Bản dịch tóm tắt quyển "Chemistry of Gold Extraction (2009)" (Hóa Học Chiết Xuất Vàng)

Tài liệu "Chemistry of Gold Extraction (2009)" gồm 682 trang là một nguồn tài liệu toàn diện về các phương pháp và nguyên tắc hóa học liên quan đến việc chiết tách vàng. Cuốn sách khám phá lịch sử của ngành khai thác vàng, đặc biệt nhấn mạnh đến quy trình xyanua hóa và sự phát triển của nó. Các chủ đề chính bao gồm xử lý chất thải – như khí, chất rắn và chất lỏng – cùng với các phương pháp phục hồi hóa chất và kim loại để giảm thiểu tác động môi trường. Nó cũng đi sâu vào các nguyên tắc thủy luyện kim cơ bản, các kỹ thuật tiền xử lý oxy hóa cho quặng khó xử lý, và các phương pháp tinh chế vàng sau khi chiết tách, mang đến cái nhìn sâu sắc về cả lý thuyết hóa học và các ứng dụng công nghiệp thực tế.
Chiết xuất vàng là quá trình có hệ thống nhằm phát triển con đường tối ưu để thu hồi kim loại từ vật liệu đầu vào cụ thể, sử dụng công nghệ phù hợp nhất. Mục tiêu chính của quy trình này là tối ưu hóa kinh tế dự án, chủ yếu dựa trên tỷ lệ thu hồi vàng, tốc độ xử lý và chi phí (vốn và vận hành).

Quá trình chiết xuất vàng đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển lịch sử quan trọng:

Thời kỳ tiền cyanua (Trước năm 1888): Lịch sử ban đầu của chiết xuất vàng bao gồm các phương pháp luyện kim nước và luyện kim nhiệt sơ khai.

Kỷ nguyên cyanua (1889–1971):

Phát minh cyanua được cấp bằng sáng chế vào năm 1887 bởi John MacArthur và anh em Forrest.

Việc sử dụng than hoạt tính được giới thiệu để thu hồi vàng.

Đến năm 1946, 53 nhà máy lớn trên Witwatersrand đã áp dụng phương pháp lọc bùn hoàn toàn (all-sliming) và rửa trôi bằng dung dịch cyanua trong các bể khuấy bằng không khí.

Các phương pháp thu hồi ban đầu bao gồm xi măng hóa bằng vụn kẽm (quá trình MacArthur) và tế bào điện phân (quá trình Siemens–Halske và Tainton). Quá trình xi măng hóa bằng kẽm được cải thiện nhờ việc sử dụng bột kẽm, khử khí, và thêm muối chì hòa tan.

Quá trình cyanua hóa vẫn là cơ sở cho nhiều nhà máy vàng hiện đang hoạt động và chỉ thay đổi đáng kể sau khi giới thiệu quy trình carbon-in-pulp (CIP) vào khoảng năm 1980

Kỷ nguyên phát triển công nghệ lớn (1972–2000):

Cách mạng CIP bắt đầu vào những năm 1980, với hoạt động thành công của mỏ vàng Lead của Homestake vào năm 1973 là tiền đề.

Rửa trôi đống quặng (heap leaching) cũng phát triển trong giai đoạn này.

Các công nghệ xử lý quặng khó tách (refractory ores) được phát triển mạnh mẽ.

Quá trình ôxy hóa sinh học để xử lý quặng toàn phần được khởi động tại Tonkin Springs (Hoa Kỳ) vào năm 1990. Newmont cũng đưa vào vận hành lò nung quặng toàn phần tại Carlin vào năm 1994.

Các giai đoạn chính trong quá trình chiết xuất vàng bao gồm:

Tiền xử lý ôxy hóa (Oxidative Pretreatment):

Quặng khó tách là những quặng có chứa vàng bị khóa chặt trong các khoáng vật sulfua hoặc bị hấp phụ bởi vật liệu cacbon. Để giải phóng vàng, cần phải ôxy hóa các khoáng vật sulfua này.

Các phương pháp luyện kim nước (Hydrometallurgical Methods):

Ôxy hóa áp suất thấp (tiền sục khí): Được áp dụng thương mại cho quặng khó tách ở mức độ nhẹ, sử dụng không khí hoặc ôxy sục vào bể khuấy. Ví dụ: East Driefontein (Nam Phi), Lupin (Canada).

Ôxy hóa áp suất cao trong môi trường axit: Được chứng minh là có hiệu quả thương mại cho quặng sulfua và arsenit khó tách. Tốc độ ôxy hóa thường phụ thuộc vào sự chuyển khối của ôxy đến bề mặt khoáng vật. Các ví dụ bao gồm McLaughlin, Sao Bento, Goldstrike, Lone Tree, Twin Creeks, Lihir, và Porgera. Chuẩn bị nguyên liệu (xử lý trước bằng axit để loại bỏ cacbonat) và trung hòa sản phẩm là các bước quan trọng.

Ôxy hóa áp suất cao trong môi trường không axit: Được chứng minh là có hiệu quả thương mại cho quặng sulfua và arsenit khó tách với hàm lượng lưu huỳnh thấp và cacbonat cao. Ví dụ: Mercur (Hoa Kỳ).

Ôxy hóa bằng axit nitric: Có tiềm năng mang lại động học nhanh nhất trong các phương pháp ôxy hóa luyện kim nước. Mặc dù đã được sử dụng thành công cho các tinh quặng bạc, nhưng chưa được chứng minh rộng rãi cho vàng do độ phức tạp và chi phí cao.

Ôxy hóa bằng clo: Được áp dụng thương mại cho quặng cacbon và quặng telua sulfua có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Clo cũng có khả năng khử hoạt tính vật liệu cacbon và ôxy hóa sulfua. Các ví dụ: Carlin và Jerritt Canyon.

Ôxy hóa sinh học: Được chứng minh thương mại cho tinh quặng tuyển nổi, đặc biệt là quặng arsenit và sulfua khó tách. Quá trình này thân thiện với môi trường hơn. Các vi khuẩn như Thiobacillus ferro-oxidans đóng vai trò xúc tác trong quá trình ôxy hóa sulfua. Nhiệt độ tối ưu cho vi khuẩn Thiobacillus là 35°C đến 37°C. Đã có các ứng dụng ôxy hóa sinh học trên đống quặng tại Carlin của Newmont.

Các phương pháp luyện kim nhiệt (Pyrometallurgical Methods - Rang luyện):

Rang luyện: Là phương pháp đã được chứng minh kỹ lưỡng trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, các quy định ngày càng nghiêm ngặt về kiểm soát khí thải đã làm tăng độ phức tạp và chi phí của quá trình này.

Trong quá trình rang luyện, vàng có thể di chuyển và kết tụ một phần. Các sản phẩm rang luyện (calcine) chủ yếu là hematit và có độ xốp cao, điều này quan trọng cho các quá trình xử lý tiếp theo.

Lò nung bao gồm nhiều loại như lò tầng nhiều bậc (multiple hearth), lò tầng sôi (fluidized bed) và lò tầng sôi tuần hoàn (circulating fluidized bed).

Sự thải khí lò nung (chứa SO2, As, Sb, Hg) là một vấn đề môi trường quan trọng cần được xử lý.

Rửa trôi (Leaching):

Cyanua hóa: Là phương pháp rửa trôi phổ biến nhất.

Hóa học: Các ion cyanua thủy phân tạo thành hydro cyanua (HCN), một axit yếu có thể bay hơi dễ dàng dưới pH 10. Cyanua tạo phức với nhiều kim loại, đặc biệt là các kim loại chuyển tiếp, có độ ổn định và độ hòa tan khác nhau.

Hòa tan vàng: Quá trình hòa tan vàng là một quá trình điện hóa. Ôxy là chất ôxy hóa cần thiết.

Động học phản ứng: Bị ảnh hưởng bởi nồng độ ôxy và cyanua, ion chì (có lợi), nhiệt độ, kích thước hạt, và sự hiện diện của các khoáng vật khác.

Ảnh hưởng của các khoáng vật khác: Các khoáng vật sulfua, đồng, sắt, kẽm, antimon, lưu huỳnh, telua, và vật liệu cacbon đều có thể ảnh hưởng đến quá trình rửa trôi cyanua.

Các phương pháp ứng dụng: Rửa trôi khuấy trộn (agitated leaching) và rửa trôi đống quặng (heap leaching).

Thiosunfat (Thiosulfate): Được đề xuất như một giải pháp thay thế cyanua do lo ngại về môi trường. Hệ thống thiosunfat cần chất ôxy hóa (như Cu(II) hoặc Fe(III)) và chất ổn định. Tuy nhiên, vẫn còn thách thức về tiêu thụ thuốc thử cao.

Thiourea: Vàng hòa tan trong dung dịch thiourea axit. Cần các chất ôxy hóa mạnh như ion sắt (III). Thiourea dễ bị ôxy hóa và tiêu thụ nhiều.

Thiocyanate: Vàng hòa tan trong dung dịch thiocyanate axit. Sắt (III) là chất ôxy hóa phù hợp nhất.

Ammonia: Được sử dụng để ổn định đồng trong dung dịch cyanua khi xử lý quặng đồng-vàng, giảm tác động tiêu cực của đồng đến quá trình hòa tan vàng.

Các chất rửa trôi khác: Bao gồm các halogen (Cl2, Br2, I2).

Làm sạch và cô đặc dung dịch (Solution Purification and Concentration):

Hấp phụ bằng than (Carbon Adsorption): Than hoạt tính hấp phụ các phức cyanua vàng. Hiệu suất hấp phụ vàng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố vật lý và hóa học như nồng độ cyanua tự do (giảm hiệu suất), nồng độ các kim loại khác (đồng cạnh tranh mạnh mẽ), pH, ôxy hòa tan, và sự nhiễm bẩn than (carbon fouling). Quá trình giải hấp (elution) vàng từ than có thể thực hiện bằng các phương pháp như Zadra, AARL, hoặc có hỗ trợ dung môi.

Nhựa trao đổi ion (Ion Exchange Resins): Là một lựa chọn thay thế cho than hoạt tính. Các loại nhựa khác nhau có khả năng hấp phụ phức cyanua vàng. Quá trình giải hấp từ nhựa cũng đã được phát triển.

Chiết dung môi (Solvent Extraction): Ít phổ biến hơn do các vấn đề như hình thành lớp bùn (crud layer) và mất dung môi.

Thu hồi vàng (Recovery):

Kết tủa kẽm (Zinc Precipitation - Quá trình Merrill–Crowe): Là phương pháp được sử dụng rộng rãi. Vàng được khử và kết tủa trên bề mặt kẽm. Tốc độ kết tủa bị ảnh hưởng bởi nồng độ vàng, cyanua, kẽm, nhiệt độ, ôxy hòa tan và sự hiện diện của các ion kim loại khác (chì và đồng có lợi, sulfua, antimon và asen có hại). Dung dịch cần được khử khí trước khi kết tủa.

Luyện điện (Electrowinning): Vàng được kết tủa lên các cực âm (cathode). Động học của quá trình này bị ảnh hưởng bởi mật độ dòng điện, điện áp, nhiệt độ, độ trong của dung dịch và sự hiện diện của các kim loại khác (đồng có lợi).

Xử lý chất thải (Effluent Treatment):

Là một lĩnh vực ngày càng quan trọng do áp lực môi trường gia tăng, đặc biệt sau khi công bố Bộ Quy tắc Quản lý Cyanua Quốc tế (International Cyanide Management Code) năm 2002.

Các loại chất thải bao gồm khí (SO2, NOx, As, Sb, Hg từ các quá trình luyện kim nhiệt), chất rắn (nước thải axit mỏ, cyanua còn lại từ đống quặng), và chất lỏng (cyanua và các kim loại hòa tan).

Nguy cơ đối với động vật hoang dã là một vấn đề được công nhận, chủ yếu do các loài cyanua độc hại.

Các phương pháp xử lý bao gồm thu hồi thuốc thử và kim loại (tái chế trực tiếp, AVR, trao đổi ion, than hoạt tính, xử lý điện phân, kết tủa sulfua).

Khử độc (Detoxification): Có thể đạt được bằng cách pha loãng, loại bỏ hoặc chuyển đổi các loài độc hại thành dạng ít độc hơn. Các phương pháp bao gồm suy thoái tự nhiên (bay hơi, ôxy hóa, hấp phụ, thủy phân, phân hủy sinh học, kết tủa), tạo phức sắt, ôxy hóa bằng hydrogen peroxide, ôxy hóa hỗ trợ SO2, clo hóa, ôxy hóa sinh học, ozon, và siêu âm. Kết tủa kim loại cũng là một phương pháp quan trọng để loại bỏ kim loại độc hại.

Các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn quy trình: Việc lựa chọn quy trình tối ưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm khoáng vật học của quặng (thành phần, tính chất cấu trúc, độ biến thiên), các yếu tố luyện kim (kết quả thử nghiệm, kinh nghiệm vận hành), yếu tố môi trường (luật pháp, quy định), và yếu tố địa lý (vị trí, nguồn lực). Chi phí vốn và chi phí vận hành cũng là những yếu tố quyết định.

Các loại khoáng vật vàng: Vàng có thể tồn tại dưới dạng vàng tự sinh (native gold), electrum (hợp kim vàng-bạc), hoặc trong các khoáng vật telua (như Calaverite, Krennerite). Ngoài ra, vàng còn có thể liên kết với bismuth trong khoáng vật maldonite, hoặc nằm ẩn trong các khoáng vật sulfua như pyrit và arsenopyrit (vàng "vô hình").
Linkfulldownload: https://drive.google.com/file/d/1M1kcNOqBcT08cvoSWxH4XsWr62yOmx3s/view?usp=sharing