Гидрометаллургийн тухай ерөнхий ойлголт

Сүүлийн үед дан ганц механик аргаар боловсруулахад хүндрэлтэй хүдрийг баяжуулах, баяжмал ба завсрын бүтээгдэхүүнийг гүйцээн боловсруулахад технологийн хосолсон схемийг хэрэглэх болсон. Үүний нэг нь гидрометаллургийн процессыг баяжуулалтын механик операциудтай өхамтатгах юмуу эсвэл дангаар нь хэрэглэх явдал юм. Гидрометаллургийн арга нь ерөнхийдөө уусгах арга юм. Гидрометаллургийн процесс явагдах зарчим нь металлуудыг тэдгээрийн хүдэр, баяжмал, үйлдвэрлэлийн завсрын бүтээгдэхүүн, хаягдал зэргээс химийн урвалжийн усан уусмалаар уусган уусмал байдалд шилжүүлэн тухайн металлыг сонгомлоор ялган авахад үндэслэгдэнэ. Гидрометаллургийн процессыг ерөнхийд нь үндсэн ба туслах гэж хоёр ангилдаг. Үндсэн процесс нь эрдсүүд дэх үнэт бүрэлдэхүүнийг уусгагч урвалжийн тусламжтайгаар уусмал байдалд шилжүүлэх уусгалтын процесс юм. Туслах процесст цементаци (металлаар ангижруулах), экстракци, ион солилцоо, электролиз, цахилгаан цэвэршүүлэлт гэх мэт процессууд ордог. Өөрөөр хэлбэл уусмал дахь тухайн элементийн агуулгыг нэмэгдүүлэх, цэвэр металл болон түүний нэгдлүүдийг ялган авах процесс юм.

Гидрометаллургийн процессын онолын үндэс

Эрдсүүдийн термодинамик тогтворшил болон тэдгээрийн урвалжтай харилцан үйлчлэх урвалын термодинамик шинж чанараар уусгалтын процесс нь тодорхойлогддог. Эрдсийн химийн тогтворшил нь кристалл орон торын энергийн утгаар тодорхойлогдоно. Энэ нь дараах нөхцөлөөс хамаардаг. Үүнд: - кристалл орон торын төрөл - кристалл орон торын найрлаганд агуулагдах атом, молекулын ионы хэмжээ - тэдгээрийн хоорондох химийн төрөл холбоо - торны бүтцийн нэгж болон элементийн исэлдлийн хэм - кристалл орон торын гажилт Кристалл бүтцүүдээс энергийн нөөц хамгийн бага агуулсан нь илүү тогтвортой байдаг. Өөрөөр хэлбэл кристалл торон дахь атомуудын холбоо хэдий чинээ нягт байна төдий чинээ тухайн бодис химийн тогтворшилт ихтэй байдаг. Эрдсүүдийн термодинамик харьцангуй тогтворшлыг Гиббсийн энергийн харьцаагаар тодорхойлдог байна

Гиббсийн энергийн товчлол:

                                ΔG298≈ΔH298
         ΔH298 –энтальпийн өөрчлөлт, (тогтмол даралт, температурт явагдаж буй химийн урвалын
                                                                               дулааны илрэл) кДж/моль
         ΔG- Гибссийн энерги, кДж/моль

Гибссийн энергийн багасалтын утга нь эрдсийн термодинамик тогтворшилтийн тухай үнэлэлт өгдөг. Гиббсийн энергийн багасалт нь хэдий өндөр байна төдий чинээ эрдсийн тогтворшилт нь өндөр байна. Мөн уусгах процесс явагдах магадлалыг Гиббсийн энергийн багасалтын утга болон химийн урвалын тэнцвэрийн урвалаар тооцон тодорхойлдог. Гиббсийн энергийн өөрчлөлтийн утга нь тухайн урвалын дүнд үүссэн нийт бүтээгдэхүүний чөлөөт энергийн нийлбэрээс анхдагч бүтээгдэхүүний чөлөөт энергийн нийлбэрийг хассантай тэнцүү байдаг.

                               ΔG=ΣΔG бүт - ΣΔGанх

Гиббсийн энергийн сөрөг утга нь тухайн урвал явагдах боломжийг илэрхийлдэг бол эерэг утга нь процесс явагдах боломжгүйг тодорхойлно. ΔG-н сөрөг утга хэдий чинээ их байна, урвал явагдах магадлал төдий чинээ их байна. Хүчил, шүлт болон давсны усан уусмалд эрдэс уусах процесс маш олон хүчин зүйлээс харилцан хамааралтай явагддаг бөгөөд химийн урвалын хурд: - температур - уусмалын концентраци - даралт - катализаторын оролцоо - харилцан үйлчлэлцэх талбай - уусч байгаа эрдсийн шинж чанар зэргээс гадна бодит нөхцөлд масс болон дулаан солилцох нөхцөлөөс зихээхэн хамаардаг. Эрдсийн уусалт явагдах үед хатуу-шингэн фазын зааг орчимд уусмал ханасан хэлбэрт шилжин урвалын кинетик буурдаг. Энэ тохиолдолд диффузлэх үзэгдлийг хурдасгах нь (хутгалтын эрчмийг нэмэгдүүлэх) хурданд шууд нөлөөлнө. Иймд урвалын хурд тухайн нөхцөлд диффузлэх хурд эсвэл эрдсийн гадаргууд явагдах урвалын хурдны аль багаар тодорхойлогдоно.

Уусгах процесс, түүний ангилал

Уусгах процесс нь гидрометаллургийн процессын үндсэн процесс юм. Уусгах процессыг ямар нөхцөлд (P, T, агаар, хутгалт, түүхий эд нь хүдэр эсвэл баяжмал гэх мэт) ямар тоног төхөөрөмжинд явагдаж байгаагаас нь хамааран дараах байдлаар ангилдаг. Үүнд:

- Газар доор буюу байранд нь уусгах. Хүдрийн биетийг тээвэрлэлгүйгээр тэслэн буталж рафинат уусмалыг өндөр даралтаар шахан өгч уусмал цугларах хэсгээс баян уусмалыг газрын гүнээс өөр хоолойгоор соруулан авах замаар уусгах процесс явагдана.

- Далангын уусгалт. Байгалийн жамаар үүссэн уулын жалга, бага хэмжээний хавцалд уурхайгаас олборлосон хүдрийг бутлан, конвейраар тээвэрлэн даланг ихэвчлэн байгуулдаг. Хэрэв уусгалтын дэвсгэр талбай хүрэлцээгүй бол даланг үе шатаар босгодог. Далангын нэг үеийн зохимжтой өндөр нь 10-15м байдаг. Зарим тохиолдолд хүдэр бутлагдаад хүчлийн боловсруулалт буюу агломерац хийгдсэний дараа далангын талбай руу тээвэрлэгдэнэ. Хүдэр дэх зэсийн агуулга овоолгын уусгалттай харьцуулахад өндөр, уусгалтын хугацаа нь хэдэн долоо хоногоос хэдэн сараар ч үргэлжлэх ба энэ нь овоолгын уусгалтаас харьцангуй богино байдаг.

- Автоклавын уусгалт. Өндөр даралт, температурын дор битүү саванд сульфидыг исэлдүүлэн уусгах процессыг автоклавын уусгалт гэнэ. Уусгалтыг хүчилтөрөгчтэй ба хүчилтөрөгчгүй орчинд, өндөр ба нам температурын гэж ангилдаг. Хүчилтөрөгчтэй үед гаднаас уурыг өндөр даралтаар өгдөг эсвэл материалыг уусгагчийн хамт буцлах температур хүртэл халааж өгдөг. Хүчилтөрөгчгүй үед (Боксит, Уран, Молибден, Вольфрам агуулсан баяжмал), содын уусмалаар уусгалтыг явуулдаг.

- Чанын уусгалт. Агаарын даралтын дор механик хутгагчтай чан дотор уусгах процессыг чанын уусгалт гэнэ. Чаны уусгалтаар маш нунтаг хүдэр, флотацийн процессын завсрын бүтээгдэхүүн болон хаягдлыг боловсруулах боломжтой бөгөөд уусгалт явагдах хугацаа харьцангуй бага, металл авалт өндөртэй уусгалтын процесс юм.

- Vat уусгалт. Vat уусгалтыг хялбар уусах, агуулга өндөртэй, нөөц багатай исэлдсэн хүдэрт явуулдаг. Хүдэр нь 1-2см-ээс бага болтол бутлагдсан байх шаардлагатай. Vat-г хийхдээ хүчиллэг уусмал үл нэвчүүлэх материалаар хучигдсан талбай дээр дөрвөлжин хана байгуулж доторх талбайд хиймэл улыг уусмал шүүх материал ба уусмал үл нэвчүүлэх суурины дунд нүх сүвэрхэг хавтангууд байрлуулж хийдэг. Vat уусгалтын баян уусмал дахь зэсийн агуулга маш өндөр, баян уусмалыг овоолго, далангын уусгалтын баян уусмалтай (зэсийн агуулгыг экстракцийн нөхцөлд тохиромжтой болтол ихэсгэх зорилгоор) хольж боловсруулдаг.

- Овоолгын уусгалт. Ил уурхайгаас олборлосон хүдрээ тодорхой хэмжээтэй болтол бутлаад конвейер-стакерын системээр тусгайлан бэлтгэсэн хүчилд тэсвэртэй полиэтилен дэвсгэр дээр овоолго байгуулж уусгахыг овоолгын уусгалт гэнэ. Өөрөөр хэлбэл овоолгын уусгалтын процесс нь дараах үе шатуудаас тогтоно. Үүнд:

1.Ил уурхайгаас олборлосон хүдрээ бутлах

2.Агломерац

3.Овоолго барих

4.Уусах процесс

Үе шат бүрийн үр дүнгээс овоолгын уусгалтын үйл ажиллагаа хамаардаг. Буталж овоолсон хүдрийг уусгаж дууссаны дараа нь зайлуулж өмнөх дэвсгэр дээр дахин шинэ овоолго засдаг аргыг on/off процесс гэнэ. Овоолгын өндрийг тухайн газар нутгийн байршил цаг уурын байдлаас хамааруулан термодинамик хүчин зүйлүүд зохистой хэмжээнд байхаар сонгодог. Овоолгын уусгалтыг хэрэглэдэг үйлдвэрүүд ихэвчлэн 6-10м өндөр, зарим тохиолдолд 2-3м өндөр овоолго байгуулж нимгэн үеэр уусгадаг.

- Эрдсийн био-уусгалт (бактерын) Эрдсийн био-уусгалт нь байгаль дээр орших бичил биет органик бус нэгдлийн исэлдэлтээр ялгарах энергээр тэжээгдэх зүй тогтолд үндэслэгдэж явагдах бөгөөд ердийн атмосферт ус агаарын нөлөөгөөр бактергүй орчинд явагдах исэлдүүлэлтээс олон дахин өндөр хурдтай явагдана. Ихэнх бичил биет нь өсч үржих энергийн эх үүсвэрээ органик устөрөгчөөс авдаг бол био-уусгалтанд ашиглагдах бичил биетүүд нь амьдралын эх үүсвэрээ органик бус нэгдлээс авдаг онцлогтой тул бусад амьд биетэнд өсч үржих үйлчлэл үзүүлэх бололцоогүй. Тэдгээрийн тэжээл нь пирит, арсенопирит, халькозин, халькопирит зэрэг металлын сульфидууд болдог. Ихэвчлэх зэсийн исэлдэлтээс үүсэх хүчиллэг орчинд, жишээ нь халуун рашаан, галт уулын бүс, сульфидээр баялаг бүс, ялангуяа төмрийн сульфидийн орчинд ихэвчлэн тааралдана.

- Бичил биетүүд. Шүүрлийн ус ба халуун рашааны усны хүчиллэг орчинд амьдарч металлын сульфидын найрлаганд байх төмөр ба хүхрийг исэлдүүлэх үйлчилгээ бүхий гетеротроф бактертай харьцангуй цөөн тооны бичил биетүүд байдаг. Эдгээр бичил биетийг ерөнхийд нь хоёр ангилдаг.

1.Хемолитоавтотроф (эрдэс гэх мэт органик бус бодисын исэлдэлтээс энергээ авдаг)

2.Автотроф (хүчилтөрөгчийн эх үүсвэр давхар шаарддаг) гэж ангилдаг. Эдгээр бичил биетүүд нь сул хүчлийн орчинд температурын 0-800С хязгаарт идэвхтэй үржиж хөгждөг ба амьдрах температураараа:

1.Мезофиль(амьдрахад ердийн температур шаарддаг)

2.Термофиль(өндөр температур шаарддаг) гэж ангилагддаг.

Мезофиль төрлийн бичил биетний амьдрах зохимжит температур нь 25-450С бөгөөд агаар ба усан орчинд сульфидын эрдсүүдийн хамт тохиолдоно. Термофиль төрлийн бичил биетүүд нь дотроо ердийн болон өндөр температурт үржиж хөгждөг (35-600С), хэт өндөр температурт хөгждөг (60-800С) гэж 2 хуваагдана.

1940-өөд оны сүүлээр төмөр исэлдүүлэх үйлчлэл бүхий хүчилд тэсвэртэй бактерыг шинжлэх ухааны үүднээс судлах эхлэл тавигдсан ба анхны бактерыг 1947 онд Колмер, Темпл, Хинкле нар нээж Thiobacillius ferrooxidans хэмээн нэрлэсэн. Био-уусгалтанд термофиль бактеруудын үүрэг нилээд өндөр байдаг. Био-уусгалтын орчин дахь пиритийн исэлдэлтийн экзотерм урвал нь овоолгын дотоод температурыг 60-800С хүргэдэг нь термофилуудыг ашиглах шаардлагыг зүй ёсоор бий болгож байна.