Гидрометаллургия

Гидрометаллургия (от гидро... и металлургия), извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств водными растворами химических реагентов с последующим выделением металлов из растворов.

На возможность применения гидрометаллургических процессов для извлечения металлов из руд указывал М. В. Ломоносов (1763). Значительный вклад в развитие Г. внёс русский учёный П. Р. Багратион, создавший теорию цианирования золота (1843). В начале 20 в. промышленное значение приобрела Г. меди. Позднее были разработаны гидрометаллургические способы получения многих др. металлов.

Г. включает ряд основных технологических операций, выполняемых в определённой последовательности. Механическая обработка руды - дробление и измельчение с целью полного или частичного раскрытия зёрен минералов, содержащих извлекаемый металл. Изменение химического состава руды или концентрата для подготовки их к выщелачиванию - хлорирующий, окислительных, сульфатизирующий или восстановительный обжиг, спекание. Цель - разложение химических соединений извлекаемого металла и перевод их в растворимую форму. Выщелачивание - перевод извлекаемого металла в водный раствор. Эта операция иногда осуществляется попутно в процессе мокрого измельчения (в мельницах, классификаторах) или в специальной аппаратуре (чаны для выщелачивания, автоклавы). Отделение металлосодержащего раствора от измельченного материала обезвоживанием и промывкой в сгустителях, на фильтрах. Подготовка растворов к выделению из них соединений или металлов отделением взвешенных частиц (осветление) или химическим осаждением сопутствующих металлов и примесей. Осаждение металлов или их соединений из растворов электролизом (медь, цинк и др.), восстановлением более электроотрицательным металлом - цементацией (медь, серебро, золото и др.), сорбцией ионообменными смолами или углем, жидкостной экстракцией соединений металла органическими растворителями с последующей реэкстракцией в водный раствор и осаждением из него чистого металла или химического соединения. Переработка осадка с целью дальнейшей очистки выделенного соединения или чернового металла или непосредственное получение готового товарного металла может осуществляться: перекристаллизацией, возгонкой, прокаливанием, переплавкой, электролизом из водных или расплавленных сред.

При химических взаимодействии металла с растворителем нейтральный атом металла переходит в ионное состояние, образуя растворимое соединение. Растворение происходит легко в случае выщелачивания руд или концентратов, в которых металл присутствует в окисленной (ионной) форме. Примером могут служить окисленные медные и урановые руды, обожжённые цинковые концентраты, продукты хлорирующего обжига. В некоторых случаях для извлечения металла растворителем необходимо предварительное окисление кислородом или др. окислителем (например, при содовом выщелачивании руд, содержащих 4-валентный уран, для перевода последнего в 6-валентный). При растворении металлов (самородных или восстановленных) неизбежно окисление их для перехода в ионное состояние. Окисление металла с одновременной ионизацией окислителя (например, растворённого в воде молекулярного кислорода) в случае более благородных металлов термодинамически возможно лишь при затрате энергии, которая, например, может быть получена при образовании комплексного иона (цианирование золота и серебра, аммиачное выщелачивание металлической меди, никеля).
Растворение минералов с различными видами химической связи в кристаллической решётке (ковалентная, металлическая, ионная) характерно для выщелачивания сульфидов, арсенидов, селенидов, теллуридов. Растворение этих минералов, если предварительно не проведён окислительный обжиг, в большинстве случаев также требует окисления в пульпе, например при аммиачном выщелачивании медно-никелевых сульфидных руд в автоклаве под давлением кислорода или воздуха. Перенос растворителя и удаление продуктов реакции происходит в объёме раствора конвекцией (турбулентной диффузией), а в слое на границе с минералом - молекулярной (тепловой) диффузией. Обычно реакция, происходящая при гидрометаллургическом извлечении, находится в диффузионной области; определяющим фактором является скорость диффузии вещества, лимитирующая течение реакции. Возрастание скорости растворения минерала происходит при увеличении его относительной поверхности (т. е. степени измельчения), при ускорении перемешивания и при повышении температуры.
Форма поверхности и размер частиц растворяемого минерала определяют функциональную зависимость количества растворившегося металла от времени контакта с раствором; поэтому они влияют на степень извлечения и на объём аппаратов для выщелачивания.
Растворителями для выщелачивания соединений является преимущественно серная кислота (ванадий, медь, цинк), сода (ванадий в карбонатных рудах, молибден, вольфрам), едкий натр (глинозём, вольфрам), аммиак (медь, никель), цианистые соли (золото, серебро), сернистый натрий (сурьма, ртуть), растворы хлора и хлоридов (благородные металлы, свинец, редкие металлы), тиосульфаты (золото, серебро).
Для жидкостной экстракции применяют различные соединения (например, раствор трибутилфосфата и ди-2-этилгексилфосфата в керосине и др.). После экстракции очищенное соединение металла извлекается из органического растворителя водным раствором, часто с добавкой кислоты или др. реагента. Из раствора металлы осаждаются методом цементации или углем, или водородом под давлением. Применяются также аниониты или катиониты. После сорбции соединение металла снимается растворителем с ионита и последний подвергается регенерации.
При больших масштабах гидрометаллургического производства (например, при выщелачивании меди из окисленных крупнокусковых руд) обработка иногда осуществляется орошением штабелей руды слабыми растворами серной кислоты. Медьсодержащие растворы дренируются в сборные резервуары, а затем в цементаторы. Для дроблёных и рассортированных песковых фракций руд (например, золотых) применяется просачивание раствора в чанах через слой хорошо фильтрующей загрузки. Для интенсификации этого процесса раствор иногда предварительно насыщают воздухом, создают вакуум под фильтрующим днищем. Для выщелачивания тонкоизмельчённого материала применяют чаны для перемешивания (механической, пневматической и пневмомеханической) пульпы. Для непрерывного выщелачивания обычно их соединяют последовательно.
Иногда возможны комбинированные схемы выщелачивания: зернистого классифицированного материала - просачиванием, отделённого мелкого материала (шлама) - перемешиванием. В отдельных случаях возможно и другое аппаратурное оформление выщелачивания, например в автоклавах непрерывного и периодического действия. Выщелачивание кислыми растворами производится в стальной гуммированной, керамической или др. кислотоупорной аппаратуре; для щелочных растворов пригодна стальная, иногда деревянная аппаратура. Методы жидкостной экстракции или дополняют выщелачивание, или применяются для непосредственоого извлечения соединений металлов из руд. Экстракция производится по принципу противотока в экстракционных колонках (экстракт и отходящий раствор непрерывно удаляют в разных направлениях). Обезвоживание и промывка производятся в сгустителях (гребковые с центральным и периферическим приводом, многоярусные) и фильтрах (вакуум-фильтры и фильтр-прессы непрерывного и периодического действия). Осаждение из растворов производится в аппаратах, конструкция которых зависит от осадителя. Для химических (растворимых) осадителей применяют реакторы и фильтры. Порошкообразные осадители (цинковая, алюминиевая пыль) вводятся в смесители с раствором, осаждение затем может продолжаться внутри перекачивающего насоса, в трубопроводе и через слой осадителя на фильтре. Можно осаждать металл или его соединения в самой пульпе (например, погружением в пульпу сетчатых корзин с ионитом). Порошковые осадители после контакта с раствором можно выделять флотацией. Осаждение кусковыми осадителями (железо для меди, цинковая стружка или уголь для золота) производят в желобах или ящиках с перегородками для зигзагообразного движения раствора вверх и вниз через слой осадителя. Возможно выделение примесей (например, железа) гидролизом из очищенного раствора с последующим получением основного металла (например, цинка) осаждением на катоде электролизом с нерастворимыми анодами. См. также Благородные металлы.
Лит.: Основы металлургии, т. 1-5, М., 1961-68; Автоклавные процессы в цветной металлургии, М., 1969; Burkin A. R., The chemistry of hydrometallurgical processes, L., 1966; Habashi F., Principles of extractive metallurgy, v. 1-2, N. Y. - L. - P., 1969-70.