 388 с.).

Суммарная фазовая граница поверхности гетерогенной системы возрастает вследствие того, что заряженные частицы, обладающие одноименным зарядом, разлетаются по поверхности газового пузыря.

Предлагаемый способ увеличивает скорость взаимодействия в гетерогенной системе, лимитируемой как диффузионной стадией процесса, так и стадией с замедленным химическим актом реакции.

Усовершенствование гидрометаллургических методов извлечения ценных компонентов из рудного сырья позволит значительно уменьшить загрязнения окружающей среды, характерные для пирометаллургических методов, и увеличить степень извлечения таких компонентов.