Изучение процесса окислительного разложения сульфидного золотосодержащего концентрата

Лабораторная работа № 2

Изучение процесса окислительного разложения сульфидного золотосодержащего концентрата

Цель работы

изучение процессов разложения сульфидных минералов – носителей золота в упорных золотосодержащих концентратах для подготовки материалов к последующей операции выщелачивания золота

Задачи работы

- изучить способы кондиционирования золотосодержащих сульфидных концентратов;

- произвести опытное выщелачивание сульфидного золотосодержащего концентрата в кислой среде без окислителя и с введением в систему окислителя

- определить выходы и составы полученных продуктов выщелачивания

Теоретические сведения

Подготовка упорных руд и концентратов к цианированию (кондиционирование)

Для кондиционирования золотосодержащих упорных руд, в основном арсенопиритных, разработаны различные методы. Наиболее широко используют биологическое окисление и окислительную обработку под давлением. На части предприятий продолжают применять традиционный окислительный обжиг.

Наибольшее внимание уделяется переработке углистых руд и гравитационных концентратов. Это обусловлено выявлением значительных запасов руд, содержащих природные сорбенты золота и серебра, а также невозможностью применения цианистого процесса в традиционном исполнении для растворения крупного золота, содержащегося в гравитационных концентратах.

Окислительный обжиг

Окислительный одно- и двухстадиальный обжиг имеет целью разложение сульфидных минералов в условиях высоких температур в присутствии в качестве реагента-окислителя кислорода воздуха. В результате обжига достигается высокая степень разложения сульфидных минералов с выделением серы и мышьяка в виде газообразных соединений – сернистого газа и оксида мышьяка. При этом железо и цветные металлы в огарке присутствуют в виде соответствующих оксидов, характеризующихся пористой структурой. Подробно процессы окислительного и дистилляционного обжига были рассмотрены в лабораторной работе № 1.

Автоклавное окислительное выщелачивание

Развитие этого способа кондиционирования упорных руд обусловлено двумя причинами: установлением новых норм ПДК на содержание диоксида серы и триоксида мышьяка в атмосфере и большим извлечением золота (по сравнению с обжигом) при последующем цианировании.

В условиях автоклавного окисления 60 - 95 % железа переводится в форму основного сульфата или в виде ярозита. Значительная часть мышьяка переосаждается в виде стабильного арсената железа FeAsО₄.

В применении к золотосодержащему сырью, интересны два возможных варианта такого рода технологии.

- автоклавное вскрытие (окисление) сульфидов с сохранением золота и серебра в нерастворенном остатке, из которого их легко извлечь цианированием или амальгамацией.

- автоклавное кислородно-аммиачное выщелачивание, в котором процесс вскрытия золотосодержащих сульфидов совмещен во времени и аппаратуре с процессом растворения золота. Разложение сульфидов под давлением кислорода может осуществляться в водной, щелочной (NaOH) и кислой (H₂SO₄) среде.

Сущность автоклавно-кислородного процесса в водной или кислой среде заключается в следующем Пульпу, содержащую сульфиды, нагревают в автоклаве до температуры 120–130° С под давлением воздуха или кислорода, превосходящем упругость пара растворов. Сульфиды окисляются с образованием сульфатов, арсенатов, серной и мышьяковой кислоты и элементарной серы.

Установлено, что образованию элементарной серы по реакции:

FeS₂ + 2О₂ = FeSО₄ + S°

Способствует высокая кислотность (выщелачивание в кислых средах) и низкие температуры. Напротив, низкая кислотность (выщелачивание в водной среде) и высокие температуры приводят в основном к образованию серной кислоты:

2FeS₂ + 7О₂ + 2Н₂О = 2FeSО₄ + 2H₂SО₄.

Дополнительной причиной образования элементной серы может явиться взаимодействие пирита с возможным продуктом его окисления — сульфатом трехвалентного железа:

FeS₂ + Fe₂ (SО₄)₃ = 3FeSО₄ + 2S°.

Оптимальными условиями автоклавного окисления пирита считают температуру 200° С и давление кислорода 3,2 МПа.

Процесс окисления пирротина Fe_nS_n+1 в водных растворах протекает в значительно более мягких условиях. Полное окисление его достигается уже при температуре 110–115° С и парциальном давлении кислорода до 1 МПа. При этом конечным продуктом реакции может быть элементарная сера и окись железа:

4Fe_nS_n+1 + 3nО₂ = 2n Fe₂O₃ + 4 (n + 1) S°.

При окислении троилита FeS выход элементарной серы в сильнокислой среде может достигать 90%:

FeS + 3О₂ = 2 Fe₂O₃ + 4S°.

Арсенопирит довольно энергично окисляется при температуре 150° С. В отличие от других окисление арсенопирита сопровождается образованием, наряду с отмеченными продуктами, мышьяковой кислоты H₃AsО₄. Выделяющиеся сульфаты железа могут взаимодействовать с мышьяковой кислотой с образованием нерастворимых арсенатов железа.

Таким образом, при температуре 130–340° С и давлении кислорода, превышающем упругость паров раствора, часть мышьяка и большая часть железа переходят в нерастворимую форму и остаются в твердом остатке. Одновременно ценные металлы и, в частности, золото, первоначально физически и химически ассоциированные с железистыми сульфидами, вскрываются, т. е. становятся доступными воздействию растворителя (цианида).

Следует подчеркнуть, что образование элементной серы при осуществлении автоклавно-кислородного процесса вскрытия золотосодержащих сульфидов в водной и сернокислой средах – один из основных факторов, снижающих эффективность этого метода. Ведение процесса выше 120° С (что необходимо для полного разложения пирита и арсенопирита), неизбежно связано с расплавлением элементарной серы, температура плавления которой для моноклинной модификации 119° С и ромбической модификации – 112° С. Расплавленная сера покрывает поверхность зерен сульфидов, препятствуя их дальнейшему окислению. В результате этого, снижается степень разложения сульфидов, и, следовательно, степень вскрытия золота, связанного с ним.

Отмеченные выше недостатки автоклавно-кислородного вскрытия сульфидов в значительной мере устраняются при осуществлении процесса в щелочных растворах (например, NaOH). Установлено, что кеки щелочного разложения золотосодержащих сульфидов благоприятный материал для цианирования, вследствие достижения полного вскрытия металла, разрушения пленок на золотинах, а также полного перевода мышьяка в щелочной раствор в виде арсената натрия Na₃AsО₄. Таким образом, данный процесс можно рассматривать как гидрометаллургическую селекцию золота и мышьяка в коллективных мышьяковопиритных концентратах. Полученный раствор арсената натрия можно использовать для извлечения мышьяка в товарную продукцию, например арсенат кальция, с одновременной регенерацией щелочи, связанной в арсенате натрия:

2Na₃AsО₄ + 3Са(ОН)₂ = Са₃(AsO₄)₂ + 6NaOH.

Отрицательный момент автоклавно-щелочного выщелачивания – весьма высокий расход щелочи (до 820 кг NaOH на 1 т концентрата), значительная часть которой связывается в прочный сульфат Na₂SО₄ и не регенерируется простыми способами.

Одна из разновидностей автоклавно-щелочного процесса — аммиачное выщелачивание. Установлено, что в избытке аммиака простые сульфиды тяжелых металлов дают растворимые (сульфаты) или нерастворимые (гидраты окислов) соединения. Сложные сульфиды (арсенопирит, халькопирит), окисляясь кислородом, распадаются на составные части, одни из которых растворяются в аммиаке (медь, никель), а другие образуют нерастворимые соединения (железо).

Важными технологическими параметрами контроля за процессом являются температура, парциальное давление кислорода, время выдержки в автоклаве и окислительно-восстановительный (редокс) потенциал.

Первые 3 параметра влияют на скорость окисления сульфидов, в то время как редокс-потенциал используют для определения степени окисления. Температура в автоклавах поддерживается на уровне от 180 до 225 °С, а парциальное давление кислорода от 200 до 550 кПа. При этих условиях время нахождения в автоклаве составляет 1–2 ч для пиритных и арсенопиритных упорных руд и концентратов.

Четырехсекционный горизонтальный автоклав, футерованный кирпичом и свинцом: 1 – перемешивающее устройство; 2 – перегородка между секциями; 3 – погружная труба; 4 – блок обслуживания; 5 – люки; 6 – двигатель; 7 – вал мешалки

Бактериальное выщелачивание

В 30-х гг. XX в. американские микробиологи заметили, что окисление железа в кислых рудничных водах идет более интенсивно и предположили, что этот процесс связан с деятельностью какого-то вида микроорганизмов.

Этот вид серобактерий, способных окислять двухвалентное железо, был обнаружен впервые в кислых водах битуминозных угольных шахт США, а затем в кислых водах медного карьера Биндхэм (шт. Юта, США). Эти же бактерии впоследствии были обнаружены на руднике Рио-Тинто в Испании.

После изучения свойств микроорганизмов, способных окислять не только двухвалентное железо, но и тиосульфат и серу, они были отнесены к роду Thiobacillus, а по способности окислять железо (II) получили название Thiobacillus ferrooxidans (Т. ferrooxidans – тионовые железоокисляющие) по аналогии с известными бактериями Thiobacillus thiooxidans (тионовые сероокисляющие).

Эти тионовые микроорганизмы являются аэробами, т. е. способными жить и развиваться только при наличии свободного кислорода. Для жизнедеятельности они используют энергию реакций окисления, протекающих с поглощением свободного кислорода, и обладают окислительным типом обмена веществ (метаболизма).

Наиболее важными свойствами тионовых микроорганизмов с точки зрения гидрометаллургических процессов является их способность принимать участие в окислении сульфидных минералов и регенерации химических окислителей. Получаемая при окислении энергия используется бактериями для ассимиляции углерода и построения клеточного тела.

Строение клетки Т. ferrooxidans: 1 – слизистая капсула; 2 – клеточная защитная стенка; 3 – мезосомы (внутренние мембраны); 4 – клеточная (внешняя) мембрана; 5– цитоплазма; 6– нуклеоид; 7 – рибосома; 8 – жгутик

Наиболее легко используемым источником энергии для железоокисляющих бактерий является железо (II), которое в кислой среде окисляется:

По современным представлениям окисление сульфидного минерала осуществляется совокупностью прямого и косвенного механизмами окисления. Механизм прямого окисления: бактерии напрямую окисляют минерал биологически без необходимости для содержащих трехвалентное железо или железистых ионов:

Арсенопирит:

2FeAsS+7O₂+H₂SO₄+2H₂O ® 2H ₃AsO₄+Fe₂(SO₄)₃

Пирит:

4FeS₂+15O₂+2H₂O ® 2Fe₂(SO₄)₃+2H₂SO₄

Косвенный механизм: бактерии окисляют ионы двухвалентного железа в растворе до ионов трехвалентного железа, и ионы трехвалентного железа выщелачивают минерал:

Образование трехвалентного железа:

4FeSO₄+2H₂SO₄+O₂ ® 2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O

Химическое выщелачивание ионами Fe³⁺:

FeS₂+Fe₂(SO₄)₃ ® 3FeSO₄ + 2S°

Кислотное растворение карбоната:

2CaCO₃+2H₂SO₄ ® 2CaSO₄^.0.5H₂O+2CO₂+H₂O (21)

Кроме источников энергии, бактериям для развития необходимы азот и фосфор, которые они получают из питательной среды и от которых зависят их активность и скорость окисления железа. Оптимальным рН для развития бактерий считается 1,7–2,4, оптимальной температурой для развития и жизнедеятельности микроорганизмов считается 28–30 °С.

Скорость биологического окисления зависит от типа сульфидных минералов. Так, например, арсенопирит окисляется бактериями быстрее, чем пирит, а пирит, в свою очередь, – быстрее, чем марказит.

Бактериальное окисление в чановом варианте предпочтительнее для обработки руд, в которых золото ассоциировано с более быстро окисляющимися сульфидами. Время обработки в этом случае составляет 24–30 ч.

Другим технологическим вариантом бактериального окисления является кучное выщелачивание с использованием специально подготовленных площадок, на которых дробленая руда подвергается обработке в течение нескольких месяцев.

Используемые приборы, реагенты и материалы

Технические весы, аналитические весы, магнитная мешалка с подогревом, трубчатая печь с автоматическим регулятором температурного режима, вакуумный насос, титровальная установка, стаканы термостойкие объемом 300 мл, склянки Дрекселя, фарфоровые чашки для сушки осадков, фарфоровые или алундовые лодочки для обжига проб, фарфоровая ступка с пестиком, сульфидный золотосодержащий концентрат (состав приведен в лабораторной работе № 1), раствор серной кислоты концентрацией 100 г/дм³, натрий азотнокислый безводный (натриевая селитра), раствор перекиси водорода 0,5 %, раствор кальцинированной соды 0,1Н, индикатор метилоранж.

Порядок выполнения работы

1. Взвешивают две навески золотосодержащего сульфидного концентрата по 10 г.

2. В термостойкие стаканы емкостью по 300 мл наливают по 100 мл раствора серной кислоты концентрацией 100 г/дм³, ставят стаканы на магнитные мешалки и нагревают до температуры 70 °С.

3. Включают перемешивание на скорость 500 об/мин и аккуратно высыпают навески концентрата в каждый стакан.

4. Стаканы накрывают крышками и осуществляют перемешивание пульп в течение 20 минут.

5. По истечении заданного времени, перемешивание в одном стакане останавливают, стакан снимают с мешалки.

6. Во второй стакан, не выключая перемешивание аккуратно высыпают навеску натриевой селитры массой 3 г и продолжают перемешивать в течение 20 мин.

7. По истечении заданного времени, перемешивание останавливают, стакан снимают с мешалки.

8. Пульпы из обоих стаканов направляют на фильтрацию с промывкой осадков горячей водой. Осадки переносят в фарфоровые чашки и сушат в сушильном шкафу при температуре не более 100 °С. Растворы переливают в стаканы и доводят объем до 300 мл.

9. Высушенные осади взвешивают, усредняют в ступках и отбирают пробы массой по 1 г для анализа на содержание элементной и сульфидной серы.

10. Растворы анализируют на содержание серной кислоты.

Анализ растворов на содержание серной кислоты

1. Из стакана, в котором содержится 300 мл раствора отбирают пробу объемом 1 мл и помещают в коническую колбу.

2. Добавляют в колбу 30 мл дистиллированной воды и титруют полученный раствор 0,1 Н раствором кальцинированной соды.

3. Процедуру титрования повторяют три раза.

4. Для расчета количества серной кислоты берут среднее значение объема соды, пошедшей на титрование.

Анализ осадка на содержание элементной серы

1. Навеску осадка массой 1 г высыпают в алундовую лодочку и равномерно распределяют.

2. Лодочку помещают в рабочую зону трубчатой печи, закрывают пробкой входное отверстие для воздуха с целью исключения доступа в поверхности материала окислителя.

3. К выходному отверстию рабочего пространства подсоединяют систему уловителей (склянки Дрекселя), в которых находится 0,5 % раствор перекиси водорода и проверяют герметичность системы.

4. Включают вакуумный насос для создания разряженной атмосферы.

5. Включают нагрев печи до температуры 600 °С.

6. При заданной температуре выдерживают пробу в течение 20 минут.

7. После завершения обжига, лодочку вытаскивают из печи и дают остыть.

8. Огарок вытаскивают из лодочки и взвешивают.

9. По разности масс исходной пробы и огарка судят о количестве элементной серы.

Анализ осадка на содержание сульфидной серы

1. Навеску осадка массой 1 г высыпают в алундовую лодочку и равномерно распределяют.

2. Лодочку помещают в рабочую зону трубчатой печи.

3. К выходному отверстию рабочего пространства подсоединяют систему уловителей (склянки Дрекселя), в которых находится 0,5 % раствор перекиси водорода и проверяют герметичность системы. Входное отверстие остается открытым.

4. Включают вакуумный насос для создания направленного движения воздушного потока.

5. Включают нагрев печи до температуры 900 °С.

6. При заданной температуре выдерживают пробу в течение 20 минут.

7. После завершения обжига, лодочку вытаскивают из печи и дают остыть.

8. Огарок вытаскивают из лодочки и взвешивают.

9. Раствор перекиси водорода сливают в один стакан, перемешивают, замеряют объем и анализируют на содержание серной кислоты (с пересчетом на количество серы).

Обработка результатов опытов

1. Определяют выходы кеков выщелачивания

W = m×100/М,

m – масса кека

M – масса исходного концентрата.

2. Рассчитывают количество серной кислоты в исходном растворе и растворах выщелачивания

m_H2SO4 = (V_Na2CO3×T×V)/V_пр

T – титр соды по серной кислоте (для 0,1Н раствора соды он равен 0,0049 мг/л);

V – общий объем раствора перекиси водорода, мл;

V_пр – объем пробы раствора, взятой на титрование, мл.

3. По разности между исходным и конечным количеством кислоты, определяют расход реагента на процессы выщелачивания для обоих случаев.

4. Рассчитывают количество серной кислоты в растворе из поглотительных колб по формуле

m_H2SO4 = (V_Na2CO3×T×V)/25

T – титр соды по серной кислоте (для 0,1Н раствора соды он равен 0,0049 мг/л);

V – общий объем раствора перекиси водорода, мл;

25 – объем пробы раствора, взятой на титрование, мл.

5. Зная количество серной кислоты, определяют количество серы, перешедшей в газовую фазу

m_Sгаз = (m_H2SO4/M_H2SO4)×A_S

M_H2SO4 – молекулярная масса серной кислоты;

A_S – атомный вес серы.

По количествам серной кислоты, израсходованной на безокислительное и окислительное выщелачивания, а также по количеству в осадках выщелачивания сульфидной и элементной серы делают выводы о степени разложения сульфидных соединений в исследуемых условиях.

Контрольные вопросы и задания

1. С какой целью проводят кондиционирование сульфидных концентратов перед цианированием?

2. Какие способы кондиционирования применяют в промышленности? Дайте краткое описание.

3. Опишите суть автоклавного кислородного вскрытия в кислых средах. Какие реакции сопровождают процесс?

4. Опишите суть автоклавного процесса в щелочных средах. Какие реакции сопровождают процесс?

5. Опишите суть процесса бактериального выщелачивания. Какие реакции сопровождают процесс?

6. Рассчитайте материальный баланс процесса бактериального вскрытия сульфидного золотосодержащего концентрата. Варианты заданий для расчета состава исходного материала приведены в лабораторной работе № 1.