Создание новых гидрометаллургических процессов вскрытия золотосодержащего рудного и техногенного сырья двойной упорности

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10290

НазваниеСоздание новых гидрометаллургических процессов вскрытия золотосодержащего рудного и техногенного сырья двойной упорности

Руководитель Рогожников Денис Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова Гидрометаллургия, дважды упорное сырье, благородные металлы, сульфидные минералы, сорбционно-активный углерод, экология, кинетика, нейросети.

Код ГРНТИ53.37.33, 53.03.13, 53.01.91

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью планируемых исследований является изучение физико-химических закономерностей и механизмов вскрытия дважды упорного сульфидного сырья, содержащего цветные и благородные металлы, в присутствии катализаторов, коагулянтов, поверхностно-активных веществ; влияния данных процессов на сорбционную активность природного углистого вещества, также в зависимости от комплексообразующих агентов и состава раствора применимых для растворения золота; установления новых форм осаждения мышьяка из образующихся растворов в виде труднорастворимых нетоксичных соединений; поиска способов интенсификации извлечения благородных металлов, что позволит дополнить фундаментальные основы процессов гидрохимического вскрытия подобных упорных материалов, содержащихся в перерабатываемом сырье горно-металлургического комплекса России и мира. Актуальность предлагаемого проекта заключается в необходимости разработки новых эффективных способов переработки подобных упорных материалов, т.к. вследствие истощения запасов руд богатых полезных ископаемых и ухудшения качества перерабатываемого сырья действующие технологии не могут быть эффективными и рентабельными при переработке такого сырья как с технико-экономической, так и экологической точек зрения. Даже современные высокоинтенсивные методы, применяемые для вскрытия сульфидной матрицы золотовмещающих минералов, такие как сверхтонкое измельчение, бактериальное выщелачивание, высокотемпературное автоклавное выщелачивание, далеко не всегда позволяют достигать приемлемых показателей по извлечению благородных металлов, ввиду наличия в сырье природного углистого вещества, проявляющего сорбционную активность к комплексам золота, с образованием вторичных сульфидов, соединений цветных металлов, железа, мышьяка и элементной серы, увеличивающих расход реагентов и затрудняющих их доступ к поверхности благородных металлов. В рамках выполнения проекта планируется получить новые данные об особенностях морфологического и кристаллического строения изучаемых упорных материалов: закономерности распределения и дисперсность благородных металлов в сульфидных минералах и углистых веществах, особенности и закономерности взаимного замещения металлов и других соединений в сульфидных матрицах компонентов сырья. Впервые будут получены новые физико-химические закономерности поведения исследуемых моносульфидов посредством проведения расчетов термодинамики изучаемых процессов, построением термодинамических моделей вероятных реакций в рассматриваемых гетерогенных системах, выявлением оптимальных вероятных условий проведения процессов. Будут получены новые модели, определяющие количественное соотношения форм возможных комплексных соединений в жидкой фазе в зависимости от концентрации различных комплексообразователей и ионов цветных металлов в растворе. Впервые будет установлено влияние активирующих добавок на механохимическую активацию, гидрофильно-олеофильных свойств ПАВ на показатели измельчения и механоактивации, выщелачивание золотосодержащих моносульфидов и реального упорного сульфидного сырья, в том числе прошедших предварительную дезинтеграцию. Будут получены новые сведения об адсорбции применяемых ПАВ и их влиянии на смачиваемость и измельчаемость минералов, природного углистого вещества, его сорбционной активности, что позволит создать уникальную модель, позволяющую подбирать ПАВ индивидуально для конкретного сульфидного сырья. Будут получены новые данные о влиянии на кинетику и особенности механизмов растворения изучаемых моносульфидов и содержащих их концентратов – коагулянтов, ионов катализаторов. На основании комплекса исследований составов и строения твердых продуктов выщелачивания будут доказаны новые поверхностные явления, влияющие на механизмы процесса вскрытия сульфидов и последующего растворения благородных металлов, их влияние на сорбционную активность природных углей и форму сорбированных соединений. Научная новизна работы также будет заключаться в получении новых данных по сорбции различных ПАВ, ионов цветных металлов и золота из растворов углями и реальными концентратами, промпродуктами, содержащими природное углистое вещество. Впервые будут определены лимитирующие стадии сорбции и механизмы разрабатываемых процессов. Будут созданы уникальные модели на основе нейронных сетей, позволяющие отследить скрытое влияние характеристик минералов и параметров процессов на эффективность извлечения ценных компонентов в раствор и сорбционную активность природного углистого вещества путем использования методов глубокого и стохастического обучения сетей. На основе выполненного комплекса экспериментальных и теоретических исследований будут разработаны новые научно-обоснованные процессы вскрытия сульфидных материалов, позволяющие в зависимости от составов, строения, природы образования и пр. вовлекаемого в переработку рудного или техногенного сырья подбирать условия, обеспечивающие высокие показатели технико-экономической эффективности и экологичности производства при внедрении полученных теоретических и экспериментальных результатов в реальном секторе экономики (на металлургических предприятиях).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Каримов К.А.,Дизер О.А., Кузас Е.А., Рогожниов Д.А. Очистка мышьяксодержащих азотнокислых растворов с использованием гидросульфида натрия в присутствии окислителей Цветные металлы, 189/2022 (год публикации - 2023)

2. Луговицкая Т.Н., Рогожников Д.А. Surface Phenomena with the Participation of Sulfite Lignin under Pressure Leaching of Sulfide Materials Langmuir, 2023, 39(16), pp. 5738–5751 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.langmuir.2c03481

3. Головкин Д.И., Дизер О.А., Шкляев Ю.Е., Рогожников Д.А. ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЗОЛОТОСОДЕРЖАЩИХ РУД ДВОЙНОЙ УПОРНОСТИ МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ, РЕДКИХ И БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ. Сборник докладов XV международной конференции имени члена-корреспондента РАН Геннадия Леонидовича Пашкова. Красноярск, 2022, Красноярск, 06–08 сентября 2022 года, С.113-118 (год публикации - 2022)

4. Третьяк М.А., Каримов К.А., Солиев М.А., Крицкий А.В., Рогожников Д.А. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ АВТОКЛАВНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ ХАЛЬКОПИРИТА В ПРИСУТСТВИИ ИОНОВ CU (II) И FE (III) МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ, РЕДКИХ И БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ. Сборник докладов XV международной конференции имени члена-корреспондента РАН Геннадия Леонидовича Пашкова. Красноярск, 2022, Красноярск, 06–08 сентября 2022 года, С.160-167 (год публикации - 2022)

5. Дизер О.А., Каримов К.А., Кузас Е.А., Бабинцев А.А., Рогожников Д.А. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РАСТВОРЕНИЯ ТЕННАНТИТА, ХАЛЬКОПИРИТА И СФАЛЕРИТА В РАСТВОРЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ, РЕДКИХ И БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ. Сборник докладов XV международной конференции имени члена-корреспондента РАН Геннадия Леонидовича Пашкова. Красноярск, 2022, Красноярск, 06–08 сентября 2022 года, С.256-263 (год публикации - 2022)

6. Русалев Р.Э., Рогожников Д.А., Дизер О.А., Головкин Д.И., Каримов К.А. Development of a Two- Stage Hydrometallurgical Technology for Processing Gold-Antimony Concentrate from the Olimpiadinskoe Deposit Materials (год публикации - 2023)

7. Данилин Л.М.,Луговицкая Т.Н., Колмачихина Э.Б., Рогожников Д.А. Colloid-chemical properties of surfactant–nitric acid– water systems Chimica Techno Acta, 2023, vol. 10(4), No. 202310408 (год публикации - 2023)
10.15826/chimtech.2023.10.4.08

8. Шкляев Ю., Дизер О.А., Луговицкая Т.Н., Головкин Д.И., Рогожников Д.А. Kinetics of nitric acid leaching of bornite and chalcopyrite Chimica Techno Acta, 2023, vol. 10(4), No. 202310410 (год публикации - 2023)
10.15826/chimtech.2023.10.4.10

9. Луговицкая Т.Н., Рогожников Д.А. Construction of lignosulphonate-containing polymersomes and prospects for their use for elemental sulfur encapsulation Journal of Molecular Liquids, Volume 400, 15 April 2024, 124612 (год публикации - 2024)
10.1016/j.molliq.2024.124612

10. Каримов К.А., Рогожников Д.А., Фоменко И.В., Завалюев А.С., Дизер О.А. THE GYPSUM INFLUENCE ON THE FORMATION OF SECONDARY PHASES DURING AUTOCLAVE LEACHING OF GOLD-BEARING CONCENTRATES AND THE SILVER RECOVERY USING CYANIDATION Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Materials, 2024, 17(21), 5245 (год публикации - 2024)
10.3390/ma17215245

11. Луговицкая Т.Н., Данилин Л.М., Рогожников Д.А., Мамяченков С.В. Behavior of Surface-Active Substances in a Nitric Acid Medium and Prospects for Using Them in Hydrometallurgy Russian Journal of Physical Chemistry A, 2023, Vol. 97, No. 12, pp. 2822–2828. (год публикации - 2023)
10.1134/S003602442312021X

12. Каримов К.А., Дизер О.А., Третьяк М.А., Рогожников Д.А. Purification of Copper Concentrate from Arsenic under Autoclave Conditions Metals, Metals 2024, 14(2), 150 (год публикации - 2024)
10.3390/met14020150

13. Рогожников Д.А., Луговицкая Т.Н., Головкин Д.И., Данилин Л.М., Санакулов К.С., Эргашев У.А., Шарафутдинов У.З. NITRIC ACID LEACHING OF CARBONACEOUS GOLD-BEARING CONCENTRATES USING SURFACTANTS Hydrometallurgy (год публикации - 2025)

14. Шарипова У. Р., Третьяк М. А., Каримов К. А., Рогожников Д. А. ГИДРОТЕРМАЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СФАЛЕРИТА С РАСТВОРАМИ СУЛЬФАТА МЕДИ В ПРИСУТСТВИИ ЛИГНОСУЛЬФОНАТА НАТРИЯ iPolytech Journal, Том 29, № 1, С. 133-147 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.21285/1814-3520-2025-1-133-147

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Проведены исследования, направленные на окисление мышьяка до пятивалентного состояния с последующим осаждением его в виде труднорастворимых и экологически безопасных соединений. Впервые установлено, что процесс осаждения As(V) в форме арсенатов железа из сульфатных растворов, содержащих нитрат-ионы, протекает в диффузионной области, что подтверждено применением модели кинетической функции. Расчётные значения кажущейся энергии активации находятся в пределах 18,7–21,8 кДж/моль при изменении степени осаждения мышьяка с 15 до 45 %, что является характерным показателем для процессов, лимитированных диффузией. 2. В ходе экспериментов впервые определены эмпирические порядки по ионам меди (II) и pH раствора, составившие 1,9–2,1 и 0,60–0,62 соответственно. Эти значения указывают на существенное влияние как кислотности среды, так и каталитической активности меди (II) на кинетику осаждения арсенатов. Кроме того, впервые предложены обобщённые кинетические уравнения, описывающие совместный процесс осаждения мышьяка (V) в условиях присутствия нитрат-ионов. Анализ изменения кинетических параметров в зависимости от степени осаждения показал их устойчивость, что указывает на отсутствие смены режима протекания процесса во всём исследованном диапазоне условий. 3. Токсичность полученных осадков оценивалась по методике TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure). Установлено, что осадки, сформированные при атмосферном осаждении мышьяка (V) в виде арсенатов железа из сульфатных растворов с нитрат-ионами при температуре 90 °C и pH = 1,5, становятся нетоксичными только после 240 минут выдержки. 4. Получены новые данные о процессе адсорбции дицианоаурата (I) калия на активированном угле. Установлено влияние температуры и продолжительности процесса на количественные характеристики адсорбции. Рассчитаны энергетические (стандартная энтальпия адсорбции, энергия активации адсорбции) параметры процесса. 5. Для устранения эффекта прег-роббинга предложено на стадии атмосферного азотнокислотного выщелачивания использовать поверхностно-активное вещество – лигносульфонат технический. С целью установления механизма воздействия лигносульфонатов исследованы морфологические особенности кеков выщелачивания. Показано, что ЛС устраняют окклюдирующее действие расплавленной серы, образуемой в процессе атмосферного выщелачивания, и подавляют адсорбционную активность углистого вещества. Последнее позволяет увеличить степень извлечения золота до 90 %. 6. Впервые установлено, что применение ЛС интенсифицирует выщелачивание сульфидных медных минералов за счёт предотвращения пассивации их поверхности продуктами реакции. Это обеспечивает более эффективный доступ реагентов к поверхности минералов, что подтверждается повышением степени извлечения металлов. Для халькопирита выявлено снижение энергетического барьера реакции в присутствии ЛС, а также усиление зависимости скорости процесса от концентрации кислоты. Лимитирующей стадией является диффузия через слой вторичных продуктов. 7. Показано, что добавление ЛС значительно увеличивает извлечение металлов из сульфидных медных минералов, подавляя образование пассивирующих плёнок. Оптимизация параметров процесса с использованием методов математического моделирования и нейронных сетей позволила определить условия, обеспечивающие высокую степень извлечения при сокращении расхода реагентов. Выведенные кинетические уравнения демонстрируют высокую корреляцию с экспериментальными данными. 8. На основании накопленных экспериментальных данных, включая кинетические уравнения, описывающие растворение индивидуальных минералов и их смесей, а также регрессионные зависимости, впервые разработана математическая модель, основанная на архитектуре нейросети типа многослойного персептрона. Модель эффективно прогнозирует поведение сульфидных минералов — халькопирита, борнита, пирита, арсенопирита — как в индивидуальном виде, так и в составе многокомпонентных концентратов, в условиях азотнокислотного и автоклавного сернокислотного выщелачивания. Учтены вариации в составе сырья, геохимические особенности различных месторождений и использование различных интенсифицирующих добавок. Достоверность модели подтверждена высокой степенью совпадения расчётных и экспериментальных данных — 97,8 % и 98,8 % соответственно. 9. Сформирован научно обоснованный подход к проектированию новых гидрометаллургических процессов вскрытия упорного рудного и техногенного сырья цветных металлов на основе полученных кинетических данных и разработанных моделей окислительного выщелачивания, построенных с применением нейронных сетей (многослойный персептрон). Разработанная модель учитывает влияние ключевых интенсифицирующих факторов — кислотности среды, температуры, состава раствора, присутствия ионов-катализаторов, а также минерального и фазового составов перерабатываемого сырья. Это позволяет с высокой точностью предсказывать поведение как индивидуальных сульфидных минералов (халькопирита, пирита, арсенопирита и др.), так и их многокомпонентных смесей в условиях азотнокислотного и автоклавного сернокислотного выщелачивания. https://rscf.ru/news/presidential-program/zoloto-iz-otkhodov-rossiyskie-uchenye-sozdali-novuyu-tekhnologiyu-ego-izvlecheniya/?sphrase_id=272118 https://rscf.ru/news/found/podvedenie-itogov-yubileynogo-goda-i-strategiya-razvitiya-fonda-v-tass-proshla-press-konferentsiya-r/

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в ходе реализации проекта научные результаты обладают высоким прикладным потенциалом и формируют фундаментальную и технологическую основу для разработки новых и усовершенствования существующих гидрометаллургических технологий переработки упорного золото-, медь-, сурьма- и мышьяксодержащего сырья, как природного, так и техногенного происхождения. Разработанные модели растворения сульфидных минералов, включая халькопирит, арсенопирит, пирит, борнит, стибнит и т.д., в условиях азотнокислотного, сульфидно-щелочного и автоклавного сернокислотного выщелачивания, позволяют точно прогнозировать поведение минеральных систем при варьировании параметров среды и адаптировать процессы под конкретный минеральный состав сырья. Разработанная математическая модель с использованием нейросетевого моделирования (многослойный персептрон) обеспечивает высокоточную прогностическую оценку эффективности вскрытия сложных рудных и концентратов, что открывает возможности для интеллектуального управления технологическими процессами в металлургии и способствует повышению уровня цифровизации отрасли. Созданы научные основы для промышленного внедрения двухстадийной технологии переработки золото-сурьмянистых концентратов, обеспечивающей сквозное извлечение золота и сурьмы свыше 95 и 99 % соответственно, а также технологии извлечения серебра при автоклавной переработке упорного Au-Ag сырья с применением гипса. Предложены эффективные условия осаждения мышьяка в виде нетоксичных и устойчивых соединений, в том числе скородита, соответствующих экологическим нормативам (TCLP), что имеет непосредственное значение для промышленной экологии, устойчивого развития и снижения техногенной нагрузки на окружающую среду. Отдельно следует отметить разработку научно обоснованных критериев подбора поверхностно-активных веществ (ПАВ) для управления прег-роббингом и пассивацией углистого вещества, препятствующего извлечению золота. Впервые установлены молекулярные и фазовые механизмы адсорбции, инкапсуляции и взаимодействия ПАВ с компонентами сырья, что может быть использовано для создания новых реагентов и реагентных схем в отечественной промышленности. Таким образом, результаты проекта формируют научно-технологические заделы, способствующие развитию отечественных технологий глубокой переработки упорного сырья цветных и благородных металлов, в том числе вовлечению в переработку ранее неперерабатываемых или экономически нецелесообразных объектов. Это позволит повысить степень комплексного извлечения ценных компонентов, снизить объемы отходов, обеспечить экологическую безопасность, создать новые конкурентоспособные продукты и технологические решения, а также содействовать импортозамещению в области реагентов и технологий. Реализация разработанных подходов и технологий в промышленности будет способствовать развитию новых производств, модернизации существующих перерабатывающих мощностей, росту экономической эффективности предприятий горно-металлургического комплекса, созданию высокотехнологичных рабочих мест, развитию научно-образовательной среды и повышению технологического суверенитета Российской Федерации.