Bản quyền sáng chế của Công ty TNHH Nippon Mining & Metals này trình bày một quy trình luyện kim thủy luyện cải tiến để chiết tách vàng từ quặng đồng sunfua, dựa trên nội dung bằng sáng chế US 2009/0241735 A1. Phát minh này giải quyết những hạn chế cố hữu của các phương pháp truyền thống như luyện kim hỏa luyện (yêu cầu nhiệt độ cao, nhiều công đoạn) và các phương pháp thủy luyện sử dụng hóa chất độc hại, đắt tiền như xyanua hay khí halogen.
Phát kiến cốt lõi của quy trình này là việc chủ động giảm nồng độ vàng trong dung dịch chiết tách ngay trong khi quá trình đang diễn ra. Bằng cách liên tục loại bỏ vàng hòa tan, cân bằng phản ứng sẽ chuyển dịch theo hướng thuận, từ đó làm tăng đáng kể tốc độ và hiệu suất chiết tách.
Các đặc điểm chính của quy trình bao gồm:
• Tiền xử lý: Chiết tách đồng khỏi vật liệu quặng cho đến khi hàm lượng đồng giảm xuống còn 7,9% khối lượng (wt%) hoặc thấp hơn.
• Dung dịch Chiết tách: Sử dụng dung dịch có gốc clorua chứa ion sắt hóa trị ba (Fe³⁺) làm chất oxy hóa chính. Ion Fe³⁺ có thể được cung cấp sẵn hoặc được tái tạo từ ion sắt hóa trị hai (Fe²⁺) bằng cách sục không khí.
• Điều kiện Vận hành:
◦ pH: Duy trì ở mức 1,9 hoặc thấp hơn để đảm bảo ion sắt hòa tan và hoạt động hiệu quả.
◦ Tiềm năng Oxy hóa-khử (ORP): Quá trình hoạt động hiệu quả ở mức ORP tương đối thấp (khoảng 550 mV so với điện cực Ag/AgCl), không đòi hỏi các chất oxy hóa mạnh.
◦ Nhiệt độ: Vận hành ở áp suất khí quyển, với nhiệt độ từ 60°C trở lên để tăng tốc độ phản ứng.
• Các Yếu tố Tăng cường Hiệu suất:
◦ Ion Bromua: Bổ sung ion bromua giúp tạo phức với vàng, làm giảm thế oxy hóa cần thiết và tăng tốc độ chiết tách.
◦ Ion Đồng: Hoạt động như một chất xúc tác, đẩy nhanh quá trình oxy hóa tái tạo Fe³⁺ từ Fe²⁺.
◦ Loại bỏ Vàng: Áp dụng các phương pháp như hấp phụ bằng than hoạt tính (có hoặc không có chì nitrat) hoặc thay thế dung dịch định kỳ.
◦ Nghiền Mịn: Nghiền vật liệu đến kích thước hạt nhỏ (P80 ≤ 40 µm) giúp tăng diện tích tiếp xúc và cải thiện đáng kể hiệu suất chiết tách.
Tóm lại, quy trình này mang đến một giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí và an toàn hơn để thu hồi vàng, loại bỏ sự phụ thuộc vào các hóa chất nguy hiểm và các điều kiện vận hành khắc nghiệt.
--------------------------------------------------------------------------------
1. Bối cảnh và Hạn chế của các Phương pháp Truyền thống
Các phương pháp thu hồi vàng từ quặng đồng sunfua truyền thống đối mặt với nhiều thách thức về hiệu quả, chi phí và an toàn.
• Luyện kim hỏa luyện (Pyrometallurgy):
◦ Quy trình này yêu cầu nhiệt độ cực cao (trên 1000°C).
◦ Bao gồm nhiều công đoạn phức tạp, từ nấu chảy quặng để tạo đá đồng (matte), tinh luyện đồng thô, đến điện phân và xử lý bùn điện phân để thu hồi vàng.
◦ Tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí vận hành cao.
• Luyện kim thủy luyện (Hydrometallurgy):
◦ Sử dụng Chất tạo phức: Các chất như xyanua, thiourea, hoặc thiosulfuric acid được sử dụng để tạo phức hòa tan với vàng. Tuy nhiên:
▪ Đây là những hóa chất đắt tiền.
▪ Chúng bị tiêu hao bởi các kim loại khác có trong quặng như đồng và sắt, làm tăng chi phí.
▪ Nhiều chất trong số này (đặc biệt là xyanua) rất độc hại, đòi hỏi các bước xử lý nghiêm ngặt.
◦ Sử dụng Halogen: Vàng có thể được hòa tan trong dung dịch chứa halogen (clorua, bromua) với sự có mặt của các chất oxy hóa mạnh như khí clo, khí brom, hoặc Halex (BrCl). Hạn chế của phương pháp này là:
▪ Các chất oxy hóa này thường ở dạng khí, rất ăn mòn, độc hại và khó xử lý.
▪ Tiềm năng oxy hóa cao của chúng có thể gây ra hiện tượng thụ động hóa bề mặt vật liệu, cản trở phản ứng.
▪ Chi phí hóa chất cao.
2. Tổng quan về Quy trình Chiết tách được Đề xuất
Phát minh này đưa ra một quy trình thủy luyện được cải tiến, khắc phục các nhược điểm trên. Quy trình bao gồm các bước chính sau:
1. Giai đoạn Tiền chiết tách Đồng: Vật liệu quặng đồng sunfua chứa vàng được xử lý để chiết tách đồng cho đến khi hàm lượng đồng trong bã rắn còn lại giảm xuống 7,9% khối lượng hoặc thấp hơn. Bước này rất quan trọng để giảm tiêu thụ hóa chất ở giai đoạn sau và tạo điều kiện cho vàng tiếp xúc với dung dịch.
2. Giai đoạn Chiết tách Vàng: Bã rắn sau khi tách đồng được trộn với dung dịch chiết tách vàng. Dung dịch này bao gồm:
◦ Ion Clorua (Cl⁻): Tạo phức ổn định với vàng (AuCl₄⁻), giúp hòa tan vàng.
◦ Ion Sắt hóa trị ba (Fe³⁺): Đóng vai trò là chất oxy hóa chính để chuyển vàng kim loại (Au) thành ion vàng hòa tan (Au³⁺).
3. Điều chỉnh và Duy trì pH: Độ pH của dung dịch được điều chỉnh và duy trì ở mức 1,9 hoặc thấp hơn. Điều này giúp giữ cho ion sắt không bị kết tủa dưới dạng hydroxit và hỗ trợ quá trình tái tạo chất oxy hóa.
4. Tái tạo Chất oxy hóa: Không khí được sục vào dung dịch. Oxy trong không khí sẽ oxy hóa ion sắt hóa trị hai (Fe²⁺, sản phẩm của quá trình chiết tách) trở lại thành ion sắt hóa trị ba (Fe³⁺), giúp duy trì khả năng oxy hóa của dung dịch một cách liên tục.
5. Cải tiến Cốt lõi – Loại bỏ Vàng trong Quá trình Chiết tách: Đây là điểm khác biệt quan trọng nhất. Vàng được loại bỏ một cách có chọn lọc khỏi dung dịch chiết tách ngay trong khi quá trình đang diễn ra. Việc này giữ cho nồng độ vàng hòa tan ở mức thấp, từ đó đẩy nhanh đáng kể tốc độ phản ứng chiết tách vàng.
3. Các Yếu tố Chính và Điều kiện Tối ưu
Hiệu quả của quy trình phụ thuộc vào việc kiểm soát chặt chẽ một số thông số vận hành quan trọng, được xác định qua các thí nghiệm chi tiết.
3.1. Nồng độ Đồng trong Bã thải
Quá trình chiết tách vàng chỉ thực sự hiệu quả khi hàm lượng đồng trong bã rắn đã giảm đáng kể. Dữ liệu thực nghiệm (Ví dụ 1) cho thấy quá trình chiết tách vàng bắt đầu xảy ra khi hàm lượng đồng giảm xuống dưới 7,9% khối lượng. Điều này là tiên quyết để tránh tiêu hao chất oxy hóa và giải phóng các hạt vàng bị bao bọc.
3.2. Vai trò của Ion Clorua và Bromua
• Ion Clorua (Cl⁻): Là thành phần cơ bản của dung dịch, giúp tạo phức AuCl₄⁻, làm giảm thế oxy hóa tiêu chuẩn của vàng từ 1500 mV (trong dung dịch nước) xuống còn 1000 mV. Nồng độ clorua tổng cộng (bao gồm từ muối sắt, đồng và natri clorua) được duy trì trong khoảng 120 g/L đến 200 g/L.
• Ion Bromua (Br⁻): Việc bổ sung ion bromua (thường dưới dạng natri bromua) mang lại lợi ích đáng kể. Nó tạo phức AuBr₄⁻, có thế oxy hóa tiêu chuẩn thấp hơn nữa (870 mV). Điều này cho phép quá trình chiết tách diễn ra nhanh hơn. Thí nghiệm (Ví dụ 5) cho thấy tốc độ chiết tách vàng khi có bromua cao hơn 1,6 lần so với khi chỉ có clorua. Nồng độ bromua hiệu quả là khoảng 10 g/L đến 26 g/L.
3.3. Vai trò của Ion Sắt và Đồng
• Ion Sắt (Fe³⁺): Là chất oxy hóa chính. Nồng độ sắt hiệu quả để bắt đầu chiết tách vàng là từ 0,01 g/L trở lên. Hiệu quả tăng lên khi nồng độ sắt tăng, nhưng sẽ đạt trạng thái bão hòa ở khoảng 0,26 g/L (Ví dụ 6). Việc duy trì nồng độ Fe³⁺ được thực hiện bằng cách sục không khí.
• Ion Đồng (Cu²⁺): Không trực tiếp tham gia vào quá trình oxy hóa vàng, nhưng ion đồng đóng vai trò là chất xúc tác quan trọng. Sự có mặt của chúng làm tăng đáng kể tốc độ oxy hóa Fe²⁺ thành Fe³⁺ bằng không khí, giúp tái tạo chất oxy hóa nhanh hơn và duy trì động lực cho phản ứng chiết tách vàng (Ví dụ 4).
3.4. Tầm quan trọng của pH và Tiềm năng Oxy hóa-khử (ORP)
• pH: Phải được giữ ở mức ≤ 1,9. Nếu pH cao hơn, ion sắt sẽ kết tủa dưới dạng hydroxit, làm mất chất oxy hóa khỏi dung dịch. Khoảng pH tối ưu là từ 0,5 đến 1,9 để vừa đảm bảo sắt hòa tan, vừa tăng tốc độ oxy hóa sắt (Ví dụ 6, Hình 4).
• ORP: Một ưu điểm lớn của quy trình này là nó hoạt động hiệu quả ở mức ORP tương đối thấp, khoảng +480 mV đến +550 mV (so với điện cực Ag/AgCl). Điều này có nghĩa là không cần đến các chất oxy hóa cực mạnh và nguy hiểm như khí clo hay Halex, vốn hoạt động ở mức ORP cao hơn nhiều.
3.5. Ảnh hưởng của việc Giảm nồng độ Vàng
Đây là yếu tố then chốt giúp tăng tốc độ chiết tách. Khi nồng độ vàng hòa tan trong dung dịch tăng lên, nó sẽ làm chậm lại quá trình chiết tách. Bằng cách giữ nồng độ vàng ở mức thấp, hiệu suất được cải thiện rõ rệt.
• Phương pháp Thay thế Dung dịch: Thí nghiệm (Ví dụ 7) so sánh hai trường hợp: không thay dung dịch và thay dung dịch mới sau mỗi 3 giờ. Kết quả cho thấy tốc độ chiết tách vàng cao hơn đáng kể khi dung dịch được thay thế định kỳ.
• Phương pháp Hấp phụ bằng Than hoạt tính: Đây là một giải pháp thực tế hơn. Việc thêm than hoạt tính vào bể phản ứng (quy trình Carbon-in-Leach) giúp hấp phụ vàng ngay khi nó được hòa tan. Thí nghiệm (Ví dụ 9 và Hình 5) chứng minh rằng phương pháp này đạt được hiệu suất chiết tách cao tương đương với việc thay thế dung dịch liên tục.
3.6. Các Yếu tố Tăng cường Bổ sung
• Nhiệt độ: Tăng nhiệt độ giúp tăng tốc độ phản ứng. Quá trình được khuyến nghị thực hiện ở 60°C trở lên. Dữ liệu (Ví dụ 8) cho thấy hiệu suất chiết tách ở 85°C (đạt 92,4% sau 45 giờ) cao hơn so với ở 60°C (đạt 88,9% sau 45 giờ).
• Bổ sung Chì Nitrat: Việc bổ sung một lượng nhỏ chì nitrat cùng với than hoạt tính có thể tăng tốc hơn nữa quá trình chiết tách vàng, một hiệu ứng đã được biết đến trong công nghệ xyanua hóa (Ví dụ 10 và Hình 6).
• Kích thước Hạt: Kích thước vật liệu có ảnh hưởng lớn. Vật liệu được nghiền mịn (với 80% hạt có kích thước ≤ 40 µm) cho hiệu suất chiết tách cao hơn nhiều (92,4% sau 45 giờ) so với vật liệu thô (80% hạt có kích thước 185 µm), chỉ đạt 82,1% trong cùng thời gian (Ví dụ 11 và Hình 7).
4. Bảng tóm tắt Dữ liệu Thử nghiệm Chính
Thí nghiệm | Điều kiện chính | Kết quả chính |
Ví dụ 1 | Hàm lượng đồng trong bã thải < 7,9% | Chiết tách vàng bắt đầu hiệu quả khi hàm lượng đồng giảm xuống dưới ngưỡng này. |
Ví dụ 3 & 5 | So sánh có và không có ion bromua | Ion bromua tăng tốc độ chiết tách vàng lên 1,6 lần. |
Ví dụ 4 | Bổ sung ion đồng | Ion đồng đóng vai trò chất xúc tác, tăng tốc độ chiết tách vàng bằng cách đẩy nhanh quá trình tái tạo Fe³⁺. |
Ví dụ 6 | Nồng độ sắt và pH | Nồng độ sắt hiệu quả từ 0,01 g/L trở lên. pH phải được duy trì ở mức ≤ 1,9 để giữ sắt trong dung dịch. |
Ví dụ 7 & 9 | Giảm nồng độ vàng (thay dung dịch, dùng than hoạt tính) | Giữ nồng độ vàng trong dung dịch ở mức thấp làm tăng đáng kể tốc độ và hiệu suất chiết tách. |
Ví dụ 8 | Nhiệt độ chiết tách (60°C vs 85°C) | Nhiệt độ cao hơn (85°C) cho tốc độ và hiệu suất chiết tách cao hơn. |
Ví dụ 10 | Bổ sung chì nitrat cùng than hoạt tính | Tăng tốc hơn nữa quá trình chiết tách so với chỉ dùng than hoạt tính. |
Ví dụ 11 | Kích thước hạt vật liệu (40 µm vs 185 µm) | Nghiền mịn vật liệu (P80 ≤ 40 µm) cải thiện đáng kể tốc độ và mức độ chiết tách cuối cùng. |
5. Kết luận và Lợi ích
Quy trình chiết tách vàng được mô tả trong bằng sáng chế US 2009/0241735 A1 mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp truyền thống:
• Hiệu quả cao: Sự kết hợp giữa việc sử dụng ion bromua, chất xúc tác đồng và đặc biệt là kỹ thuật giảm nồng độ vàng trong dung dịch giúp đạt được tốc độ và hiệu suất chiết tách cao trong thời gian ngắn.
• An toàn và Thân thiện với Môi trường: Quy trình không sử dụng các hóa chất cực độc và nguy hiểm như xyanua hay các loại khí halogen ăn mòn (clo, brom), giảm thiểu rủi ro vận hành và tác động môi trường.
• Tiết kiệm Chi phí:
◦ Sử dụng không khí (oxy) làm chất oxy hóa cuối cùng, một tác nhân rẻ tiền và sẵn có.
◦ Có thể tận dụng sắt và đồng có sẵn trong quặng để làm chất oxy hóa và xúc tác, giảm chi phí hóa chất đầu vào.
◦ Các hóa chất như clorua và bromua tồn tại dưới dạng ion trong dung dịch và có thể được tái sử dụng, ít bị thất thoát.
• Đơn giản hóa Quy trình: Có khả năng chiết tách đồng, sắt và vàng trong một hệ thống dung dịch duy nhất, giúp đơn giản hóa quy trình công nghệ và tiết kiệm chi phí thiết bị.
• Điều kiện Vận hành Thuận lợi: Quá trình diễn ra ở áp suất khí quyển và nhiệt độ dưới điểm sôi, không đòi hỏi các thiết bị chịu áp suất cao hay nhiệt độ khắc nghiệt.
-TQ-CN-1400kg101025.jpg)
