СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к гидрометаллургическим способам переработки рудного сырья и может быть использовано, в частности, для переработки трудновскрываемых урановых, золотоносных, платиновых и иных руд в кучном, агитационном, чановом и подземном выщелачивании.

Для выщелачивания рудных компонентов применяют растворы кислот, щелочей и солей с окислителями и восстановителями. Выбор растворителей определяется селективностью их действия, влиянием на скорость растворения определенных минералов крупности частиц, концентраций реагентов, температуры растворов и продолжительностью выщелачивания. Реагенты, как правило, составляют основную долю расходов в гидрометаллургическом переделе и определяют рентабельность применения химических технологий (А.Н.Зеликман, Б.Г.Коршунов. Металлургия редких металлов. Металлургия, 1991).

Известные способы интенсификации выщелачивания с применением сильных окислителей, продувки кислородом, каталитических и специальных добавок, с повышением температуры и т.п. (Патенты РФ №2087698, 2171855, 2172799) связаны с затратами химических реагентов, приводящих к загрязнению посторонними примесями, требуют дополнительных операций либо не обладают необходимой производительностью, что в конечном счете приводит к осложнениям организации производства и удорожанию всего технологического процесса.

Известны также способы интенсификации вскрытия упорных руд, основанные на физическом воздействии на руды ускоренными электромагнитными импульсами с коротким фронтом (наносекундным) и длительностью напряженности электрического поля порядка 10⁷ В/м, также ускоренными электронами (Чантурия В.А., Бунин И.Ж. Современные проблемы обогащения минерального сырья в России. Материалы доклада на Неделе горняка, 28.01.1999). Однако несмотря на перспективу использования полученных результатов в гидрометаллургии, они еще не нашли применения в промышленных масштабах.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является способ извлечения урана из руд, включающий выщелачивание урана и железа раствором серной кислоты с использованием в качестве окислителя трехвалентного железа, содержащегося в руде, извлечение урана из раствора с получением раствора, содержащего двухвалентное железо, регенерацию двухвалентного железа до трехвалентного окислением с получением оборотного раствора и его рециркуляцию на выщелачивание руды, извлечение урана из раствора ведут сорбцией на анионите, полученный после сорбции раствор, содержащий двухвалентное железо, перед регенерацией в нем двухвалентного железа до трехвалентного подкисляют серной кислотой и регенерацию ведут облучением потоком ускоренных электронов при мощности поглощенной дозы 2,3-3,5 кГр/с в течение 1-6 мин (Патент РФ №2326177, опубл. 10.06.2008). В этом способе предложено за счет облучения электронами интенсифицировать процесс окисления двухвалентного железа до трехвалентного в процессе регенерации оборотного раствора.

Известно устройство для извлечения урана из руд, состоящее из реакционной камеры с оборотным раствором с перемешивающим устройством, ускорителя электронов, датчиков температуры («Интенсивная регенерация окислителя в процессе сернокислотного выщелачивания урана», Нестеров К.Н., Пирковский С.А., Трусова В.М. Аннотации докладов 2-го Международного симпозиума «Уран», М., ноябрь 2008 г., с.87). Недостатками этого способа и устройства являются:

- отсутствие обоснованного выбора интервала значений энергий ускоренных электронов и, следовательно, типов ускорителей, наилучшим образом пригодных для гидрометаллургии упорных руд;

-ограничение возможного применения радиационно-химического воздействия в гидрометаллургии только регенерацией окислителя выщелачивающего уран раствора.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение является интенсификация способа, снижение количества химических реагентов, энергозатрат, увеличение производительности, снижение экологического давления на окружающую среду.

Для этого предложен способ извлечения металлов из руд, включающий выщелачивание выщелачивающим раствором с окислителем с использованием облучения выщелачивающего раствора ускоренными электронами, последующее извлечение металла из раствора и регенерацию окислителя в растворе с оборотом его на выщелачивание, при этом облучение выщелачивающего раствора ведут ускоренными электронами с энергией от 50 кэВ до 1,7 МэВ с регулированием скорости потока при подаче его на выщелачивание.

Также предложено устройство для извлечения металлов из руд, содержащее емкость с выщелачивающим раствором, емкость для выщелачивания, системы подачи и отвода растворов и ускоритель электронов, при этом оно содержит лоток, соединяющий емкость с выщелачивающим раствором с емкостью для выщелачивания, для транспортировки выщелачивающего раствора через зону облучения ускорителя электронов и узел регулирования высоты емкости с выщелачивающим раствором для регулирования скорости потока выщелачивающего раствора.

Ключевым фактором в достижении технического результата является анализ физико-химических процессов при облучении жидких субстанций. Ускоренные электроны при их взаимодействии с этими субстанциями тратят свою энергию на неупругие и упругие соударения, а также на тормозное излучение. При высоких энергиях электронов преобладают потери на тормозное излучение, а при низких - на ионизацию и диссоциацию атомов и молекул. Согласно современным физическим представлениям отщепление электрона от нейтрального атома приводит к образованию положительного иона, от двухатомных молекул - к образованию положительного молекулярного иона или сопровождается диссоциацией молекулы и образованием осколочных ионов. В случае многоатомных молекул доминируют ионизация и диссоциация. Максимум сечения ионизации для большинства атомов и молекул находится в области налетающих электронов, примерно, 100 кэВ (Физический энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия», 1983). Эффективность химического действия излучений характеризуют величиной радиационно-химического выхода G, представляющего собой число превратившихся или образовавшихся молекул вещества на 100 эВ поглощенной энергии. Эта величина лежит в пределах от 1 до 20 молекул, т.е. один электрон может вызвать несколько тысяч структурных превращений. При такой энергии электрон может произвести несколько актов ионизации, которая затем существенно усиливается за счет вторичных процессов столкновений ионов и радикалов. Именно в этом и кроется ключ к пониманию усиления ионизационных процессов при облучении по сравнению с электролитической диссоциацией.

Таким образом, оптимальной для интенсификации наработки выщелачивающих окислителей в любых водных растворах является энергия электронов от 50 кэВ до 1,7 МэВ. Верхняя граница, в основном, в настоящее время определяется возможностями ускорителей, но из-за опасности наведения остаточной активности не может быть выше порогов фотоядерных реакций на элементах руды. В частности, для рассматриваемых руд энергия электронов выше 1,7 МэВ недопустима (порог фотоядерной реакции на бериллии).

На чертеже показана схема установки ускорителя для облучения раствора, включающее ускоритель 1, емкость 2 с выщелачивающим раствором, проходящим по лотку 4 через зону облучения пучком электронов 3 в емкость для выщелачивания 5. Из емкости с выщелачивающим раствором 2 раствор самотеком поступает в зону облучения ускорителя 1, при этом скорость потока, т.е. время нахождения раствора в зоне облучения регулируется изменением высоты Н и h.

Способ осуществляется следующим образом.

Выщелачивающий раствор, в качестве которого могут быть использованы кислоты, щелочи и соли, подвергается облучению электронами в начале процесса.

Из емкости с выщелачивающим раствором 2 он направляется в емкость для выщелачивания 5, которые установлены по обе стороны ускорителя. При этом выщелачивающий раствор проходит зону облучения электронами ускорителя 1 по лотку 4. Скорость потока, а следовательно, и время нахождения раствора в зоне облучения, которое необходимо для процесса выщелачивания, регулируется в зависимости от изменения высоты установки емкости 2. Все последующие операции: извлечение металла, например, сорбцией и др. являются стандартными технологическими операциями.

Наиболее подходящим в настоящее время для решения поставленных задач имеют, по нашему мнению, ускорители серии ИЛУ и ЭЛВ, разработанные и изготовляемые в Институте ядерной физики СО РАН (Салимов Р.А. и другие. Ускорители серии ЭЛВ и их применение в радиационных технологических процессах и медицине. Материалы 10-го Международного совещания в промышленности и медицине. СПб., 2001). В частности, это ускорители « Факел» и ЭЛВ-12, имеющие соответственно следующие параметры: энергия (0,5-0,8) и 1 МэВ, мощность пучка 500 и 400 кВт. КПД этих ускорителей равен 90%. Отличительными качествами ускорителей являются простота конструкций, удобство в эксплуатации и надежность в работе. Система управления включает в себя комплекс аппаратных и программных средств, охватывающий все узлы ускорителей, требующих оперативного управления, контроля и диагностики.

Производительность устройства по наработке выщелачивающего раствора оценивают из выражения:

M=kPt/D,

где М - масса выщелачивающего раствора после облучения, кг;

k - коэффициент использования пучка, %;

Р - мощность ускорителя, Вт;

t - время облучения, с;

D - удельная доза поглощения, Гр.

Удельная поглощенная доза является функцией от скорости потока жидкости, ширины потока (лотка), равной ширине развертки пучка в зоне облучения, радиуса пробега электронов и мощности ускорителя:

D-KP/dRvn,

где d - ширина потока, м;

R - радиус пробега, м;

v - скорость потока, м/с;

n - плотность потока, кг/м³.

Заметим, что скорость потока связана с высотой резервуара H+h относительно горизонтальной плоскости сканирования по формулам свободного падения.

Удельную дозу определяют по измерению достаточной концентрации выщелачивающего раствора либо на действующем радиационном реакторе, либо на маломощных ускорителях электронов.

Покажем возможность осуществления указанного способа при извлечении металлов из упорных руд.

1. Кислотное выщелачивание урана.

В качестве выщелачивающего раствора используют водный раствор серной кислоты и сульфатного железа с концентрациями до 15 г/л и 10 г/л соответственно. В классическом способе для интенсификации выщелачивания раствор продувают кислородом, острым паром, повышают температуру до 150°С и вводят в раствор различные добавки (пирозюлит, железо и т.п.). В промышленности чаще всего для вскрытия руд применяют наиболее дешевую серную кислоту:

U₃O₈+4H₂SO₄+FeO₂>3UO₂SO₄+FeSO₄+4H₂O

По нашему способу выщелачивающий раствор без предварительного прогрева, продувки кислородом и острым паром, а также без введения специальных добавок для усиления окислительных процессов подают в емкость для исходного выщелачивающего раствора, из которой он самотеком подается в зону облучения электронами ускорителя с энергией 1 МэВ и мощностью пучка 400 кВт. При облучении электронами происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное. Облучение ведут до тех пор, пока во всей массе раствора соотношение трехвалентного железа к двухвалентному не станет равным примерно 90%.

Кроме генерации трехвалентного железа и выщелачивающего комплекса O₂SO₄, в растворе в результате облучения электронами будут присутствовать свободный кислород, перекись водорода, радикалы типа ОН и другие добавки, усиливающие окислительно-восстановительные процессы. При экспериментальном значении удельной поглощенной дозы, равной 3,5 кГр, в течение 1-го часа наработка выщелачивающего раствора, рассчитанного по вышеуказанным формулам, составит примерно 400 тонн.

После облучения раствор подают в емкость для выщелачивания с последующим проведением процесса любым известным способом.

Аналогичные процессы происходят и при выщелачивании урана карбонатным способом.

2. Цианидное выщелачивание золота

В качестве выщелачивающего раствора используют водный раствор солей натрия и калия с концентрациями их в растворе 0,2-0,3%. Процесс протекает по реакции:

2Au+4KCN+O/2+Н₂О>2K(AuCN)₂+2KOH

Выщелачивающим ионным комплексом является комплекс CN. Из реакции следует необходимость введения в процесс окислителей - добавок в рабочий раствор кислорода, перекиси водорода и др.

По нашему способу введение в раствор этих и других окислительных добавок не требуется, так как все эти добавки будут интенсивно и постоянно рождаться в растворе в процессе интенсификации выщелачивания электронным облучением.

Облучение проводят следующим образом: раствор цианидов натрия или калия без всяких добавок загружают в емкость для исходного выщелачивающего раствора, затем этот раствор подают в зону облучения ускорителя электронов с энергией 1 МэВ и мощностью пучка 400 кВт, контролируют наработку выщелачивающего ионного комплекса, прекращают облучение, как только соотношение CN/KCN достигнет величины 0,9, и направляют раствор в емкость для выщелачивания с последующим проведением процесса любым известным способом. Время нахождения раствора в зоне облучения регулируют, изменяя скорость потока за счет изменения высоты установки емкости для выщелачивающего раствора.

3. Тиосульфатное выщелачивание золота и серебра

Процесс тиосульфатного выщелачивания основан на окислении золота и серебра в кислой среде кислородом в присутствии тиосульфата натрия:

4Au+8(S₂O₃)^2-+О₂+4Н⁺>4[Au(S₂O₃)₂]^3-+2H₂O

4Ag+8(S₂O₃)^2-+O₂+4H⁺>4[Ag(S₂O₃)₂]^3-+2H₂O

Выщелачивающим комплексом в этом процессе является (S₂O₃)^2-.

В зависимости от вида перерабатываемой руды и содержания в ней золота и серебра концентрация выщелачивающего комплекса в растворе может изменяться от 2 до 60%. Введение в раствор кислорода и других добавок по нашему способу также не имеет смысла, так как при радиолизе воды и других составляющих раствора в нем будут образовываться и кислород и другие окисляющие ионы и ионные комплексы. Облучение ускорителем электронов с энергией 1 МэВ и мощностью пучка 400 кВт ведут точно по такой же схеме, как описано в вышеприведенных примерах, и прекращают его, как только соотношение комплексов Au(S₂O₃)^2- или Ag(S₂O₃)^2- к S₂O₃ достигнет приемлемой величины.

Априори можно полагать, что удельная поглощенная доза для всех рассмотренных нами примеров будет по значению близка к значению 3,5 кГр, полученному экспериментально, так как химические и физические процессы при облучении приведенных растворов по своей сути одинаковы. При использовании предлагаемых ускорителей наработка выщелачивающих растворов составит примерно 400 т/час.

Таким образом, за счет интенсификации окислительных процессов по данному изобретению будут достигнуты следующие технические результаты:

- экономия химических реагентов вследствие уменьшения их количественного состава в выщелачивающих растворах;

- экономия энергетических затрат из-за устранения таких операций, как повышение температуры и продувки кислородом растворов, а также из-за использования ускорительной техники с высоким КПД;

- снижение экологического давления на окружающую среду вследствие устранения добавок в растворы и уменьшения количественного состава реагентов этих растворов;

- созданы возможности для автоматизации технологии выщелачивания, по крайней мере, для автоматизации процессов облучения;

- увеличение наработки выщелачивающих растворов путем увеличения числа модулей радиационно-химического комплекса.