Условия повышения эффективности щелочного электрохимического выщелачивания сульфидов меди Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 622.7

Фатьянов Альберт Васильевич Albert Fatyanov

Щеглова Светлана Александровна Svetlana Scheglova

УСЛОВИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЩЕЛОЧНОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ СУЛЬФИДОВ МЕДИ

THE CONDITIONS OF RAISING THE EFFECTIVENESS OF ALCALINE ELECTROCHEMICAL LEACHING OF CUPRIC SULPHIDES

Рассмотрено влияние концентрации электролита и его температуры на изменение электродного потенциала минералов меди. Поверхностные и объёмные изменения сульфидов меди изучались на примере халькопирита — СuFeS2. Показана необходимость расширения исследований в области электрохимии сульфидных минералов в связи с широким распространением флотации и гидрометаллургии для переработки золото-мышьяковых концентратов. Обоснована целесообразность изучения промежуточных реакций, предшествующих разложению сульфидов, и характера поверхностных изменений минералов в растворах едкого натра (^ОН). Экспериментально доказано образование поверхностных плёночных покрытий на исследованных минералах и изучен их состав. Рассмотрен кинетический и диффузионный характер влияния электродного потенциала на состав и свойства поверхности сульфидов меди. Выявлены пределы оптимального регулирования значения электродного потенциала, определяющие процессы окисления-восстановления минералов. Установлены факторы, влияющие на значение электродного потенциала. Полученные результаты являются основой для разработки более эффективных технологических схем обогащения сложных по составу золотосодержащих медных концентратов

Ключевые слова: флотация, дисперсная система, структура, электрохимия, электродный потенциал, обогащение руд

The article deals with the influence of electrolyte concentration and its temperature on the copper ore electrode potential shift. The superficial and volumetric alterations of cupric sulphides have been studied using chalcopyrite — CuFeS2 as an example. The necessity to extend the research in the field of sulphidic mineral electrochemistry resulting from the wide spread of floatation and hydrometallurgy in metasomatosis of gold-and arsenic heads has been shown. The wisdom of studying intermediate reactions prior to sulphide decompounding and the character of mineral superficial alterations in caustic-soda solutions (NaOH) has been justified. The formation of boundary layers on the studied minerals has been experimentally proved and their composition has been studied. Consideration has been given to the kinetic and diffusion character of electrode potential influence on the composition and surface properties of cupric sulphides. The bounds of optimizing control of electrode potential level which define the mineral oxidation-reduction processes have been shown up. The factors influencing the level of electrode potential have been defined. The obtained results give the reason to develop more effective technological flow sheets of gold-bearing copper concentrates complex in composition

Key words: floatation, dispersed system, structure, electrochemistry, electrode potential, ore beneficia-tion

Развитие электрохимии сульфидных минералов обусловлено широким распространением важнейших процессов переработки минерального сырья — флотации и гидрометаллургии, в основе которых лежат электрохимические реакции. К настоящему времени опубликовано значительное количество работ, посвященных исследованию механизма явлений, происходящих в процессе анодного и катодного разложения сульфидов меди, однако поверхностные изменения на границе твердое — жидкость изучены недостаточно.

В большинстве работ не рассматриваются промежуточные реакции, препятствующие разложению сульфидов, незначительное внимание уделено вопросам электрохимических превращений на поверхности сульфидов в растворах едкого натра. Большое значение имеют и исследования условий образования и состава плохо проводящих ток поверхностных соединений при поляризации сульфидных минералов, замедляющих процессы их электрохимического растворения, что непосредственно отражается на скорости гидрометаллургических технологий извлечения полезных компонентов. Поэтому правильные представления о механизме анодного и катодного разложения сульфидных минералов, предшествующих им промежуточных электрохимических поверхностных и объемных превращениях, условиях образования или растворения пленочных покрытий позволяют оптимизировать параметры технологических операций переработки полезных ископаемых и продуктов их обогащения [2].

Целью настоящего раздела исследований являлось изучение явлений, происходящих на поверхности сульфидных минералов меди при потенциалах, предшествующих их катодному или анодному разложению, в зависимости от температуры растворов и концентрации едкого натра.

В качестве основного объекта принят халькопирит, как наиболее устойчивый сульфид меди к воздействию различных окислителей. Планировалось, что установленные закономерности поведения этого

сульфида в растворах ^ОН могут быть использованы при анализе поведения и других сульфидов.

Исследования выполнялись с применением потенциального метода и метода циклической вольтамперметрии.

Эксперименты проводились в интервале температур 298...343 К в области потенциалов — 1,0...+ 1,0 В. Концентрация растворов ^ОН изменялась от 0,5 до 5,0 моль/л [6].

После проведения эксперимента образовавшаяся на поверхности халькопирито-вого электрода пленка удалялась и параллельно с жидкой фазой анализировалась на содержание железа, меди и общей серы.

Все измеренные значения электродных потенциалов снимались с применением насыщенного хлорсеребряного электрода. В ходе электрохимических расчетов значения потенциалов пересчитывались относительно нормального водородного электрода.

При выполнении работы принималось во внимание то, что в щелочных растворах на аноде не протекает никаких других реакций, кроме выделения кислорода, а потенциал его выделения находится положитель-нее исследуемого интервала потенциалов. В связи с этим учитывалось, что величина тока поляризации полностью определяет скорость окисления халькопирита.

Исследуя термодинамическую возможность окисления халькопирита в растворах ^ОН, учитывали, что данный процесс может протекать как в кинетической, так и диффузной областях. Ход реакций окисления-восстановления при этом в кинетической области определяется в основном температурой растворов и значением электродных потенциалов, а в диффузной — только потенциалом [9].

Учитывая, что электродный потенциал сульфидных минералов является основным фактором, определяющим процессы окисления-восстановления, особенно в первый период, связанный с разрушением химических связей в кристаллической решетке, исследовали характер его изменения в зависимости от концентрации электролита и температуры раствора.

Эксперименты показали, что значение щественно зависит от температуры раство-электродного потенциала халькопирита су- ра (табл. 1).

Таблица 1

Влияние температуры электролита на значение стационарного электродного потенциала халькопирита при концентрации NaOH 5 моль/л

Температура раствора NaOH, °К 298 303 308 313 323 333 343

Стационарный потенциал, мВ -250 -250 -254 -250 -274 -289 -300

Еще более значительное влияние на характер изменения значения электродного потенциала халькопирита оказывает концентрация ^ОН до 5 моль/л при 298 °К значение стационарного электродного потенциала халькопиритового электро-

да возрастает в отрицательную сторону с + 120 до -250 мВ. Наибольшее изменение величины потенциала наблюдается при повышении температуры раствора электролита (табл. 2).

Таблица 2

Влияние концентрации NaOH на значение стационарного электродного потенциала халькопиритового электрода

Концентрация NaOH, моль/л 0 0,5 1,25 2,5 3,75 5,0

Стационарный потенциал, мВ При температуре раствора 29 °К

+120 -150 -175 -225 -243 -250

Стационарный потенциал, мВ При температуре раствора 343 °К

+120 -215 -245 -269 -284 -300

При разработке технологии электрохимического окисления золотосодержащего халькопирита следует учитывать то обстоятельство, что стабилизация электродного потенциала CuFeS2 носит критический характер. Скорость стабилизации потенциала существенно зависит от концентрации ^ОН в растворе и температуры (табл. 3). При стандартных термодинамических условиях с увеличением концентрации ^ОН в растворе от 0 до 5 моль/л начальный электродный потенциал халькопирита принимает отрицательное значение с изменением его величины от +65 до —145 мВ (табл. 3). Стабилизация потенциала, т.е. достижение его стационарного значения при увеличении концентрации ^ОН от 0 до 1,25 моль/л достигается в основном за 20...25 мин. При более высокой концентрации ^ОН в пределах 2,5...5 моль/л потенциал

стабилизируется медленнее, и его стационарное значение достигается в основном за время около 50 мин. При более длительном увеличении времени выдержки халькопирита в растворе электролита потенциал CuFeS2 изменяется незначительно.

С повышением температуры раствора электролита значение стандартного электродного потенциала халькопирита возрастает и скорость его стабилизации значительно изменяется (табл. 3). Если при изменении концентрации ^ОН до 1,25 моль/л при температуре 343 К потенциал CuFeS2 достигает своего стационарного значения практически за то же время, что и при температуре 298 К, т.е. за 20.25 мин, то при концентрации 2,5...5 моль/л стабилизация наблюдается значительно быстрее и при концентрации ^ОН 5 моль/л достигается за первые 2.3 мин [8].

Таблица 3

Стабилизация электродного потенциала халькопирита в зависимости от концентрации NaOH при температурах 298 и 343 °К

Значения электродного потенциала халькопирита в зависимости от концентрации NaOH при температурах 298 и 343 К

Концентрация NaOH, моль/л 0 0,5 1,25 2,5 3,75 5,0 0,5 1,25 2,5 3,75 5,0

Время, мин

0 +65 -90 -100 -100 -145 -145 -105 -110 -150 -220 -270

1 +78 -97 -120 -140 -173 -178 -160 -165 -200 -268 -287

2 +81 -102 -125 -152 -181 -189 -178 -182 -215 -274 -292

3 +88 -111 -130 -160 -186 -195 -183 -195 -222 -278 -291

4 +92 -118 -140 -165 -190 -199 -186 -201 -227 -280 -298

5 +97 -125 -145 -169 -192 -203 -188 -205 -230 -281 -299

6 +101 -130 -149 -173 -195 -206 -200 -209 -232 -282 -299

7 +104 -134 -153 -177 -197 -208 -203 -211 -234 -283 -300

8 +106 -136 -156 -178 -199 -210 -205 -212 -237 -283 -300

9 +109 -138 -157 -181 -201 -212 -207 -213 -230 -283 -300

10 +111 -139 -158 -183 -202 -214 -210 -214 -240 -284 -300

15 +116 -142 -164 -190 -210 -220 -212 -222 -245 - -

20 +120 -146 -170 -196 -215 -225 -212 -226 -250 - -

25 +123 -148 -173 -201 -219 -228 -214 -230 -255 - -

30 +124 -150 -175 -204 -222 -231 -216 -240 -260 - -

40 +124 -150 -175 -211 -225 -237 -217 -245 -262 - -

50 +124 -150 -175 -220 -230 -246 -217 -245 -269 - -

60 +124 -150 -175 -225 -243 -250 -217 -245 -269 - -

Как видно из приведенных данных (табл. 2, 3), величина электродного потенциала, устанавливающегося на халькопирите с повышением концентрации электролита, значительно более отрицательна, чем потенциал термодинамической стабильности минерала. В интервале рН 13,58...14 АЕст/АрН « —238 мВ при температуре раствора электролита 298 °К и АЕст/АрН « — 197 мВ при температуре 343 К.

Выявленные кинетические особенности стабилизации электрохимических свойств поверхности золотосодержащих

сульфидных минералов показывают, что при разработке технологии обогащения необходимо учитывать временной фактор, обеспечивающий регулирование электродного потенциала и достижение его оптимального значения для эффективного разделения минералов. Предложенная технологическая схема должна обеспечить регулирование энергетического состояния дисперсной системы с учетом окислительно-восстановительных процессов и в связи с этим изменений на границах раздела фаз твердое — жидкое.

Литература_

1. Ерёмин О.В., Юргенсон Г.А. Термодинамические модели окисления сульфидных руд в зоне криоминералогенеза как задачи линейного программирования (Удоканское месторождение) // Изв. вузов. Сер. геол. и разв. 2001. № 6. С. 153-156.

2. Фатьянов А.В., Никифоров К.А. Интенсификация флотации медных руд. Новосибирск: Наука, 1993. 152 с.

3. Фатьянов А.В., Юргенсон Г.А., Щеглова С.А. Технологические особенности основных сульфатов меди зоны криоминералогенеза Удоканского

_References

1. Eryomin O.V., Yurgenson G.A. Izv. vuzov. Ser. geol. i razv. (News of Higher Educational Institutions. Geology and exploration issues), 2001, no. 6, p. 153-156.

2. Fatyanov A.V., Nikiforov K.A. Intensifikatsi-ya flotatsii mednyh rud [Copper ore floatation intensification]. Novosibirsk: Science, 1993.

3. Fatyanov A.V., Yurgenson G.A., Scheglova S.A. Problemy geologicheskoy i mineragenicheskoy korrelyatsii v sopredelnyh territoriyah Rossii, Kitaya

месторождения // Проблемы геологической и мине-рагенической корреляции в сопредельных территориях России, Китая и Монголии: труды VI между-нар. симпозиума и Чтений памяти академика С.С. Смирнова. Чита-Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН 2005. С.238-241.

4. Фатьянов А.В., Юргенсов Г.А., Глотова Е.В. Влияние особенностей минерального состава и условий образования окисленных медных руд Удоканского месторождения на технологию их обогащения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск: Наука, 2000. № 2. С. 104-112.

5. Юргенсон Г.А., Фатьянов А.В., Глотова Е.В. Криоминералогенез и его влияние на технологию добычи и переработки руд: мат-лы всесоюзн. науч.-практ. конф. «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона: современное состояние и перспективы». Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 2000. С. 11-20.

6. Фатьянов А.В., Никитина Л.Г., Щеглова С.А. Новые технологии переработки медных руд Удоканского месторождения // Горный журнал. 2010. № 5. С. 54-56.

7. Пат. 2360742 РФ, МПК С1 1303 Д 1/02, 1/004. Способ флотации руд и поточная линия для его осуществления / А.В. Фатьянов, Л.Г. Никитина, С.А. Щеглова, О.Л. Гамова; заявл. 10.12.2007; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 19.

8. Фатьянов А.В., Щеглова С.А. Роль слабых дозированных электрохимических воздействий на дисперсную систему в обеспечении условий направленного регулирования структуры дисперсионной среды и поверхностных свойств твердой фазы // Забайкалье: сб. статей. Отд. вып. 312 Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). № 3. М.: Горная книга. 2009. с. 255-261.

9. Щеглова С.А. Исследование технологических особенностей флотации медных руд зоны кри-оминералогенеза: дис. канд. техн. наук. Чита, 2006. 160 с.

10. Фатьянов А.В. Интенсификация флотации труднообогатимых руд Забайкалья и Монголии на основе структурирования дисперсионной среды: дис. докт. техн. наук. Чита, 1997. 364 с.

i Mongolii (Problems of geologic and minerogenetic correlation in the cross-border regions of Russia, China and Mongolia): Proceedings of the VI international symposium and readings in the honor of Academician S.S. Smirnov - Chita-Ulan-Ude: BNC SB RAS Press, 2005. P.238-241.

4. Fatyanov A.V., Yurgenson G.A., Glotova E.V. Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh is-kopaemyh (Physic-technical problems of minerals resource development). Novosibirsk: Science Press, 2000, no. 2, p. 104-112.

5. Yurgenson G.A., Fatyanov A.V., Glotova E.V. Kriomineralogenez i ego vliyanie na tehnologiyu doby-chi i pererabotki rud (Crio-mineral genesis and its influence on ore mining and processing technology): Proceedings of all-russian research and practical conference «Ecologically sound technologies of exploitation of Baikal region mineral resources: current situation and perspectives». Ulan-Ude: BNC SO RAN, 2000. P. 11-20.

6. Fatyanov A.V., Nikitina L.G., Scheglova S.A. Gorny zhurnal (Mining Journal), 2010, no. 5, p. 5456.

7. Pat. 2360742 RF, MPK S1 1303 D 1/02, 1/004. Sposob flotatsii rud i potochnaya liniya dlya ego osushhestvleniya (Patent 2360742 RF, MPK C1 1303 D 1/02, 1/004. Flotation method and flow line for its fulfillment); A.V. Fatyanov, L.G. Nikitina, S.A. Scheglova, O.L. Gamova; applied for in 10.12.2007; published in 10.07.2009, Bulletin no. 19.

8. Fatyanov A.V., Scheglova S.A. Zabaikalie (Transbaikalie): Collected works. Issue of 312 Mining newsletter (scientific and technical journal), no. 3. Moscow: Gornaya kniga, 2009, p. 255-261.

9. Scheglova S.A. Study of technological peculiarities of cryomineralogenesis zone copper ores floatation [Issledovanie tehnologicheskih osobennostey flotatsii mednyh rud zony kriomineralogeneza]: diss. ... cand. techn. sciences. Chita, 2006. 160 p.

10. Fatyanov A.V. Stimulation of complex ores floatation of Transbaikalie and Mongolia through structuring the dispersion phase [Intensifikatsiya flotatsii trudnoobogatimyh rud Zabaikaliya i Mongolii na osnove strukturirovaniya dispersionnoy sredy]: diss. ... doc. tech. sciencs. Chita, 1997. 364 p.

Коротко об авторах_

Фатьянов А.В., д-р техн. наук, профессор каф. «Обогащение полезных ископаемых и вторичное сырье», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия fatyanov.aIbert@yandex.ru

Научные интересы: обогащение полезных ископаемых, флотация минерального сырья

Щеглова С.А., канд. техн. наук, доцент каф. «Антикризисное управление, финансы и кредит», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия

ssheglova@maiI. ги

Научные интересы: обогащение полезных ископаемых, флотация минерального сырья, экономика

_Briefly about the authors

A. Fatyanov, doctor of technical sciences, professor, Mineral Processing and Recoverable Materials department, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: minerals processing, floatation of mineral raw materials

S. Scheglova, candidate of technical sciences, assistant professor, Anti-crisis Management, Finance and Credit department, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: minerals processing, floatation of mineral raw materials, economics