ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2024-3-576-584WTLVTKipolytech-854Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯMETALLURGYОпределение кинетических характеристик растворения борнита и халькопирита в азотной кислотеKinetic characteristics of bornite and chalcopyrite dissolution in nitric acidhttps://orcid.org/0009-0001-4220-4330ШкляевЮ.ShklyaevYu.

Шкляев Юрий - инженер – исследователь, Научная лаборатория перспективных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья цветных и черных металлов.

620002, Екатеринбург, ул. Мира 19

Yurii Shklyaev - Research Engineer, Scientific Laboratory of Advanced Technologies for Complex Processing of Mineral and Man-Made Raw Materials of Non-Ferrous and Ferrous Metals.

19 Mira St., Ekaterinburg 620002

iushkliaev@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7705-0864ДизерО. А.DizerO. A.

Дизер Олег Анатольевич - к.т.н., старший научный сотрудник, Научная лаборатория перспективных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья цветных и черных металлов.

620002, Екатеринбург, ул. Мира 19

Oleg A. Dizer - Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Scientific Laboratory of Advanced Technologies for Complex Processing of Mineral and Man-Made Raw Materials of Non-Ferrous and Ferrous Metals.

19 Mira St., Ekaterinburg 620002

oleg.dizer@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7705-0864ЛуговицкаяТ. Н.LugovitskayaT. N.

Луговицкая Татьяна Николаевна - к.т.н., старший научный сотрудник, Научная лаборатория перспективных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья цветных и черных металлов.

620002, Екатеринбург, ул. Мира 19

Tatyana N. Lugovitskaya - Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Scientific Laboratory of Advanced Technologies for Complex Processing of Mineral and Man-Made Raw Materials of Non-Ferrous and Ferrous Metals.

19 Mira St., Ekaterinburg 620002

lugovitskaia@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6308-4086ГоловкинД. И.GolovkinD. I.

Головкин Дмитрий Игоревич - младший научный сотрудник, Научная лаборатория перспективных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья цветных и черных металлов.

620002, Екатеринбург, ул. Мира 19

Dmitry I. Golovkin - Junior Researcher, Scientific Laboratory of Advanced Technologies for Complex Processing of Mineral and Man-Made Raw Materials of Non-Ferrous and Ferrous Metals.

19 Mira St., Ekaterinburg 620002

dmitry.golovkin@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5940-040XРогожниковД. А.RogozhnikovD. A.

Рогожников Денис Александрович - д.т.н., доцент - заведующий лабораторией, Научная лаборатория перспективных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья цветных и черных металлов.

620002, Екатеринбург, ул. Мира 19

Denis A. Rogozhnikov - Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Laboratory, Scientific Laboratory of Advanced Technologies for Complex Processing of Mineral and Man-Made Raw Materials of Non-Ferrous and Ferrous Metals.

19 Mira St., Ekaterinburg 620002

darogozhnikov@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation202405102024283576584Copyright © Шкляев Ю., Дизер О.А., Луговицкая Т.Н., Головкин Д.И., Рогожников Д.А., 20242024Шкляев Ю., Дизер О.А., Луговицкая Т.Н., Головкин Д.И., Рогожников Д.А.Shklyaev Y., Dizer O.A., Lugovitskaya T.N., Golovkin D.I., Rogozhnikov D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/854

Цель данного исследования заключается в определении кинетических характеристик процесса растворения в азотной кислоте сульфидных медьсодержащих минералов: халькопирита (CuFeS₂) и борнита (Cu₅FeS₄). Для описания кинетики процесса использовалась модель сжимающегося ядра. В качестве основного сырья для проведения исследований были использованы минералы халькопирит Воронцовского и борнит Карабашского месторождений. Растворы анализировали оптико-эмиссионным спектральным методом, кеки – волновым рентгенофлуоресцентным. Обработка результатов исследований осуществлялась с помощью пакета прикладных программ MS Excel. Проведены исследования по изучению влияния различных факторов (температуры, концентрации растворителя, крупности частиц и продолжительности процесса) на степень растворения минералов. Температурный диапазон варьировался от 35 до 95°C, концентрация HNO₃ изменялась от 1 до 9 моль/дм³, размер частиц – от +0,1 до 0,056 мм, продолжительность – от 0 до 60 мин. Установлено, что увеличение температуры и концентрации кислоты значительно повышает степень растворения как халькопирита, так и борнита. Показано, что уменьшение размера частиц также способствует более эффективному растворению обоих минералов в азотной кислоте. Рассчитанные значения энергии активации составили 55 кДж/моль для халькопирита и 43 кДж/моль для борнита, соответственно, что характерно для кинетической области протекания процесса. Были определены порядки реакции по реагенту: 1,62 для халькопирита и 1,57 для борнита, а также по размеру частиц: -1,16 для халькопирита и -2,53 для борнита. Эти данные позволили вывести обобщенные уравнения кинетики растворения обоих минералов. Таким образом, на основании проведенных расчетов и анализа результатов было сделано предположение, что процесс растворения халькопирита и борнита в изучаемых условиях протекает в кинетическом режиме

The kinetic characteristics of dissolution of copper-bearing sulfides – chalcopyrite (CuFeS₂) and bornite (Cu₅FeS₄) – in nitric acid were studied. The kinetics of the dissolution process was described using a compressible nucleus model. Chalcopyrite of the Vorontsovskoye deposit and bornite of the Karabash deposit were used as research objects. Solution and cake samples were analyzed by optical emission spectrometry and X-ray fluorescence analysis, respectively. The results obtained were processed in the MS Excel software package. The influence of various factors, including temperature, solvent concentration, particle size, and process duration on the dissolution degree of minerals was studied. The process parameters were varied as follows: temperature – from 35 to 95°C; HNO₃ concentration – from 1 to 9 mol/dm³; particle size – from +0.1 to 0.056 mm; duration – from 0 to 60 min. It was established that an increase in temperature and acid concentration leads to a significant increase in the degree of dissolution of both chalcopyrite and bornite. A decrease in particle size also contributes to a more efficient dissolution of both minerals in nitric acid. The calculated activation energy values were 55 kJ/mol for chalcopyrite and 43 kJ/mol for bornite, which is characteristic of the kinetic region of the process. The reaction orders in terms of reactant were determined: 1.62 for chalcopyrite and 1.57 for bornite. In terms of particle size, these were -1.16 for chalcopyrite and -2.53 for bornite. On this basis, generalized equations of dissolution kinetics for both minerals were derived. The results obtained allow an assumption about the kinetic nature of dissolution of chalcopyrite and bornite under the studied conditions.

медьжелезохалькопиритборнитрастворениеазотная кислотакинетические характеристикиэнергия активациикинетическое уравнениеcopperironchalcopyritebornitedissolutionnitric acidkinetic characteristicsactivation energykinetic equationИсследование выполнено при финансовой поддержке Госзадания Российской Федерации по Гранту № 075-03-2024-009/1 (FEUZ-2024-0010)The study was carried out with the financial support of the State Assignment of the Russian Federation under the Grant no. 075-03-2024-009/1 (FEUZ-2024-0010)ReferencesJapel S., Schwager B., Ross M., Boehler R. Melting of copper and nickel at high pressure: the role of delectrons // Physical review letters. 2005. Vol. 95. Iss. 16. P. 167801. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.167801.Japel S., Schwager B., Ross M., Boehler R. Melting of copper and nickel at high pressure: the role of delectrons. Physical review letters. 2005;95(16):167801. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.167801.Khojiev S.T.T. Pyrometallurgical processing of copper slags into the metallurgical ladle // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. 2019. Vol. 6. Iss. 2. P. 8094–8099.Khojiev S.T.T. Pyrometallurgical processing of copper slags into the metallurgical ladle. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. 2019;6(2):8094-8099.Ma Yalong, Yang Yi, Fan Rong, Gao Xiyu, Zheng Lei, Chen Miao. Chalcopyrite leaching in ammonium chloride solutions under ambient conditions: insight into the dissolution mechanism by XANES, Raman spectroscopy and electrochemical studies // Minerals Engineering. 2021. Vol. 170. Iss. 15. P. 107063. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2021.107063.Ma Yalong, Yang Yi, Fan Rong, Gao Xiyu, Zheng Lei, Chen Miao. Chalcopyrite leaching in ammonium chloride solutions under ambient conditions: insight into the dissolution mechanism by XANES, Raman spectroscopy and electrochemical studies. Minerals Engineering. 2021;170(15):107063. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2021.107063.Jara C., Harris R., Abbolt A., Jenkin G. Chemical dissolution of chalcopyrite concentrate in choline chloride ethylene glycol deep eutectic solven // Minerals. 2022. Vol. 12. Iss. 1. P. 65. https://doi.org/10.3390/min12010065.Jara C., Harris R., Abbolt A., Jenkin G. Chemical dissolution of chalcopyrite concentrate in choline chloride ethylene glycol deep eutectic solven. Minerals. 2022;12(1):65. https://doi.org/10.3390/min12010065.Dutrizac J.E., Macdonald R.J.С., Ingraham T.R. The kinetics of dissolution of bornite sulfate solutions // Metallurgical transactions. 1970. Vol. 1. P. 225–231. https://doi.org/10.1007/BF02819265.Dutrizac J.E., Macdonald R.J.С., Ingraham T.R. The kinetics of dissolution of bornite sulfate solutions. Metallurgical transactions. 1970;1:225-231. https://doi.org/10.1007/BF02819265.Winarko R., Dreisinger D.B., Miura A., Fukano Yu., Liu Wenying. Characterization of the solid leach residues from the iodine-assisted chalcopyrite leaching in ferric sulfate media // Hydrometallurgy. 2024. Vol. 226. P. 106302. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2024.106302.Winarko R., Dreisinger D.B., Miura A., Fukano Yu., Liu Wenying. Characterization of the solid leach residues from the iodine-assisted chalcopyrite leaching in ferric sulfate media. Hydrometallurgy. 2024;226:106302. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2024.106302.Muravyov M., Panyushkina A. Comparison of sphalerite, djurleite, and chalcopyrite leaching by chemically and biologically generated ferric sulfate solutions // Hydrometallurgy. 2023. Vol. 219. P. 106067. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2023.106067.Muravyov M., Panyushkina A. Comparison of sphalerite, djurleite, and chalcopyrite leaching by chemically and biologically generated ferric sulfate solutions. Hydrometallurgy. 2023;219:106067. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2023.106067.Winarko R., Dreisinger D.B., Miura A., Fukano Yu., Liu Wenying. Iodine-assisted chalcopyrite leaching in ferric sulfate media: kinetic study under fully controlled redox potential and pH // Hydrometallurgy. 2022. Vol. 208. P. 105797. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2021.105797.Winarko R., Dreisinger D.B., Miura A., Fukano Yu., Liu Wenying. Iodine-assisted chalcopyrite leaching in ferric sulfate media: kinetic study under fully controlled redox potential and pH. Hydrometallurgy. 2022;208:105797. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2021.105797.Булаев А.Г., Меламуд В.С., Бодуэн А.Я. Высокотемпературное выщелачивание меди и цинка из некондиционного концентрата с высоким содержанием мышьяк // Международный научно-исследовательский журнал. 2018. № 12-1. С. 72–76. https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.012.Bulaev A.G., Melamud V.S., Boduen A.Ya. High-temperature biox of copper and zinc from non-standard concentrate with high content of arsenic. International Research Journal. 2018;12-1:72-76. (In Russ.). https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.012.Hua Xiao-ming, Zheng Yong-fei, Xu Qian, Lu Xiong-gang. Interfacial reactions of chalcopyrite in ammonia– ammonium chloride solution // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018. Vol. 28. Iss. 3. P. 556– 566. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(18)64688-6.Hua Xiao-ming, Zheng Yong-fei, Xu Qian, Lu Xiong-gang. Interfacial reactions of chalcopyrite in ammonia– ammonium chloride solution. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018;28(3):556-566. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(18)64688-6.Toledo A.G.R., Costa R.B., Delforno T.P., Arena F.A., Bevilaqua D. Exploring chalcopyrite (bio)leaching mechanisms under thermophilic conditions // Minerals Engineering. 2023. Vol. 204. P. 108417. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2023.108417.Toledo A.G.R., Costa R.B., Delforno T.P., Arena F.A., Bevilaqua D. Exploring chalcopyrite (bio)leaching mechanisms under thermophilic conditions. Minerals Engineering. 2023;204:108417. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2023.108417.Liu Mengfei, Zhu Jinglei, Zhang Chenyang, He Peng, Chen Daixiong, Zhong Guojian, et al. Effect of calcium lignosulfonate on surface modification and bioleaching of chalcopyrite // Biochemical Engineering Journal. 2024. Vol. 207. P. 109329. https://doi.org/10.1016/j.bej.2024.109329.Liu Mengfei, Zhu Jinglei, Zhang Chenyang, He Peng, Chen Daixiong, Zhong Guojian, et al. Effect of calcium lignosulfonate on surface modification and bioleaching of chalcopyrite. Biochemical Engineering Journal. 2024;207:109329. https://doi.org/10.1016/j.bej.2024.109329.Zhang Hao, Wei Dezhou, Liu Wengang, Hou Duanxu, Zhang Ruiyang. Effect of polyvinyl pyrrolidone on chalcopyrite bioleaching with Acidithiobacillus ferrooxidans // Hydrometallurgy. 2021. Vol. 205. № 12(1). P. 105753. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2021.105753.Zhang Hao, Wei Dezhou, Liu Wengang, Hou Duanxu, Zhang Ruiyang. Effect of polyvinyl pyrrolidone on chalcopyrite bioleaching with Acidithiobacillus ferrooxidans. Hydrometallurgy. 2021;205(12-1):105753. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2021.105753.Хайнасова Т.С. Биовыщелачивание сульфидной кобальт-медно-никелевой руды с применением стандартной и модифицированной сред 9K // Успехи современного естествознания. 2019. № 12-1. С. 175–180. https://doi.org/10.17513/use.37286. EDN: BCAEVQ.Khaynasova T.S. Bioleaching of sulfide cobalt-copper-nickel ore using the standard and modified 9k media. Advances in current natural sciences. 2019;12-1:175-180. (In Russ.). https://doi.org/10.17513/use.37286. EDN: BCAEVQ.Хайнасова Т.С. Биовыщелачивание халькопирита из сульфидных медно-никелевых руд (обзор) // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № S46. С. 247–264. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-12-46-247-264. EDN: IGPPDK.Khainasova T.S. Bioleaching of chalcopyrite from sulphide copper-nickel ore (review). Mining Informational and Analytical Bulletin. 2020;S46:247-264. (In Russ.). https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-12-46-247-264. EDN: IGPPDK.Елкина Ю.А., Мельникова Е.А., Меламуд В.С., Булаев А.Г. Биовыщелачивание теннантита и энаргита умеренно-термофильными ацидофильными микроорганизмами // Микробиология. 2020. Т. 89. № 4. С. 419–431. https://doi.org/10.31857/S0026365620040059. EDN: QIRGDH.Elkina Yu.A., Melnikova E.A., Melamud V.S., Bulaev A.G. Bioleaching of enargite and tennantite by moderately thermophilic acidophilic microorganisms. Microbiology. 2020;89(4):419-431. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0026365620040059. EDN: QIRGDH.Елкина Ю.А., Меламуд В.С., Булаев А.Г. Биовыщелачивание медно-цинкового концентрата с высо ким содержанием мышьяка // Микробиология. 2021. Т. 90. № 1. С. 90–99. https://doi.org/10.31857/S0026365620060038. EDN: IBCOUH.Elkina Yu.A., Melamud V.S., Bulaev A.G. Bioleaching of a copper-zinc concentrate with high arsenic content. Microbiology. 2021;90(1):90-99. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0026365620060038. EDN: IBCOUH.Bai Yunlong, Wang Wei, Xie Feng, Lu Diankun, Jiang Kaixi, Dreisinger D. In-situ electrochemical study of chalcopyrite pressure oxidation leaching from 110°C to 150°C under saturated vapor pressure // Arabian Journal of Chemistry. 2022. Vol. 15. Iss. 10. P. 104139. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2022.104139.Bai Yunlong, Wang Wei, Xie Feng, Lu Diankun, Jiang Kaixi, Dreisinger D. In-situ electrochemical study of chalcopyrite pressure oxidation leaching from 110°C to 150°C under saturated vapor pressure. Arabian Journal of Chemistry. 2022;15(10):104139. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2022.104139.Turan M.D., Sarı Z.A., Nizamoglu H. Pressure leaching of chalcopyrite with oxalic acid and hydrogen peroxide // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2021. Vol. 118. P. 112–120. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2020.10.021.Turan M.D., Sarı Z.A., Nizamoglu H. Pressure leaching of chalcopyrite with oxalic acid and hydrogen peroxide. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2021;118:112-120. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2020.10.021.McDonald R.G., Li Jian, Austin P.J. High temperature pressure oxidation of a low-grade nickel sulfide concentrate with control of the residue composition // Minerals. 2020. Vol. 10. Iss. 3. P. 249. https://doi.org/10.3390/min10030249.McDonald R.G., Li Jian, Austin P.J. High temperature pressure oxidation of a low-grade nickel sulfide concentrate with control of the residue composition. Minerals. 2020;10(3):249. https://doi.org/10.3390/min10030249.Karimov K.A., Rogozhnikov D.A., Kuzas E.A., Shoppert A.A. Leaching kinetics of arsenic sulfide-containing materials by copper sulfate solution // Metals. 2020. Vol. 10. Iss.1. P. 7. https://doi.org/10.3390/met10010007.Karimov K.A., Rogozhnikov D.A., Kuzas E.A., Shoppert A.A. Leaching kinetics of arsenic sulfide-containing materials by copper sulfate solution. Metals. 2020;10(1):7. https://doi.org/10.3390/met10010007.Ghosh A.G., Pandey B.D. Bioleaching of low-grade granitic chalcopyrite ore by hyperthermophiles: elucidation of kinetics-mechanism // Metallurgical Research Technology. 2015. Vol. 112. Iss. 5. P. 506. https://doi.org/10.1051/metal/2015031.Ghosh A.G., Pandey B.D. Bioleaching of low-grade granitic chalcopyrite ore by hyperthermophiles: elucidation of kinetics-mechanism. Metallurgical Research Technology. 2015;112(5):506. https://doi.org/10.1051/metal/2015031.Johnson G., Corrans I., Angove J. The Activox process for refractory gold ores // Randol Gold Forum Beaver Creek. 1993. Vol. 93. P. 183–189.Johnson G., Corrans I., Angove J. The Activox process for refractory gold ores. In: Randol Gold Forum Beaver Creek. 1993;93:183-189.Karimov K., Rogozhnikov D., Kuzas E., Dizer O., Golovkin D., Tretiak M. Deposition of arsenic from nitric acid leaching solutions of gold-arsenic sulphide concentrates // Metals. 2021. Vol. 11. Iss. 6. P. 889. https://doi.org/10.3390/met11060889.Karimov K., Rogozhnikov D., Kuzas E., Dizer O., Golovkin D., Tretiak M. Deposition of arsenic from nitric acid leaching solutions of gold-arsenic sulphide concentrates. Metals. 2021;11(6):889. https://doi.org/10.3390/met11060889.Agacayak T., Aras A. Leaching of chalcopyrite concentrate (CuFeS2) in nitric acid (HNO3) solution // Academic Journal of Science. 2013. Vol. 2. Iss. 1. P. 61–65.Agacayak T., Aras A. Leaching of chalcopyrite concentrate (CuFeS2) in nitric acid (HNO3) solution. Academic Journal of Science. 2013;2(1):61-65.Alafara A.B., Kuranga I.A., Rafiu B.B., Folahan A.А. Quantitative leaching of a Nigerian chalcopyrite ore by nitric acid // Bayero Journal of Pure and Applied Sciences. 2014. Vol. 7. Iss. 2. P. 115–121. http://dx.doi.org/10.4314/bajopas.v7i2.20.Alafara A.B., Kuranga I.A., Rafiu B.B., Folahan A.А. Quantitative leaching of a Nigerian chalcopyrite ore by nitric acid. Bayero Journal of Pure and Applied Sciences. 2014;7(2):115-121. http://dx.doi.org/10.4314/bajopas.v7i2.20.Levenspiel O. Chemical reaction engineering. New York: Wiley, 1999. 688 p.Levenspiel O. Chemical reaction engineering. New York: Wiley; 1999, 688 p.Rogozhnikov D., Karimov K., Shoppert A., Dizer O., Naboichenko S. Kinetics and mechanism of arsenopyrite leaching in nitric acid solutions in the presence of pyrite and Fe(III) ions // Hydrometallurgy. 2021. Vol. 199. P. 105525. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2020.105525.Rogozhnikov D., Karimov K., Shoppert A., Dizer O., Naboichenko S. Kinetics and mechanism of arsenopyrite leaching in nitric acid solutions in the presence of pyrite and Fe(III) ions. Hydrometallurgy. 2021;199:105525. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2020.105525.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.