به طور کلی فرایند استخراج فلزات بر اساس فرایند تولید شامل دو روش پیرومتالورژی (Pyrometallurgy) و هیدرومتالورژی (Hydrometallurgy)است. پیرومتالورژی بر مبنای استخراج و جداسازی فلزات از سایر عناصر و ترکیبات با استفاده از عملیات حرارتی و فرایند های ذوب و ریخته گری است. دمای ذوب بالای اکثر فلزات باعث شده است که روش پیرومتالورژی نیازمند حصول دماهای بالا طی فرایند تولید باشد. روش هیدرومتالورژی بر خلاف روش پیرومتالورژی که در دماهای بالا قابل انجام است، روشی در دمای محیط است که بر مبنای انحلال منابع حاوی فلزات در محلول های اسیدی یا بازی و جداسازی آن ها از ناخالصی ها با استفاده از افزودنی ها و یا روش های مختلف شیمیایی است.
فرآوری هیدرومتالورژیکی به مراحل زیر تقسیم می‌شود:
لیچینگ کانه ها، کنسانتره ها و مواد ثانویه
لیچینگ یا فروشویی عبارت است از انحلال انتخابی یک فلز یا کانی با ارزش در یک حلال مناسب مانند آب، اسید، باز و مواد دیگر. در هیدرومتالورژی از این روش برای حل کردن فلز با ترکیب مورد نظر، از یک سنگ معدنی خام یا فراوری شده استفاده می شود. علاوه بر آن، بعضی از محصولات جانبی فرایندهای متالورژیکی مانند محصولات تشویه شده، یا قراضه آلیاژهای مخصوص مثل سوپر الیاژهای پایه نیکل و کبالت و یا لجن الکترولیز تصفیه مس، مورد عمل لیچینگ قرار گرفته و مواد با ارزش آن ها جدا و بازیابی می شود. لیچینگ را در موارد استثنایی ممکن است به منظور حذف یک ناخالصی از یک محصول فراوری یا پر عیار شده انجام داد که در نتیجه ضمن حذف ناخالصی نامطلوب، عیار ترکیب مورد نظر در محصول اولیه افزایش می یابد. در هر حال هدف نهایی از لیچینگ، جداسازی فلز یا یک ترکیب مورد نظر از ماده اولیه به صورت یک محلول پر عیار و سپس بازیابی آن به صورت خالص می باشد.
فرایند جداسازی، تصفیه و غنی سازی
فرایندهای لیچینگ به ندرت کاملاً انتخابی هستند، در نتیجه محلول لیچ به دست آمده از مرحله قبل حاوی ناخالصی می باشد و اغلب قبل از بازیابی فلز مورد نظر نیاز به تصفیه دارد. روشهای جداسازی و غنی سازی عبارتند از:
- فرایند تعویض یونی با استفاده از رزین های جامد
- فرایندهای جذبی با استفاده از ذغال فعال
- فرایند رسوب دادن شیمیایی
- فرایندهای مایع-مایع استخراج حلالی
بازیابی و خالص سازی فلزات
بسیاری از فلزات به صورت مرسوم با احیای کاتدی در یک پیل الکترولیتی از محلول بازیابی می شوند. در این حالت معمولاً فلز به صورت یک رسوب جامد به دست می آید. در صورتی که نیاز باشد می توان با افزایش چگالی جریان، فلز مورد نظر را به صورت پودری به دست آورد.
صنعت هیدرومتالورژی در ایران پیشرفت قابل ملاحظه ای در سالیان اخیر داشته است. علاوه بر مصرف انرژی کمتر و کار در دمای محیط، امکان استخراج فلزات از منابع با عیار بسیار پایین در این روش باعث توسعه فرایند های هیدرومتالورژی شده است. در ایران از این فرایند برای تولید فلزاتی از جمله مس، نیکل، کبالت، کادمیوم، روی، سرب و … استفاده می‌شود.
به دلیل موضوع این نوشته، ادامه مطلب به موضوع لیچینگ اختصاص یافته و مطالبی در خصوص تهیه و آماده سازی بار اولیه برای لیچینگ، عوامل موثر در لیچینگ، حلال های مورد استفاده در لیچینگ و روش های مهم لیچینگ تقدیم کاربران محترم عصر مواد می شود.
- تهیه و آماده سازی بار اولیه برای لیچینگ
آماده سازی بار از مهم ترین مراحل در هیدرومتالورژی و شامل کلیه عملیاتی است که بر روی سنگ معدن قبل از لیچینگ آن در حلال انجام می شود. هدف اصلی در آماده سازی بار را می توان در سه عامل زیر دانست:
۱- کاهش هزینه هیدرومتالورژی
۲- افزایش بازدهی و بازیابی
۳- افزایش کیفیت محصول
به منظور آماده سازی بار از چندین روش معدنی و متالورژیکی مانند موارد زیر استفاده می شود:
۱- فراوری و پر عیار کردن مواد معدنی به منظور کاهش حجم مواد اولیه و به تبع آن کاهش ظرفیت و ابعاد تجهیزات مورد نیاز و بالاخره حذف ناخالصیهای مطلوب در سنگ معدن و صرفهجویی در عملیات بعدی تصفیه، صرفهجویی در حمل و نقل و …
۲- تغییر خواص فیزیکی مواد معدنی که به طور کلی شامل خردایش سنگ معدنی می شود.
۳- تغییر خواص شیمیایی ماده معدنی به منظور تسهیل حل شدن آن مانند شکستن پیوندها (سیلیکاتها)، تشویه، تکلیس و غیره.
هر یک از عملیات های فوق موجب تغیراتی در روش و تجهیزات کاربردی لیچینگ می شود که در نتیجه آن را به هدف های ذکر شده برای آماده سازی بار نزدیک می سازد.
در ادامه شرح مختصری از سه عملیات بالا ارائه می شود:
۱- فراوری و پر عیار کردن
فراوری و پر عیار کردن مواد اولیه (سنگ معدن) بر اساس جدایش و خارج کردن ترکیب های غیرمطلوب (گانگ) از ماده معدنی با هدف کاهش خوراک کارخانه، صرفهجویی در حمل و نقل، حذف ناخالصی های نامطلوب و یا ناخالصی هایی که باعث مصرف زیاد حلال می شوند و غیره انجام می گردد. روشهای اصلی که برای پر عیار کردن به کار برده می شود عبارتند از:
– سنگ جوری صنعتی بر اساس اختلاف خواص فیزیکی قسمت های تشکیل دهنده سنگ معدن (مانند خواص مغناطیسی، هدایت الکتریکی، رنگ، ابعاد، رادیواکتیویته و …)
– پر عیار کردن بر اساس اختلاف وزن مخصوص
– جدایش مغناطیسی و الکترواستاتیکی
– فلوتاسیون
۲- تغییر خواص فیزیکی بار
تغییر خواص فیزیکی در تهیه بار شامل روش های متعدد می شود که مهم ترین آن ها خردایش است. اثر خردایش در
هیدرومتالورژی سامل مواردی از قبیل زیر می شود:
– خردایش باعث افزایش درجه آزادی شده و بازیابی فلز مورد نظر را در جریان استخراج توسط لیچینگ افزایش می دهد.
– خردایش باعث افزایش سطح مخصوص کانی شده و در جریان لیچینگ باعث افزایش سطح تماس فاز مایع با جامد شده و در نتیجه سرعت حل شدن را افزایش می دهد که خود باعث کوتاه شدن زمان لازم برای حل کردن می شود.
– حمل و نقل سنگ های شکسته و خرد شده به مراتب آسان تر و کم هزینه تر از حمل و نقل سنگ با ابعاد بزرگ است.
۳- تغییرات شیمیایی
هدف عمده تغییر شیمیایی سنگ معدن را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:
– تغییر فرمول شیمیایی کانی مورد نظر به منظور تسهیل حل شدن بعدی آن ها توسط حلال مانند تشویه سولفورها
– شکستن پیوندهای سیلیکاتی به منظور تسهیل حل شدن بعدی آن ها. بسیاری از ترکیبات معدنی به صورت سیلیکات و یا مجموعه ای از سایر ترکیبات و سیلیس می باشند که عملاً در حلال ها حل نمی شوند.
– اکسایش و تغییر فرمول شیمیایی بعضی از ناخالصی ها به منظور جلوگیری از حل شدن بعدی آن ها در حلال مانند اکسایش اکسید آهن دو ظرفیتی به اکسید آهن سه ظرفیتی که خاصیت حل شدن کم تری را در مجاورت اسیدها دارد.
با توجه به اینکه عمل تشویه مهم ترین روش در تغییر فرمول شیمیایی کانی ها می باشد، در ادامه شرح مختصری از آن ارائه می شود:
تشویه
تشویه، حرارت دادن کانی ها در حضور هوا و خارج کردن گوگرد موجود در کانی به صورت گاز سولفور و تبدیل عنصر فلزی به اکسید آن است. عملاً لغت تشویه در مورد کانی های سولفوری به کار برده می شود که در جریان آن سولفورهای فلزی غیر قابل حل در اسید به صورت اکسیدهای فلزی با قابلیت بسیار حل شدن در اسید در می آیند. در جریان تشویه می توان شرایط کار را طوری تنظیم کرد که قسمتی از سولفور فلزی به سولفات آن فلز و یا با کاربرد نمک طعام در سیستم تشویه قسمتی از سولفور فلزی به صورت کلرور فلزی در آید که مستقیماً قابل حل در آب می باشند.
انواع تشویه عبارتند از: تشویه کلرور کننده، تشویه آگلومره کننده و تشویه معلق.
- عوامل موثر در لیچینگ
عوامل بسیاری در انحلال فاز جامد در حلال موثر می باشند که مهم ترین آن ها عبارتند از:
– نقایص بلوری و تنش:
وجود تنش و نقایص بلوری باعث بالا رفتن سرعت حل شدن می شود. به طور کلی بلورهای طبیعی کامل بوده و نقایص کمتری دارند؛ چنان چه سنگ معدنی در آسیای ارتعاشی خرد شده باشد، شبکه بلوری کانی شکسته و دارای تنش زیاد خواهد بود.
– دانه بندی:
به طور کلی می توان گفت هر قدر سنگ معدنی دارای ابعاد کوچک تری باشد، فلز یا ترکیب مورد نظر با سرعت و بازیابی بیشتری در حلال حل خواهد شد.
– ترکیب شیمیایی کانی:
فرمول شیمیایی کانی در حل شدن بسیار موثر است. مثلاً حل شدن کانی های سولفوری با سرعتی به مراتب کمتر از حل شدن کانی های اکسیدی در اسیدها انجام می شود. اگر کانی ها به شکل سیلیکات باشند عملاً در اسیدها حل نمی شوند. هم چنین در بین سولفورهای متفاوت یک عنصر، سرعت حل شدن متفاوت خواهد بود. به طور کلی ترکیبی که فلز در آن ظرفیت کوچک تری دارد با سرعت بیشتری حل می شود.
– نوع حلال:
نوع حلال در سرعت واکنش موثر است. بعضی از حلال ها کانی های خاصی را با سرعت بیشتری حل میکنند. مثلاً سرعت حل شدن اکسیدهای آهن در اسید سولفوریک کمتر از حل شدن آن ها در اسید کلریدریک است.
– اثر غلظت حلال:
غلظت حلال یکی از عوامل اصلی در سرعت واکنش حل شدن است. به طور معمول هر قدر غلظت حلال بیشتر باشد، زمان لازم برای حل شدن کمتر خواهد بود. البته افزایش غلظت ضمن حل کردن کانی با ارزش روی سایر ناخالصی ها نیز اثر کرده و مقدار بیشتری از آن ها را حل می کند.
– اکتیویته هیدروژن:
فعالیت هیدروژن به خصوص در مورد اسیدهای ضعیف در حل شدن موثر است. با وجود آن که ممکن است اسید دارای غلظت زیادی باشد ولی به علت یونیزه شدن ضعیف آن سرعت واکنش حل کردن اهسته باشد. لذا در اصل فعالیت هیدروژن در محلول است که سرعت واکنش حل شدن را تعیین می کند.
– اثر زمان:
طول زمان لازم برای حل کردن بستگی به روش حل کردن دارد. در حل کردن به روش اتوکلاو عملاً زمان لازم در حدود یک ساعت است، در حالی که در حل کردن درجا زمان لازم به چند سال می رسد.
- حلال های لیچینگ:
حلال مهم ترین عامل در هیدرومتالورژی است. در واقع مصرف حلال، عامل اصلی در اقتصادی بودن روش می باشد، لذا انتخاب صحیح آن از اهمیت بسیاری برخوردار است. انتخاب حلال بستگی به عوامل متعددی دارد که برخی از آن ها عبارتند از:
۱- خواص فیزیکی و شیمیایی ماده مورد نظر که باید در حلال حل شود. این خواص مانند دانه بندی، فرمول شیمیایی، نوع گانگ، ناخالصی های همراه ماده معدنی و غیره که هر یک اثر تعیین کننده در انتخاب حلال دارد.
۲- قیمت حلال، میزان مصرف و امکان بازیابی آن، دومین شاخص در انتخاب حلال است. در بسیاری از روش های لیچینگ، امکان بازیابی حلال وجود ندارد و یا درصد بازیابی آن کم است. در این موارد باید حلال ارزان قیمت انتخاب شود، هرچند که از نظر حل کردن ماده مورد نظر چندان هم مناسب نباشد؛
۳- خاصیت خورندگی حلال بر روی تجهیزات هیدرومتالورژی خود عامل مهمی در انتخاب حلال است.
به طور کلی حلال ها را به چند دسته اصلی تقسیم میکنند که عبارتند از:
– حلال خنثی یا آب
– حلال اسیدی مثل اسید سلفوریک، اسید کلریدریک و بسیاری از اسیدهای آلی و معدنی دیگر
– حلال بازی یا قلیایی مثل سود سوزآور، بی کربنات سدیم، نمک سودا و غیره.
– محلول املاح مختلف
– حلال های گازی
راکتورهای اتمسفری در لیچینگ
- روش های لیچینگ:
روش های لیچینگ و انتخاب نوع آن بستگی به عیار فلز مورد نظر در سنگ معدنی (یا باطله معدنی) و ارزش آن دارد. ارزش ماده معدنی استخراج شده با توجه به درصد بازیابی آن باید بیش از هزینه های فرایندهای هیدرومتالورژی تا مرحله تولید فلز باشد. این هزینه ها به طور کلی شامل هزینه های استخراج، حمل و نقل، خردایش و فراوری در صورت نیاز، مصرف انرژی و هزینه های جاری، هزینه های سرمایه گذاری و سایر هزینه های تولیدی است.
از روش های مهم لیچینگ می توان به لیچینگ درجا، لیچینگ توده ای یا هیپ لیچینگ، لیچینگ ستونی یا حوضچه ای، ليچينگ همزني یا مكانيكي، ليچينگ تحت فشار یا اتوکلاو و لیچینگ به کمک باکتری (لیچینگ باکتریایی، لیچینگ میکروبی یا بیولیچینگ) اشاره کرد.
در روش لیچینگ درجا (In-Situ Leaching)، به علت کم عیار بودن کانه و عدم توجیه اقتصادی برای استخراج آن، توده های مواد معدنی به کمک حلال های مناسب، در محل و در طول مدت زمان طولانی مورد عملیات لیچینگ قرار می گیرند. برخی معادن طلا، اورانیوم و مس در دنیا با این روش فراوری می شوند.
لیچینگ درجا
در لیچینگ توده ای یا هیپ لیچینگ (Heap Leaching)، مواد را پس از آماده سازی و نرمه گیری (جدایش ذرات زیر ۲۰ میکرون) به صورت انباشته قرار می دهند، به نحوی که زیر ساخت های مناسب جهت جلوگیری از نفوذ مواد به اب های زیرزمینی آماده شده باشد. پس از پاشیدن حلال در سطح توده، حلال به مواد نفوذ کرده و عناصر مورد نظر را حل و به شکل محلول مادر از محیط خارج می شود تا در مراحل بعدی عناصر با ارزش آن بازیابی شود.
مراحل مختلف هیپ لیچینگ به اختصار به صورت زیر می باشد:
- استخراج سنگ معدن
- خرد کردن سنگ معدن در صورت لزوم
- آگلومره کردن (چسباندن چندین سنگریزه یا پودر سنگ) در صورت نیاز
- قرار دادن سنگ معدن در یک ردیف (جای مشخص شده)
- افزودن حلال متناسب با سنگ معدن؛ با روش مختص به آن برای انحلال فلز (فرایند لیچینگ)
- گردآوری محلولی از حلال و فلز مورد نظر در یک تانک یا حوضچه
- فرایند جداسازی فلز حل شده در حلال از آن
- بازگردانی حلال خالص به چرخه فرآیند لیچینگ
فرایند هیپ لیچینگ
در لیچینگ ستونی، مواد در ستونی بر روی هم انباشته شده و از سطح فوقانی مورد حلال پاشی قرار می گیرد. محلول مادر از ته ستون و یا حوضچه خارج می شود. در این روش مواد مورد استفاده متخلخل و دارای ابعاد ماسه ای بوده و برای مواد حاوی ذرات نرمه زیاد مناسب نمی باشد.
در لیچینگ همزني یا مكانيكي، مواد به اندازه کافی توسط آسیا نرم و سپس وارد تانک های لیچینگ می شود. با هم زدن مواد، عناصر با ارزش در حلال حل شده و در مراحل بعدی از باطله جدا می شود. سیانوراسیون طلا برای دستیابی به عنصر طلا را می توان بهترین مثال برای این روش دانست.
در ليچينگ اتوکلاو، از راکتورهای اتوکلاو تحت فشار برای انجام واکنش در دماهای بالا استفاده می‌شود تا نرخ انجام واکنش را تسریع بخشند. در این راکتورها از گازهای تسریع کننده نیز می توان استفاده کرد.
لیچینگ باکتریایی یا میکروبی شامل فنونی است كه از میكرو ارگانیسم های اسیددوست و اکسیدکننده آهن و گوگرد برای لیچینگ استفاده می شود. میكرو ارگانیسم ها براي سوخت و ساز و انجام فرایندهای حیاتی خود از منابع آلی و معدنی موجود در محیط تغذیه می کنند. Acidithiobacillus Ferrooxidans، Leptospirillum Ferrooxidans و Acidithiobacillus tiooxiadns از جمله باکتری های اسیددوستی هستند که از انرژی تولید شده به وسیله اکسایش ترکیب های گوگرد و آهن دوظرفیتی استفاده می کنند و از مهم ترین باکتری ها برای لیچینگ یا فروشویی میکروبی سنگ معدن فلزات به شمار می آیند. با متابولیسم این باکتری ها، اسید تولید می شود که منجر به انحلال عنصر مورد نظر می شود. لیچینگ میکروبی دارای مزایای مهمی همچون کاهش اثرات منفی زیست محیطی بر منابع آب و هوا، نیاز به انرژی کمتر، عدم نیاز به تجهیزات پیچیده و در نتیجه سرمایه گذاری پایین تر و امکان استخراج فلزات از منابع معدنی است.
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.