Migliorare il recupero dei metalli preziosi attraverso processi avanzati di clorurazione umida

Innovazioni avanzate e sostenibili nel recupero dei metalli preziosi

I fanghi anodici di rame contengono una notevole ricchezza di oro e argento, ma recuperarli tramite clorurazione umida richiede un difficile equilibrio tra precisione chimica e rigore ambientale. È stato sviluppato un processo completamente idrometallurgico per recuperare oro, argento, metalli del gruppo del platino e altri sottoprodotti da questi residui dell'elettroaffinazione del rame.

Questo articolo presenta sviluppi sostenibili nel trattamento dei fanghi, concentrandosi in particolare sull'ottimizzazione della lisciviazione di metalli preziosi e selenio. Grazie al monitoraggio continuo in linea del potenziale di ossido-riduzione (ORP), le operazioni possono determinare con precisione il punto finale della reazione di lisciviazione. Questa precisione si traduce in una significativa riduzione dei costosi reagenti, in maggiori rese e in un miglioramento dell'efficienza complessiva.

Figura 1: Diagramma di flusso dei materiali del trattamento delle fanghi nell'impianto dei metalli preziosi; Clorurazione umida del minerale

Recupero strategico delle risorse e metallurgia sostenibile

Lo sviluppo sostenibile è diventato una componente integrante della moderna lavorazione dei minerali. Per rimanere competitive, le imprese minerarie devono concentrarsi sul massimizzare il recupero delle risorse e sull'adozione di progressi tecnologici che migliorino la redditività, la sicurezza e l'efficienza operativa. Un'area chiave per tale miglioramento è il trattamento dei fanghi anodici di rame, il materiale insolubile rilasciato durante l'elettroaffinazione. Questi fanghi sono una miscela complessa di rame, oro, argento, selenio, tellurio e metalli del gruppo del platino. I metodi tradizionali di recupero stanno lasciando il posto a percorsi idrometallurgici avanzati, come la clorurazione umida, che offrono un'alternativa più sicura e più precisa al gas cloro elementare.

Questo articolo descrive la chimica del processo e le innovazioni tecniche, sviluppate dal dott. Shijie Wang presso la raffineria di rame Rio Tinto Kennecott, che consentono un'operazione di lisciviazione dell'oro più snella e produttiva.

Figura 1: Diagramma di flusso dei materiali del trattamento delle fanghi nell'impianto dei metalli preziosi

Principi della idrometallurgia sostenibile

La moderna lavorazione dei minerali è definita dalla ricerca del «recupero totale delle risorse». Oltre alla produzione primaria di rame, la capacità di isolare in modo efficiente elementi di alto valore come oro e selenio determina la redditività a lungo termine e l'impronta ambientale di una raffineria. Lo sviluppo sostenibile in questo contesto si concentra su:

Massimizzare il valore delle risorse

Recupero di PGM in tracce e selenio che in precedenza andavano persi nei residui.

Efficienza operativa

Eliminare colli di bottiglia come la formazione di schiuma nei serbatoi e la sovraclorurazione.

Sicurezza e gestione responsabile

Utilizzo di alternative ossidanti più sicure e riduzione degli effluenti chimici.

Il flusso di processo dei fanghi anodici

Nel processo di elettroaffinazione, materiali insolubili—fanghi—si accumulano sul fondo delle celle. Questi fanghi contengono concentrazioni variabili di Au, Ag, Se, Te, Pb e PGM. Un circuito moderno e ottimizzato di recupero segue tipicamente queste fasi:

Addensamento e filtrazione

I fanghi vengono raccolti come sospensione, addensati e filtrati per recuperare l'elettrolita.

Decopperizzazione

I fanghi vengono lisciviati con acido solforico e ossigeno in autoclave per rimuovere il rame.

Clorurazione a umido

La fase principale in cui oro e selenio vengono solubilizzati.

Estrazione con solvente

L'oro viene isolato usando estrattanti organici (ad es. dibutil carbitolo) e successivamente ridotto.

Trattamento del residuo

Lisciviazione finale con ammoniaca acquosa o carbonato di sodio per recuperare piombo e argento.

La clorurazione a umido è preferita per fanghi con elevati rapporti oro/argento. Questo processo utilizza l'aggiunta dosata di perossido di idrogeno (H₂O) in una sospensione agitata di fanghi in acido cloridrico (HCl).

Il ambiente di reazione ossida e solubilizza l’oro e il selenio, convertendo i solfati di piombo in cloruri. Tuttavia, reazioni secondarie possono portare alla decomposizione catalitica dei reagenti se non vengono monitorate attentamente. Le principali reazioni chimiche includono:

Conversione del solfato di piombo in cloruro di piombo: PbSO₄ + 2HCl → PbCl₂ + H₂SO₄

Ossidazione e solubilizzazione del seleniuro d’argento: Ag₂Se + 2HCl + 3H₂O₂ → H₂SeO₃ + 2AgCl + 3H₂O

Clorurazione dell’oro metallico: 2Au + 8HCl + 3H₂O₂ → 2HAuCl₄ + 6H₂O

Generazione di cloro da perossido di idrogeno e acido cloridrico: 2HCl + H₂O2 → Cl2 + 2H₂O

Decomposizione del perossido di idrogeno in ossigeno e acqua: H₂O₂ → ½ O₂ + H₂O

Per prevenire colli di bottiglia operativi come la rapida formazione di schiuma (spesso causata dall’evoluzione di ossigeno nella reazione 5) e per ridurre al minimo la generazione di gas cloro, il dosaggio dei reagenti deve essere controllato con attenzione in base ai dati in tempo reale.

Figura 2: Diagramma di controllo del processo di clorurazione umida

La fase di clorurazione umida è il principale fattore di creazione di valore dell’impianto per i metalli preziosi. Poiché la reazione è fortemente esotermica e soggetta a una rapida evoluzione di gas, il campionamento manuale non è sufficiente per mantenere sicurezza ed efficienza. È necessario un controllo preciso per prevenire due estremi: sotto-lisciviazione, che lascia l’oro di alto valore nel residuo solido, e sovraclorurazione, che comporta costi eccessivi dei reagenti e la generazione di pericoloso gas cloro.

Il monitoraggio dell’ORP fornisce un indicatore continuo e in tempo reale dello stato ossidativo della soluzione. In un ambiente di clorurazione, la "forza ossidante" è direttamente correlata alla concentrazione di ossidanti disciolti e al progresso della dissoluzione del metallo.

La misurazione viene effettuata mediante un sensore combinato pH/ORP. Mentre l’elettrodo in vetro del pH monitora l’acidità, l’elettrodo di misura in platino (Pt) funge da donatore o accettore di elettroni.

In un ambiente ossidante, la soluzione "attira" elettroni dal platino, creando un potenziale positivo in millivolt (mV).

In un ambiente riducente, la soluzione "spinge" elettroni verso il platino, creando un potenziale negativo.

Questa differenza di tensione rispetto a un elettrodo di riferimento stabile fornisce i dati granulari necessari per automatizzare l’alimentazione di H₂O₂. Man mano che l’oro viene solubilizzato, la lettura in mV cambia in modo prevedibile, consentendo un "impronta digitale" digitalizzata del ciclo di lisciviazione.

Le condizioni all'interno di un serbatoio di clorazione a umido sono notoriamente ostili alla strumentazione sensibile. Le elevate concentrazioni di acido cloridrico, i solidi sospesi abrasivi e la tendenza dei cloruri di piombo a formare incrostazioni possono rapidamente causare il fouling del sensore o l'avvelenamento della giunzione di riferimento. Per garantire un'affidabilità di misura 24/7 senza un intervento manuale costante, gli impianti moderni utilizzano sistemi automatizzati di manutenzione dei sensori:

Alloggiamento retrattile

Questi assiemi pneumatici consentono di estrarre il sensore dal flusso di processo pressurizzato senza interrompere il ciclo di lisciviazione.

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Pulizia integrata

Una volta retratto in una camera di lavaggio, il sensore viene lavato con acqua o agenti detergenti per rimuovere incrostazioni minerali e biofouling.

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Elettroliti polimerici solidi

A differenza dei sensori tradizionali riempiti di liquido, gli elettroliti solidi resistono all'ingresso di sostanze chimiche di processo, impedendo il "avvelenamento" del sistema di riferimento.

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Il diagramma nella Figura 4 mostra l'integrazione del sistema di pulizia EasyClean™ nel punto di misura. Nella Figura 5 è mostrata una registrazione in tempo reale delle misurazioni ORP in funzione del dosaggio di H₂O₂.

Figura 4: Illustrazione del sistema di misura ORP

L'obiettivo finale del monitoraggio in linea è identificare il punto finale cinetico della reazione. Man mano che viene aggiunto H₂O₂, il valore ORP aumenta. Un plateau nella curva mV—osservato tipicamente a o sopra 700mV—indica che l'oro è stato completamente complessato in HAuCl_4.

Seguendo questa curva in tempo reale, gli operatori possono passare immediatamente alla fase "Ending Check" al completamento.

Questo approccio basato sui dati elimina il "margine di sicurezza" del sovradosaggio di sostanze chimiche, riducendo in modo significativo la spesa per i reagenti e garantendo al contempo che le perdite di oro nel raffinato siano mantenute al minimo assoluto.

Figura 5: misura ORP in linea

Il passaggio dai metodi tradizionali e manuali di lisciviazione al recupero automatizzato, completamente idrometallurgico, rappresenta un significativo cambiamento evolutivo nelle raffinerie. Il recupero dei metalli preziosi dai fanghi anodici di rame non è più una questione di aggiunta chimica a "forza bruta", ma una disciplina di controllo di precisione.

Integrando tecnologie avanzate—in particolare il monitoraggio ORP intelligente in linea e la manutenzione automatizzata dei sensori—le raffinerie possono superare le sfide intrinseche degli ambienti di processo aggressivi.

La capacità di individuare in tempo reale il punto finale cinetico della reazione di lisciviazione dell'oro offre un triplice vantaggio:

Economico	Operativo	Ambientale
Rese massimizzate di oro, argento e PGM con una significativa riduzione del consumo di reagenti costosi come H₂O₂ e HCl.	L'eliminazione dei colli di bottiglia di processo, come la formazione di schiuma nei serbatoi e i ritardi del campionamento manuale, attraverso logiche digitalizzate e diagnostica predittiva.	Maggiore sicurezza grazie all'uso di ossidanti liquidi e a una minore impronta chimica, in linea con i quadri globali di sostenibilità.

In definitiva, il passaggio verso una idrometallurgia basata sui dati garantisce che le raffinerie rimangano competitive in un contesto di prezzi delle materie prime fluttuanti e normative sempre più restrittive. Attraverso l'adozione di questi sistemi intelligenti di sensori, il "Recupero totale delle risorse" passa da obiettivo concettuale a realtà operativa, assicurando un futuro sostenibile e redditizio per la produzione di metalli preziosi.

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