cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2021-5-13-24cvmet-1284Research ArticleМеталлургия цветных металловMetallurgy of Non-Ferrous MetalsФизико-химические закономерности автоклавного выщелачивания сульфидного цинкового концентрата в присутствии лигносульфонатаPhysical and chemical regularities of zinc sulfide concentrate pressure leaching in the presence of lignosulfonateКолмачихинаЭ. Б.KolmachikhinaE. B.

Канд. техн. наук, вед. инженер кафедры металлургии цветных металлов

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Cand. Sci. (Eng.), senior engineer of the Department of non-ferrous metallurgy

620002, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 19

e.b.khazieva@urfu.ruЛуговицкаяТ. Н.LugovitskayaT. N.

Канд. техн. наук, доцент-исследователь кафедры металлургии цветных металлов

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Cand. Sci. (Eng.), assistant prof. of the Department of non-ferrous metallurgy

620002, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 19

t.n.lugovitskaya@urfu.ruТретьякМ. А.Tret’yakM. A.

Аспирант кафедры металлургии цветных металлов

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Postgraduate student of the Department of non-ferrous metallurgy

620002, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 19

mtretyak144@gmail.comНаумовК. Д.NaumovK. D.

Канд. техн. наук, инженер кафедры металлургии цветных металлов

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Cand. Sci. (Eng.), engineer of the Department of non-ferrous metallurgy

620002, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 19

naumov.konstantin@urfu.ruУральский федеральный университет (УрФУ) им. первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal UniversityRussian Federation2021281020212751324Copyright © Колмачихина Э.Б., Луговицкая Т.Н., Третьяк М.А., Наумов К.Д., 20212021Колмачихина Э.Б., Луговицкая Т.Н., Третьяк М.А., Наумов К.Д.Kolmachikhina E.B., Lugovitskaya T.N., Tret’yak M.A., Naumov K.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1284

Изучены физико-химические закономерности автоклавного окислительного сернокислотного выщелачивания сульфидного цинкового концентрата. Установлено влияние концентрации лигносульфоната (СЛСН = 0,2÷0,8 г/дм3), продолжительности выщелачивания (τ = 20÷120 мин), температуры (Т = 393÷423 К) и парциального давления кислорода (РО2= 0,3÷0,7 МПа) на степень извлечения цинка и железа в раствор, а также на гранулометрический состав кеков. Показано, что введение ЛСН позволяет интенсифицировать процессы извлечения цинка и железа. За 120 мин выщелачивания при СЛСН = 0,6÷0,8 г/дм3 максимальное извлечение цинка составляет 89 %, железа – 37 %. Частный порядок реакции по лигносульфонату для сфалеритаравен 0,3, для сульфидов железа – 0,9. Выявлено неоднозначное влияние повышения температуры на исследуемый процесс. Увеличение температуры с 413 до 423 К приводит к снижению извлечения цинка на 3–4 % вследствие формирования серосульфидных агрегатов крупностью более 150 мкм. Рассчитаны величины кажущейся энергии активации (Еа) выщелачивания сфалерита и сульфидов железа в присутствии лигносульфоната – соответственно 30 и 45 кДж/моль. Обнаружено, что увеличение парциального давления кислорода с 0,3 до 0,5 МПа оказывает положительное влияние на выщелачивание и позволяет повысить извлечение в раствор цинка (на 22 %) и железа (на 27 %). Однако при повышении парциального давления кислорода до 0,7 МПа в присутствии ЛСН после 40 мин ведения процесса отмечалось снижение скорости выщелачивания сульфида цинка, что могло быть связано с деструкцией лигносульфоната. Выявлено, что величины частных порядков реакций выщелачивания по кислороду составляют 1,2 для сфалерита и 2,5 для сульфидов железа.

The study covers physical and chemical regularities of zinc sulfide concentrate oxygen pressure leaching in sulfuric acid. The effect of lignosulfonate concentration (CLSN = 0.2÷0.8 g/dm3), leaching time (τ = 20÷120 min), temperature (T = 393÷423 K), and oxygen partial pressure (РО2= 0.3÷0.7 MPa) on the degree of zinc and iron extraction into the solution and on the cake grain-size distribution was established. It was shown that lignosulfonate additive intensifies zinc and iron extraction into the solution. Maximum extraction of zinc and iron was 89 and 37 %, respectively, for 120 min of leaching at CLSN = 0.6÷0.8 g/dm3. The differential rate law with respect to lignosulfonate was 0.3 for sphalerite, and 0.9 for iron sulfides. A controversial influence of rising temperature on the process under investigation was found. Temperature elevation from 413 to 423 K leads to a decrease in zinc extraction by 3–4 % due to the formation of sulfur-sulfide aggregates over 150 μm in size. The calculated values of apparent activation energy (Еа) of sphalerite and iron sulfide leaching in the presence of lignosulfonate were 30 and 45 kJ/mole, respectively. It was found out that an increase in oxygen partial pressure from 0.3 to 0.5 MPa has a positive influence on leaching and increases extraction of zinc and iron by 22 and 27 %, respectively. However, an increase in oxygen partial pressure up to 0.7 MPa in the presence of lignosulfonate after 40 min of leaching led to a decrease in leaching rate, possibly as a result of lignosulfonate destruction. It was found that differential rate laws with respect to oxygen are 1.2 for sphalerite and 2.5 for iron sulfides.

автоклавное выщелачиваниелигносульфонаткинетикасфалериткажущаяся энергия активациипорядок реакцииpressure leachinglignosulfonatekineticssphaleriteapparent activation energyrate lawИсследование выполнено в рамках реализации проекта НОЦ «Передовые производственные технологии и материалы», номер проекта 075-03-2021-051/5The research was conducted as part of Research and Educational Center «Advanced Production Technologies and Materials» Project № 075-03-2021-051/5.ReferencesWood J., Wilson D., Hughes S. A new era in smelting sustainability — intensification of the Outotec® Ausmelt top submerged lance (TSL) process for zinc production. Miner., Met., Mater. Ser. 2020. P. 63—73. DOI: 10.1007/978-3-030-37070-1_6.Wood J., Wilson D., Hughes S. A new era in smelting sustainability — intensification of the Outotec® Ausmelt top submerged lance (TSL) process for zinc production. Miner., Met., Mater. Ser. 2020. P. 63—73. DOI: 10.1007/978-3-030-37070-1_6.Садыков С.Б. Автоклавная переработка низкосортных цинковых концентратов. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.Sadykov S.B. Autoclave treatment of low-grade zinc concentrates. Ekaterinburg: UrO RAN, 2006 (In Russ.).Набойченко С.С., Болатбаев К.Н. Закономерности гидрохимического окисления сульфидных минералов в сернокислых средах (> 380 К). Комплекс. использ. минер. сырья. 2005. No. 1. С. 46—52.Naboichenko S.S., Bolatbaev K.N. Regularities of hydrochemical oxidation of sulfide minerals in sulfuric acid environments (> 380K). Kompleksnoe ispol’zovanie mineral’nogo syr’ya. 2005. No. 1. P. 46—52 (In Russ.).Jan R.J., Hepworth M.T., Fox V.G. A kinetic study on the pressure leaching of sphalerite. Metall. Trans. B. 1976. No. 7. P. 353—361. DOI: 10.1007/BF02652705.Jan R.J., Hepworth M.T., Fox V.G. A kinetic study on the pressure leaching of sphalerite. Metall. Trans. B. 1976. No. 7. P. 353—361. DOI: 10.1007/BF02652705.Halfyard J.E., Hawboldt K. Separation of elemental sulfur from hydrometallurgical residue: A review. Hydrometallurgy. 2011. Vol. 109. No. 1—2. P. 80—89. DOI: 10.1016/j.hydromet.2011.05.012.Halfyard J.E., Hawboldt K. Separation of elemental sulfur from hydrometallurgical residue: A review. Hydrometallurgy. 2011. Vol. 109. No. 1—2. P. 80—89. DOI: 10.1016/j.hydromet.2011.05.012.Owusu G., Peters E., Dreisinger D.B. Surface tensions and contact angles due to lignin sulphonates in the system: Liquid sulphur, aqueous zinc sulphate and zinc sulphide. Canad. J. Chem. Eng. 1992. Vol. 70. No. 1. P. 173—180. DOI: 10.1002/cjce.5450700125.Owusu G., Peters E., Dreisinger D.B. Surface tensions and contact angles due to lignin sulphonates in the system: Liquid sulphur, aqueous zinc sulphate and zinc sulphide. Canad. J. Chem. Eng. 1992. Vol. 70. No. 1. P. 173—180. DOI: 10.1002/cjce.5450700125.Owusu G., Dreisinger D. B., Peters E. Effect of surfactants on zinc and iron dissolution rates during oxidative leaching of sphalerite. Hydrometallurgy. 1995. Vol. 38. No. 3. P. 315—324. DOI: 10.1016/0304-386X(94)00061-7.Owusu G., Dreisinger D. B., Peters E. Effect of surfactants on zinc and iron dissolution rates during oxidative leaching of sphalerite. Hydrometallurgy. 1995. Vol. 38. No. 3. P. 315—324. DOI: 10.1016/0304-386X(94)00061-7.Suárez-Gómez S.L., Sánchez M.L., Blanco F., Ayala J., de Cos Juez F.J. Successful sulfur recovery in low sulfurate compounds obtained fromthe zinc industry: Evaporation-condensation method. J. Hazard. Mater. 2017. Vol. 336. P. 168—173. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.04.051.Suárez-Gómez S.L., Sánchez M.L., Blanco F., Ayala J., de Cos Juez F.J. Successful sulfur recovery in low sulfurate compounds obtained fromthe zinc industry: Evaporation-condensation method. J. Hazard. Mater. 2017. Vol. 336. P. 168—173. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.04.051.Jorjani E., Ghahreman A. Challenges with elemental sulfur removal during the leaching of copper and zinc sulfides, and from the residues: A review. Hydrometallurgy. 2017. Vol. 171. P. 333—343. DOI: 10.1016/j.hydromet.2017.06.011.Jorjani E., Ghahreman A. Challenges with elemental sulfur removal during the leaching of copper and zinc sulfides, and from the residues: A review. Hydrometallurgy. 2017. Vol. 171. P. 333—343. DOI: 10.1016/j.hydromet.2017.06.011.Rutledge J., Anderson C.G. Tannins in mineral processing and extractive metallurgy. Metals. 2015. No. 5. P. 1520— 1542. DOI: 10.3390/met5031520.Rutledge J., Anderson C.G. Tannins in mineral processing and extractive metallurgy. Metals. 2015. No. 5. P. 1520— 1542. DOI: 10.3390/met5031520.Dreisinger D., Zheng Z., Hannigan N.J. The use of OrthoPhenylene-Diamine (OPD) as a surfactant in the pressure oxidation of pyritic gold ores and concentrates. Proc. TMS Fall Extract. Process. Conf. 2003. Vol. 1. P. 603—615.Dreisinger D., Zheng Z., Hannigan N.J. The use of OrthoPhenylene-Diamine (OPD) as a surfactant in the pressure oxidation of pyritic gold ores and concentrates. Proc. TMS Fall Extract. Process. Conf. 2003. Vol. 1. P. 603—615.Шнеерсон Я.М., Онацкая А.А., Краснов А.Л. Применение поверхностно-активных веществ при автоклавном выщелачивании пирротиновых концентратов. Цветные металлы. 1982. No. 9. С. 26—30.Shneerson Ya.M., Onatskaya A.A., Krasnov A.L. Application of surfactants in autoclave leaching of pyrrhotite concentrates. Tsvetnye Metally. 1982. No. 9. P. 26—30 (In Russ.).Tong L., Dreisinger D. The adsorption of sulfur dispersing agents on sulfur and nickel sulfide concentrate surfaces. Miner. Eng. 2009. Vol. 22. No. 5. P. 445—450.Tong L., Dreisinger D. The adsorption of sulfur dispersing agents on sulfur and nickel sulfide concentrate surfaces. Miner. Eng. 2009. Vol. 22. No. 5. P. 445—450.Owusu G., Dreisinger D.B., Peters E. Interfacial effects of surface-active agents under zinc pressure leach conditions. Metall. Mater. Trans. B. 1995. Vol. 26. P. 5—12. DOI: 10.1007/BF02648972.Owusu G., Dreisinger D.B., Peters E. Interfacial effects of surface-active agents under zinc pressure leach conditions. Metall. Mater. Trans. B. 1995. Vol. 26. P. 5—12. DOI: 10.1007/BF02648972.Набойченко С.С., Ни Л.П., Шнеерсон Я.М., Чугаев Л.В. Автоклавная гидрометаллургия цветных металлов. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2002.Naboichenko S.S., Ni L.P., Sheerson Ya.M., Chugaev L.V. Autoclave hydrometallurgy of non-ferrous metals. Ekaterinburg: UGTU—UPI, 2002 (In Russ.).Шпаер В.М., Калашникова М.И. Влияние серной кислоты на автоклавное выщелачивание низкосортных цинковых концентратов. Цветные металлы. 2010. No. 8. С. 23—27.Shpaer V.M., Kalashnikova M.I. Influence of sulphuric acid on autoclave leaching of low-grade zinc concentrates. Tsvetnye Metally. 2010. No. 8. P. 23—27 (In Russ.).Sofekun G.O., Evoy E., Lesage K.L., Chou N., Marriott R.A. The rheology of liquid elemental sulfur across the λ-transition. J. Rheol. 2018. No. 62. P. 469—476. DOI: 10.1122/1.5001523.Sofekun G.O., Evoy E., Lesage K.L., Chou N., Marriott R.A. The rheology of liquid elemental sulfur across the λ-transition. J. Rheol. 2018. No. 62. P. 469—476. DOI: 10.1122/1.5001523.Steudel R. Liquid sulfur. In: Elemental sulfur and sulfur-rich compounds I (Top. Current Chem. Vol. 230). Chapter 2. Berlin: Springer, 2003. P. 81—116. DOI: 10.1007/b12111.Steudel R. Liquid sulfur. In: Elemental sulfur and sulfur-rich compounds I (Top. Current Chem. Vol. 230). Chapter 2. Berlin: Springer, 2003. P. 81—116. DOI: 10.1007/b12111.Тимрот Д.Л., Трактуева С.А., Алексеев Б.А. Поверхностное натяжение жидкой серы. Теплофизика высоких температур. 1983. Т. 21. No. 5. С. 884—889.Timrot D.L., Traktueva S.A., Alekseev B.A. Surface-tension of liquid sulfur. High Temperature. 1983. Vol. 21. No. 5. P. 671—676.Crundwell F.K. Analysis of the activation energy of dissolution of the iron-containing zinc sulfide (sphalerite). J. Phys. Chem. C. 2020. No. 124. P. 15347—15354. DOI: 10.1016/j.mineng.2020.106702.Crundwell F.K. Analysis of the activation energy of dissolution of the iron-containing zinc sulfide (sphalerite). J. Phys. Chem. C. 2020. No. 124. P. 15347—15354. DOI: 10.1016/j.mineng.2020.106702.Zhukov V.V., Laari A., Lampinen M., Koiranen T. A mechanistic kinetic model for direct pressure leaching of iron containing sphalerite concentrate. Chem. Eng. Res. Design. 2017. Vol. 118. P. 131—141. DOI: 10.1016/j.cherd.2016.12.004.Zhukov V.V., Laari A., Lampinen M., Koiranen T. A mechanistic kinetic model for direct pressure leaching of iron containing sphalerite concentrate. Chem. Eng. Res. Design. 2017. Vol. 118. P. 131—141. DOI: 10.1016/j.cherd.2016.12.004.Xie K., Yang X., Wang J., Yan J., Shen Q. Kinetic study on pressure leaching of high iron sphalerite concentrate. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2007. Vol. 17. No. 1. P. 187—194. DOI: 10.1016/S1003-6326(07)60070-3.Xie K., Yang X., Wang J., Yan J., Shen Q. Kinetic study on pressure leaching of high iron sphalerite concentrate. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2007. Vol. 17. No. 1. P. 187—194. DOI: 10.1016/S1003-6326(07)60070-3.Bailey L.K., Peters E. Decomposition of pyrite in acids by pressure leaching and anodization: the case for an electrochemical mechanism. Canad. Metall. Quart. 1976. Vol. 15. No. 4. P. 333—344. DOI: 10.1179/000844376795050462.Bailey L.K., Peters E. Decomposition of pyrite in acids by pressure leaching and anodization: the case for an electrochemical mechanism. Canad. Metall. Quart. 1976. Vol. 15. No. 4. P. 333—344. DOI: 10.1179/000844376795050462.Long H., Dixon D.G. Pressure oxidation of pyrite in sulfuric acid media: A kinetic study. Hydrometallurgy. 2004. Vol. 73. No. 3—4. P. 335—349. DOI: 10.1016/j.hydromet.2003.07.010.Long H., Dixon D.G. Pressure oxidation of pyrite in sulfuric acid media: A kinetic study. Hydrometallurgy. 2004. Vol. 73. No. 3—4. P. 335—349. DOI: 10.1016/j.hydromet.2003.07.010.Lowson R.T. Aqueous oxidation of pyrite by molecular oxygen. Chem. Rev. 1982. Vol. 82. No. 5. P. 461—497. DOI: 10.1021/cr00051a001.Lowson R.T. Aqueous oxidation of pyrite by molecular oxygen. Chem. Rev. 1982. Vol. 82. No. 5. P. 461—497. DOI: 10.1021/cr00051a001.

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