Цианидное выщелачивание

Цианидное выщелачивание — это гидрометаллургический процесс извлечения благородных металлов (преимущественно золота и серебра) из руд и концентратов путём селективного растворения металлов в водных растворах цианидов щелочных металлов (обычно цианида натрия, реже — калия или кальция). Метод является основным промышленным способом получения золота из руд, обеспечивая до 80–90 % мирового объёма его добычи.

История

Первые научные наблюдения о способности цианистых соединений растворять золото относятся к концу XVIII века. В 1783 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле обнаружил, что золото растворяется в водном растворе синильной кислоты. Однако практическое применение этого явления стало возможным лишь спустя столетие.

В 1887 году шотландские химики Джон Стюарт Макартур и Роберт Форрест совместно с братом Форреста Уильямом запатентовали процесс цианидного выщелачивания (патент Великобритании № 14174). Первое промышленное внедрение технологии состоялось в 1889 году на золоторудном месторождении Карангхи (Новая Зеландия). В 1890-х годах метод быстро распространился в золотодобывающих регионах Южной Африки (Витватерсранд), Австралии и США.

В России цианидное выщелачивание начали применять с начала XX века на Урале и в Сибири. К 1910-м годам процесс вытеснил ранее использовавшееся амальгамацию (извлечение золота ртутью) благодаря более высокому извлечению (до 95–97 % против 60–70 % у амальгамации) и возможности переработки бедных руд.

Химические основы процесса

Растворение золота в цианидных растворах описывается реакцией Эльснера (названной в честь немецкого химика Людвига Эльснера, 1846):

\[ 4 \text{Au} + 8 \text{NaCN} + \text{O}_2 + 2 \text{H}_2\text{O} \rightarrow 4 \text{Na[Au(CN)}_2] + 4 \text{NaOH} \]

Золото окисляется кислородом воздуха, растворённым в воде, и переходит в комплексный цианидный анион \([\text{Au(CN)}_2]^-\), который устойчив в водном растворе. Скорость реакции лимитируется диффузией кислорода и цианида к поверхности частиц золота. Для серебра реакция аналогична, но протекает медленнее.

Факторы, влияющие на процесс

• Концентрация цианида: обычно 0,01–0,1 % (100–1000 мг/л) в пересчёте на NaCN. Избыток цианида ускоряет растворение, но увеличивает расход реагента и токсичность пульпы.
• pH среды: поддерживается на уровне 10–11 с помощью извести (CaO) или едкого натра (NaOH). При pH ниже 9 цианид переходит в летучую синильную кислоту (HCN), что резко снижает эффективность и опасно для персонала.
• Концентрация кислорода: аэрация пульпы (барботирование воздуха или кислорода) — ключевой фактор. При недостатке кислорода процесс замедляется в десятки раз.
• Температура: оптимальный диапазон 15–25 °C. При повышении температуры скорость растёт, но увеличиваются потери цианида из-за гидролиза и окисления.
• Размер частиц руды: чем мельче измельчение (обычно до 75–150 мкм), тем больше поверхность контакта и выше скорость выщелачивания.

Технологические схемы

Существуют два основных типа цианидного выщелачивания: перколяционное (кучное) и агитационное (в мешалках).

Кучное выщелачивание

Применяется для переработки бедных руд (содержание золота менее 1–2 г/т) и отвалов. Рудную массу укладывают на водонепроницаемое основание (полиэтиленовая плёнка, глина) в штабель высотой до 10–20 м. Сверху штабель орошают цианидным раствором через систему разбрызгивателей или капельных линий. Раствор просачивается через руду, растворяя золото, и собирается в дренажной системе. Затем «продуктивный» раствор направляется на извлечение золота. Процесс длится от нескольких недель до месяцев.

Агитационное выщелачивание

Наиболее распространённый метод для кондиционных руд. Руду измельчают до тонкой фракции (менее 0,1 мм) и смешивают с цианидным раствором в реакторах-мешалках (чанах) объёмом до 1000 м³. Пульпу непрерывно аэрируют сжатым воздухом или кислородом. Время выщелачивания составляет 24–72 часа. После выщелачивания пульпу фильтруют или направляют на сорбцию.

Сорбционное выщелачивание (CIL, CIP)

Современная модификация — угольно-сорбционное выщелачивание (Carbon-in-Leach, CIL) и угольно-пульповое выщелачивание (Carbon-in-Pulp, CIP). В этих процессах активированный уголь добавляется непосредственно в пульпу во время выщелачивания. Уголь адсорбирует растворённое золото (в виде комплекса), что позволяет извлекать металл из раствора без отделения твёрдой фазы. После насыщения уголь отделяют на ситах, а золото десорбируют горячим щелочным раствором. Эти методы сокращают потери реагентов и повышают извлечение.

Извлечение золота из растворов

После выщелачивания продуктивный раствор (или насыщенный уголь) подвергают дальнейшей переработке:

• Цементация цинком (процесс Меррилла-Кроу): через раствор пропускают цинковую стружку или пыль. Цинк восстанавливает золото из комплекса, осаждая его в виде чёрного шлама:

\[ 2 \text{Na[Au(CN)}_2] + \text{Zn} \rightarrow \text{Na}_2[\text{Zn(CN)}_4] + 2 \text{Au} \]

• Электролиз: раствор пропускают через электролизёры с катодами из стальной ваты, на которые осаждается золото.
• Десорбция с угля: насыщенный уголь обрабатывают горячим раствором NaOH и NaCN при 90–120 °C, получая концентрированный раствор золота, который затем электролизуют.

Полученный золотосодержащий шлам переплавляют в слитки (сплав Доре), содержащие 70–95 % золота и серебра, которые затем подвергают аффинажу.

Экологические и токсикологические аспекты

Цианиды относятся к высокотоксичным веществам. Летальная доза цианида натрия для человека составляет 100–200 мг. Основные риски связаны с утечками растворов, прорывами дамб хвостохранилищ и авариями на транспорте.

Крупнейшие аварии:

• 2000 год — прорыв дамбы хвостохранилища на руднике Бая-Маре (Румыния), приведший к загрязнению рек Тиса и Дунай цианидами (концентрация превышала ПДК в 100 раз). Погибло около 80 % рыбы в венгерском участке Тисы.
• 2010 год — авария на шахте «Кумтор» (Кыргызстан): утечка цианида в реку Барскоон.

Для снижения рисков применяются:

• Разрушение остаточного цианида в хвостах с помощью гипохлорита натрия, перекиси водорода или диоксида серы (процесс INCO).
• Создание замкнутых водооборотных циклов.
• Использование менее токсичных реагентов (тиосульфат натрия, тиомочевина), но они менее эффективны и дороже.

Применение и альтернативы

Цианидное выщелачивание остаётся доминирующей технологией извлечения золота благодаря высокой селективности (цианид не растворяет большинство породообразующих минералов), низкой стоимости реагента и возможности переработки руд с содержанием золота менее 1 г/т.

Альтернативные методы:

• Тиосульфатное выщелачивание: используется для упорных углеродистых руд, где цианид неэффективен из-за сорбции золота органическим веществом.
• Хлоридное выщелачивание: применяется для некоторых типов руд, но требует коррозионностойкого оборудования.
• Биовыщелачивание: использование микроорганизмов для вскрытия сульфидных руд, но не для растворения золота.

Интересные факты

• В 1890-х годах цианидное выщелачивание позволило вовлечь в переработку руды месторождения Витватерсранд (ЮАР), содержащие всего 5–10 г золота на тонну, что сделало Южную Африку крупнейшим производителем золота в мире на протяжении почти столетия.
• В процессе цианидного выщелачивания расход цианида натрия составляет от 0,2 до 2 кг на тонну руды, в зависимости от минерального состава.
• Некоторые бактерии (например, Pseudomonas fluorescens) способны разлагать цианиды, что используется в биологической очистке сточных вод золотоизвлекательных фабрик.

Источники

• Marsden, J. O., House, C. I. (2006). The Chemistry of Gold Extraction. Society for Mining, Metallurgy, and Exploration.
• Habashi, F. (1999). A History of Metallurgy. Metallurgy and Materials Science.
• Adams, M. D. (Ed.). (2016). Gold Ore Processing. Elsevier.
• Лодейщиков В. В. (1998). Технология извлечения золота и серебра из упорных руд. Иркутск: Иргиредмет.
• Котляр Ю. А., Меретуков М. А., Стрижко Л. С. (2002). Металлургия благородных металлов. М.: МИСИС.