Определение кинетических характеристик растворения борнита и халькопирита в азотной кислоте

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

1. Japel 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Johnson G., Corrans I., Angove J. The Activox process for refractory gold ores // Randol Gold Forum Beaver Creek. 1993. Vol. 93. P. 183–189.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. Levenspiel O. Chemical reaction engineering. New York: Wiley, 1999. 688 p.

28. 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.