Гидрометаллургия

(от греч. hydor — вода и metallurgeo — добываю руду, обрабатываю металлы * a. hydrometallurgy; н. Hydrometallurgie; ф. hydrometallurgie; и. hidrometalurgia) — извлечение металлов из руд, концентратов, промежуточных продуктов и отходов разл. произ-в водными растворами гл. обр. хим. реагентов с последующим выделением металлов из растворов.

Впервые способами Г. извлекали медь из руд м-ния Рио-Тинто (Испания) в 16 в. Позднее были разработаны и внедрены гидрометаллургич. способы получения мн. др. металлов: платины (1827), никеля (1875), алюминия из бокситов — в России (1892), золота — в Новой Зеландии (1889), цинка — в Канаде и США (1914) и др. Значит. вклад в развитие Г. внёс рус. учёный П. Р. Багратион, создавший теорию цианирования золота (1843). Рус. химик H. H. Бекетов обосновал получение металлич. порошков водородом под давлением (1870), теорию Г. цинка разработал франц. химик Л. Летранже (1880), урана — нем. учёный О. Хёнигшмид (1914). В 20-х гг. в СССР В. Г. Хлопиным разработаны теоретич. основы Г. радия; в 30-х гг. А. Е. Маковецким, О. А. Есиным, П. И. Федотовым, Ю. В. Баймаковым — Г. тяжёлых цветных металлов, И. Н. Плаксиным — Г. золота. Значит. вклад в теорию сорбционного и экстракционного процессов внёс сов. учёный Б. Н. Ласкорин. В СССР гидрометаллургич. методы применяют в произ-ве Al, Zn, Cu, Ni, Со, Cd, U, редких и драгоценных металлов. За рубежом более 20% произ-ва Cu, 50-70% Zn и Ni, 100% окисей Al и U, металлич. Cd, Co и др. основано целиком на Г. Она получает распространение вследствие введения в эксплуатацию труднообогатимых тонковкрапленных руд, дающих низкое извлечение при обогащении, а также замены пирометаллургич. процессов, к-рые из-за значит. кол-ва вредных выбросов в атмосферу в большей степени загрязняют окружающую среду, чем Г. Схемы Г. включают ряд осн. операций, выбор и последовательность к-рых обусловлены хим.-минералогич. особенностями сырья, возможностью комбинирования с предприятиями хим. и др. отраслей пром-сти и т.п.

После механич. обработки руд технол. операции Г. выполняются в определ. последовательности: дробление и измельчение (до десятков мкм) с целью макс. раскрытия зёрен минералов, содержащих извлекаемый металл; отмывка мелких частиц ценных минералов или пустой породы и обезвоживание продуктов сгущением или фильтрацией. Для подготовки к выщелачиванию иногда необходимо изменение хим. состава руд или концентратов: окислит., сульфатизирующий, хлорирующий, восстановит. обжиги, спекание или сплавление с реагентами. Эти операции переводят извлекаемые металлы в растворимые соединения. Дисперсные материалы выщелачивают в чанах с механич. или воздушным перемешиванием пульпы (агитац. выщелачивание), песковые и галечные — просасыванием раствора через слой материала в чанах с ложным дном (перколяционное выщелачивание) или орошением сложенных в штабели на водонепроницаемых площадках с дренажными канавами (кучное выщелачивание), подачей растворов реагентов под землю в раздробл. руду и сбор их для переработки (Выщелачивание подземное). Подбором реагентов, их концентраций, темп-ры достигается избират. перевод в раствор заданных компонентов. Напр., окисленные медные руды, содержащие в качестве осн. пустой породы кварц, выщелачивают раствором серной к-ты, а при наличии в руде больших кол-в карбонатов — аммиачным раствором. Варьируя условия выщелачивания, получают разл. степени окисления металлов, воздействуют на скорость и пределы растворимости их соединений. Так, соли Fe3+, Cr3+, Al3+ при высоких темп-pax образуют малорастворимые соединения (гидролитич. очистка), а Fe2+ , Ni2+, Co2+, Zn2+, Cd2+ остаются в растворе; оксиды U (IV) и Mo (IV), в отличие от U (VI) и Mo (VI), малорастворимы; регулируя условия окисления сульфидной серы, можно при выщелачивании получить её в элементарной форме или в виде серной к-ты и её солей. Перевод в раствор осн. металла из черновых сплавов производится электролитич. растворением анодов из этих сплавов при одновременном выделении осн. металла (Сu, Ni, Pb и др.) на катоде в чистом виде, а электроположительные примеси (Au, Aq, Pt, Bi, Pb, Se, Te, As и др.) концентрируются в анодном шламе. Ускорение выщелачивания и повышение извлечения металла в раствор часто достигаются увеличением темп-ры — при атм. давлении обычно ниже 100°С, при повышенных давлениях (до 8-10 МПа) в автоклавах до 150-300°С. Автоклавное выщелачивание дополнительно ускоряет реакции в сотни и тысячи раз и позволяет совмещать окисление (восстановление) с выщелачиванием продуктов за счёт подачи вместе с пульпой сжатых газов-реагентов (О2, SO2, воздуха и др.), что исключает необходимость обжига. Для ускорения подземного и кучного выщелачивания медных, урановых, золотосодержащих и др. руд в раствор вводят бактерии, способствующие окислит. процессам (Бактериальное выщелачивание).

В нек-рых случаях усиление взаимодействия минералов с реагентами достигается дополнит. измельчением до 1-5 мкм и менее (механич. активирование) или нагреванием с последующей закалкой, отжигом (термич. активирование), приводящими к разрушению кристаллич. решётки и накоплению в ней дефектов. После отделения металлсодержащего раствора и промывки хвостов на фильтрах или в сгустителях осаждают компоненты, мешающие последующим операциям либо загрязняющие продукт (напр., избыток железа в медном электролите увеличивает расход энергии, хотя и не ухудшает состав катодной меди, присутствие Сu, Ge, Co в цинковом электролите исключает выделение цинка на катоде). Очистка растворов от нек-рых примесей позволяет сконцентрировать их в осадках и затем извлечь в товарной форме (Со в произ-ве никеля, Cd в произ-ве цинка). При выщелачивании бедного сырья получают разбавленные растворы, непригодные для непосредств. получения товарных металлов по техн. или экономич. причинам. В таких случаях применяют разл. способы концентрирования и предварит. разделения металлов из растворов (напр., цементация металлич. железом меди с последующей флотацией её — метод Мостовича; из неочищ. растворов, отделённых от хвостов выщелачивания окисленных никелевых руд, никель и кобальт осаждают сероводородом в автоклавах). В произ-ве урана, меди, золота и др. металлов используют концентрирование сорбцией на ионообменных смолах; сорбированные металлсодержащие ионы десорбируются (элюируются) небольшим объёмом элюанта с получением концентрир. растворов. Сорбция может быть совмещена с выщелачиванием (сорбционное выщелачивание), при этом выщелачивание ускоряется. Сорбция непосредственно из пульп позволяет исключить фильтрацию и промывку слабофильтрующихся и несгущающихся хвостов, т.к. крупнозернистая смола легко отделяется на решётках. Широкое применение получило концентрирование и разделение металлов жидкостной экстракцией нерастворимыми в воде органич. веществами (экстрагентами) — трибутилфосфатом, аминами, карбоновыми и фосфорорганич. к-тами, оксимами и др., применяемыми обычно в виде раствора в керосине. Экстракцию и последующую реэкстракцию проводят в аппаратах типа смеситель-отстойник, колонных, центробежных или др. Скорость экстракции значительно выше скорости ионного обмена на твёрдых сорбентах. Выделение из растворов чистых металлов производится электролитич. или хим. восстановлением; в зависимости от условий электролиза металлы получают в компактной форме или в виде порошков; хим. восстановление водородом и др. газами веду в автоклавах с получением металлов в виде порошков. В ряде случаев гидрометаллургич. схема заканчивается кристаллизацией или осаждением чистого хим. соединения металла (напр., в произ-ве алюминия, урана и др.).

Литература: Основы металлургии, т. 1-7, М., 1961-75; Автоклавные процессы в цветной металлургии, М., 1969; Xабаши Ф., Основы прикладной металлургии, пер. с англ., т. 1-2, М., 1975; Зеликман А. Н., Вольдман Г. М., Беляевская Л. В., Теория гидрометаллургических процессов, 2 изд., М., 1983.

Г. М. Вольдман, С. И. Соболь.