Г.Ж. Жунусова, М.Ж Буленбаев , О.А. Кальянова, Х.С. Устемиров

НАО «Казахский национальный исследовательский технический

университет имени К.И. Сатпаева», г.Алматы, Республика Казахстан

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕРНОКИСЛОТНОГО АВТОКЛАВНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЦИНКА ИЗ НИЗКОСОРТНЫХ СУЛЬФИДНЫХ ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

 

Аннотация. В данной работе приведены результаты исследований зависимости степени выщелачивания цинка от температуры и концентрации серной кислоты при автоклавном окислительном выщелачивании низкосортных сульфидных концентратов Николаевского месторождения Республики Казахстан в серной кислоте в присутствии окислителей – кислорода и пероксида водорода. Определены оптимальные параметры процесса: температура - 160 0С и концентрация серной кислоты - 300 г/дм3.

 Ключевые слова: автоклав, температура, концентрация, кек, продуктивный раствор.

В мировой практике цинк в основном производится из сульфидных концентратов по традиционной технологии («обжиг концентратов цинка – выщелачивание огарков – очистка растворов – электролиз цинка с получением металлического цинка»), которые эффективны для переработки сульфидных концентратов, богатых по содержанию цинка (содержание цинка более 50%) [1, 2].

Недостатками данной схемы являются использование громоздких капиталоемких операций обжига, очистки серосодержащих газов, загрязнение ими атмосферы воздуха, низкое сквозное извлечение цинка из сырья – 60-80 %, образование труднорастворимых ферритов и силикатов при обжиге, которые выщелачиваются при повышенной кислотности растворителей, что усложняет в дальнейшем операции очистки растворов и электролиза цинка.

В целях устранения этих недостатков был разработан способ автоклавного окислительного выщелачивания (АОВ) цинковых богатых и кондиционных цинковых концентратов [3-8]. Преимуществами АОВ в сравнении с традиционной технологией являются исключение процессов обжига концентратов, очистки газов, совмещение в одном герметичном аппарате процессов окисления и выщелачивания сульфидов металлов, что способствует сокращению капитальных затрат, улучшает экологическую обстановку окружающей среды. Использование АОВ для передела сырья имеет выраженный технологический эффект. Так, применение повышенного давления в аппарате способствует ускорению процесса, глубокому разрушению прочных связей в кристаллической решетке сульфида цинка, повышает степень разделения многокомпонентных смесей по продуктам переработки, исключает образование ферритов; позволяет перевести серу из сульфидов в серу элементную, которая является экологически безопасной и легко складируемой.   

В Казахстане происходит постепенное истощение запасов богатых цинксодержащих руд, в переработку все больше вовлекается низкосортное полиметаллическое сырье, имеющее низкое качество по содержанию цинка, железа и меди: <50% цинка, >9% железа, 2-4% меди. В республике к числу низкосортных сульфидных цинковых концентратов  относятся концентраты Николаевского и Ново-Широкинского месторождений, поступающие на переработку в Риддерский металлургический комплекс ТОО «Казцинк».

 Современной задачей металлургии цинка является определение технологических режимов автоклавного выщелачивания низкосортных сульфидных цинковых концентратов, позволяющих использовать такие концентраты в качестве основного сырья в цинковом производстве.

Эксперименты по сернокислотному АОВ концентратов проводились на автоклавной установке, смонтированной в Научном центре инноваций и коммерциализации технологий университета. На рисунке 1 приведена схема укрупненно-лабораторной автоклавной установки. Герметичность автоклава позволяет проводить процесс при повышенных температурах (>370 0К) и давлениях (ρ>0,1 МПа), что обеспечивает значительную интенсификацию процесса выщелачивания. Вся внутренняя поверхность реакционной камеры автоклава освинцована, что позволяет перерабатывать материалы  в кислых средах. В установке предусмотрена подача газовых сред (кислорода, сжатого воздуха, их смеси, инертных газов) в реакционную камеру автоклава. Установка снабжена  системой  механического перемешивания, водяной рубашкой для охлаждения  пульпы, вентиляцией. Налажена система отстаивания и фильтрации суспензии (пульпы)вне аппарата.

Методика проведения экспериментов по сернокислотному АОВ низкосортных сульфидных цинковых концентратов

Измельченная навеска пробы концентрата (-0,074 мм) загружается в кислотоустойчивую емкость для приготовления пульпы, туда же подается серная кислота заданной концентрации. Пульпа перемешивается и загружается в освинцованную реакционную камеру автоклава с механической лопастной мешалкой. Устанавливается рабочая температура автоклавного выщелачивания. Автоклав герметизируется, включаются нагревательные элементы, затем после нагрева автоклава включается механическая мешалка, подаются окислители – кислород и пероксид водорода. Процесс осуществляется в течение заданного времени. Давление подаваемого кислорода и общее давление в автоклаве в течение эксперимента выдерживаются в пределах заданных величин. По завершении автоклавного выщелачивания выключаются нагрев автоклава, механическая мешалка, включается водяное охлаждение реакционной камеры автоклава.  После охлаждения реакционной камеры до температуры <70 0С производится слив пульпы через донный патрубок в сливную ёмкость и производится фильтрация пульпы на нутч-фильтре вакуум - фильтровальной установки с целью отделения продуктивного раствора.

После завершения фильтрации полученный кек (нерастворимый осадок) промывается водой, сушится в сушильном шкафу и взвешивается. Замеряются объемы фильтрата и промывной воды. Из фильтрата и промводы отбираются аликвоты, а из сухого кека - усреднённая проба, которые направляются на анализ с целью определения содержания в них основных компонентов (цинка, свинца и др.).

 

 

1 – Автоклав. 2 – Мешалка с лопастями. 3 – Кессон для охлаждения автоклава. 4 – Донный сливной патрубок. 5 – Пробка для донного слива. 6 – Трубка для подачи воды в кессон. 7 – Футеровка печи. 8 – Лопасти мешалки. 9 – Печь нагрева с нихромовой спиралью. 10 – Освинцованная реакционная камера автоклава. 11 – Патрубок для стравливания газов. 12 – Манометр. 13 – Патрубок для подачи газов. 14 – Болтовое соединение крышки автоклава. 15 – Чехол термопары, освинцованная с наружи.  16 – Патрубок загрузки. 17 – Крышка автоклава. 18 – Муфта для соединения мешалки с приводом. 19 – Подача воды для охлаждения перемещающего устройства. 20 – Пробка с уплотнителем. 21 – Стержень от привода к мешалки. 22 – Соединительный корпус для привода мешалки (шкив, ремень). 23 –Устройства – привод для перемешивания мешалки. 24 – Станина для крепления электродвигателя и автоклава. 25 – Электродвигатель. 26 – Станина (стол)

Рисунок 1 – Укрупненно - лабораторная автоклавная установка

 Результаты атомно-абсорбционного определения массовых долей цинка в фильтрате, промывной воде и кеке, а также степень извлечения цинка в раствор и кек при сернокислотном АОВ концентрата в присутствии окислителей - пероксида водорода и кислорода - в зависимости от температуры процесса и концентрации серной кислоты при постоянных технологических параметрах (навеска концентрата – 150 г, время выщелачивания – 2 ч, количество добавки ПАВ (лигносульфоната натрия) – 0,6 % от навески концентрата, давление кислорода – 0,4 МПа, количество окислителя пероксида водорода – 100 % от стехиометрии в перерасчете на 100% Н2О2, Ж:Т=4:1) приведены в таблицах 1, 2 и на рисунках 2, 3.

Таблица 1 – Данные по содержанию и извлечению цинка в продукты сернокислотного АОВ концентрата Николаевского месторождения в присутствии окислителей в зависимости от температуры процесса

Номерпробы

Темпе-ратура процесса, 0С

Объем

раствора,

дм3

Масса кека,

г

Результаты анализа

Степень извлечения цинка в:

г/дм3

%

кек

продукт. р-р

г

%

г

%

1

130

продукт. р-р

0,50

89,1

114,3

8,17

7,28

10,34

62,32

88,5

пром. вода

0,51

10,14

2

140

продукт. р-р

0,48

86,4

123,3

4,87

4,21

5,98

65,22

92,61

пром. вода

0,51

11,84

3

150

продукт. р-р

0,48

85,6

128,98

1,69

1,45

2,06

67,98

95,53

пром. вода

0,50

12,14

4

160

продукт. р-р

0,47

80,3

131,87

1,56

1,25

1,78

68,31

96,01

пром. вода

0,50

12,66

5

170

продукт. р-р

0,45

80,2

136,82

1,51

1,21

1,72

68,40

96,13

пром. вода

0,50

13,14

Примечание: пром.вода – промывная вода, продукт. р-р – продуктивный раствор.

 

Таблица 2 – Данные по содержанию и извлечению цинка в продукты сернокислотного АОВ концентрата Николаевского месторождения в присутствии окислителей в зависимости от концентрации раствора серной кислоты

Номер пробы

Концентрация H2SO4,

г/дм3

Объем

раствора,

дм3

Масса кека,

г

Результаты анализа

Степень извлечения цинка в:

г/дм3

%

кек

продукт. р-р

г

%

г

%

1

100

продукт. р-р

0,54

83,12

113,17

2,55

2,12

3,01

66,80

94,86

пром. вода

0,57

9,98

2

200

продукт. р-р

0,47

80,3

131,87

1,56

1,25

1,78

68,31

96,01

пром. вода

0,50

12,66

3

300

продукт. р-р

0,47

80,11

134,28

1,56

1,25

1,77

68,47

97,23

пром. вода

0,51

10,51

4

400

продукт. р-р

0,46

79,67

136,52

1,54

1,23

1,75

68,56

97,36

пром. вода

0,50

11,52

Примечание: пром.вода – промывная вода, продукт. р-р – продуктивный раствор.

 

Рисунок 2 – Извлечение цинка из концентрата в продуктивный раствор в зависимости от температуры процесса сернокислотного АОВ концентрата в присутствии окислителей

Рисунок 3 – Извлечение цинка из концентрата в продуктивный раствор в зависимости от концентрации раствора серной кислоты при сернокислотном АОВ концентрата в присутствии окислителей

 

Полученные результаты (таблица 1 и рисунок 2) показали, что повышение температуры процесса с 130 до 160 0С обеспечивает извлечение цинка в сульфатный раствор с 88,5 до 96,01 %, что также связано с повышением общего давления в системе с 0,8 до 1,5 МПа.  Дальнейшее повышение температуры до 170 0С практически не влияет на извлечение цинка c 96,01 до 96,13 %, поэтому установленной оптимальной температурой процесса является температура 160 0С.

В результате проведенных экспериментов (таблица 2 и рисунок 3) было установлено, что при увеличении концентрации H2SO4 выщелачивающего раствора с 100 г/дм3 до 300 г/дм3 извлечение цинка в раствор увеличивается с 94,86 до 97,23 %. Дальнейшее увеличение концентрации серной кислоты до 400 г/дм3 незначительно влияет на извлечение цинка в раствор, степень извлечения цинка изменяется с 97,23 до 97,36 %. Установлено, что концентрация H2SO4 – 300 г/дм3 является оптимальной для автоклавного выщелачивания сульфидных концентратов.

 

Выводы:

Получены оптимальные  технологические параметры по температуре (160 0С) и концентрации серной кислоты (300 г/дм3) процесса сернокислотного АОВ концентрата Николаевского месторождения в присутствии кислорода и пероксида водорода, обеспечившие высокое извлечение цинка в продуктивный раствор (96,01-97,36%). Исследуемый процесс сернокислотного АОВ концентрата Николаевского месторождения показал перспективность применения данного способа для переработки низкосортных цинковых концентратов.

 

 

 

 

 

Литература:

1. Набойченко С.С., Ни Л.П., Шнеерсон Я.М., Чугаев Л.В. Автоклавная гидрометаллургия цветных металлов. - Екатеринбург. 2002, 940 с.

2. Садыков С.Б. Автоклавная переработка низкосортных цинковых концентратов. – Екатеринбург: УрО РАН. 2006. – 581 с.

3.  Еденбаев С.С., Жунусова Г.Ж., Алтайбаев Б.Т., Серкебаева С.К. Исследования процессов переработки сульфидных коллективных концентратов флотации шламов способом автоклавного выщелачивания // Вестник КазНТУ. Алматы –2013, №4(98). С.247-252.

4. Jankola W.A. Zinc pressure leaching at Cominco // Hydrometallurgy, 1995. V. 39, P. 63-70.

5. Johnston B.H. The application of Sherritt zinc pressure leach technology at the Kidd Creek zinc plant // 13th Annu. Hydrometall. Meet.CIM, Metall. Soc. (Aug.) Edmonton, 1983.

6. Collins MJ., Me Conaghy EJ., Stauffer R.E. et al. Starting up the Sherritt zinc p sure leach process at Hadson Bay // JOM, 1994. N 4, P. 51-58. 

7. Collins MJ., Оzberk E., Makwana M. et al. Integration of the sherritt zinc pres ieach process at the Ruhr-Zink Refinery // Hidrometallurgy’94, IMM. L.: Chap and Hall, 1994, P. 869-885.

8. Yamada Т., Kumarochi S., Sato S., Shibachi Y. The Recent Operation of Hematite Process at the Iijima Zinc Refinery, Zinc and Lead Processing / Ed. Dutrizac, J.A. Gonzalez, G.L. Bolton and P. Hancock. CIM, Montreal, Can 1998, P. 627-638.