Гидротермальное осаждение меди из растворов выщелачивания металлургических пылей

Цель – выявление основных закономерностей гидротермального осаждения меди из ранее неизученных серно-азотнокислых и сульфатных растворов атмосферной и автоклавной переработки металлургических пылей. В качестве сульфидизатора использован пирит. Химический элементный состав продуктов определяли методами рентгенофлуоресцентной, атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, а также атомно-абсорбционным анализом. Установлено, что осаждение меди по предлагаемой технологии позволяет достичь более 95%-го ее извлечения. Для сульфатных растворов с высокой концентрацией мышьяка предложена двухстадийная схема окислительно-гидротермальной обработки со следующими параметрами: температура 180°С, продолжительность 2 ч, расход кислорода 0,026 дм3/г пирита (для 1-й стадии), 200°С и 2 ч (для 2-й). Извлечение в кек составило 95,4% меди (в виде Cu₂S) и 91,4% мышьяка (в виде FeAsO₄), что позволило в дальнейшем разделить данные металлы флотацией. При автоклавной обработке Cu-Zn-Fe-As-NO ‒ раствора в присутствии пирита при 180–220°С получены значения энергии активации (кДж/моль), отвечающие кинетическому режиму, рассчитанные по двум методикам: 64,6 (по классической), 60,5 (по модели сжимающегося ядра). Также определены кинетические параметры систем CuSO₄-H₂SO₄-FeS₂-H₂O и CuNO₃-H₂SO₄-FeS₂-H₂O. Показано, что при флотационном обогащении кеков автоклавного осаждения меди достигается высокая степень разделения Cu и As; извлечение, %, составило: Cu ˃ 95%, As – ˂ 5. Драгоценные металлы из пирита переходят во флотоконцентрат на 92,7% (Au) и 96,5% (Ag). Определен состав получаемого флотоконцентрата, %: 12 Cu; 37 Fe; 38 S; 13 прочие. Показано, что получение более кондиционного по меди продукта возможно при разделении флотоконцентрата на пиритный и медный концентраты и проведении дополнительной флотации первичного медного концентрата в щелочной среде с добавлением извести. Таким образом, выявлены основные закономерности гидротермального осаждения меди из серно-азотнокислых и сульфатных растворов атмосферной и автоклавной переработки металлургических пылей.

1. Lee Ji-Hyeon, Han Kyu-Sung, Hwang Kwang-Taek, Kim Jin-Ho. Recycling of steelmaking electric arc furnace dust into aqueous cyan ceramic ink for inkjet printing process and its printability // Ceramics International. 2021. Vol. 47. Iss. 12. P. 16964–16971. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.03.005.

2. Omran M., Fabritius T. Effect of steelmaking dust characteristics on suitable recycling process determining: Ferrochrome converter (CRC) and electric arc furnace (EAF) dusts // Powder Technology. 2017. Vol. 308. P. 47–60. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.11.049.

3. Yang Lingzhi, Hu Hang, Wang Mengxian, Chen Feng, Wang Shuai, Guo Yufeng, et al. Comparative life cycle assessment and techno-economic analysis of electric arc furnace steelmaking processes integrated with solar energy system // Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 425. Р. 138868. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138868.

4. Elkribi-Boukhris S., Boughattas I., Sappin-Didier V., Helaoui S., Coriou C., Bussiere S., et al. Exposure to polymetallic contaminated sites induced toxicological effects on chicken lungs: а multi-level analysis // Chemosphere. 2024. Vol. 354. Р. 141574. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141574.

5. Chen Zhen-yu, Zhao Yuan-yi, Chen Dan-li, Huang Hai-tao, Zhao Yu, Wu Yu-jing. Ecological risk assessment and early warning of heavy metal cumulation in the soils near the Luanchuan molybdenum polymetallic mine concentrationarea, Henan Province, central China // China Geology. 2023. Vol. 6. Iss. 1. P. 15–26. https://doi.org/10.31035/cg2023003.

6. Xiaohui Zhang, Kang Tian, Yimin Wang, Wenyou Hu, Benle Liu, Xuyin Yuan, et al. Identification of sources and their potential health risk of potential toxic elements in soils from a mercury-thallium polymetallic mining area in Southwest China: Insight from mercury isotopes and PMF model //Science of The Total Environment. 2023. Vol. 869. Р. 161774. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.161774.

7. Xu Xianqing, Guo Zhengqi, Zhu Deqing, Pan Jian, Yang Congcong, Li Siwei. Application of coal-based direct reduction-magnetic separation process for recycling of high-iron-content non-ferrous metallurgical wastes: challenges and opportunities // Process Safety and Environmental Protection. 2024. Vol. 183. P. 59–76. https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.12.057.

8. Wang Xuchao, Ding Chengyi, Long Hongming, Wu Yuxi, Jiang Feng, Chang Rende, et al. A novel approach to treating nickel-containing electroplating sludge by solidification with basic metallurgical solid waste // Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 27. P. 3644–3654. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.10.132.

9. Ray A.R., Mishra S. Hydro metallurgical technique as better option for the recovery of rare earths from mine tailings and industrial wastes //Sustainable Chemistry and Pharmacy. 2023. Vol. 36. Р. 101311. https://doi.org/10.1016/j.scp.2023.101311.

10. Li Qingzhu, Lai Xinting, Liu Zhenxing, Chai Fei, Zhao Feiping, Peng Cong, et al. Thiourea-assisted selective removal of arsenic from copper smelting flue dusts in NaOH solution // Hydrometallurgy. 2024. Vol. 224. Р. 106246. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2023.106246.

11. Che Jianyong, Zhang Wenjuan, Ma Baozhong, Chen Yongqiang, Wang Ling, Wang Chengyan. A shortcut approach for cooperative disposal of flue dust and waste acid from copper smelting: decontamination of arsenic-bearing waste and recovery of metals //Science of The Total Environment. 2022. Vol. 843. Р. 157063. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157063.

12. Shi Tengteng, Xu Baoqiang, He Jilin, Liu Xinyang, Zuo Zibin. Arsenic release pathway and the interaction principle among major species in vacuum sulfide reduction roasting of copper smelting flue dust // Environmental Pollution. 2023. Vol. 330. Р. 121809. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.121809.

13. Niu Wenquan, Li Yan, Li Qiang, Wang Jingsong, Wang Guang, Zuo Haibin, et al. Physical and chemical properties of metallurgical coke and its evolution in the blast furnace ironmaking process // Fuel. 2024. Vol. 366. Р. 131277. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131277.

14. Hongjie Yan, Huanyu Xie, Wenyan Zheng, Liu Liu. Numerical simulation of combustion and melting process in an aluminum melting furnace: A study on optimizing stacking mode // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 245. Р. 122840. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4524736.

15. Pashchenko D., Karpilov I., Polyakov M., Popov S.K. Techno-economic evaluation of a thermochemical wasteheat recuperation system for industrial furnace application: operating cost analysis // Energy. 2024. Vol. 295. Р. 131040. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131040.

16. Набойченко С.С., Ковязин А.А., Тимофеев К.Л., Краюхин С.А. Переработка металлургических пылей в сульфатно-азотнокислых средах // Цветные металлы. 2020. № 11. С. 19–23. https://doi.org/10.17580/tsm.2020.11.03. EDN: TSBAOP.

17. Zhang Jiarun, Liu Zhiyong, Liu Zhihong. An efficient and affordable hydrometallurgical process for co-treatment of copper smelting dust and arsenic sulfide residue // Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 419. 137955. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.137955.

18. Ettler V., Raus K., Mihaljevič M., Kříbek B., Vaněk A., Penížek V., et al. Bioaccessible metals in dust materials from non-sulfide Zn deposit and related hydrometallurgical operation // Chemosphere. 2023. Vol. 345. Р. 140498. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.140498.

19. Rong Tao, Yuan Yaqiang, Yang Haoqing, Yu Huafang, Zuo Haibin, Wang Jingsong, et al. Investigation of the enrichment-purification process and electrochemical performance of kish graphite in dust from blast furnace tapping yard // Waste Management. 2024. Vol. 175. P. 121–132. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2023.12.055.

20. Wu Xiao-bin, Zhu Zeng-li, Kong Hui, Fan You-qi, Cheng Si-wei, Hua Zhong-sheng. Electrochemical reduction mechanism of Zn2+ in molten NaCl−KCl eutectic // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2022. Vol. 32. Iss. 9. P. 3088−3098. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(22)66005-9.

21. Liu Xinxin, Wu Fenghui, Qu Guangfei, Zhang Ting, He Minjie. Recycling and reutilization of smelting dust as a secondary resource: a review // Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 347. Р. 119228. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119228.

22. Kovyazin A., Timofeev K., Krauhin S. Copper smelting fine dust autoclave leaching // Materials Science Forum. 2019. Vol. 946. P. 615–620. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.946.615.

23. Song Qingming, Xia Qinyi, Yuan Xuehong, Xu Zhenming. Multi-metal electrochemical response mechanism for direct copper recovery from waste printed circuit boards via sulfateand chloride-system electrolysis // Resources, Conservation and Recycling. 2023. Vol. 190. Р. 106804. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106804.

24. Zhou Yongfang, Yi Shen, Li Hongying. Electro-oxidation of 5-hydroxymethylfurfural by a catalyst containing copper nanoparticles and single copper atoms // Materials Today Catalysis. 2024. Vol. 4. Р. 100041. https://doi.org/10.1016/j.mtcata.2024.100041.

25. Kalita N., Baruah P.P. Copper removal efficacy and stress tolerance potential of Leptolyngbya sp. GUEco1015 // Heliyon. 2024. Vol. 10. Iss. 8. Р. e29131. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e29131.

26. Padilla J.T., Watts D.W., Szogi A.A., Johnson M.G. Evaluation of a pHand time-dependent model for the sorption of heavy metal cations by poultry litter-derived biochar // Chemosphere. 2024. Vol. 347. Р. 140688. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.140688.

27. Youcef M.H., Reffas H., Benabdallah T. Comparative study on extraction of copper(II) cations from highly saline media using 2-((phenylimino)methyl)phenol chelating mono-Schiff base /kerosene as novel extractant system // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9. Iss. 6. Р. 106351. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106351.

28. Pouyan M., Rounaghi G.H., Deiminiat B. Development of a fabric phase sorptive extraction method using ethylenediamine tetra-acetic acid modifier for quantitative determination and elimination of Pb2+, Cu2+ and Zn2+ cations in real sample solutions // Microchemical Journal. 2024. Vol. 198. Р. 110119. https://doi.org/10.1016/j.microc.2024.110119.

29. Максимов В.В., Логинова А.Ю. Обзор основных химических методов извлечения в гидрометаллургии меди // Приоритетные научные направления: от теории к практике. 2013. № 7. С. 123–129. EDN: RDYQUT.

30. Granata G., Tsendorj U., Liu Wenying, Tokoro C. Direct recovery of copper nanoparticles from leach pad drainage by surfactant-assisted cementation with iron powder // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2019. Vol. 580. Р. 123719. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.123719.

31. Sun Kai, Shao Yuewen, Ming Cong, Fan Mengjiao, Fan Huailin, Zhang Lijun, et al. Copper-based catalysts synthesized during hydrogenation // Chemical Engineering Science. 2023. Vol. 276. Р. 118819. https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.118819.

32. Sadou M., Saadi A., Meliani M.H., Suleiman R.K., Saleh T.A. Facile preparation of supported copper-modified SBA-15 catalysts for efficient benzaldehyde hydrogenation //Surfaces and Interfaces. 2022. Vol. 30. Р. 101955. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2022.101955.

33. Ji Yali, Guan Anxiang, Zheng Gengfeng. Copper-based catalysts for electrochemical carbon monoxide reduction // Cell Reports Physical Science. 2022. Vol. 3. Iss. 10. Р. 101072. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101072.

34. Cao Guoqiang, Deskins N.A., Yi Nan. Carbon monoxide oxidation over copper and nitrogen modified titanium dioxide // Applied Catalysis B: Environmental. 2021. Vol. 285. Р. 119748. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119748.

35. Chang Jie, Li Dong, Zhang Lei, Qin Hong, Ren Xingting, Feng Demao, et al. Efficient reductive leaching of valuable elements from oxygen pressure leaching residue of high-grade nickel matte within sulfur dioxide // Chemical Engineering Journal. 2024. Vol. 483. Р. 149295. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149295.

36. Ding Ran, Zhang Bing, Yang Le, Ma Tao, Gang Dong, Mao Yue-Yuan, et al. Copper catalyst-promoted regioselective multicomponent cascade cyclization of 3-aza-1,5-enynes with sulfur dioxide and cycloketone oxime esters to access cyanoalkylsulfonylated 1,2-dihydropyridines // The Journal of Organic Chemistry. 2024. Vol. 89. Iss. 3. P. 1515–1523. https://doi.org/10.1021/acs.joc.3c02117.

37. Teli A.M., Beknalkar S.A., Mane S.M., Chaudhary L.S., Patil D.S., Pawar S.A., et al. Facile hydrothermal deposition of copper-nickel sulfide nanostructures on nickel foam for enhanced electrochemical performance and kinetics of charge storage // Applied Surface Science. 2022. Vol. 571. Р. 151336. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151336.

38. Rodríguez-Hernández P.E., Quiñones Galván J.G., Meléndez-Lira M., Santos-Cruz J., Contreras-Puente G., GuillénCervantes A., et al. Amorphous copper sulfide films deposited by pulsed laser deposition using pellets as target // Journal of Non-Crystalline Solids. 2021. Vol. 555. Р. 120532. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120532.