Сорбция золота из технологических растворов

Сорбция золота и серебра из технологических растворов широко используется на золотодобывающих предприятиях с применением цианистой технологии. Наиболее часто эта операция применяется для следующих видов растворов:

-продуктивные растворы кучного и подземного выщелачивания;

-сливы сгустителей, содержащие цианистые комплексы золота и серебра;

-маточные растворы после электролиза золота;

-фильтраты после фильтрации циансодержащих хвостов сорбции;

-растворы производственной канализации фабрик после предварительного отделения твердой фазы.

Процесс сорбции из растворов имеет свои закономерности и особенности [1, 2, 3], знание которых необходимо для максимально эффективного извлечения драгметаллов из растворов и использования сорбционных колонн с максимальной производительностью.

В научно-практической литературе вопросы теории и практики сорбции из растворов освещены слабо. Только в 2014 г. вышла книга крупного специалиста по сорбционной технологии Волкова Владимира Петровича «Сорбционные процессы действующих производств», в которой очень подробно изложены вопросы сорбции золота и урана из растворов в сорбционных колоннах.

Сорбция золота и серебра из технологических растворов в промышленных условиях осуществляется в динамике пропускания растворов через слой сорбента с определенной скоростью в сорбционных колоннах. Процесс динамического насыщения сорбента состоит из двух стадий, отличающихся друг от друга законами распределения сорбируемого элемента как во времени сорбции, так и по высоте слоя сорбента.

Если в слой сорбента непрерывно подавать раствор с сорбируемым элементом (СЭ), то через некоторое время в нижнем слое образуется стабильное распределение концентраций СЭ, т.е. в этом слое наступает динамическое равновесие концентраций СЭ в сорбенте и поступающем растворе. Это явление принято называть «фронтом распределения равновесных концентраций»  (ФРК). В момент образования ФРК первый по ходу движения раствора слой сорбента насыщается до максимальной концентрации СЭ. Время от начала сорбции до максимального насыщения первого микрослоя сорбента называют временем t0 образования ФРК. При дальнейшем пропускании раствора концентрация СЭ распределяется по высоте слоя сорбента по убывающей от исходной (С_исх) до минимальной (С_мин).

При продолжении сорбции начинается вторая стадия насыщения, во время которой происходит параллельное продвижение ФРК в направлении движения раствора по высоте слоя сорбента.

На рис. 1а показан момент образования ФРК в монослое сорбента через время t₀ с начала сорбции на высоте ∆h. Раствор движется снизу вверх с линейной скоростью W_L. Кривая отражает момент образования фронта равновесных концентраций СЭ в монослое сорбента за время t₀ с начала сорбции. При этом концентрация на выходе колонны С_вых=0.

На рис. 1б показано, что с дальнейшей подачей исходного раствора (вторая стадия сорбции) ФРК в монослое ∆h параллельно поднимается вверх со скоростью W_f. Скорость W_f продвижения фронта равновесных концентраций будет меньше линейной скорости продвижения концентраций СЭ в растворе, но постоянной во все время последующей сорбции. Заштрихованное пространство по высоте колонны показывает, на какую высоту h максимально насыщен сорбент.

Важной характеристикой процесса динамической сорбции из растворов являются выходные кривые сорбции, которые получают путем пропускания через слой сорбента в колонне с определенной и постоянной скоростью раствора с известной концентрацией СЭ (при этом концентрация СЭ в растворе должна быть постоянной, т.е. С_исх=const). На выходе из колонны через определенные промежутки времени отбираются разовые пробы раствора и анализируются на концентрацию СЭ, которую наносят на график зависимости от времени или объема пропущенного раствора. Получившиеся на графике кривые зависимости концентрации СЭ от времени называются выходными кривыми сорбции, а построенные графики в зависимости от объемов пропущенного раствора — интегральными кривыми. На рис. 2 показаны выходная (а) и интегральная (б) кривые сорбции, полученные в одних и тех же условиях постановки опыта.

Пользуясь формой выходной кривой сорбции, можно определить основные параметры и показатели второй стадии сорбции (Е_max, коэффициент концентрирования К_к= Е_max /С_исх и кинетический коэффициент сорбции β) по формулам, приведенным в [1].

Согласно современным представлениям, время сорбции от начала подачи раствора до появления на выходе из колонны концентрации СЭ, равной С_исх, состоит из трех составляющих:

Т_общ= t₀ + t + ∆ts,

где

t₀ — время образования ФРК (на первой стадии сорбции),

t — время продвижения ФРК от t₀ до появления на выходе колонки концентрации С_сбр,

∆ts — рабочее время сорбции (время продвижения ФРК по высоте рабочего слоя сорбента).

Интегральные выходные кривые не несут информации о кинетических характеристиках процесса в данных условиях, но позволяют получить относительные данные при сравнении рабочей емкости по СЭ нескольких сорбентов, что немаловажно при выборе сорбента для реального процесса.

Необходимым условием действия обеих стадий сорбции из растворов является наличие достаточной высоты слоя сорбента, которая должна состоять из слоя, где распределяется ФРК, и слоя, в котором происходит продвижение ФРК, до появления на выходе сбросной концентрации СЭ в растворе, которую еще называют концентрацией «проскока». Этот дополнительный слой назван защитным, а время второй стадии — защитным временем сорбции.

Таким образом, первая стадия сорбции из растворов заключается в образовании фронта равновесных концентраций (ФРК) в монослое сорбента, а вторая стадия — в параллельном продвижении концентраций СЭ по направлению движения раствора.

В производственных условиях первые стадии сорбции продолжаются только в период пуска сорбционной колонны со свежим сорбентом, в последующей длительной работе колонны сорбция осуществляется по закономерностям второй стадии сорбции. Соответственно этому управлять процессом сорбции необходимо по законам второй стадии процесса на основе технологических параметров и показателей, полученных на предварительном этапе исследований [1, 2].

Параметры и показатели второй стадии сорбции легко определяются опытным путем при исследовании кинетики сорбции в статических условиях: время максимального насыщения сорбента t₀ в данных условиях; максимальная емкость сорбента Е_макс по СЭ; кинетические характеристики процесса.

В отличие от процессов сорбции из пульп, где для осуществления противотока сорбент-пульпа требуется создание определенного количества ступеней сорбции, динамическая сорбция осуществляется в одной или в двух последовательных колоннах. В этом случае по высоте слоя сорбента образуется бесконечное число ступеней сорбции, что при минимальных сбросных концентрациях СЭ в выходном растворе обеспечивает максимальную емкость насыщенного сорбента по извлекаемому элементу. Как правило емкость сорбента в противоточных аппаратах сорбции из пульп на 25–50 % ниже, чем при сорбции из растворов в колоннах.

Сорбция из растворов может быть полунепрерывной или периодической. При полунепрерывной сорбции в колонну снизу вверх в течение заданного времени Т непрерывно подается раствор, содержащий извлекаемый элемент. Через время Т подачу раствора прекращают и из нижней части колонны выгружают определенное количество насыщенного сорбента, а в верхнюю часть колонны загружают такую же порцию регенерированного или свежего сорбента.

В периодическом режиме подачу раствора в колонну осуществляют до максимального насыщения всего слоя сорбента. Для обеспечения заданного минимального сброса сорбируемого элемента система сорбции состоит из двух и более последовательно установленных колонн. В отличие от полунепрерывного способа, при котором насыщенный сорбент отправляют на регенерацию в другие колонны, при периодическом режиме регенерация сорбента происходит в той же сорбционной колонне, где закончилось насыщение сорбента.

Каждый из вышеперечисленных способов имеет свои преимущества и недостатки, свою область применения. Из сравнения двух описанных способов наиболее производительным является полунепрерывный, поскольку он обеспечивает высокую удельную производительность по растворам, минимальную единовременную загрузку сорбента и возможность осуществления сорбции из растворов, содержащих небольшое количество рудных шламов (до 50 г/м³). Поэтому этот способ широко применяется для извлечения золота и серебра из продуктивных растворов кучного или подземного выщелачивания.

Периодический режим сорбции используется в основном на операциях водоподготовки и при сорбционном разделении близких по свойствам элементов, когда недопустимо даже минимальное смешивание близлежащих слоев сорбента (например, при сорбционном разделении редкоземельных элементов).

Важной характеристикой процесса сорбции из растворов, от которой зависит производительность сорбционных колонн, является линейная скорость движения растворов WL. При определении линейной скорости растворов в слое сорбента допускается условие, что площадь сечения колонны не занята сорбентом. В то же время фактическая площадь сечения равна площади свободного пространства с учетом площади, занятой зернами сорбента:

F_факт.=F·ɛ,

где

ɛ —порозность сорбента в долях единицы,

F — площадь сечения колонны в м²

Порозность сорбента учитывает плотность его упаковки в колонне. Значение порозности может изменяться от 0,3 до 0,6 в зависимости от скорости, крупности и формы зерен. При расчете параметров процесса сорбции из растворов можно пользоваться двумя значениями линейной скорости — приведенной и фактической:

WL= V/F (приведенная)

WL_факт= V/F·ɛ (фактическая)

На практике предпочтительнее пользоваться приведенной линейной скоростью, т.к. при этом исключается необходимость в каждом случае определять значение порозности.

В начальный период внедрения процесса сорбции линейная скорость растворов не превышала 5–10 м/час из-за ограниченной удельной производительности дренажей. Затем по мере развития урановой промышленности стали внедрять колонны с увеличенной высотой слоя сорбента и удельной производительностью по растворам. При проведении исследований гидродинамики движения растворов в колоннах выяснилось следующее. При линейной скорости движения растворов 6–8 м/ч начиналось раздвижение зерен сорбента и его классификация по крупности. При скорости 10–18 м/ч наблюдалось подобие «кипящего слоя», что приводило к перемешиванию зерен сорбента и резкому ухудшению показателей сорбции. В этом случае в колонне образуется всего 2–3 теоретических ступени сорбции.

Дальнейшие исследования гидродинамики процесса показали, что эффект «кипящего слоя» прекращается при достижении линейной скорости выше 20–24 м/ч. При более высоких скоростях раствора сорбент прижимается к верхним дренажам колонны и одновременно уплотняется по всей высоте слоя. В этом случае всякое перемешивание сорбента прекращается и в действие вступают закономерности второй стадии сорбции. Это обстоятельство было использовано для создания высокопроизводительных сорбционных колонн с зажатым слоем сорбента типа СНК.

В золотой промышленности на предприятиях кучного выщелачивания большей частью применяются безнапорные сорбционные колонны с нижним дренажем или без него (рис. 3). В такую колонну сорбент (уголь или ионит) загружается на 2/3 высоты колонны, раствор подается снизу вверх. Выходной раствор свободно сливается через сливной порог и поступает на сито для улавливания сорбента. Насыщенный сорбент периодически откачивается насосом на десорбцию и регенерацию. Иногда вместо насоса для откачки насыщенного угля применяют внутренний транспортный аэролифт. Это наихудший вариант, т.к. аэролифт работает при помощи сжатого воздуха, который вызывает внутри колонны перемешивание бедных и богатых слоев сорбента, что приводит к резкому уменьшению рабочей емкости сорбента.

Недостатками работы таких колонн можно назвать следующие:

- Низкая линейная скорость прохождения раствора через слой сорбента обуславливает сравнительно невысокую удельную производительность колонны по растворам — 26–28 м³ на 1 кв.м площади сечения колонны. Рабочий объем колонны по сорбенту используется на 60–65 % от полного объема из-за раздвижения зерен сорбента и предотвращения выноса сорбента с выходным раствором.

- Содержащиеся обычно в продуктивном растворе твердые взвеси и шламы постепенно накапливаются в сорбенте, часто забивают нижние дренажи, что приводит к образованию канальных эффектов при прохождении раствора через слой сорбента. Вследствие этого часть сорбента зависает и не участвует активно в процессе сорбции. Обычно зависание сорбента происходит по периферии колонны. Особенно часто зависание наблюдается в колоннах большого диаметра (свыше d=1,5 м).

- Для увеличения производительности по раствору и получения заданной сбросной концентрации СЭ в выходном растворе безнапорные сорбционные колонны обычно используются в паре с другой колонной последовательно, для чего их устанавливают каскадом так, чтобы слив первой колонны самотеком поступал в нижнюю часть второй колонны. Для откачки насыщенного угля из колонны, как правило, используют специальные центробежные угольные насосы, в которых уголь не соприкасается с лопатками рабочего колеса, что предотвращает интенсивный износ и разрушение угля.

Практика работы безнапорных колонн показала, что зависший уголь не разгружается сразу, он постепенно прессуется и насыщается золотом, вследствие чего увеличивается количество драгметаллов в НЗП (незавершенное производство), иногда в весьма значительных количествах (до 10 кг и более).

Продолжение статьи. Сорбция золота из технологических растворов. Часть 2

Об авторе

-12+2

• Содержание сайта
• Комментарии
• Главная страница