Актуальность темы
Переработка низкосортного, неразделяемого традиционными методами селекции сульфидного сырья приводит к возникновению проблем на стадиях обогащения и металлургической переработки - усложнению схем извлечения цветных металлов, что влечет за собой значительные потери ценных компонентов.
Меры, направленные на разработку многостадийных схем обогащения, зачастую не только не приносят желаемого эффекта, но и приводят к повышению энерго- и ресурсоемкости технологий, увеличению циркуляционных объемов полупродуктов отдельных стадий и циклов, низкому извлечению цветных металлов, накоплению неутилизируемых низкосортных коллективных промпродуктов. Все это негативно сказывается на экономических показателях производства.
При флотоселекции полиметаллического сульфидного сырья с целью повышения качества получаемых медных и цинковых концентратов в определенных узлах схемы выводят небольшие объемы труднообогатимых коллективных промпродуктов, представляющих собой сложные неразделяемые сульфидные соединения. Попытки вовлечения подобного сырья в цикл действующего металлургического производства успеха не имели.
Внедрение новых гидрометаллургических технологий, являющихся, по сравнению с традиционными процессами, более перспективными с экологической и экономической точек зрения применительно к данному низкосортному сульфидному сырью, представляется перспективным приемом решения обозначенной проблемы.
Предлагаемая технология азотнокислотного выщелачивания трудновскрываемого полиметаллического сырья позволит не только интенсифицировать процесс, но и повысить извлечение металлов в раствор при малом расходе реагентов.
Цель работы:
Изучение особенностей протекания процесса азотнокислотного выщелачивания полиметаллических сульфидных промпродуктов и дальнейшего постадийного селективного выделения ценных компонентов из образующихся растворов.
Задачи исследований
1. Исследовать основные физико-химические и кинетические особенности протекания процессов вскрытия многокомпонентных сульфидных промпродуктов азотной кислотой с целью перевода меди и цинка в раствор, концентрирования благородных металлов в осадке.
2. Подобрать оптимальные параметры азотнокислотного выщелачивания ценных компонентов из сульфидного сырья.
3. Выявить технологические особенности выделения железа из продуктивных растворов с использованием нитрилтриметиленфосфоновой кислоты (НТФ) и сорбционной очистки от меди на катионите Lewatit Monoplus TP-220.
4. Определить оптимальные условия процесса электроэкстракции меди из полученных растворов с учетом содержания в них нитрат-ионов.
Методы исследований
Исследования выполнены в лабораторных условиях с применением методов математического планирования эксперимента, моделирования, специальных пакетов компьютерных программ управления и сбора данных (HSC Chemistry 6, Statistica 7.0, Microsoft office и др.).
Применены методы потенциометрического титрования (титратор потенциометрический Аквилон АТП-02), потенциодинамические методы (потенциостат IPC - Pro M).
Анализ исходного сульфидного сырья, продуктов и получаемых полу-продуктов проводили с использованием аттестованных методов: спектрофотометрический (AnalytikJena Lambda Specord 250), рентгенофлуоресцентный (Shimadzu EDX-720), рентгенофазовый (Shimadzu XRD-7000C), атомно-абсорбционный анализ (AnalytikJena novAA-300), металлографиче¬ский (микроскоп PZO с компьютерной приставкой Nb-lab), электронно-микроскопический (электронный микроскоп JEM 2100 с приставкой для микроанализа Oxford Inca) и др.
Достоверность полученных результатов базируется на применении аттестованных физико-химических методик анализа при проведении техно-логических исследований в аккредитованной центральной лаборатории ООО «Производственная группа «Цветметтехнология» с использованием сертифицированного аналитического оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты термодинамической оценки реакций, протекающих при азотнокислотном выщелачивании сульфидных промпродуктов.
2. Выбранные оптимальные параметры ведения процесса азотнокислотного выщелачивания коллективных промпродуктов.
3. Кинетические закономерности азотнокислотного растворения основных сульфидов металлов, содержащихся в исследуемом сырье.
4. Параметры и показатели электроэкстракции меди из сульфатно- нитратных растворов.
5. Схема азотнокислотной гидрометаллургической переработки много-компонентных сульфидных промпродуктов.
Научная новизна
Определена вероятность протекания реакций окисления сульфидной серы (Е > 0,9 В) при азотнокислотном выщелачивании коллективных пром-продуктов на основе построения диаграмм Пурбэ.
Получены кинетические характеристики основных сульфидных минералов (порядки реакций: лС11к^2 0,54, и7па= 0,53, иРе82= 0,54; константы скорости процессов растворения: А'С11к^: 2, к7п8= 2,8, кРе82= 5,9), подтверждающие, что скорость процесса лимитируется группой кинетических стадий.
Проведены потенциодинамические исследования электроэкстракции меди из нитратных растворов, позволившие получить новые данные о влиянии состава электролита, плотности тока и температуры процесса на катодную поляризацию меди.
Практическая значимость
С использованием методов математического планирования эксперимента подобраны оптимальные параметры ведения процесса азотнокислотного выщелачивания коллективных промпродуктов, при которых можно обеспечить максимальное извлечение меди и цинка в раствор: соотношение Ж:Т=5; концентрация азотной кислоты 9,85 моль/дм3; продолжительность процесса 120 минут.
Разработаны и апробированы основные операции новой схемы комплексной гидрометаллургической переработки многокомпонентных сульфидных промпродуктов, основанной на азотнокислотном вскрытии полиметаллического сырья с переводом ценных компонентов в раствор и их дальнейшем селективном выделении в товарную продукцию.
Предлагаемая технологическая схема характеризуется отсутствием опасных отходов производства, в том числе выбросов оксидов азота вследствие их улавливания с одновременной регенерацией азотной кислоты.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при переработке схожих с исследуемым сырьем по минералогическому и фазовому составам коллективных низкосортных концентратов и промпродуктов, получаемых на обогатительных предприятиях Урала и Казахстана при пере-работке трудноразделяемых медно-цинковых руд.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы были представлены на:
- XVI Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники, Екатеринбург, 2009;
- Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения», Москва, 2010;
- I Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии». Екатеринбург, 2011;
- VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов», Москва, 2011;
- Международной научно-практической конференции «XXI век: инновационные технологии в металлургии. Проблемы. Перспективы». Усть-Каменогорск, 2012.
Работа отмечена премией конкурса «Молодые учёные 2012» в рамках XVIII Международной промышленной выставки «Металл-Экспо'2012», Москва.
Личный вклад автора
Научно-теоретическое обоснование, постановка и непосредственное участие в проведении лабораторных и технологических исследований, анализе и обобщении полученных результатов при подведении итогов работы, в подготовке научных публикаций.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликованы 4 статьи в журналах, входящих в перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК РФ, а также 5 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, состоящего из 116 наименований, 3 приложений.
Материалы диссертации изложены на 184 страницах машинописного текста, в том числе рисунков - 77, таблиц - 19.
1. Азотнокислотное выщелачивание многокомпонентных сульфидных промпродуктов отличается высоким тепловым эффектом протекающих химических реакций, возможностью утилизации отходящих нитрозных газов с регенерацией азотной кислоты, высокой скоростью окисления сульфидов металлов.
2. Термодинамический анализ показал, что полный перевод сульфидной серы медно-цинкового сырья в сульфатную форму возможен при окислительном потенциале системы более 0,9 В.
3. Методами математического планирования эксперимента установлено, что максимальное извлечение меди и цинка в раствор при азотнокислотном выщелачивании коллективных промпродуктов достигается при соотношении Ж:Т=5, концентрации азотной кислоты 9,85 моль/дм3, продолжительности процесса не менее 2 часов.
4. Наиболее существенными факторами, влияющими на скорость процесса, являются тип сульфида, площадь его поверхности, концентрация азотной кислоты.
Частные порядки реакций взаимодействия пирита, халькопирита и сфалерита с азотной кислотой сопоставимы и равны 0,5; константы скорости процессов растворения определены равными кРе82= 5,9; кСиРе82= 2,0; к2п8= 2,8. Это указывает на то, что скорость процесса лимитируется группой кинетических стадий.
5. При использовании нитрилтриметиленфосфоновой кислоты (НТФ) железо количественно переходит в осадок на 99,6 % в форме Ре3Н3(п1рй)2, со-держащий 14,11 % Ре и 16,40 % Р, который пригоден для получения железо-фосфорной лигатуры.
6. При электроэкстракции меди из смешанных сульфатно-нитратных электролитов (5 стадий, плотность тока 50-200 мА/см2, продолжительность процесса 2-8 ч) осаждали более 99 % меди, ее остаточная концентрация не превышала 120 мг/дм3, выход по току - 92 %, расход электроэнергии 3100 кВт*ч/т катодного осадка.
7. Применение сорбции на катионной смоле РеуаШ Мопор1щ ТР-220 обеспечило селективное извлечение меди из отработанного электролита на 98,15 %.
8. Цинксодержащий раствор может использоваться при выщелачивании вельц-возгонов, тонких пылей, вторичного металлизированного сырья и др. с последующим применением полученных растворов в основном цикле цинкэлектролитного производства.
9. Укрупненно-лабораторные технологические исследования по выщелачиванию сульфидных промпродуктов в азотной кислоте с последующей переработкой получаемого раствора подтвердили ранее установленные показатели ведения процессов разработанной технологической схемы.
Опробованная при проведении технологических исследований схема двухстадийного противоточного выщелачивания позволила увеличить степень извлечения меди и цинка в раствор свыше 99 %.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
