Введение к работе
Актуальность работы. Расширите сфер применения и возросший спрос на благородные металлы требуют дальнейшего увеличения их производства. В переработку все ппгре вовлекается сырье с низким содержанием цеїшьк компонентов и сложным ВЄЩЄСТВЄШП.М составом, что, в свои очередь, обусловливает необходимость дальнейшего совершенствования существующих технологических схем и применения новых высокоэффективных и экономичных методов извлечения золота и серебра.
Одним из направлений повышения эффективности гидрометаллургических процессов извлечения благородных металлов из руд и концентратов является использование сорбциошюй технологии, базирующейся на применении углеродных сорбентов. В настоящее время большинство зарубежных золотоизвлекательных предприятий работает по схеме "уголь в пульпе", а также извлечению золота углеродными сорбентами из растворов ггрн кучном выщелачивании; и тенденция к рас-ширешда масштабов использования такой технологии все более нарастает. Анализ отечественной практики сорбщтопного извлечения золота и серебра из пульп и растворов углеродными сорбентами показывает, что даішое направление не получило еще должного развития.
Одной из основных причин, сдерживающих применение углеродных сорбентов в золотодобывающей подотрасли страны, является отсутствие промышленного производства отечественных механически прочных (не менее 85 % по ГОСТу 16188-70), пригодных для исполъзовшшя в жестких условиях пульповых процессов углеродных сорбционно-активных материалов. В противном случае неизбежны затраты на сорбент и значительные безвозвратные потери благородных металлов с твердой фазой пульпы.
Основные затруднения, возникшие на пути промышленного внедрения уголь-но-сорбцишшой технологии, были также связаны и с низкой эффективностью существующих в мировой практике технологий десорбщш и регенерации углеродных сорбентов, а также со слабой теоретической изученностью явлений, протекающих при сорбции благородных металлов из пульп и растворов, и их десорбции из насыщенных углеродных сорбентов при низких и особенно при повышенных температурах.
Проводимые исследования по применению углеродных сорбентов для извлечения благородных металлов должны быть направлены не только по пути совершенствования основного в золотодобывающей промышлешюсги цианистого процесса, но и на разработку новых сорбциошшх технологий, использующих нецианистые растворители золота и серебра, например, тиокарбамид и тиоцианат, высокая эффективность которых при переработке ряда упорных золото- и серебросодержаших руд и концентратов была убедительно подтверждена в целом ряде исследований и проверена в промышленном масштабе.
В этой связи получение высокоэффективных углеродных сорбентов для извлечения благородных металлов из пульп и растворов различного солевого состава на базе доступного и дешевого сырья с использоваїшем классических технологий их синтеза, а также теоретические и экспериментальные исследования процессов сорб-
Уч. № 17 дсп
щш-десорбции-регснерации, направленные как на дальнейшее совершенствование существующих технологий, так и разработку новых пршщипиалынлх решений в организации этих процессов, являются весьма актуальными.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Иркутского политехнического института в рамках координационного плана АН СССР научно-технической проблемы 2.21.2.3, а также согласно тематическим планам Иргиредмета и ИПИ по комплексной проблеме КП-1М ВПО Союззолото МЦМ СССР (1975-1980 гг.), по программе "Платиновые металлы" MB и ССО СССР (1980-1985 гг.), в соответствии с координациоїшьім ішаном АН СССР, утвержденным ГКНТ СССР (№56 от 10.03.86 г., этап 0.9.Н2. п.26) по проблеме "Создание основ и методов повышения эффективности рационального и комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и охраны недр" - этап "Создание теоретических и прикладных основ получения новых видов углеродистых восстановителей и сорбентов" (1986-1990 гг.), по координационному плану НИР и ОКР научного совета РАН по адсорбции и хроматографии "Синтез, исследование и применение адсорбентов" этап 2.15.3 (1993-1999 гг.). Разделы работы входили в программу Госкомитета РФ по высшему образованию и Минэколопш "Человек и окружающая среда" (№01860035615 на период 1986-1996 гг.), в комплексный план ИрГТУ по теме "Фундаментальные и прикладные основы получения и применения углеродных сорбентов" на 1990-2000 гг.
Работы, выполняемые по данному направлению, отнесены к критическим технологиям федерального уровня їй 1996-2000 it., угвержденньш правительством РФ 21.07.96 г. №2727 н-п8 как "технологии ускоренной оценки и комплексного освоения стратегически важного горнорудного сырья (алмазы, золото, платина) и техногенного сырья", "технологии глубокой переработки горнорудного и техногенного сырья с использованием нетрадидиоштых методов".
Целью диссертационной работы являются: исследование, разработка и внедрение технологий получения эффективных углеродных сорбентов из различных видов сырья для нужд золотодобывающей промышленности, дальнейшее развитие теоретических представлешш о процессах сорбционного извлечения золота и серебра из цианистых, тиокарбамидных и тиоцианатньгх растворов и пульп, десорбции благородных металлов и регенерации сорбентов, разработка и внедрение на этой основе рациональных, экономически оправдашшх угольно-сорбциотшх технологических схем переработки золото- и серебросодержащих руд и концентратов в практику отечественной золотодобычи.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Найти и исследовать различные виды углеродсодержащего сырья для оценки наиболее пригодных из них с позиций дефицитности, стоимости, технологичности при получешш углеродных сорбентов с заданными свойствами.
-
Изучить закономерности поведения того или иного углеродсодержащего материала на различных технологических стадиях его переработки (дробление, измельчение, прессование, карбонизация, активация).
-
Изучить физико-химические свойства и параметры пористой структуры получаемых углеродных сорбентов в зависимости от режимов карбонизации, активации и применения модифшщрующих добавок.
Уч. № 17 дсп
-
Разработать технологический регламент, провести промышленные испытания и осуществить внедрение технологии получения углеродных сорбентов на одном из предігриятий утлехимичсского синтеза.
-
Изучить кинетику и механизм сорбции золота и серебра из цианистых, тио-карбамидных и тиощшгатных растворов синтезированными углеродішми сорбентами. Оценить их свойства в сравнении с широко известными марками углей. Наметить ігути интенсификации процессов.
-
Изучить закономерности десорбщш золота и серебра из углеродных сорбентов различными элгоирующими растворами при влиятш тех или иных факторов, предварительно разработав аппаратурное оформление и методику исследований.
-
На основе изучения кинетики и механизма сорбции-десорбции золота и серебра синтезировать адекватные математические модели для процессов периодического и непрерывного действия, іфигодньїх для их исследования, поиска оптимальных режимов процессов и оптимальных конструктивных параметров проектируемых установок.
-
Разработать эффективную технологию регенерации углеродных сорбентов, вписывающуюся в единую цепь гидрометшшургических переделов по извлечению благородных металлов из пульп и растворов и исключающую, по возможности, опе-рацшо термической реактивации.
-
Внедрить разработаїтуїо угольно-сорбциошгую технологию в практику золотодобывающей промышленности страны, оценить эффективность такой технологии, выявить се недостатки и наметить пути дальнейшего развития и совершенствования.
Методы исследования. В работе для решения поставленных задач были использованы современные физико-химические методы исследований: атомно-абсорбционный, химический, потешщометрический, потенциостатштеский, вольт-амперомстрический, ИК- и ЭПР-спектроскопии, рентгенофазовый, сорбциониые методы изучения пористой структуры - БЭТ, ртутной порометрии и др., методы математического моделирования и оптимизации, квантовохимичсские расчеты (метод МР2), а также технологические исследования в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях.
Научная новизна работы определяется решением ряда теоретических и технологических вопросов, в том числе:
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены способы получения механически прочных углеродных сорбентов с упорядоченной структурой и заданными свойствами на основе фенолформальдепщных композитов, нефтяного кокса и каменных углей, пригодных для применения в жестких ігульповьгх процессах извлечения благородных металлов.
Выявлены основные физико-химические характеристики углеродных сорбентов, влияющие па процессы сорбции и элюирования, оценены кинетические и тер-модинамические константы. Установлены лимитирующие стадии процесса адсорбции исследуемых соединений благородных металлов.
Проведено изучение взаимосвязи между сорбционными, электрофизическими и электронными характеристиками углей. Установлена ранее неизвестная закономерность повышения скорости сорбции-десорбции соединений золота и серебра в оире-
Уч. № 17 дсп з
деленной области поляризующих напряжений сорбента. Рассмотрен механизм этого іфоцссса. Результаты исследований позволили разработать новые способы интенсификации указанных процессов.
Выявлена возможность значительной (1,5-8 раз) шггенсификации низкотемпературной десорбции циаїшстьгх, тиокарбамидных и тиоцианатных комплексов золота и серебра с помощью специальных элюирующих добавок и поляризации сорбента. В результате исследовшшй разработаны эффективные способы комплексной и селективной десорбции благородных металлов.
Впервые предложен и изучен новый способ периодической и непрерывной автоклавной десорбции в аппаратах авторской конструкции с исследованием устойчивости цианистых комішєксов золота, серебра и цианистого натрия в щелочной среде при повышенных температуре и давлении, кинетики и механизма разложения цианистых соединений благородных металлов и ряда цветных металлов-примесей.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований, в частности, квантовохимических расчетов, позволили высказать гипотезу о механизме щелочной десорбции цианистых комплексов благородных металлов с образованием интермс-диатов.
На основании физико-химических представлений разработаны математические модели процессов сорбции и автоклавной десорбции благородш>гх металлов с учетом в последнем случае двух одновременно протекающих процессов - собственно десорбции и разложения цианистых комплексов.
Предложены эффективные способы "мокрой" регенерации активных углей, позволившие исключить стадию термической активации сорбентов для восстановления их сорбционных свойств.
Выявлено неизвестное ранее свойство сверхвысокочастотного излучения избирательно взаимодействовать и эффективно удалять из отработашшгх активных углей трудноэлюируемую органику (флотореагенты). В результате проведенных исследований разработан новый способ регенерации сорбентов.
Впервые предложены и исследованы ионоселективные мембранные электроды на основе солей ЧАО для автоматического контроля концентрации золота и серебра в щелочных элюатах..
Практическая значимость. По результатам выполненных исследований разработаны и испытаны в промышленных условиях (ДЭЗ, ПО Лснинскхимпром) технологии производства высокоэффективных углеродных сорбентов из различных видов сырья, пригодных для применения в процессах извлечения золота и серебра из пульп и растворов. Разработанные сорбенты прошли крупномасштабные промыш-лешгые испытания в условиях Лебединской ЗИФ и были рекомендованы для внедрения в масштабах всей золотодобывающей промышленности СССР (1990 г.).
На основашш теоретических и эксперименгальных исследований разработана, проверена в полупромьштленном и опытно-промышленном масштабах и впервые внедрена в России (1984 г., АК Алданзолото) угольно-сорбциошіая технология извлечения благородных металлов из цианистых растворов и пульп, базирующаяся па новом автоклавном процессе десорбции золота и серебра из активных углей и регенерации сорбентов, отличающаяся высокой производительностью, экономичностью,
Уч. № 17 дсп
полнотой извлечения благородных металлов и эффективным использованием угля в обороте.
Разработана новая высокоэффективная методика исследования двойного элек-трігческого слоя и положения точки нулевого заряда углеродных сорбентов при адсорбции золота и серебра с использовашіем. полярокондуктометричсского метода (ПКМ).
Разработаны, изготовлены и испытаны принципиально новые конструкции аппаратов автоклавной десорбции, позволяющие осуществить процесс при повышенных температуре и давлении в периодическом и в непрерывном режимах. Результаты исследований и опытно-промьппленньгх испытаний показали высокую их эффективность и большие перспективы использования, в частности, аштратов непрерывного действия при переработке значительных объемов насыщенного сорбента.
В результате проведенных совместно с НИИ-1 полупромышленных испытаний технологии переработки серебросодержащих дукатских концентратов по кислотно-цианистой схеме была показана высокая эффективность применения разработанных углеродных сорбентов ИПИ-Т для извлечения серебра из цианистых растворов.
Разработаны новые технологические схемы извлечения благородных металлов из тиокарбамидных, тиоцианатных растворов и пульп с использованием активных углей.
На основании опыта работы Лебединской ЗИФ и установки кучного выщелачивания Иргиредметом за последние годы было выполнено более 10 технолоітгческих регламентов по переводу золотоизвлекательных фабрик России на угольно-сорбиионную технологию, в том числе таких предприятий, как Многовершинной, Коммупарской, Советской и крупнейшей в России Куранахской ЗИФ.
Элементы разработанной уголыю-сорбционной технологии, в частности, схема десорбции и кислотно-щелочной регенерации сорбентов заложена в технологический регламент для проектирования и строительства ЗИФ по извлечению золота из руды месторождения "Касталъянос" (Республика Куба).
Разработан новый высокоэффективный метод термической реактивации углеродных сорбентов в СВЧ-поле, позволяющий не только на 100 % восстановить сорб-ционные характеристики углей Gej ешіжения их механической прочности, но и более чем в 4-6 раз сократить время обработки сорбентов но сравнению с ірадшщон-ным методом термической регенерации.
Разработан датчик-анализатор для оперативного контроля концентрации золота в щелочных растворах, позволяющий оптимизировать процесс десорбции путем разделения выходящих элюатов на богатые и бедные фракции.
Результатами работы внесен определенный вклад в дальнейшее развитие тех-нолопш получения углеродных сорбентов для нужд золотодобывающей промышленности, заложена теоретическая и практическая база дальнейших исследований, направленных как на синтез новых активных углей с комплексом характеристик, максимально удовлетворяюногх требованиям уголыю-сорбционных процессов, так и на разработку новых и совершенство вание существующігх технологических и техіш-ческих решений по применению углеродных сорбентов в гидрометаллургии благородных металлов. Значимость выполненных разработок подтверждают бронзовая медаль ВДНХ (1981 г.), диплом международного кошресса и выставки AR-
Уч. № 17 дсп
MINERA-97 (Буэнос-Айрес, Аргентина (1997 г.)), экспонирование технологии и ее элементов на международных выставках в Китае (Харбин, 1990 г.) и Австралии (Сидней, 1995 г.).
Основные технические и технологические решети, выявленные в процессе исследований, защищены 29 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения РФ. Три изобретения внедрены в производство с получением реального экономического эффекта. Десять изобретений прошли промышлешгую проверку и были рекомендованы к внедрешпо.
Реализация результатов работы. Угольно-сорбционная технология извлечения золота и серебра из рудных пульп впервые в нашей стране была внедрена на Лебединской ЗИФ АК Алданзолото. По данной технологии переработано 2,5 млн. т руды и получено около 5 т золота. Суммарный реальный экономический эффект только за счет повышения извлечения золота по сравнению с иловым процессом и процессом "смола в пульпе" без учета значительного снижения эксплуатационных затрат составил 6,4 млн. долларов США.
В 1995 году процесс сорбциошюго извлечения золота из растворов с технологией автоклавной десорбции и регенерации сорбентов внедрен на ОПУ "кюветного" и кучного выщелачивания комбината Алданзолото, на которой за период с 1995 по 1997 гг. было переработало 268 тыс. труды и получено 178 кг золота.
Элементы разработанной технологии заложены в основу разрабатываемого банковского ТЭО строительства крупнейшего в мире Сухоложского золотодобывающего комбината.
В 1995 и 1998 годах технология "уголь в пульпе" с использованием автоклавной технологии десорбции и регенерации, разработанной автором, внедрена Ирги-редметом, соответственно, на ОАО Забайкалзолото (Забайкальский ГОК) и Самар-тинской ЗИФ ОАО Бурятзолото со значительным экономическим эффектом (ожидаемый экономический эффект от внедрения по данным Иргирсдмета должен составить порядка 46,0 млн. руб в год).
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: Всесоюзном совещании по гидрометаллургии золота (Ташкент, ) 977 г.); заседаниях секции драгоценных металлов и алмазов ІГТС Минцветмста СССР (Алдан, 1977 и 1979 гг.); заседании секции сорбентов и экстрагентов научного совета "Гидрометаллургия" ГКНТ СМ СССР (Новосибирск, 1977 г.); 1-ом Всесоюзном совещании по химии, технологии и анализу золота и серебра (Новосибирск, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и внедрение энергосберегающих и малоотходных технологий в металлургии цветных и редких металлов" (Москва, 1986 г.); VIII республиканском научно-техническом совещании "Автоматический контроль и управление в цветной металлургии" (Ташкент, 1983 г.); научно-технической конференции "Системный анализ в обогащении полезных ископаемых" (Свердловск, 1989 г.); Всесоюзном совещании "Новые процессы и методы исследования при первичной переработке минерального сырья" (Плаксинские чтения, Москва, 1990 г.); Всесоюзной конференции "Горнодобывающие комплексы Сибири и их минерально-сырьевая база" (Новосибирск, 1990 г.); Всесоюзной конференции "Теория и практика электрохимических процессов и экологические аспекты их использования" (Барнаул, 1990 г.); Всесоюзной конференции "Интенсивные и безог-
Уч. № 17 дсп
ходпые технологии и оборудование" (Волгоград, 1991 г.); международной конференции "Экология Сибири (Сибэко-93)" (Иркутск, 1993 г.); международном совещании "Комплексное освоение минеральных ресурсов Сибири и Дальнего Востока" (Плаксинские чтения, Иркутск, 1993 г.); Всесоюзном семинаре "Экологически чистые технологии покрытая металлов, проблема обезвреживания и утилизации стоков гальваническігх производств" (Пермь, 1990 г.); Всесоюзной конферешпш "Современные методы анализа металлов, сплавов, объектов окружающей среды" (Ижевск, 1990 г.); Всесоюзной научно-практической конференции "Экология химических производств" (Северодонецк, 1990 г.); XVIII-XIX международных конгрессах по переработке полезных ископаемых - "ШРС" (Сидней, Австралия, 1993 г.; Сан-Франциско, США, 1995 г.); I—II международных симпозиумах "Проблемы комплексного использования руд (ПКИР-94 и ПКИР-96)" (Санкт-Петербург, 1994 и 1996 гг); международной научно-технической конференции "Совремегагые достижения в угольно-сорбционных процессах" (Иркутск, 1996 г.); VIII международной конференции "Теория и практика адсорбционных процессов" (Москва, 1996 г.); международной конференции "Экологически чистые технологические процессы в решении проблем окружающей среды" (Иркутск, 1996 г.); международном семинаре "Углеродные адсорбент" (Кемерово, 1997 г.); 5-ом международном совещании стран Южного полушария по проблеме переработки полезных ископаемых (Буэнос-Айрес, Аргентина, 1997 г.); международной научно-практической конференции "Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья" (Иркутск, 1998 г.); 4-ой международной конференции "Окружающая среда if переработка полезных ископаемых" (Острава, Чехия, 1998 г.); IV Всероссийском симпозиуме "Актуальные проблемы адсорбционных процессов" (Москва, 1998 г.); III национальном симпозиуме "Теоретические основы сорбционных процессов" (Москва, 1997 г.), международном совещании "Научные основы, методы и технологии разделения минеральных компонентов при обогащении техногенного сырья" (Плаксин-ские чтения, Иркутск, 1999 г.); V Всероссийском симпозиуме с участием иностранных ученых "Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах" (Москва, 1999 г.); Всемирном симпозиуме по утилизации, переработке отходов и чистым технологиям "REWAS' 99" (Сап-Себастьян, Испания, 1999 г.); 2-м международном симпозиуме "Последние достижения в переработке минерального сырья (RAMM' 99)" (Пенанг, Малайзия, 1999 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 105 научных работ, в том числе монография; получено 29 авторских свидетельств и патентов па изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 363 страниц основного текста, 139 рисунков, 138 таблиц; состоит из введешія, восьми глав, за-ключешта, библиографического списка из 494 наименований и 29 приложений на 164 страницах.