Гидрометаллургическое получение цинка

Когда говорят про гидрометаллургическое получение цинка, многие сразу представляют стандартную цепочку: выщелачивание — очистка раствора — электролиз. Но на практике, особенно при переходе от лабораторных данных к промышленному масштабу, начинаются нюансы, которые в учебниках часто опускают. Например, поведение примесей в реальной пульпе, а не в чистом растворе, или колебания температуры в огромных реакторах выщелачивания, которые влияют на кинетику нелинейно. Собственно, основная сложность — это не сама схема, а её стабильность и управляемость в условиях переменного сырья.

От сырья до пульпы: где кроются первые потери

Начну с сырья. Часто обсуждают состав концентратов, но реже — их физическую форму. Гранулометрический состав — это не просто ?тонкость помола?. Если перемолоти, увеличивается поверхность, да, но потом могут быть проблемы с фильтрацией и промывкой осадка. А если недомолоти, то выход по цинку падает, потому что ядро частицы не успевает прореагировать. Приходилось видеть, как на одной фабрике долго боролись с низким извлечением, пока не настроили классификацию возвратных песков перед повторным выщелачиванием. Это кажется мелочью, но на сотнях тонн в сутки — огромные цифры.

Само выщелачивание. Казалось бы, отработанный процесс. Но вот момент: кислотность. Если вести процесс с избытком серной кислоты для максимального извлечения, потом на стадии нейтрализации гипса образуется больше, и он начинает ?зарастать? на теплообменниках. А если экономить кислоту, рискуешь недовыщелочить. Баланс здесь — это постоянный контроль и подстройка, а не фиксированная уставка. Иногда операторы, гонясь за высоким текущим извлечением, задирали кислотность, а потом целый участок очистки растворов не справлялся с железом и кремнием.

И ещё про железо. Его окисление и осаждение в виде гидроксида или ярозита — критически важный этап. Но если в растворе остаётся слишком много хлоридов (а они часто приходят с концентратом или оборотной водой), начинается усиленная коррозия оборудования, особенно нержавеющей стали на участке горячего выщелачивания. Приходилось заменять целые секции теплообменников раньше срока. Поэтому сейчас многие проекты сразу закладывают стадию удаления хлоридов, хоть это и удорожает схему.

Очистка растворов: искусство селективности

После выщелачивания получается грязный раствор. Стадия очистки — это, пожалуй, самое ?алхимическое? место в гидрометаллургии цинка. Цинковый кек должен быть чистым, иначе на катоде вместо металла получится губка с примесями. Классика — цементация цинковой пылью. Но тут есть тонкость: чтобы эффективно осадить, скажем, кадмий, медь или кобальт, нужно строго контролировать редокс-потенциал и pH. Иногда для активации осаждения кобальта добавляют сульфид натрия или ?жёлтую кровяную соль? (гексацианоферрат). Но если переборщить, можно потерять и часть цинка в осадок.

На одной из стажировок наблюдал проблему с повторным растворением никеля. После цементации раствор шёл на фильтрацию, но из-за падения температуры и лёгкого окисления никель частично возвращался в раствор. На электролизе это сразу сказывалось на качестве катодного осадка. Решили установкой дополнительного контрольно-корректирующего цикла с небольшим дозированием цинковой пыли прямо перед подачей в цех электролиза. Не идеально, но стабилизировало процесс.

Фильтрация очищенных растворов — тоже не тривиальная задача. Использование кека в качестве фильтрующего слоя (body feed) на фильтрах-прессах или барабанных вакуум-фильтрах требует опыта. Если слой сформирован плохо, прозрачность фильтрата падает, и твёрдые частицы попадают в электролизные ванны. Это приводит к механическому загрязнению катодов и росту расхода электроэнергии. Часто эту операцию доверяют самым опытным операторам, которые ?на глаз? чувствуют консистенцию пульпы.

Электролиз: где съедается большая часть энергии

Цех электролиза — сердце завода. Основной потребитель электроэнергии. Здесь всё упирается в чистоту раствора, температуру и плотность тока. Но есть и менее очевидные факторы. Например, материал катодных пластин. Алюминий — стандарт, но его чистота и структура поверхности влияют на лёгкость отслаивания цинка. Шероховатая поверхность приводит к ?прикипанию?, и при съёме листа можно его порвать. А это уже брак.

Состав и добавки в электролит. Обычно добавляют животный клей или другие органические вещества для сглаживания осаждения и предотвращения образования дендритов. Но их разложение со временем приводит к накоплению органики в растворе, что может, наоборот, ухудшить качество катодного металла. Поэтому нужна периодическая очистка электролита активированным углём. Периодичность этой операции часто определяется опытным путём — по внешнему виду катодов и по напряжению на ячейке.

Распределение тока по ячейкам. В теории все ванны соединены последовательно, ток одинаков. Но из-за разного сопротивления контактов, неидеальной геометрии шин, реальная плотность тока на разных катодах в одной ванне может плавать. Это приводит к неравномерной толщине осадка. В современных проектах, например, тех, что реализует компания ZHONGJI SUNWARD, стараются закладывать интеллектуальные системы мониторинга напряжения на каждой ячейке для оперативной корректировки. На их сайте https://www.zjsunward.ru можно увидеть, как они акцентируют интеграцию проектирования процессов и изготовления оборудования, что для такого энергоёмкого этапа, как электролиз, критически важно — плохо спроектированная система шин или охлаждения съест всю прибыль.

Оборотные материалы и отходы: замкнутый цикл не всегда возможен

В идеале гидрометаллургия стремится к нулевым отходам. Но реальность сложнее. Возьмём гипс (CaSO4). Его образуется много на стадии нейтрализации. Если в сырье мало примесей, его можно пытаться использовать в строительстве. Но часто в нём накапливаются тяжёлые металлы или радионуклиды, что делает его опасным отходом. Захоронение такого гипса — отдельная статья расходов. Некоторые технологии пытаются переводить его в более стабильную форму, например, в барит, но это дополнительные реагенты и энергия.

Оборотная кислота и вода. Всё стремятся вернуть в цикл. Но с водой возвращаются и хлориды, фториды, которые, как я уже говорил, вызывают коррозию. Приходится организовывать продувку части оборотных потоков и их отдельную очистку. Это сложный баланс между свежей водой, сточными водами и внутренним циклом. На проектах ?под ключ? от ZHONGJI SUNWARD (как указано в их описании — они предлагают полный спектр решений от проектирования до реализации) этот момент обычно глубоко прорабатывается на стадии технологического аудита, потому что ошибка здесь может привести к хроническим проблемам на всём производстве.

Цинковый кек от очистки — это, по сути, концентрат ценных металлов: кадмий, медь, иногда индий, галлий. Его переработка — это уже отдельное гидрометаллургическое производство. Но часто его просто продают сторонним переработчикам, потому что организация собственного цеха извлечения редких металлов требует серьёзных капиталовложений и компетенций. Хотя с точки зрения экономики это может быть выгодно.

Мысли о будущем процесса и роль комплексных подрядчиков

Куда движется технология? Видится несколько точек роста. Во-первых, автоматизация и предиктивная аналитика. Не просто сбор данных, а моделирование, которое позволит предсказывать, как изменение состава сырья сегодня повлияет на качество катодного цинка через трое суток. Во-вторых, поиск более селективных и дешёвых реагентов для очистки, возможно, на основе ионообменных смол или мембранной фильтрации.

В-третьих, энергоэффективность электролиза. Исследуются новые композиционные анодные материалы, которые снижают выделение кислорода и перенапряжение. Но любое новшество должно быть проверено в длительном промышленном цикле. Именно здесь важна роль компаний, которые могут провести пилотные испытания и масштабировать технологию. Как раз компетенция ZHONGJI SUNWARD, которая опирается на опыт Чаншаского института и собственные производственные платформы, позволяет закрыть этот цикл — от лабораторной идеи до работающего цеха.

В итоге, гидрометаллургическое получение цинка — это не застывшая догма, а живой технологический комплекс. Его эффективность определяется не только соблюдением регламентов, но и способностью инженеров и операторов понимать взаимосвязи всех стадий, вовремя замечать отклонения и находить нестандартные решения для конкретного сырья и условий. И успех проекта часто зависит от того, насколько глубоко подрядчик, берущийся за его реализацию, погружён в эти технологические тонкости, а не просто поставляет стандартное оборудование по чертежам.