Выщелачивание измельченной руды 10 – 15 %-ной серной кислотой осуществляют в растворителе, снабженном мешалкой, куда предварительно заливают разбавленную кислоту, подогревают ее глухим паром до 50 – 800С, а затем загружают руду в таком количестве, чтобы отношение Т: Ж в пульпе составляло 1: 3. Растворение ведут при перемешивании и 60 – 700С в течение 30 – 40 мин. При содержании в руде 3 – 5 % Cu выщелачивание ведут 3 – 5 %-ной серной кислотой в течение ~ 2 ч.
Очистку раствора медного купороса перед его дальнейшей переработкой от примесей сульфатов железа, алюминия и др. можно осуществлять с помощью известняка и обожженной медной руды, пропуская его затем через гравийный фильтр для отделения образовавшихся осадков.
1.4.5 Производство медного купороса из колчеданных огарков
Медь в колчеданных огарках содержится в виде различных соединений – CuSO4, CuS, Cu2S, СuO, Cu2О, CuSO3, CuFeS2. Это затрудняет полное ее извлечение каким-либо одним простым методом.
Сульфат и сульфит меди легко выщелачиваются водой, а окись меди – разбавленной серной кислотой. Сульфиды меди, в виде которых находится до 20 % меди огарков, не растворяются в воде и в растворах серной кислоты, но переходят в раствор при нагревании в результате взаимодействия с сульфатом (или хлоридом) трехвалентного железа:
CuS + Fe2 (SO4)3 = CuSO4 + 2 FeSO4 + S (37)
Cu2S + 2 Fe2 (SO4)3 = 2 CuSO4 + 4 FeSO4 + S (38)
Этим же способом извлекают медь из сульфидных медных руд. Интенсивность выщелачивания увеличивается при бактериальном окислении сульфидов. Из получаемого раствора медного купороса удаляют железо окислением Fe2+ в Fe3+ пиролюзитом или кислородом воздуха и обработкой известняком:
Fe2 (SO4)3 + 3 СаСO3 + 3 H2O = 2 Fe (OH)2 + 3 CаSO4 + 3 СO2 (39)
Халькопирит с помощью сульфата железа растворить нельзя. Его можно превратить в растворимые соединения хлорированием:
2 CuFeS2 + 7 Cl2 = 2 CuCl2 + 2 FeCl3 + 2 S2Cl2 (40)
Наиболее разработанными способами получения медного купороса из огарков и являются водно-кислотное выщелачивание, применяемое на некоторых заводах, и хлорирующий обжиг в присутствии NaCl.
Выщелачивание меди из огарка
При выщелачивании огарка 1 % раствором серной кислоты на холоду в течение 1 ч при отношении Т: Ж, равном 1: 3, переходит в раствор от 60 до 80 % меди. В результате шестикратного выщелачивания могут быть получены щелоки, содержащие 15 – 18 г./л меди. Эти щелоки загрязнены соединениями железа (5 – 6 г/л Fe), которые удаляются из раствора осаждением мелом, после их окисления бертолетовой солью или хлором. Выпариванием очищенного щелока от железа получается продукт, содержащий 2 – 2,5 % Fe. Непосредственное получение фунгицидных препаратов из щелока может оказаться более экономичным, чем переработка его на медный купорос.
Извлечение водо- и кислоторастворимых соединений меди из огарка можно осуществлять, орошая свалку огарка подкисленной водой (3 – 5 % H2SO4). Для сбора образующегося раствора, содержащего 5 – 15 г./л CuSO4 ∙ 5H2O, необходим колодец, откуда раствор откачивается на цементацию. Аналогичным образом можно производить выщелачивание огарка, находящегося в плоских прямоугольных ямах, имеющих большую площадь. Загрузку и выгрузку огарка можно осуществлять при этом с помощью мостового крана, движущегося по опорам, уложенным вдоль краев ямы.
Хлорирующий обжиг огарка
Хлорирующий обжиг огарка заключается в обработке его хлористым натрием при высокой температуре с целью превращения нерастворимых сульфидов меди в водорастворимые соединения:
CuS + NaCl + 2 O2 = CuCl2 + Na2SO4 (41)
К огарку добавляют 4 – 5 % NaCl (в зависимости от содержания в нем меди), смесь измельчают на вальцовой мельнице до размера частиц не более 2 мм и обжигают в механической колчеданной печи при температуре 550 – 6000С. Развитие требуемой температуры обеспечивается сжиганием генераторного газа или другого горючего. В качестве горючего можно применять серу или серный колчедан. В этом случае шихту составляют с соблюдением молярного отношения Cu: 3 S: 6 NaCl. Огарок состоит из окислов железа и CuCl2, CuCl, СuO, CuSO4 и Na2SO4. Часть хлорида натрия реагирует с серой и водяными парами, образуя хлористый водород. В отходящих газах, помимо продуктов сгорания топлива и хлористого водорода, содержится некоторое количество Cl2, SO2, SO3SO3, водяных паров и мышьяковистых соединений. Газы из печи поступают в башню, орошаемую водой. Здесь получается 10 %-ная соляная кислота с примесью серной кислоты и хлора. Ее используют для выщелачивания обожженного огарка.
Медноколчеданные огарки, содержащие 0,5 – 1 % меди, можно хлорировать газообразным хлором. Систематическое выщелачивание растворимых соединений меди из обожженного огарка ведут при 20 – 250С. Общая продолжительность выщелачивания составляет 4 – 5 дней.
Извлечение меди из отходов медеплавильных заводов
К отходам производства меди относятся: ватержакетная пыль, шлаки, рудничные отвалы и др. Эти материалы содержат, как и колчеданные огарки, различные соединения меди и перерабатываются аналогичными методами – непосредственным выщелачиванием или выщелачиванием после сульфатизирующего или хлорирующего обжига. Полученные растворы подвергают цементации. При наличии отбросного тепла их можно выпаривать для кристаллизации из них медного купороса.
Водное выщелачивание ватержакетной пыли при 75 – 800С позволяет извлечь из нее в течение 4 ч от 20 до 70 % меди в раствор в виде сульфата меди. При последующей обработке остатков от выщелачивания водой в течение 4 ч 4 %-ной серной кислотой в раствор переходит еще 15 – 30 % меди.
Выщелачиванием шлаков 5 %-ной серной кислотой при 90 – 950С и Т: Ж, равном 1: 1, и 6000С в течение 1 ч можно увеличить извлечение меди в раствор до 80 %.
В рудничных отвалах обычно содержится 1 – 2 % меди. Она может быть извлечена в раствор теми же методами, как и из других отходов, а также обработкой водной пульпы сернистым газом. Степень извлечения меди достигает при этом 98 % в течение 1 ч, если предварительно произвести хлорирующий обжиг материала при 3000С, с добавкой к нему 20 % NaCl.
Выделение меди из разбавленных растворов
При извлечении меди из колчеданных огарков, отходов медеплавильных заводов, рудничных отвалов, а также из окисленных медных руд получаются разбавленные растворы медного купороса (или хлорной меди). Рудничные воды, образующиеся на медных рудниках в результате медленного окисления сернистой меди кислородом воздуха, также представляют собой слабый раствор медного купороса. Так как концентрирование таких слабых растворов не экономично, медь выделяют из них цементацией. Этот процесс заключается в вытеснении меди из растворов железными стружками и железным ломом:
Cu2+ + Fe = Fe2+ + Cu(42)
Электродный потенциал меди значительно выше, чем железа в маточных растворах, содержащих ионы Cu2+ или Fe2+, при обычной температуре и давлении водорода 1 ат он равен для Cu + 0,34 в, для Fe – 0,44 в. Поэтому железо вытесняет медь из раствора в виде тонкого металлического шлама, называемого цементной медью.
Цементацию осуществляют в стальном футерованном или освинцованном баке, куда загружают очищенный от грязи и ржавчины железный лом. Затем в бак подают разбавленный раствор сульфата меди. Для полноты осаждения меди раствор не должен содержать значительных количеств серной кислоты.
Оптимальная концентрация серной кислоты равна ~ 0,05 % или около 5 ∙ 10-5 г-ионов/л.
Образующийся в результате цементации разбавленный раствор сульфата железа спускают в канализацию, а в реактор заливают другую порцию исходного раствора, содержащего медь. Обработку одной и той же загрузки железа проводят 10 – 12 раз. После этого оставшееся железо удаляют и выгружают осевшую на дно цементную медь, которую затем промывают от частиц железа 10 – 15 %-ной серной кислотой при непрерывном перемешивании. По удалению железа медь промывают водой до полной отмывки от серной кислоты. Промытая цементная медь получается в виде пасты красновато-бурого цвета; она содержит 65 – 70 % Cu, до 35 % влаги и около 1 % примесей и перерабатывается в медный купорос теми же методами, что и медный лом. Дисперсность цементной меди возрастает с увеличением pH раствора и при уменьшении концентрации в нем CuSO4 и Cl- Цементацию меди можно осуществлять и в псевдоожиженном слое железных гранул. Разработан способ извлечения цементной меди флотацией. Порошкообразную медь можно получить из кислых растворов солей меди, добавляя к ним растворимые в воде полисахариды (~1 %) и обрабатывая газообразным восстановителем под давлением, например, водородом при 30 ат и 1400С.
Медь может быть извлечена из разбавленных растворов CuSO4 обработкой их слабой аммиачной водой. При этом образуется осадок Cu(OH)2 ∙ CuSO4, который после отделения от раствора можно растворить на фильтре серной кислотой для получения медного купороса. Если в растворе присутствуют, кроме меди, ионы железа и никеля (например, при переработке полиметаллических руд), возможно ступенчатое осаждение их аммиаком при нейтрализации раствора последовательно до pH = 3, а затем 4,5 и 6.
1.5 Получение медного купороса из электролитных растворов медеэлектролитных заводов
При электролитическом рафинировании меди применяют электролит, содержащий в 1 л 30 – 45 г. меди в виде сульфата и около 200 г. свободной серной кислоты. Помимо этого, в электролите присутствуют примеси NiSO4, FeSO4, As2O3, ZnSO4, CaSO4 и др. В связи с накоплением этих примесей и переходом в раствор меди часть электролита должна выводиться из процесса. Наиболее экономичным способом утилизации выводимого из цикла электролитного раствора является переработка его на медный купорос, так как стоимость последнего выше, чем стоимость затраченных на его производство меди и серной кислоты.