АО «Уралэлектромедь», Верхняя Пышма, Россия

А. А. Ковязин, заместитель начальника цеха, эл. почта: A.Kovyazin@uralcopper.com

АО «Уралэлектромедь», Верхняя Пышма, Россия¹ ; НЧОУ ВО «Технический университет УГМК», Верхняя Пышма, Россия²
К. Л. Тимофеев, начальник отдела инженерно-производственного управления¹, доцент кафедры металлургии², докт. техн. наук, эл. почта: K.Timofeev@uralcopper.com

Институт металлургии УрО РАН, Екатеринбург, Россия.
Г. И. Мальцев, старший научный сотрудник, докт. техн. наук, эл. почта: maltsewg@yandex.ru

Автоклавная технология сернокислотного выщелачивания электрофильтровой пыли медеплавильного завода позволяет количественно (92–95 %) перевести цинк и медь в раствор при минимальном переходе мышьяка (≤3,5 %); основная масса свинца и мышьяка остается в нерастворимом остатке (кеке), имеющем следующий состав, %: 24 Fe; 11,5 As; 7,2 Pb; 1,8 Cu; 0,5 Zn. Для выделения свинца рациональным является использование солевого выщелачивания кека, позволяющего перевести свинец в раствор, оставив мышьяк в нерастворимом остатке для захоронения. Цель работы заключается в подборе оптимальных параметров процесса солевого растворения свинца. Проведен термодинамический анализ путем построения равновесных диаграмм состояния системы PbSO₄ – H₂O – NaCl для выявления соединений в жидкой и твердой фазах. Показано наличие растворимых соединений PbCl₄^2–, PbCl^3– , PbCl₂ и PbCl⁺, соотношение которых зависит от температуры и концентрации хлорида натрия. Самопроизвольно процесс растворения сульфата свинца протекает с образованием PbCl₄^2–, появление других растворимых продуктов свинца связано с разложением анионов PbCl₄^2–. Установлены оптимальные параметры процесса: концентрация растворителя, г/дм³: 250 NaCl; 50 CaCl²; Ж:Т = 10; T = 60 ^oC; ω = 31,4 рад/с; продолжительность 1 ч. В соответствии с моделью сжимающегося ядра данные по кинетике выщелачивания свинца обрабатывали по уравнениям, соответствующим внешне- и внутридиффузионным кинетическим режимам растворения. Минимальные значения константы скорости выявлены для кинетического режима (k = 0,0007÷0,0009 с^–1), а максимальные — для внутридиффузионного (k = 0,0074÷0,0078 с^–1). Они определяются значениями энергии активации: максимальной (Е = 5,77 кДж/моль) для кинетического и минимальной (Е = 1,21 кДж/моль) для внутридиффузионного режима. В целом процесс соот ветствует диффузионному режиму. Внедрение комплексной технологии выщелачивания пылей с последующей переработкой кека, содержащего свинец и мышьяк, растворением в хлоридных растворах позволяет повысить извлечение свинца в сравнении с технологией вельцевания на 3–5 %, обеспечить получение доходности около 60 млн руб/год и вывести мышьяк в малотоксичный продукт, пригодный для захоронения.

1. Lee J.-H., Han K.-S., Hwang K.-T., Kim J.-H. Recycling of steelmaking electric arc furnace dust into aqueous cyan ceramic ink for inkjet printing process and its printability // Ceramics International. 2021. Vol. 47, Iss. 12. P. 16964–16971. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.03.005
2. Omran M., Fabritius T. Effect of steelmaking dust characteristics on suitable recycling process determining: Ferrochrome converter (CRC) and electric arc furnace (EAF) dusts // Powder Technology. 2017. Vol. 308. P. 47–60. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.11.049
3. Lingzhi Yang, Hang Hu, Mengxian Wang, Feng Chen et al. Comparative life cycle assessment and techno-economic analysis of electric arc furnace steelmaking processes integrated with solar energy system // Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 425. 138868. DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.138868
4. Elkribi-Boukhris S., Boughattas I., Sappin-Didier V., Helaoui S. et al. Exposure to polymetallic contaminated sites induced toxicological effects on chicken lungs: A multi-level analysis // Chemosphere. 2024. Vol. 354. 141574. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2024.141574
5. Chen Zhen-yu, Zhao Yuan-yi, Chen Dan-li, Huang Hai-tao et al. Ecological risk assessment and early warning of heavy metal cumulation in the soils near the Luanchuan molybdenum polymetallic mine concentration area, Henan Province, central China // China Geology. 2023. Vol. 6, Iss. 1. P. 15–26. DOI: 10.31035/cg2023003
6. Xiaohui Zhang, Kang Tian, Yimin Wang, Wenyou Hu et al. Identification of sources and their potential health risk of potential toxic elements in soils from a mercury-thallium polymetallic mining area in Southwest China: Insight from mercury isotopes and PMF model // Science of The Total Environment. 2023. Vol. 869. 161774. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.161774
7. Xianqing Xu, Zhengqi Guo, Deqing Zhu, Jian Pan et al. Application of coal-based direct reduction-magnetic separation process for recycling of high-iron-content non-ferrous metallurgical wastes: Challenges and opportunities // Process Safety and Environmental Protection. 2024. Vol. 183. P. 59–76. DOI: 10.1016/j.psep.2023.12.057
8. Xuchao Wang, Chengyi Ding, Hongming Long, Yuxi Wu et al. A novel approach to treating nickel-containing electroplating sludge by solidification with basic metallurgical solid waste // Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 27. P. 3644–3654. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.10.132
9. Ray A. R., Mishra S. Hydro metallurgical technique as better option for the recovery of rare earths from mine tailings and industrial wastes // Sustainable Chemistry and Pharmacy. 2023. Vol. 36. 101311. DOI: 10.1016/j.scp.2023.101311
10. Qingzhu Li, Xinting Lai, Zhenxing Liu, Fei Chai et al. Thioureaassisted selective removal of arsenic from copper smelting flue dusts in NaOH solution // Hydrometallurgy. 2024. Vol. 224. 106246. DOI: 10.1016/j.hydromet.2023.106246
11. Feng Yan, Hongkun Dai, Yu Wang, Maoguang Ruan et al. The study on the shortcut approach for cooperative disposal of arsenic-rich copper dust and waste acid to prepare high-purity copper // Journal of Cleaner Production. 2024. Vol. 447. 141534. DOI: 10.1016/j.jclepro.2024.141534
12. Tengteng Shi, Baoqiang Xu, Jilin He, Xinyang Liu et al. Arsenic release pathway and the interaction principle among major species in vacuum sulfide reduction roasting of copper smelting flue dust // Environmental Pollution. 2023. Vol. 330. 121809. DOI: 10.1016/j.envpol.2023.121809
13. Wenquan Niu, Yan Li, Qiang Li, Jingsong Wang et al. Physical and chemical properties of metallurgical coke and its evolution in the blast furnace ironmaking process // Fuel. 2024. Vol. 366. 131277. DOI: 10.1016/j.fuel.2024.131277
14. Hongjie Yan, Huanyu Xie, Wenyan Zheng, Liu Liu. Numerical simulation of combustion and melting process in an aluminum melting Furnace: A study on optimizing stacking mode // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 245. 122840. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.122840
15. Pashchenko D., Karpilov I., Polyakov M., Popov S. K. Technoeconomic evaluation of a thermochemical waste-heat recu peration system for industrial furnace application: Operating cost analysis // Energy. 2024. Vol. 295. 131040. DOI: 10.1016/j.energy.2024.131040

16. Набойченко С. С., Ковязин А. А., Тимофеев К. Л., Краюхин С. А. Переработка металлургических пылей в сульфатно-азотнокислых средах // Цветные металлы. 2020. № 11. С. 19–23.
17. Jiarun Zhang, Zhiyong Liu, Zhihong Liu. An efficient and affordable hydrometallurgical process for co-treatment of copper smelting dust and arsenic sulfide residue // Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 419. 137955. DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.137955
18. Ettler V., Raus K., Mihaljevič M., Kříbek B. et al. Bioaccessible metals in dust materials from non-sulfide Zn deposit and related hydrometallurgical operation // Chemosphere. 2023. Vol. 345. 140498. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.140498
19. Rong T., Yuan Y., Yang H., Yu H. et al. Investigation of the enrichment-purification process and electrochemical performance of kish graphite in dust from blast furnace tapping yard // Waste Management. 2024. Vol. 175. P. 121–132. DOI: 10.1016/j.wasman.2023.12.055
20. Wu Xiao-bin, Zhu Zeng-li, Kong Hui, Fan You-qi et al. Electrochemical reduction mechanism of Zn2+ in molten NaCl – KCl eutectic // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2022. Vol. 32, Iss. 9. P. 3088–3098. DOI: 10.1016/S1003-6326(22)66005-9
21. Xinxin Liu, Fenghui Wu, Guangfei Qu, Ting Zhang, Minjie He. Recycling and reutilization of smelting dust as a secondary resource: A review // Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 347. 119228. DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.119228
22. Kovyazin A., Timofeev K., Krauhin S. Copper Smelting Fine Dust Autoclave Leaching // Materials Science Forum. 2019. Vol. 946. P. 615–620. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.946.615
23. Ning Zhang, Feng Xie, Wei Wang, Diankun Lu. Study on performance and mechanism of foamed ceramics based on lead fuming furnace slag // Ceramics International. 2024. Vol. 50, Iss. 2, Part B. Р. 3307–3318. DOI: 10.1016/j.ceramint.2023.11.072
24. Dongjie Zhang, Ting Ma. Study on slagging in a waste-heat recovery boiler associated with a bottom-blown metal smelting furnace // Energy. 2022. Vol. 241. 122852. DOI: 10.1016/j.energy.2021.122852
25. De’an Pan, Lili Li, Yufeng Wu, Tingting Liu, Hailiang Yu. Characteristics and properties of glass-ceramics using lead fuming slag // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 175. рр. 251–256. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.12.030
26. Neto A. P. de A., Sales F. A., Ramos W. B., Brito R. P. Thermoenvironmental evaluation of a modified Waelz process for hazardous waste treatment // Process Safety and Environmental Protection. 2021. Vol. 149. рр. 442–450. DOI: 10.1016/j.psep.2020.11.021
27. Пат. 2753670 C1 РФ. Способ восстановления свинца из кислородных соединений оксисульфатной фракции аккумуляторного лома / Чекушин В. С., Чекушин М. В., Олейникова Н. В., Марченко Н. В. ; заявл. 25.12.2020 ; опубл. 19.08.2021, Бюл. № 23.
28. Nor Kamariah, Panagiotis Xanthopoulos, Jia Song, Natalia Pires Martins et al. Selective Lead Extraction from Zinc Calcine and Zinc Leaching Residue by Leaching with Monoethanolamine Solvent Systems // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2024. Vol. 63, Iss. 14. pp. 6110–6120. DOI: 10.1021/acs.iecr.4c00291
29. Сергеева Ю. Ф., Мамяченков С. В., Сергеев В. А., Галлямова Н. Р. Современные способы переработки пылей медеплавильных предприятий // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 30, № 5. С. 1–19.
30. Villen-Guzman M., Garcia-Rubio A., Paz-Garcia J. M., Rodríguez-Maroto J. M. et al. The use of ethylenedia minetetraacetic acid as enhancing agent for the remediation of a lead polluted soil // Electrochimica Acta. 2015. Vol. 181. рр. 82–89. DOI: 10.1016/J.ELECTACTA.2015.03.061
31. Карелов С. В., Анисимова О. С., Мамяченков С. В., Сергеев В. А. Выщелачивание свинцовых кеков цинкового производства в комплексообразующем растворителе // Известия вузов. Цветная металлургия. 2008. № 2. С. 20–23.
32. Гейдаров А. А., Ахмедов М. М., Каримов М. А., Валиев Б. С., Эфендиева С. Г. Исследование кинетики выщелачивания сульфата свинца в растворах хлорида натрия // Металлы. 2009. № 6. С. 17–22.
33. Рюмин А. И., Миронкина Н. В. Исследование кинетических закономерностей растворения сульфата свинца в растворах хлорида и гидроксида натрия // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2013. Т. 6, № 4. С. 450–454.
34. Мальцев Г. И., Тимофеев К. Л. Расчет и оптимизация технологий с использованием HSC Chemistry : учебное пособие // Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. — 212 с.
35. Georgiou D., Papangelakis V. G. Sulphuric acid pressure leaching of a limonitic laterite: chemistry and kinetics // Hydrometallurgy. 1998. Vol. 49. рр. 23–46. DOI: 10.1016/S0304-386X(98)00023-1
36. Серебряков М. А. Разработка гидрометаллургической технологии переработки некондиционных медных концентратов обогащения медистых песчаников: дис. … канд. техн. наук. — СПб., 2018. — 131 с.