Гидрометаллургия

ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ (от греч. hydor — вода и metallurgeo — добываю руду, обрабатываю металлы * а. hydrometallurgy; н. Hydrometallurgie; ф. hydrometallurgie; и. hidrometalurgia) — извлечение металлов из руд, концентратов, промежуточных продуктов и отходов различных производств водными растворами главным образом химических реагентов с последующим выделением металлов из растворов.

Впервые способами гидрометаллургии извлекали медь из руд месторождения Рио-Тинто (Испания) в 16 в. Позднее были разработаны и внедрены гидрометаллургические способы получения многих других металлов: платины (1827), никеля (1875), алюминия из бокситов — в России (1892), золота — в Новой Зеландии (1889), цинка — в Канаде и США (1914) и др. Значительный вклад в развитие гидрометаллургии внёс русский учёный П. Р. Багратион, создавший теорию цианирования золота (1843). Русский химик Н. Н. Бекетов обосновал получение металлических порошков водородом под давлением (1870), теорию гидрометаллургии цинка разработал французский химик Л. Летранже (1880), урана — немецкий учёный О. Хёнигшмид (1914). В 20-х гг. в СССР В. Г. Хлопиным разработаны теоретические основы гидрометаллургии радия; в 30-х гг. А. Е. Маковецким, О. А. Есиным, П. И. Федотовым, Ю. В. Баймаковым — гидрометаллургия тяжёлых цветных металлов, И. Н. Плаксиным — гидрометаллургия золота. Значительный вклад в теорию сорбционного и экстракционного процессов внёс советский учёный Б. Н. Ласкорин. В СССР гидрометаллургические методы применяют в производстве Al, Zn, Cu, Ni, Со, Cd, U, редких и драгоценных металлов. За рубежом более 20% производства Cu, 50-70% Zn и Ni, 100% окисей Al и U, металлических Cd, Co и другие основано целиком на гидрометаллургии. Она получает распространение вследствие введения в эксплуатацию труднообогатимых тонковкрапленных руд, дающих низкое извлечение при обогащении, а также замены пирометаллургических процессов, которые из-за значительного количества вредных выбросов в атмосферу в большей степени загрязняют окружающую среду, чем гидрометаллургия. Схемы гидрометаллургии включают ряд основных операций, выбор и последовательность которых обусловлены химически-минералогическими особенностями сырья, возможностью комбинирования с предприятиями химических и других отраслей промышленности и т.п.

После механической обработки руд технологические операции гидрометаллургии выполняются в определенной последовательности: дробление и измельчение (до десятков мкм) с целью максимального раскрытия зёрен минералов, содержащих извлекаемый металл; отмывка мелких частиц ценных минералов или пустой породы и обезвоживание продуктов сгущением или фильтрацией. Для подготовки к выщелачиванию иногда необходимо изменение химического состава руд или концентратов: окислительный, сульфатизирующий, хлорирующий, восстановительный обжиги, спекание или сплавление с реагентами. Эти операции переводят извлекаемые металлы в растворимые соединения. Дисперсные материалы выщелачивают в чанах с механическим или воздушным перемешиванием пульпы (агитационное выщелачивание), песковые и галечные — просасыванием раствора через слой материала в чанах с ложным дном (перколяционное выщелачивание) или орошением сложенных в штабели на водонепроницаемых площадках с дренажными канавами (кучное выщелачивание), подачей растворов реагентов под землю в раздробленную руду и сбор их для переработки (выщелачивание подземное).

Подбором реагентов, их концентраций, температуры достигается избирательный перевод в раствор заданных компонентов. Например, окисленные медные руды, содержащие в качестве основной пустой породы кварц, выщелачивают раствором серной кислоты, а при наличии в руде больших количеств карбонатов — аммиачным раствором. Варьируя условия выщелачивания, получают различные степени окисления металлов, воздействуют на скорость и пределы растворимости их соединений. Так, соли Fe³⁺, Cr³⁺, Al³⁺ при высоких температурах образуют малорастворимые соединения (гидролитическая очистка), а Fe²⁺ , Ni²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺ остаются в растворе; оксиды U (IV) и Mo (IV), в отличие от U (VI) и Mo (VI), малорастворимы; регулируя условия окисления сульфидной серы, можно при выщелачивании получить её в элементарной форме или в виде серной кислоты и её солей. Перевод в раствор основного металла из черновых сплавов производится электролитическим растворением анодов из этих сплавов при одновременном выделении основного металла (Cu, Ni, Pb и др.) на катоде в чистом виде, а электроположительные примеси (Au, Aq, Pt, Bi, Pb, Se, Te, As и др.) концентрируются в анодном шламе. Ускорение выщелачивания и повышение извлечения металла в раствор часто достигаются увеличением температуры — при атмосферном давлении обычно ниже 100°С, при повышенных давлениях (до 8-10 МПа) в автоклавах до 150-300°С. Автоклавное выщелачивание дополнительно ускоряет реакции в сотни и тысячи раз и позволяет совмещать окисление (восстановление) с выщелачиванием продуктов за счёт подачи вместе с пульпой сжатых газов-реагентов (О₂, SO₂, воздуха и др.), что исключает необходимость обжига. Для ускорения подземного и кучного выщелачивания медных, урановых, золотосодержащих и других руд в раствор вводят бактерии, способствующие окислительным процессам (бактериальное выщелачивание).

В некоторых случаях усиление взаимодействия минералов с реагентами достигается дополнительным измельчением до 1-5 мкм и менее (механическое активирование) или нагреванием с последующей закалкой, отжигом (термическое активирование), приводящим к разрушению кристаллической решётки и накоплению в ней дефектов. После отделения металлсодержащего раствора и промывки хвостов на фильтрах или в сгустителях осаждают компоненты, мешающие последующим операциям либо загрязняющие продукт (например, избыток железа в медном электролите увеличивает расход энергии, хотя и не ухудшает состав катодной меди, присутствие Cu, Ge, Co в цинковом электролите исключает выделение цинка на катоде). Очистка растворов от некоторых примесей позволяет сконцентрировать их в осадках и затем извлечь в товарной форме (Со в производстве никеля, Cd в производстве цинка).

При выщелачивании бедного сырья получают разбавленные растворы, непригодные для непосредственного получения товарных металлов по техническим или экономическим причинам. В таких случаях применяют различные способы концентрирования и предварительного разделения металлов из растворов (например, цементация металлическим железом меди с последующей флотацией её — метод Мостовича; из неочищенных растворов, отделённых от хвостов выщелачивания окисленных никелевых руд, никель и кобальт осаждают сероводородом в автоклавах). В производстве урана, меди, золота и других металлов используют концентрирование сорбцией на ионообменных смолах; сорбированные металлсодержащие ионы десорбируются (элюируются) небольшим объёмом элюанта с получением концентрированных растворов. Сорбция может быть совмещена с выщелачиванием (сорбционное выщелачивание), при этом выщелачивание ускоряется. Сорбция непосредственно из пульп позволяет исключить фильтрацию и промывку слабофильтрующихся и несгущающихся хвостов, так как крупнозернистая смола легко отделяется на решётках.

Широкое применение получило концентрирование и разделение металлов жидкостной экстракцией нерастворимыми в воде органическими веществами (экстрагентами) — трибутилфосфатом, аминами, карбоновыми и фосфорорганическими кислотами, оксимами и другими, применяемыми обычно в виде раствора в керосине. Экстракцию и последующую реэкстракцию проводят в аппаратах типа смеситель-отстойник, колонных, центробежных или др. Скорость экстракции значительно выше скорости ионного обмена на твёрдых сорбентах. Выделение из растворов чистых металлов производится электролитическим или химическим восстановлением; в зависимости от условий электролиза металлы получают в компактной форме или в виде порошков; химическое восстановление водородом и другими газами ведут в автоклавах с получением металлов в виде порошков. В ряде случаев гидрометаллургическая схема заканчивается кристаллизацией или осаждением чистого химического соединения металла (например, в производстве алюминия, урана и др.).