THIẾT KẾ QUY TRÌNH CHIẾT TÁCH VÀNG VÀ THU HỒI AU BẰNG THAN HOẠT TÍNH TRONG QUẶNG

Bài báo khoa học này mô tả chi tiết các vấn đề quy trình cần xem xét trong quá trình thiết kế các mạch trích ly và hấp phụ bằng than hoạt tính (CIP/CIL) để thu hồi vàng. Tác giả nhấn mạnh tầm quan trọng của các công đoạn này, vốn chiếm một phần đáng kể trong chi phí vốn và vận hành, và có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất thu hồi tổng thể của nhà máy. Bài viết giới thiệu tổng quan về hai quy trình CIP và CIL, phân tích các thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất, đồng thời trình bày các kỹ thuật mô phỏng và mô hình hóa để tối ưu hóa thiết kế. Một nghiên cứu điển hình về kinh tế-kỹ thuật được đưa ra để minh họa tác động của các lựa chọn thiết kế khác nhau (như số bậc hấp phụ, số bậc trích ly) đến hiệu quả tài chính của dự án.

---

1. Giới thiệu

Bài báo khẳng định rằng sau khi quặng vàng đã được nghiền mịn hiệu quả để giải phóng tối đa vàng về mặt kinh tế, các mạch ảnh hưởng lớn nhất đến sự thành công của nhà máy vàng chính là mạch trích ly và mạch carbon-in-pulp (CIP).

• Chi phí: Chi phí vận hành cho thuốc thử và tiện ích liên quan đến trích ly, hấp phụ, giải hấp và tái sinh thường chiếm khoảng 15% tổng chi phí vận hành, trong khi chi phí vốn cho các khu vực này chiếm khoảng 16% tổng chi phí. Mặc dù không phải là lớn nhất (chi phí cho công đoạn đập nghiền thường chiếm ưu thế), các hạng mục này vẫn chiếm một tỷ trọng đáng kể.
• Tầm quan trọng: Quan trọng hơn, các khu vực này đại diện cho quy trình thu hồi vàng chính, và hiệu quả kỹ thuật cũng như vận hành của chúng sẽ có tác động đáng kể đến hiệu suất tổng thể của nhà máy.

Mục tiêu của việc thiết kế quy trình cho các công đoạn này là phát triển một thiết kế mang lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế tối đa, đồng thời phải bền vững trước những thay đổi tiềm tàng về công suất, đặc điểm khoáng vật và hàm lượng đầu vào của quặng. Kinh nghiệm cho thấy, đặc biệt đối với các dự án có vòng đời dài và hàm lượng cao, những thay đổi nhỏ về hiệu suất thu hồi có giá trị rất lớn.

Bài báo này sử dụng các kỹ thuật mô phỏng và mô hình hóa, được gọi chung là

Kỹ thuật Quy trình có sự hỗ trợ của Máy tính (CAPE), để hỗ trợ quá trình thiết kế, đòi hỏi dữ liệu thực nghiệm chất lượng cao để hiệu chỉnh.

2. Tổng quan và Mô tả Quy trình

2.1. Quy trình CIP (Carbon-In-Pulp)

Quy trình CIP là một phương pháp tiêu chuẩn để thu hồi vàng từ quặng không khó xử lý.

Sơ đồ khối của quy trình CIP tiêu biểu:

1. Đập nghiền (Crushing/Milling): Quặng được giảm kích thước, thường là 80% lọt sàng 75 micromet (µm), để đảm bảo vàng có thể tiếp cận được với dung dịch cyanide.

2. Cô đặc (Thickening): Bùn quặng sau khi nghiền (loãng, 6-12% rắn) được cô đặc để tăng mật độ lên khoảng 50% rắn theo khối lượng. Việc này giúp giảm kích thước thiết bị trích ly và lượng thuốc thử cần dùng.

3. Trích ly (Leaching): Thuốc thử trích ly (cyanide và chất oxy hóa như không khí/oxy) được thêm vào bùn quặng đã cô đặc. Phản ứng diễn ra trong một chuỗi các bể khuấy trộn. Độ pH của bùn được điều chỉnh lên khoảng 9,5-11 để giảm thiểu thất thoát cyanide.

   Phương trình hóa học chính (Phương trình Elsener):

   4Au+8NaCN+O2​+2H2​O→4NaAu(CN)2​+4NaOH

   Thời gian lưu trong công đoạn trích ly dao động từ 20-40 giờ.
4. Hấp phụ bằng than (Carbon Adsorption): Bùn quặng sau khi trích ly chảy qua một dãy các bể hấp phụ (thường 6-8 bể) được khuấy trộn. Mỗi bể chứa than hoạt tính với nồng độ 10-25 g/L (tương đương 10-25 kg/m³) bùn quặng. Phức chất vàng aurocyanide [Au(CN)2−​] trong pha lỏng sẽ hấp phụ lên bề mặt than.
   Do than được chuyển dịch ngược dòng với bùn quặng, hiệu suất thu hồi rất cao (90-99%). Nồng độ vàng trong dung dịch đuôi thải thường chỉ còn 0,001 đến 0,02 ppm (phần triệu), tương đương 0,001 đến 0,02 g/m³. Xử lý than đã tải vàng (Loaded Carbon):

   • Rửa axit: Than đã tải vàng (nồng độ vàng có thể đạt 300-20.000 g/tấn than) được rửa bằng dung dịch axit clohydric (HCl) loãng để loại bỏ các chất kết tủa vô cơ như CaCO3​.

   • Giải hấp (Elution): Than được tiếp xúc với dung dịch cyanide và natri hydroxit ở nhiệt độ cao (90-120°C) để đảo ngược quá trình hấp phụ, giải phóng vàng trở lại dung dịch.
   • Điện phân/Kết tủa kẽm (Electrowinning/Zinc Precipitation): Vàng được thu hồi từ dung dịch giàu sau giải hấp.

5. Tái sinh than (Carbon Regeneration):

   • Tái sinh nhiệt: Than sau giải hấp được nung trong lò quay ở nhiệt độ 650-750°C trong môi trường hơi nước để loại bỏ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn.
   • Bổ sung than mới: Than tái sinh được sàng lọc, trộn với than mới để bù vào lượng hao hụt và đưa trở lại bể hấp phụ cuối cùng.

Bảng I: Phân bổ Chi phí Vốn (Capital Cost) tiêu biểu

Hạng mục	% Tổng chi phí vốn
Đập nghiền (Milling)	21,1
Trích ly (Leaching)	7,5
Hấp phụ (Adsorption)	5,2
Cô đặc (Thickening)	5,1
Giải hấp (Elution)	3,5
Các hạng mục khác	57,6

(Dữ liệu được trích từ Bảng I trong tài liệu)

Bảng II: Phân bổ Chi phí Vận hành (Operating Cost) tiêu biểu

Hạng mục	% Tổng chi phí vận hành
Nhân công (Labour)	37,9
Tiện ích (Utilities)	26,7
Vật tư tiêu hao (Consumables)	16,3
Thuốc thử và hóa chất (Reagents and chemicals)	12,2
Các hạng mục khác	7,0

(Dữ liệu được trích từ Bảng II trong tài liệu)

---

2.2. Quy trình CIL (Carbon-In-Leach)

Quy trình CIL là một biến thể của CIP, trong đó

than hoạt tính được thêm trực tiếp vào mạch trích ly. Quá trình trích ly và hấp phụ diễn ra đồng thời.

• Ưu điểm:

  • Giảm chi phí vốn: Chỉ cần một bộ thiết bị khuấy cho cả hai quá trình.
  • Xử lý quặng phức tạp: Hiệu quả đối với quặng chứa các thành phần có xu hướng hấp phụ hoặc kết tủa lại phức chất vàng (ví dụ vật liệu carbonaceous).

• Nhược điểm:

  • Kém hiệu quả hơn: Các công trình thực nghiệm cho thấy CIL có xu hướng kém hiệu quả hơn về mặt thu hồi vàng so với lộ trình trích ly-CIP thông thường.
  • Khó kiểm soát vận hành: Bể phải lớn để có đủ thời gian lưu cho trích ly, dẫn đến nồng độ than thấp, gây khó khăn cho việc di chuyển than ngược dòng và kiểm soát tồn kho than.

3. Thiết lập cơ sở Thiết kế Quy trình

3.1. Các thông số trích ly và công việc thử nghiệm

Các thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly bao gồm:

• Bổ sung vôi: Để duy trì pH ở mức 9,5-11, tỷ lệ bổ sung vôi thường từ 700-1500 g/tấn quặng (tương đương CaO 100%).
• Kích thước hạt nghiền: Kích thước hạt càng mịn, hàm lượng vàng đuôi thải càng thấp, nhưng chi phí nghiền tăng. Cần tìm điểm tối ưu.
• Tiêu thụ Cyanide: Để duy trì nồng độ cyanide tự do tối thiểu (khoảng 120 ppm hay 120 g/m³ ở bể cuối), liều lượng bổ sung thường từ 150-500 g/tấn quặng (tương đương NaCN 100%).
• Nhu cầu Oxy: Oxy là thuốc thử thiết yếu. Việc khuấy trộn cơ học đòi hỏi phải cung cấp oxy như một thuốc thử riêng biệt.
• Thời gian lưu: Dao động từ 12 đến 48 giờ tùy thuộc vào loại quặng.

• Mật độ bùn: Mật độ bùn quá cao cản trở truyền khối, quá loãng làm giảm thời gian lưu trích ly. Tỷ lệ lỏng/rắn (w/s) khoảng 1,0-1,1 được xem là hiệu quả.

Để xác định các thông số này, công việc thử nghiệm trên mẫu đại diện là rất quan trọng. Các thử nghiệm trích ly chai lăn (rolling bottle leach tests) được cho là mang lại kết quả tương đương với nhà máy quy mô lớn.

3.2. Mô hình hóa Động học Trích ly

Một số mô hình động học (Mintek, Brittan, Loveday) có thể được sử dụng để diễn giải dữ liệu thực nghiệm và dự đoán hiệu suất của một nhà máy trích ly liên tục từ dữ liệu thực nghiệm theo mẻ. Các mô hình này là mô hình hiện tượng học, không phải mô hình cơ bản, do đó các thông số của chúng phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm.

4. Các vấn đề Thiết kế Mạch CIP/CIL

Việc phát triển các thông số thiết kế tối ưu cho mạch CIP/CIL phức tạp hơn nhiều so với mạch trích ly do tính chất động và tương tác của quy trình. Các yếu tố tương tác chính bao gồm: 

• Số bậc hấp phụ: Tăng số bậc hấp phụ làm giảm tổng lượng than tồn kho cần thiết để đạt được cùng hiệu suất, từ đó giảm lượng vàng bị "khóa" trong mạch và giảm chi phí. Tuy nhiên, hiệu quả này giảm dần và thường đạt tối ưu ở khoảng 8 đến 10 bậc.
• Thời gian lưu của than: Than tiếp xúc với bùn càng lâu thì càng dễ bị "ngộ độc" bởi các ion và chất hữu cơ khác, làm giảm khả năng hấp phụ vàng.
• Hàm lượng vàng trên than đã tải: Giá trị này thường cao hơn nồng độ vàng trong dung dịch đầu vào khoảng 800-1200 lần. Than tải vàng cao hơn cho phép giảm tốc độ luân chuyển than, nhưng có thể làm tăng lượng vàng bị khóa và đòi hỏi điều kiện giải hấp khắc nghiệt hơn.
• Hàm lượng vàng đuôi thải: Có thể đạt được giá trị thấp hơn 0,005 g/m³ nếu than có hoạt tính cao, tuần hoàn tốt và ít có sự rò rỉ than qua các lưới chắn giữa các bậc.

Do sự phức tạp này, việc sử dụng một mô hình toán học hoặc một trình mô phỏng là cần thiết để nghiên cứu các tương tác này một cách định lượng.

5. Nghiên cứu Điển hình Kinh tế-Kỹ thuật

Nghiên cứu này sử dụng một trình mô phỏng kinh tế-kỹ thuật để đánh giá các kịch bản khác nhau cho một nhà máy xử lý lại bãi thải quy mô lớn (lưu lượng quặng

700 tấn/giờ, hàm lượng đầu vào 1,0 g/tấn).

• Ảnh hưởng của số bậc hấp phụ:

  • Khi tăng số bậc hấp phụ (từ 6 lên 12), chi phí vốn và vận hành cho công đoạn hấp phụ tăng lên.
  • Tuy nhiên, chi phí vốn và vận hành cho công đoạn giải hấp lại giảm xuống do lượng than cần xử lý ít hơn.
  • Kết quả: Giá trị hiện tại ròng (NPV) của dự án tăng đáng kể khi tăng số bậc hấp phụ, do chi phí giải hấp giảm và hiệu suất trích ly tăng (do thời gian lưu tổng thể dài hơn).

• Ảnh hưởng của số bậc trích ly (So sánh CIL và CIP):

  • Khi thêm các bậc trích ly riêng biệt trước công đoạn hấp phụ (chuyển từ mô hình CIL sang CIP), chi phí vốn và vận hành cho trích ly tăng lên.
    1. Hiệu suất trích ly tăng do thời gian lưu dài hơn.
    2. Hiệu quả hấp phụ tăng lên vì ít quá trình trích ly xảy ra trong mạch hấp phụ, giúp tạo ra một đường cong tải vàng trên than dốc hơn.
  • Kết quả: NPV tăng mạnh khi thêm các bậc trích ly. Điều này là do hai nguyên nhân chính:
  • So sánh công nghệ "Pump-cell" và nhà máy hấp phụ thông thường:
    • Công nghệ "Pump-cell" cho phép vận hành ở nồng độ than cao hơn đáng kể, dẫn đến kích thước nhà máy hấp phụ và giải hấp nhỏ hơn.

    • Mô phỏng cho thấy một nhà máy "Pump-cell" (với nhiều bậc trích ly hơn để bù lại thời gian lưu) có tổng chi phí vốn và vận hành thấp hơn đáng kể so với trường hợp cơ sở, và do đó, NPV cao hơn rất nhiều.

6. Phương pháp luận Kỹ thuật Quy trình

Tác giả đề xuất một phương pháp luận có hệ thống để thiết kế nhà máy:

1. Thu thập dữ liệu: Thực hiện các thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm, pilot hoặc nhà máy để có đủ thông tin tin cậy. 

2. Sử dụng mô phỏng: Dùng các trình mô phỏng kỹ thuật và tài chính để tạo ra một cơ sở thiết kế tối ưu.
3. Tập trung vào tối ưu hóa: Tối ưu hóa hiệu suất kỹ thuật của mạch hấp phụ, sau đó đảm bảo các thiết bị rửa axit, giải hấp và tái sinh được lựa chọn và định cỡ phù hợp.
4. Đánh giá các lựa chọn: Sử dụng mô phỏng để khám phá các đánh đổi giữa CIP và CIL, hoặc giữa các công nghệ hấp phụ khác nhau, nhằm đảm bảo phương án tối ưu về mặt tài chính được lựa chọn.
5. Thiết kế bền vững: Sử dụng mô phỏng để đánh giá độ nhạy của các quyết định thiết kế, từ đó xây dựng một nhà máy có khả năng hoạt động tốt trong nhiều điều kiện khác nhau.

Sau khi có cơ sở thiết kế, các hoạt động kỹ thuật quy trình tiêu chuẩn sẽ được tiến hành, bao gồm: phát triển tiêu chí thiết kế, sơ đồ công nghệ (PFD), cân bằng vật chất và năng lượng, lựa chọn và định cỡ thiết bị, và phát triển sơ đồ đường ống và thiết bị đo lường (P&ID).

7.Kết luận: Bài báo đã chứng minh rằng do tính chất phức tạp và tương tác của các quy trình trích ly vàng và CIP/CIL, việc hiểu biết sâu sắc các yếu tố ảnh hưởng là rất cần thiết. Việc xây dựng một cơ sở thiết kế tốt thông qua thử nghiệm thực nghiệm là cực kỳ quan trọng. Việc áp dụng các kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng (cả kỹ thuật và tài chính) cho phép sử dụng dữ liệu này để đánh giá các tương tác, từ đó tổng hợp một thiết kế hiệu quả hơn.
Link download full Tiếng Anh: https://drive.google.com/file/d/1RMSBKeHg4LkDQTcG0UtMVV6UmpD1rfiz/view?usp=sharing