Dịch tóm tắt: Khai thác Au-Thủy luyện Au từ quyển "Chemistry of Gold Extraction (2009)"

Khai thác vàng là một lĩnh vực phức tạp và đa dạng, liên quan đến việc thu hồi vàng từ quặng hoặc các vật liệu chứa vàng khác. Quy trình này thường bao gồm một loạt các bước vật lý và hóa học, được điều chỉnh dựa trên đặc điểm của quặng và các yếu tố kinh tế, môi trường. Thủy luyện vàng (Hydrometallurgy) là nền tảng của hầu hết các phương pháp khai thác vàng hiện đại, tập trung vào việc hòa tan vàng trong dung dịch nước và sau đó thu hồi nó từ dung dịch đó.

I. Khái quát và Lịch sử Phát triển

Trước năm 1888, các phương pháp khai thác vàng chủ yếu bao gồm đãi (gravity concentration), luyện kim bằng lửa (pyrometallurgy) và thủy ngân hóa (amalgamation). Việc phát minh ra cyanua hóa (cyanidation) vào năm 1887 bởi John MacArthur và anh em Robert và William Forrest đã cách mạng hóa ngành công nghiệp khai thác vàng, trở thành quy trình cơ bản và không thay đổi trong hơn một thế kỷ. Các phát triển công nghệ lớn sau đó bao gồm sự ra đời của than hoạt tính (activated carbon) vào những năm 1940 và các thập kỷ tiếp theo, cùng với sự phát triển của công nghệ CIP (carbon-in-pulp) vào những năm 1970 và công nghệ hòa tách đống (heap leaching). Từ năm 1972 đến 2000 là kỷ nguyên phát triển công nghệ mạnh mẽ, đặc biệt cho các quặng khó hòa tách (refractory ores).

II. Các Yếu tố Ảnh hưởng đến Lựa chọn Quy trình

Việc lựa chọn quy trình khai thác vàng tối ưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

Khoáng vật học (Mineralogical): Đặc tính khoáng vật của quặng (thành phần, cấu trúc, kích thước hạt vàng, sự hiện diện của các khoáng vật cản trở) là yếu tố chính quyết định khả năng phản ứng của quặng với các quy trình khác nhau và tiềm năng tác động môi trường. Các quặng có khoáng vật học đơn giản hoặc đã được hiểu rõ sẽ cần ít phân tích hơn so với quặng phức tạp hoặc chưa biết.

Luyện kim (Metallurgical): Khả năng thu hồi vàng và các khoáng vật có giá trị khác, chất lượng sản phẩm, tốc độ xử lý, chi phí vốn và vận hành, tác động môi trường và rủi ro kỹ thuật đều được xem xét để xác định lợi ích kinh tế tối ưu.

Môi trường (Environmental): Các quy định môi trường ngày càng nghiêm ngặt đã tăng cường tầm quan trọng của việc kiểm soát và xử lý các sản phẩm phụ và nước thải, đặc biệt là sau khi Bộ Quy tắc Quản lý Cyanua Quốc tế (International Cyanide Management Code) được công bố năm 2002. Điều này có thể ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn và vận hành quy trình.
https://vimextech.com/quy-tac-quan-ly-xyanua-quoc-te-p1
https://vimextech.com/quy-tac-quan-ly-xyanua-quoc-te-p2

Địa lý (Geographical): Vị trí của mỏ quặng và nhà máy xử lý có thể ảnh hưởng đến chi phí và khả năng tiếp cận các nguồn lực như nước, năng lượng và hóa chất.

Kinh tế và Chính trị (Economic and Political): Các yếu tố này bao gồm chi phí năng lượng, hóa chất, lao động, thuế, quy định pháp luật và sự ổn định chính trị của khu vực.

III. Các Giai đoạn Chính trong Thủy luyện vàng

1. Tiền xử lý Oxy hóa (Oxidative Pretreatment)

Giai đoạn này cần thiết khi vàng bị khóa trong ma trận sulfide hoặc cacbonat của quặng khó hòa tách. Các phương pháp chính bao gồm thủy luyện và hỏa luyện.

Thủy luyện Oxy hóa (Hydrometallurgical Oxidation): Đã phát triển đáng kể trong 25 năm qua và là lựa chọn thay thế hấp dẫn cho quá trình nung luyện.

Oxy hóa áp suất thấp (Low-Pressure Oxidation): Thường là quá trình tiền sục khí (preaeration) với khí hoặc oxy để oxy hóa hoặc thụ động hóa các khoáng chất tiêu thụ cyanua như pyrrhotite và marcasite. Ví dụ bao gồm East Driefontein (Nam Phi), Lupin (Canada) và Lead (Hoa Kỳ).

Oxy hóa axit áp suất cao (High-Pressure Acidic Oxidation): Là phương pháp thương mại hóa hiệu quả cho quặng sulfide và arsenical khó hòa tách, đặc biệt loại có hàm lượng lưu huỳnh cao và cacbonat thấp. Nhiệt độ thường từ 180°C đến 225°C và áp suất từ 1,700 kPa đến 3,200 kPa. Các ví dụ bao gồm McLaughlin và Goldstrike (Hoa Kỳ), Porgera và Lihir (Papua New Guinea).

Oxy hóa không axit áp suất cao (High-Pressure Nonacidic Oxidation): Phù hợp cho quặng khó hòa tách có hàm lượng lưu huỳnh thấp và cacbonat cao, ví dụ tại Mercur (Hoa Kỳ).

Oxy hóa bằng Axit Nitric (Nitric Acid Oxidation): Có khả năng mang lại động học nhanh nhất trong các lộ trình oxy hóa thủy luyện, đã được chứng minh thương mại cho chất cô đặc bạc nhưng chưa cho vàng.

Oxy hóa bằng Clo (Chlorine Oxidation): Được áp dụng thương mại cho quặng cacbonat và quặng telluride lưu huỳnh thấp, ví dụ tại Carlin và Jerritt Canyon (Nevada). Clo phản ứng với các khoáng vật cacbonat để giải phóng CO2 và oxy hóa các sulfide.

Oxy hóa sinh học (Biological Oxidation): Đã được chứng minh thương mại cho các chất cô đặc tuyển nổi chứa sulfide và arsenical. Các vi khuẩn Thiobacillii hoạt động tối ưu ở 35°C đến 37°C. Các nhà máy như Fairview (Nam Phi), Sao Bento (Brazil) và Ashanti Sansu (Ghana) đã áp dụng thành công.

Hỏa luyện (Pyrometallurgical Oxidation): Quá trình nung luyện (roasting) quặng sulfide và cacbonat đã được thực hiện trong nhiều thập kỷ. Vàng trong sulfide có thể di chuyển và hợp nhất trong quá trình nung luyện. Mặc dù hiệu quả cho nhiều loại quặng, chi phí và độ phức tạp đã tăng do các quy định môi trường nghiêm ngặt về kiểm soát khí thải. Các ví dụ bao gồm Kalgoorlie Consolidated Gidji (Úc), Campbell Red Lake (Canada).
https://vimextech.com/tien-xu-ly-quang-da-kim-truoc-khi-tach-au-ra-khoi-quang-da-kim

2. Hòa tách (Leaching)

Đây là giai đoạn hòa tan vàng từ quặng.

Cyanua hóa (Cyanidation): Phương pháp phổ biến nhất, hòa tan vàng trong dung dịch cyanua kiềm có mặt oxy để tạo phức xyanua vàng ổn định, Au(CN)2–.

Hóa học: pH của dung dịch thường duy trì trên 10 để giảm thiểu sự bay hơi của axit xyanhidric (HCN) độc hại. Tỷ lệ mol CN–:O2 tối ưu thường từ 4:1 đến 7:1.

Các phương pháp:

Hòa tách khuấy trộn (Agitation Leaching): Phổ biến nhất về mặt thương mại.

Hòa tách đống (Heap Leaching): Áp dụng cho quặng cấp thấp hoặc quặng đã được tiền xử lý.

Hòa tách trong thùng (Vat Leaching): Sử dụng các thùng chứa quặng đã nghiền mịn.

Hòa tách tại chỗ (In Situ Leaching): Hòa tách vàng ngay trong mỏ.

Các thuốc thử hòa tách phi-cyanua (Noncyanide Lixiviants):

Thiosulfate: Đề xuất thay thế cyanua ở những nơi có quy định môi trường nghiêm ngặt. Tạo phức ổn định với vàng nhưng tiêu thụ thuốc thử cao và khó thu hồi kim loại.
https://vimextech.com/natri-thiosulfate-na2s2o3-tq-cn-50kg

Thiourea: Là một thuốc thử tương đối không độc, hòa tan vàng trong dung dịch axit để tạo phức ổn định. Tuy nhiên, dễ bị oxy hóa và tiêu thụ thuốc thử cao.
https://vimextech.com/thioure-trung-quoc-cong-nghiep-25kg

Thiocyanate: Vàng hòa tan trong dung dịch thiocyanate axit, với Fe(III) là chất oxy hóa phù hợp nhất.
https://vimextech.com/kali-thioxyanat-kcns-tinh-chat-ly-hoa-va-cac-ung-dung-trong-cong-nghiep-so-sanh-voi-nacns-va-nh4cns-trong-qua-trinh-tach-au-tu-quang

Ammonia: Có tiềm năng hòa tách một số vật liệu chứa đồng-vàng bằng cách ổn định đồng trong dung dịch cyanua.

Chlorination: Đã được sử dụng trong quá khứ, hòa tan vàng bằng cách tạo phức chloride vàng (AuCl4–).

3. Tinh chế và Cô đặc Dung dịch (Solution Purification and Concentration)

Hấp phụ bằng Than hoạt tính (Carbon Adsorption): Than hoạt tính được sử dụng rộng rãi để hấp phụ vàng từ dung dịch cyanua. Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật lý và hóa học như khuấy trộn, mật độ bùn, nồng độ vàng, nhiệt độ, pH. Vàng được giải hấp (elution) khỏi than bằng các dung dịch phù hợp, thường ở nhiệt độ cao [312, 330t]. Than bị làm bẩn (fouling) bởi các chất vô cơ (ví dụ: canxi cacbonat) và hữu cơ có thể làm giảm hiệu quả hấp phụ. Than có thể được tái hoạt hóa (reactivation) bằng nhiệt.

Nhựa trao đổi ion (Ion Exchange Resins): Nhựa trao đổi ion có khả năng hấp phụ phức cyanua vàng. Có nhiều loại nhựa và quy trình giải hấp khác nhau.

Chiết dung môi (Solvent Extraction): Có thể được sử dụng để chiết vàng từ dung dịch cyanua hoặc aqua regia. Nhược điểm lớn là dung dịch phải được làm trong trước khi chiết.

4. Thu hồi (Recovery)

Kết tủa bằng Kẽm (Zinc Precipitation): Còn gọi là quy trình Merrill-Crowe, vàng và bạc được kết tủa từ dung dịch cyanua bằng bột kẽm. Vàng kết tủa lên bề mặt kẽm. Oxy hòa tan làm giảm hiệu quả kết tủa.

Điện phân (Electrowinning): Vàng được thu hồi từ dung dịch cyanua bằng điện phân. Tốc độ lắng đọng vàng phụ thuộc vào nồng độ vàng, tốc độ chuyển khối, nhiệt độ và diện tích bề mặt cathode.
https://vimextech.com/kem-tieu-bat-au-trong-qua-trinh-tach-au-tu-quang-bang-phuong-phap-vi-sinh

5. Xử lý nước thải (Effluent Treatment)

Đây là lĩnh vực ngày càng quan trọng do áp lực môi trường gia tăng.

Phân loại chất thải: Bao gồm khí thải (từ các quá trình luyện kim bằng lửa như SO2, As2O3), chất thải rắn (bã quặng, bã thải hòa tách đống), và chất thải lỏng (dung dịch hòa tách, nước thải).

Thu hồi thuốc thử và kim loại: Các phương pháp như tái chế dung dịch trực tiếp, axit hóa-bay hơi-tái trung hòa (AVR), trao đổi ion, than hoạt tính, xử lý điện phân, kết tủa sulfide.

Khử độc (Detoxification): Giảm nồng độ các chất độc hại trong dòng thải.

Phân hủy tự nhiên: Các cơ chế như bay hơi (HCN), oxy hóa, hấp phụ, thủy phân, phân hủy sinh học và kết tủa.

Oxy hóa bằng Hydrogen Peroxide (H2O2): Sử dụng rộng rãi để khử độc cyanua, có thể đạt tốc độ nhanh nếu có xúc tác đồng.

Oxy hóa bằng SO2/Khí (Sulfur Dioxide–Assisted Oxidation): Oxy hóa cyanua và các phức kim loại cyanua có mặt xúc tác Cu(II).

Oxy hóa bằng Clo (Chlorine Oxidation): Oxy hóa cyanua và các phức WAD cyanua.

Oxy hóa sinh học (Biological Oxidation): Vi khuẩn phân hủy các phức cyanua kim loại, bao gồm cả các phức bền vững như Fe(II) và Fe(III).

Ozone và Ultrasonics: Đã được nghiên cứu nhưng chi phí cao.

Kết tủa kim loại: Sử dụng các phương pháp kết tủa sulfide hoặc hydroxide để loại bỏ kim loại nặng như asen, thủy ngân, bạc, kẽm, đồng.

Tóm lại, khai thác vàng là một quá trình liên tục phát triển, từ các phương pháp thủ công cổ xưa đến các công nghệ hóa học và sinh học phức tạp ngày nay, với mục tiêu không chỉ tối đa hóa thu hồi mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng cao.