Bản dịch "Triết tách Au bằng phương pháp xyanua" Của James Park

1.0 Giới thiệu Tổng quan về Quy trình Cyanide

Việc phát hiện ra dung dịch cyanide kali loãng có khả năng hòa tan vàng tự nhiên là một trong những khám phá đáng chú ý nhất trong khoa học luyện kim thế kỷ 19. Sự ứng dụng thành công và rộng rãi của phát hiện này đã đánh dấu một kỷ nguyên trong lịch sử ngành khai thác vàng toàn cầu. Quy trình cyanide, còn được gọi là quy trình McArthur-Forrest, đã mở ra khả năng xử lý hiệu quả các loại quặng cấp thấp và quặng đuôi mà trước đây bị coi là không kinh tế, qua đó thay đổi căn bản ngành công nghiệp vàng.

Phạm vi Ứng dụng của Quy trình

Quy trình cyanide có thể được áp dụng thành công cho nhiều loại vật liệu chứa vàng và bạc. Các ứng dụng chính bao gồm:

• Quặng chứa vàng hạt mịn (free-milling ores): Các loại quặng mà vàng tồn tại dưới dạng các hạt mịn và dễ tiếp cận.

• Quặng đuôi và tinh quặng: Các sản phẩm còn lại từ các quy trình nghiền ướt và amalgam hóa (amalgamation) bằng tấm đồng hoặc chảo amalgam.

• Quặng chịu lửa (refractory ores): Nhiều loại quặng được gọi là "chịu lửa", đặc biệt là những loại mà vàng tồn tại ở dạng phân tán cực kỳ mịn, hoặc bị bao bọc bởi một lớp màng oxit hoặc sunfua kim loại, khiến nó không thể amalgam hóa được.

• Quặng bạc: Hầu hết các loại quặng bạc phổ biến đều có thể hòa tan trong dung dịch cyanide loãng. Các loại dễ hòa tan nhất là bạc clorua (AgCl) và bạc sunfua (Ag₂S), đây cũng là những dạng tồn tại phổ biến nhất.

Các Yếu tố Giới hạn của Quy trình

Mặc dù có phạm vi ứng dụng rộng, quy trình cyanide không phải là giải pháp toàn năng và có những giới hạn quan trọng. Hiệu quả của quy trình bị ảnh hưởng tiêu cực bởi các yếu tố sau:

• Sự tồn tại của vàng hạt thô: Quy trình không thể áp dụng thành công cho các loại quặng chứa vàng ở dạng hạt tương đối thô. Tốc độ hòa tan chậm của các hạt vàng lớn khiến việc xử lý kéo dài quá lâu để đạt hiệu quả kinh tế. Trong những trường hợp này, các phương pháp xử lý bổ sung như amalgam hóa bằng tấm đồng là cần thiết để thu hồi vàng thô trước hoặc sau khi xử lý bằng cyanide.

• Tác động của các khoáng chất gây hại: Sự hiện diện của các khoáng chất đồng (cacbonat, oxit, sunfua), antimon và bismuth, ngay cả với tỷ lệ nhỏ, cũng có thể khiến việc xử lý trở nên khó khăn hoặc bất khả thi. Các khoáng chất này phản ứng mạnh với cyanide, dẫn đến mức tiêu thụ cyanide quá mức và đồng thời làm giảm đáng kể tỷ lệ thu hồi vàng và bạc.

Do đó, hiệu quả của quy trình phụ thuộc rất nhiều vào việc kiểm soát chặt chẽ các yếu tố hóa học và vận hành, một khía cạnh sẽ được phân tích sâu hơn trong phần tiếp theo.

2.0 Phân tích các Yếu tố Hóa học và Vận hành Ảnh hưởng đến Hiệu suất

Để tối ưu hóa hiệu suất thu hồi và giảm thiểu chi phí vận hành trong nhà máy xử lý cyanide, việc nắm vững các nguyên tắc hóa học cơ bản và các yếu tố vận hành là cực kỳ quan trọng. Các phản ứng phức tạp xảy ra trong quá trình có thể dẫn đến hao hụt cyanide đáng kể và làm giảm hiệu quả hòa tan vàng nếu không được kiểm soát đúng cách.

Phản ứng hóa học cơ bản cho quá trình hòa tan vàng được Eisner đề xuất vào năm 1842 và hiện được chấp nhận rộng rãi nhất:

4Au + 8KCy + O2 + 2H2O = 4 AuKCy2 + 4KHO

Phương trình này cho thấy vai trò không thể thiếu của oxy trong quá trình hòa tan vàng. Vai trò không thể thiếu của oxy đã được Skey và đặc biệt là Maclaurin chứng minh một cách thực nghiệm, với nghiên cứu của Maclaurin cho thấy tốc độ hòa tan vàng đạt cực đại khi nồng độ dung dịch cyanide là 0.25%. Thực tế cho thấy, dung dịch yếu thường có hoạt tính cao hơn dung dịch mạnh, một phần do nồng độ oxy hòa tan giảm khi nồng độ cyanide tăng.

Phân tích các Nguyên nhân Gây hao hụt Cyanide và Giải pháp Kiểm soát

Trong thực tế, lượng cyanide tiêu thụ lớn hơn rất nhiều so với lý thuyết. Bảng dưới đây phân tích các nguyên nhân chính gây hao hụt cyanide và các giải pháp vận hành để kiểm soát chúng.

Tác động Tiêu cực của Sunfua Kiềm

Sự tồn tại của các sunfua kiềm (ví dụ K₂S) trong dung dịch cyanide, thường được tạo ra từ việc hòa tan sunfua bạc (Ag₂S), có tác động cực kỳ bất lợi. Các sunfua này làm giảm đáng kể tốc độ hòa tan vàng bằng cách phản ứng với bề mặt vàng, tạo ra một lớp màng sunfua vàng mỏng, ngăn cản sự tiếp xúc của cyanide. Các thí nghiệm của Skey đã chứng minh điều này một cách rõ ràng:

• Dung dịch cyanide 1% nguyên chất hòa tan một lượng vàng nhất định trong 10 phút.

• Dung dịch tương tự nhưng chứa chỉ 1/100.000 phần lưu huỳnh (dưới dạng sunfua) cần tới 2 giờ để hòa tan cùng một lượng vàng.

Tốc độ hòa tan đã giảm đi 12 lần. Để khắc phục vấn đề này, người ta thường thêm một muối chì hòa tan (ví dụ, chì axetat) vào dung dịch để kết tủa lưu huỳnh dưới dạng chì sunfua (PbS) không hòa tan.

Việc hiểu rõ các yếu tố hóa học và vận hành này là nền tảng để lựa chọn và tối ưu hóa các phương pháp xử lý vật liệu cụ thể, đặc biệt là các sản phẩm khó xử lý như bùn và tinh quặng.

3.0 Phân tích Chuyên sâu các Kỹ thuật Xử lý Bùn

Việc xử lý bùn (slimes) là một trong những thách thức cơ học lớn nhất trong quy trình cyanide. Bùn là các hạt vật liệu rất mịn, có xu hướng kết dính và gần như không thấm nước, khiến việc tách dung dịch chứa vàng ra khỏi khối bùn trở nên cực kỳ khó khăn, chậm chạp và không hiệu quả nếu chỉ dùng phương pháp thấm lọc thông thường. Do đó, nhiều kỹ thuật chuyên biệt đã được phát triển để giải quyết vấn đề này.

3.1 Phương pháp Gạn rửa (Decantation)

Phương pháp gạn rửa dựa trên nguyên tắc lắng và tách dung dịch trong. Đây là một trong những phương pháp sớm nhất và vẫn được áp dụng ở những nơi có nguồn nước dồi dào.

• Nguyên lý hoạt động: Quy trình "lắng tự nhiên" được áp dụng tại mỏ Crown Reef là một ví dụ điển hình. Bùn được cho vào các bể lớn, sau đó thêm sữa vôi để thúc đẩy quá trình kết tụ và lắng. Sau khi bùn lắng xuống, nước trong được gạn bỏ. Tiếp theo, dung dịch cyanide được thêm vào và khuấy trộn để hòa tan vàng. Khối bùn lại được để lắng, và dung dịch cyanide chứa vàng được gạn ra để đưa đi kết tủa. Quá trình này được lặp lại với các dung dịch rửa (washes) yếu hơn để thu hồi tối đa lượng vàng hòa tan còn sót lại.

• Bối cảnh ứng dụng: Phương pháp này phổ biến ở Nam Phi, nơi bùn thường là sản phẩm phụ có giá trị thấp. Thực tiễn tại đây bao gồm các bước: tách cát và bùn bằng máng phân loại (spitzlute), cô đặc bùn bằng hộc lắng (spitzkasten), khuấy trộn với cyanide, và gạn rửa nhiều lần. Hệ thống "rửa kép" của J.R. Williams được giới thiệu để làm giàu nồng độ vàng trong dung dịch trước khi kết tủa, giúp giảm khối lượng dung dịch cần xử lý.

• Ưu/Nhược điểm:

    ◦ Ưu điểm: Chi phí đầu tư và vận hành tương đối thấp, đơn giản về mặt cơ học.

    ◦ Nhược điểm: Tiêu thụ nhiều nước, quá trình chậm, hiệu suất thu hồi dung dịch không triệt để, và khó áp dụng với các loại bùn có giá trị cao hoặc lắng rất chậm.

3.2 Phương pháp Ép lọc (Filter-Press)

Phương pháp ép lọc là một giải pháp cơ học hiệu quả hơn, được thúc đẩy bởi các điều kiện đặc thù ở Tây Úc.

• Nguyên lý hoạt động: Bùn sau khi được khuấy trộn với dung dịch cyanide sẽ được bơm dưới áp suất cao vào các máy ép lọc. Máy ép lọc bao gồm nhiều tấm lọc xếp cạnh nhau. Dung dịch chứa vàng sẽ đi qua các lớp vải lọc và được thu lại, trong khi bã bùn rắn (bánh lọc) bị giữ lại trong các khoang của máy. Bánh lọc sau đó có thể được rửa bằng dung dịch cyanide yếu hoặc nước sạch ngay trong máy ép để thu hồi triệt để vàng.

• Bối cảnh ứng dụng: Phương pháp này trở nên bắt buộc ở Tây Úc do sự kết hợp của các yếu tố: khan hiếm nước, nước có sẵn chứa nhiều muối làm chậm quá trình lắng, và quặng có tính sét cao, tạo ra bùn có giá trị lớn. Quy trình điển hình tại Kalgoorlie bao gồm: nghiền khô, rang, tách thủy lực, khuấy trộn bùn với cyanide, và cuối cùng là ép lọc.

• Ưu/Nhược điểm:

    ◦ Ưu điểm: Hiệu suất thu hồi dung dịch rất cao, thời gian xử lý nhanh, tiết kiệm nước đáng kể.

    ◦ Nhược điểm: Chi phí đầu tư và bảo trì thiết bị cao hơn nhiều so với phương pháp gạn rửa.

3.3 Phương pháp Nghiền ướt bằng Dung dịch Cyanide

Đây là một cách tiếp cận tích hợp, trong đó quá trình nghiền và hòa tan vàng được thực hiện đồng thời, giúp đơn giản hóa quy trình tổng thể.

• Nguyên lý hoạt động: Thay vì nghiền quặng với nước, người ta sử dụng trực tiếp dung dịch cyanide loãng làm môi trường nghiền trong các máy nghiền. Bùn tạo ra từ quá trình này đã chứa một phần vàng được hòa tan, sau đó được đưa đến các công đoạn xử lý tiếp theo như khuấy trộn bổ sung và tách dung dịch.

• Bối cảnh ứng dụng: Phương pháp này đã được áp dụng thành công tại mỏ Crown ở New Zealand.

• Ưu/Nhược điểm:

    ◦ Ưu điểm: Loại bỏ chi phí sấy quặng (so với nghiền khô), tăng năng suất máy nghiền, tiết kiệm cyanide (do phản ứng diễn ra ngay khi bề mặt khoáng vật mới được tạo ra), giảm thiểu bụi và chi phí lao động.

    ◦ Nhược điểm: Đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ hơn về hóa học ngay từ giai đoạn đầu.

3.4 Phương pháp Phơi khô bằng Năng lượng Mặt trời (Sun-drying)

Đây là một giải pháp đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với các điều kiện khí hậu đặc biệt.

• Nguyên lý hoạt động: Bùn được trải ra các sân phơi lớn để khô tự nhiên dưới ánh nắng mặt trời. Sau khi khô, bùn vón cục được đập nhỏ và trộn với cát theo một tỷ lệ nhất định (ví dụ 1 phần bùn với 2 phần cát) để tạo thành một khối vật liệu đủ độ rỗng. Hỗn hợp này sau đó được đưa vào các bể chứa và xử lý bằng phương pháp thấm lọc thông thường.

• Bối cảnh ứng dụng: Được sử dụng tại mỏ Try Fluke ở Kuaotunu, New Zealand, và các vùng có khí hậu khô, nhiều nắng.

• Ưu/Nhược điểm:

    ◦ Ưu điểm: Chi phí cực kỳ thấp, không cần thiết bị phức tạp.

    ◦ Nhược điểm: Hoàn toàn phụ thuộc vào thời tiết, tốn nhiều diện tích và nhân công, chỉ phù hợp với quy mô nhỏ.

Tương tự như bùn, tinh quặng cũng là một sản phẩm trung gian có giá trị cao, đòi hỏi các chiến lược xử lý chuyên biệt để đảm bảo hiệu quả thu hồi tối đa.

4.0 Phân tích các Phương pháp Xử lý Tinh quặng

Tinh quặng, là sản phẩm của quá trình tuyển nổi hoặc tuyển trọng lực, có hàm lượng sunfua cao và chứa một lượng vàng và bạc đáng kể. Do giá trị lớn và các đặc tính hóa học riêng biệt, tinh quặng đòi hỏi các điều kiện xử lý khác biệt so với quặng đuôi thông thường để đảm bảo hiệu suất thu hồi tối đa và kiểm soát tiêu thụ cyanide.

4.1 Thấm lọc Tĩnh (Percolation)

Phương pháp này tương tự như xử lý quặng đuôi nhưng được điều chỉnh về thông số vận hành để phù hợp với đặc tính của tinh quặng.

• Mô tả Quy trình: Quy trình này được áp dụng rộng rãi tại các mỏ vàng Witwatersrand (Nam Phi). Tinh quặng được đưa vào các bể thấm lọc và cho dung dịch cyanide chảy qua. Do hàm lượng sunfua cao có thể gây ra tính axit và tiêu thụ cyanide, việc xử lý sơ bộ bằng kiềm là rất quan trọng.

• Các Yếu tố Vận hành Chính:

    ◦ Nồng độ Cyanide: Sử dụng dung dịch cyanide mạnh hơn đáng kể so với xử lý quặng đuôi, thường từ 0.4% đến 0.6%. Nồng độ cao giúp đẩy nhanh tốc độ hòa tan vàng và bạc, đặc biệt là bạc sunfua, và khắc phục tác động tiêu cực của các khoáng chất cơ bản.

    ◦ Thời gian Xử lý: Thời gian xử lý kéo dài, thường từ 12 đến 18 ngày, để đảm bảo dung dịch có đủ thời gian tiếp xúc và hòa tan hoàn toàn các kim loại quý.

• Hiệu quả Kinh tế: Tại nhà máy Crown Reef Cyanide Works, chi phí xử lý bằng phương pháp này được ghi nhận là 17s. (shillings) mỗi tấn.

4.2 Thấm lọc bằng Khuấy trộn (Agitation)

Phương pháp khuấy trộn mang lại sự tiếp xúc động và hiệu quả hơn giữa dung dịch và các hạt tinh quặng, giúp tăng tốc độ hòa tan.

• Mô tả Quy trình: Tinh quặng được trộn với dung dịch cyanide trong các bể khuấy cơ học. Cánh khuấy quay liên tục để giữ cho các hạt rắn lơ lửng trong dung dịch, tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc và thúc đẩy quá trình hòa tan. Phương pháp này được áp dụng tại mỏ Woodstock ở New Zealand.

• Các Thông số Vận hành Chính:

    ◦ Nồng độ Cyanide: Sử dụng dung dịch cyanide rất mạnh, lên tới 4%, để hòa tan nhanh chóng các kim loại quý, đặc biệt là bạc sunfua.

    ◦ Thời gian Xử lý: Thời gian khuấy trộn ngắn hơn đáng kể so với thấm lọc tĩnh, chỉ khoảng 36 giờ.

    ◦ Chất phụ gia: Bổ sung vôi (lime) để duy trì môi trường kiềm, trung hòa axit sinh ra từ quá trình oxy hóa sunfua và ngăn ngừa hao hụt cyanide.

• Hiệu quả Kinh tế: Phương pháp này cho hiệu suất thu hồi rất cao, từ 90% đến 94%, với chi phí 18s. mỗi tấn, tương đương với phương pháp thấm lọc tĩnh nhưng với thời gian xử lý ngắn hơn nhiều.

Sau khi vàng và bạc đã được hòa tan thành công từ quặng, bùn, hoặc tinh quặng vào dung dịch cyanide, bước quan trọng tiếp theo trong quy trình là thu hồi và tinh chế các kim loại quý này từ dung dịch.

5.0 Các Giai đoạn Cuối nguồn: Thu hồi và Tinh chế Vàng

Các giai đoạn kết tủa và tinh chế là những bước cuối cùng nhưng cực kỳ quan trọng, vì chúng quyết định hiệu suất thu hồi thực tế và độ tinh khiết của sản phẩm vàng thỏi cuối cùng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp ở giai đoạn này có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu quả kinh tế của toàn bộ nhà máy.

Đánh giá Quy trình Kết tủa bằng Kẽm

Phương pháp phổ biến nhất để thu hồi vàng từ dung dịch cyanide là kết tủa bằng kẽm. Nguyên tắc hóa học của quá trình này dựa trên ái lực hóa học của kẽm với cyanide mạnh hơn so với vàng.

• Nguyên tắc hóa học: Kẽm (Zn) sẽ thay thế vàng (Au) trong phức chất auro-potassic cyanide, giải phóng vàng kim loại theo phương trình: 2AuKCy2 + Zn = ZnK2Cy4 + 2 Au

• Thách thức vận hành:

    ◦ Sự giao thoa của Đồng: Nếu dung dịch chứa đồng hòa tan, đồng cũng sẽ kết tủa trên bề mặt kẽm, tạo thành một lớp màng sáng bóng làm giảm hoạt tính của kẽm và cản trở quá trình kết tủa vàng.

    ◦ Giải pháp: Để khắc phục vấn đề này, người ta thường sử dụng cặp điện hóa chì-kẽm hoặc thủy ngân-kẽm. Kẽm được "ngâm" trong dung dịch chì axetat hoặc thủy ngân cyanide để tạo một lớp phủ chì hoặc thủy ngân. Cặp điện hóa này có năng lượng điện hóa đủ để kết tủa vàng một cách hiệu quả nhưng lại giữ đồng ở lại trong dung dịch.

• Quy trình "Dọn dẹp" (Clean-up): Theo định kỳ, các hộp chứa kẽm được "dọn dẹp". Dòng dung dịch được ngưng lại, kẽm được rửa sạch để tách cặn vàng (gold slimes) bám trên bề mặt. Cặn này, một hỗn hợp bùn mịn của vàng, bạc, kẽm dư và các tạp chất khác, sau đó được thu gom để tinh chế.

So sánh các Phương pháp Tinh chế Cặn Vàng

Cặn vàng thu được từ quá trình kết tủa cần được xử lý để loại bỏ kẽm và các tạp chất khác, tạo ra vàng thỏi tinh khiết. Ba phương pháp chính được sử dụng với những ưu và nhược điểm khác nhau.

Việc lựa chọn phương pháp xử lý tối ưu ở mọi giai đoạn, từ hòa tan đến tinh chế, phụ thuộc vào sự cân nhắc cẩn thận giữa đặc tính quặng, điều kiện vận hành tại địa phương và mục tiêu kinh tế tổng thể.

6.0 Kết luận và Khuyến nghị Vận hành

Phân tích trên cho thấy quy trình cyanide là một công nghệ linh hoạt nhưng cũng đầy thách thức. Không có một phương pháp duy nhất nào là tối ưu cho mọi tình huống. Thay vào đó, việc lựa chọn và thiết kế một quy trình hiệu quả phụ thuộc vào sự hiểu biết sâu sắc về đặc tính của quặng, các điều kiện địa phương như nguồn nước và khí hậu, và các mục tiêu kinh tế cụ thể. Hiệu suất của nhà máy phụ thuộc vào việc ra quyết định vận hành chính xác ở từng giai đoạn, từ xử lý sơ bộ đến tinh chế cuối cùng.

Dựa trên các phân tích, dưới đây là một số khuyến nghị vận hành chính:

• Đối với Lựa chọn giữa Gạn rửa và Ép lọc:

    ◦ Khuyến nghị: Phương pháp ép lọc là bắt buộc trong điều kiện khan hiếm nước và khi quặng có xu hướng tạo bùn cao, giá trị lớn (như ở Tây Úc). Ngược lại, phương pháp gạn rửa có thể hiệu quả hơn về mặt chi phí đối với các loại bùn có giá trị thấp ở những nơi có đủ nước (như ở Nam Phi).

• Đối với Quặng chứa Sunfua-Telluride:

    ◦ Khuyến nghị: Rang sơ bộ quặng là một bước quan trọng để phân hủy các hợp chất telluride và sunfua trước khi xử lý bằng cyanide. Kinh nghiệm tại Kalgoorlie cho thấy việc rang "chết" (dead roast) giúp cải thiện đáng kể hiệu suất thu hồi vàng.

• Đối với Quặng chứa Đồng:

    ◦ Khuyến nghị: Nên sử dụng dung dịch cyanide loãng để tận dụng "hành động chọn lọc", giúp tối đa hóa việc hòa tan vàng trong khi giảm thiểu việc hòa tan đồng. Trong giai đoạn kết tủa, cần sử dụng cặp điện hóa chì-kẽm để ngăn chặn sự kết tủa của đồng lên bề mặt kẽm, duy trì hiệu quả thu hồi vàng.

• Về Tinh chế Cặn Vàng:

    ◦ Khuyến nghị: Các nhà máy quy mô lớn nên xem xét nghiêm túc việc áp dụng phương pháp luyện kim bằng chì của Tavener. Phương pháp này mang lại những ưu điểm vượt trội về chi phí (rẻ hơn tới 75%), tốc độ xử lý và hiệu quả thu hồi so với các phương pháp truyền thống như luyện kim trực tiếp hoặc xử lý bằng axit.

• Tầm quan trọng của Thử nghiệm Sơ bộ:

    ◦ Khuyến nghị: Đối với bất kỳ loại quặng mới nào, việc tiến hành các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và ở quy mô nhỏ là rất quan trọng. Các thử nghiệm này giúp xác định các thông số vận hành tối ưu như nồng độ cyanide, thời gian xử lý, và quy trình xử lý phù hợp nhất trước khi triển khai ở quy mô công nghiệp, tránh được những rủi ro tốn kém.