Оптимизация процессов низкотемпературного серно-кислотного выщелачивания халькопирита и пирита

В работе представлены результаты исследования процессов окислительного выщелачивания халькопирита (CuFeS₂) и пирита (FeS₂) в серно-кислой среде при низких температурах с добавлением ионов меди (Cu²⁺) и железа (Fe³⁺). Методом ортогонального планирования эксперимента установлены оптимальные условия процесса, обеспечивающие максимальную степень деструкции сульфидной матрицы и извлечение ценных металлов. Эксперименты проводились при постоянной температуре 100 °C. Исследовались следующие параметры: парциальное давление кислорода (0,2–0,75 МПа), концентрации серной кислоты (10–50 г/дм³), ионов Fe³⁺ (2–10 г/дм³) и Cu²⁺ (1–3 г/дм³), а также продолжительность процесса (60–240 мин). Состав исходных минералов и продуктов выщелачивания анализировали методами рентгеноспектрального флуоресцентного анализа, рентгенофазового анализа и атомно-абсорбционной спектрометрии. Установлено, что максимальное извлечение меди из халькопирита (55 %) достигается при следующих условиях: парциальном давлении O₂ – 0,25 МПа, исходных концентрациях H₂SO₄ – 50 г/дм³, Cu²⁺ – 1 г/дм³, Fe³⁺ – 2,5 г/дм³, продолжительности процесса – 240 мин. Максимальная степень окисления пирита составила 56 % при парциальном давлении кислорода 0,75 МПа, исходных концентрацииях H₂SО₄ – 50 г/дм³, Cu²⁺ – 2 г/дм³ и Fe³⁺ – 10 г/дм³. Установлено, что продолжительность и давление кислорода оказывают наиболее значимое влияние на степень разложения халькопирита и пирита (p < 0,05). Выявлены особенности взаимодействия ионов Fe³⁺ и Cu²⁺: избыток Fe³⁺ (>10 г/дм³) приводит к гидролизу и снижению эффективности выщелачивания халькопирита, тогда как Cu²⁺ способствует частичному образованию вторичных сульфидов меди. Выведены уравнения регрессии (R² = 0,98 для халькопирита и R² = 0,96 для пирита), адекватно описывающие процесс.

1. Шайбакова Л.Ф. Мировые и российские тенденции инновационного развития производства меди. Региональная экономика и управление: Электронный научный журнал. 2018;3(55):5.

2. Кондратьев В.Б. Базовые металлы: Перспективы в 2021 г. Горная промышленность. 2021;1:14—22. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-1-14-22

3. Вира Д.Ю. Перспективы развития рынков медной промышленности России в новых условиях. Вестник Алтайской академии экономики и права. 2024;3(3):344—354. https://doi.org/10.17513/vaael.3354

4. Хопунов Э.А. Современные направления переработки минерального сырья. Национальная Ассоциация Ученых (НАУ). 2015;4-7(9):89—92.

5. Чантурия В.А., Шадрунова И.В., Горлова О.Е., Колодежная Е.В. Развитие технологических инноваций глубокой и комплексной переработки техногенного сырья в условиях новых экономических вызовов. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2020;1:159—171. https://doi.org/10.46689/2218-5194-2020-1-1-159-171

6. Шумская Е.Н., Поперечникова О.Ю., Тихонов Н.О. Разработка технологии обогащения труднообогатимой колчеданной полиметаллической руды Корбалихинского месторождения. Горный журнал. 2014;(11):78—83.

7. Шнеерсон Я.М., Набойченко С.С. Тенденции развития автоклавной гидрометаллургии цветных металлов. Цветные металлы. 2011;(3):15—20.

8. Лапшин Д.А., Шнеерсон Я.М. Автоклавные процессы в гидрометаллургии платиновых металлов. Цветные металлы. 2014;(5):39—43.

9. Лапин А.Ю. История создания и освоения автоклавно-гидрометаллургической технологии по переработке никель-пирротиновых концентратов. Цветные металлы. 2020;(9):57—64.

10. Padilla R., Vega D., Ruiz M.C. Pressure leaching of sulfidized chalcopyrite in sulfuric acid-oxygen media. Hydrometallurgy. 2007;86(1-2):80—88. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2006.10.006

11. McDonald R.G., Muir D.M. Pressure oxidation leaching of chalcopyrite. Part I. Comparison of high and low temperature reaction kinetics and products. Hydrometallurgy. 2007;86(3-4):191—205. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2006.11.015

12. Rusanen L., Aromaa J., Forsen O. Pressure oxidation of pyrite-arsenopyrite refractory gold concentrate. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 2013;49:101—109. https://doi.org/10.5277/ppmp130110

13. Shoppert A., Valeev D., Loginova I., Pankratov D. Low-temperature treatment of boehmitic bauxite using the Bayer reductive method with the formation of highiron magnetite concentrate. Materials. 2023;16(13):4678. https://doi.org/10.3390/ma16134678

14. Васильева А.А., Бодуэн А.Я., Васильев Р.Е. Анализ возможности применения гидрометаллургических методов с целью улучшения переработки медных концентратов. Вестник ИрГТУ. 2022;26(2):320—335.

15. Епифоров А.В., Набиулин Р.Н., Баликов С.В. Низкотемпературное автоклавное окисление упорных сульфидных золото-медных флотоконцентратов с последующим сульфитным выщелачиванием драгоценных металлов из окисленных кеков. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2014;3(8):31—38.

16. Rogozhnikov D.A., Zakharian S.V., Dizer O.A., Karimov K.A. Nitric acid leaching of the copper-bearing arsenic sulphide concentrate of Akzhal. Tsvetnye Metally. 2020;8:11—16. https://doi.org/10.17580/tsm.2020.08.02

17. Гордеев Д.В., Петров Г.В., Никитина Т.Ю. Применение двухстадийного сернокислого и хлоридного выщелачивания для переработки сульфидных полиметаллических концентратов. Вестник Магнитогорского государственного университета им. Г.И. Носова. 2022;20(3):13—25.

18. Рассказова А.В., Секисов А.Г., Рассказов М.И. Азотнокислотно-нитритное окисление медно-порфировых руд с последующим активационным хлоридносернокислотным выщелачиванием меди и благородных металлов. ГИАБ. 2023;9:130—140.

19. Córdoba E.M., Muñoz J.A., Blázquez M.L., González F., Ballester A. Leaching of chalcopyrite with ferric ion. Part I: General aspects. Hydrometallurgy. 2008;93(3-4): 81-87. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2008.04.015

20. Nourmohamadi H., Esrafili M.D., Aghazadeh V., Rezai B. The influence of Ag+ cation on elemental sulfur passive layer and adsorption behavior of chalcopyrite toward Fe3+ and Fe2+ ions: Insights from DFT calculations and molecular dynamics simulations. Physica B: Condensed Matter. 2022;627:413611. https://doi.org/10.1016/j.physb.2021.413611

21. Fomchenko N.V., Muravyov M.I. Effect of sulfide mineral content in copper-zinc concentrates on the rate of leaching of non-ferrous metals by biogenic ferric iron. Hydrometallurgy. 2019;185:82—87. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2019.02.002

22. Dizer O., Rogozhnikov D., Karimov K., Kuzas E., Suntsov A. Nitric acid dissolution of tennantite, chalcopyrite and sphalerite in the presence of Fe(III) ions and FeS2. Materials. 2022;15(4):1545. https://doi.org/10.3390/ma15041545

23. 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

24. Васильев В.И. Титриметрические и гравиметрические методы анализа: Учебник для студентов вузов. М.: Дрофа, 2005. 366 с.

25. Шнеерсон Я.М., Фрумина Л.М., Ивановский В.В., Касаткин С.В. Кинетика окислительного автоклавного выщелачивания медных сульфидных минералов. Сборник научных трудов института Гипроникель. Л.: Гипроникель, 1981. С. 53—61.

26. Córdoba E.M., Muñoz J.A., Blázquez M.L., González F., Ballester A. Leaching of chalcopyrite with ferric ion. Part IV: The role of redox potential in the presence of mesophilic and thermophilic bacteria. Hydrometallurgy. 2008;93(3-4):106—115. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2007.11.005

27. Li Y., Kawashima N., Li J., Chandra A.P., Gerson A.R. A review of the structure, and fundamental mechanisms and kinetics of the leaching of chalcopyrite. Advances in Colloid and Interface Science. 2013;(197-198):1—32. https://doi.org/10.1016/j.cis.2013.03.004

28. Michael J. Nicol. A comparative study of the kinetics of the oxidation of iron(II) by oxygen in acidic media — mechanistic and practical implications. Hydrometallurgy. 2020;192:105246. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2020.105246