Золото — ценный ресурс, который не только необходим для изготовления ювелирных изделий, но и незаменим в микроэлектронике, научных исследованиях, в том числе ядерных, в стоматологии и фармакологии, в пищевой и других отраслях промышленности. Также золото — важнейший элемент мировой финансовой системы.
Процессы извлечения металлов являются одними из главных источников загрязнения окружающей среды, поэтому крайне важна разработка малоотходных, ресурсосберегающих и безвредных технологий. Существующая схема большинства фабрик подразумевает практически на всех стадиях производство побочных экологически опасных продуктов, в том числе диоксида серы, соединений мышьяка, цианидов и прочего. Ввиду продолжающегося истощения запасов полезных ископаемых становится актуальным использование низкосортного сырья, которое часто не поддается традиционным методам металлургической обработки. Например, перспективны упорные рудные и техногенные материалы, содержащие сульфидные минералы и служащие носителями золота — пирит и арсенопирит. Классические подходы предполагают использование высокого давления или пирометаллургических процессов, но существует и альтернатива — воздействие азотной кислотой, что обеспечивает высокую экологическую безопасность и большую степень вскрытия золота.
Российские исследователи изучили кинетику и механизм окисления арсенопирита (его еще называют мышьяковый колчедан) в азотнокислых средах, в том числе влияние пирита на кинетические характеристики процесса растворения. Предыдущие исследования были направлены на изучение различных условий реакции: полученные результаты свидетельствуют о том, что практически во всех случаях поверхность твердых частиц «прячется» за счет образования пленки на ней (эффект пассивации). Термодинамические и кинетические свойства пирита и арсенопирита схожи, в том числе, они имеют близкие значения растворимости в водных средах. Пирит может оказывать каталитическое действие при растворении различных сульфидных минералов, минимизируя негативное явление пассивации, но до сих пор не было данных о его влиянии на растворение арсенопирита. Исследования о взаимном действии отдельных минералов друг на друга в азотнокислых средах могут считаться пионерскими, так как эти взаимодействия практически не изучены.
Авторы статьи проводили лабораторные эксперименты по выщелачиванию (под выщелачиванием понимают перевод в раствор одного или нескольких компонентов твердого материала) азотной кислотой. Для установления кинетических характеристик реакций пробы отбирались через равные промежутки времени и исследовались с помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) — это высокочувствительный метод, способный определять содержание элементов в малых концентрациях.
Эксперименты по изучению влияния концентрации кислоты, пирита и размера гранул проводили при разной температуре. Ее повышение от 50 до 80 °C увеличивает эффективность извлечения мышьяка из арсенопирита с 68 до 83% через 1 час выщелачивания раствором 10% азотной кислоты. Наличие пирита и уменьшение размера частиц оказывает такой же положительный эффект. Вероятно, влияние пирита на выщелачивание связано с его каталитическим действием на ранней стадии процесса. Но наибольшую значимость имело повышение концентрации азотной кислоты: изменение от 10 до 25% позволяет увеличить степень извлечения мышьяка с 77 до 97%. Для сравнения влияния пирита и ионов Fe (III) проводились аналогичные эксперименты. Влияние железа, как и пирита, увеличивало выход мышьяка от 80 до 89%, но протекало по иному механизму. Авторы также рассчитали кинетические параметры системы, что позволило вывести полуэмпирическое уравнение для процесса выщелачивания арсенопирита.
«Полученные данные позволят углубить понимание кинетических особенностей растворения и взаимного влияния минералов в сложных неоднородных процессах, изучить их механизмы и снизить вероятные пассивационные явления. Это поможет дополнить фундаментальные основы процессов окисления подобных материалов, содержащихся в перерабатываемом сырье горно-металлургического комплекса России и мира, с учетом экологических факторов для минимизации загрязнения окружающей среды», — говорит Денис Рогожников, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник кафедры металлургии цветных металлов УрФУ.
