Одними из наиболее популярных методов концентрирования и очистки из- влекаемого металла являются процессы сорбции и экстракции. Эти процессы ис- пользуют для концентрирования разбавленных растворов, содержащих не более 1% извлекаемого металла, или для селективного его выделения из поликомпо- нентного раствора.

В сравнении с осадительными процессами использование сорбционно- экстракционной технологии обладает рядом преимуществ:

- нет побочных продуктов;

- возрастают селективность извлечения металлов и возможности ее регули- рования за счет изменения рН, окислительно-восстановительных условий, введе- ния комплексообразователя;

- используется более компактная аппаратура;

- осуществляется непрерывный режим с автоматическим управлением.

Данные процессы нашли широкое применение в гидрометаллургии таких металлов как золото, серебро, медь, большинства редких металлов и т.д.

Эффективность сорбционных и экстракционных процессов определяется степенью извлечения металла, очистки и концентрирования раствора. При этом должны обеспечиваться максимальная емкость и селективность реагента, прием- лемые кинетические показатели. К наиболее важным технологическим парамет- рам относятся емкость, число ступеней и продолжительность контакта, объем единовременной загрузки реагента.

Сорбция – процесс поглощения растворенных веществ специальными веще- ствами (сорбентами). В качестве сорбентов в гидрометаллургии применяют глав- ным образом иониты – искусственные высокомолекулярные органические соеди- нения или активированные угли.

Процесс сорбции на иониты является обменным, т.е. в процессе происходит осаждение металла на смолу, а в раствор переходит эквивалентное количество ионов того же знака, заряда, которыми была предварительно заряжена смола. По характеру ионогенных групп иониты делятся на катиониты, содержащие кислот- ные группы, аниониты, содержащие основные группы; последние в зависимости от рН раствора способны обменивать катионы, анионы либо и те и другие ионы одновременно. Известны четыре типа ионитов, отличающихся типом ионогенных групп и степенью их ионизации:

- сильнокислотные катиониты (имеющие активные группы -SO₃H, -РО(ОH)₂ и др.) и высокоосновные аниониты (имеющие активные группы -N(CH₃)₃OH);

- слабокислотные катиониты (группы -СООН, -ОН); низкоосновные анио- ниты (группы =NH, N₅–СН₂–N(CH₃)₂);

- амфотерные иониты (амфолиты);

- катиониты и аниониты полуфункционального характера, обменная ем- кость которых непрерывно возрастает по мере повышения рН (для катионитов) и рОН (для анионитов).

Основными технологическими характеристиками ионитов являются:

- емкость (полная обменная емкость (ПОЕ), статическая обменная емкость (СОЕ), динамическая (рабочая) обменная емкость, т.е., емкость до «проскока» вещества в фильтрат (рафинат) (ДОЕ));

- плотность, гранулометрический состав;

- механическая, термическая, химическая и радиационная устойчивость;

- набухаемость.

Первые три параметра характерны и для активированных углей.

Все сорбенты должны обладать высокой удельной емкостью, скоростью по- глощения, десорбции и регенерации, достаточной механической, химической и термической устойчивостью, быть доступными.

Сорбционная технология включает ряд последовательных операций:

- подготовку исходного сорбента (отмывку, для смол – зарядку в требуемую форму);

- собственно сорбцию;

- элюирование (десорбцию) с помощью внешнего реагента с получением очищенного и концентрированного раствора (элюата) извлекаемого компонента;

- регенерацию сорбента для дальнейшего использования (очистку от приме- сей, промывку, для смол – зарядку, подгрузку исходного).

Раствор, используемый для вымывания ионов металла из сорбента, называ- ется элюентом, а процесс – элюацией или десорбцией. Раствор, используемый для перевода сорбента в рабочую форму, – регенератом, а сам процесс – регенераци- ей. Раствор после сорбционной обработки называется рафинатом.

Наиболее простым аппаратом для сорбции является колонна со сплошным слоем сорбента. Применяют одну или несколько сорбционных колонн. В случае применения нескольких колонн осуществляют противоток движения растворов и сорбента. Раствор обычно подают в нижнюю часть колонны, наполненной сор- бентом. Далее раствор самотеком перетекает в следующую колонну и далее уже обезметалленный выводится из последней колонны. Сорбент по мере насыщения выводят на операцию десорбции и регенерации для извлечения металлов, а в про- цесс загружается свежая порция сорбента. Десорбцию металлов со смолы и реге- нерацию сорбента также проводят в колоннах аналогичным образом. Схема реге- нерации и десорбции зависит от типа применяемого сорбента.

Процесс экстракции основан на способности ряда органических веществ, не смешивающихся с водой, селективно образовывать с ионами металлов соедине- ния и на извлечении их в органическую фазу.

Значение основных терминов, используемых при описании процессов экс- тракции:

- экстрагент – органическое вещество, образующее с извлекаемым металлом соль или комплекс, которые растворимы в органической и практически нераство- римы в водной фазах;

- разбавитель – органическая жидкость, служащая для растворения экстра- гента;

- экстракт, рафинат – продукты экстракции, соответственно органическая (богатая по металлу) и водная (обезметалленная) фазы;

- реэкстракт – обогащенная водная фаза, получаемая после реэкстракции насыщенной металлоорганической фазы;

- синергизм – отклонения в показателях экстракции, обусловленные сов- местным использованием двух и более экстрагентов.

Требования, предъявляемые к экстрагентам:

- высокий коэффициент распределения и избирательность;

- заметное различие в плотности, высокие межфазные натяжения;

- быстрота и высокая степень разделения, малая взаимная растворимость в водной фазе;

- химическая устойчивость к кислотам, щелочам, окислителям;

- возможность и простота количественной регенерации;

- незначительная летучесть, вязкость, токсичность, высокая температура вспышки;

- доступность синтеза и невысокая стоимость.

Известно большое разнообразие конструкций экстракционных аппаратов.

Все экстракторы условно разделяют на аппараты:

- с поверхностным контактом, формирующимся в процессе встречного дви- жения потоков водной и органической фазы (колонны); диспергирование фаз до- стигается из-за разности плотностей водной и органической фаз;

- с перемешиванием за счет подвода внешней энергии (пульсаторы, вибра- торы, роторно-дисковые, турбинные, центробежные экстракторы).

После экстракции производят разделение органической и водной фаз мето- дом отстаивания. Органическую фазу, насыщенную по металлу, очищают от при- месей и направляют на реэкстракцию.

Экстракцию применяют для очистки растворов или для их концентрирова- ния в схемах получения более 15 элементов, в т.ч. урана, ванадия, вольфрама, ме- ди, никеля, кобальта, редких элементов, платиноидов и др.

Недостатком экстракции является пожароопасность и токсичность реаген- тов, потери экстрагентов с водной фазой, образование стойкой эмульсии органи- ческой и водной фаз («бороды»), переработка которой является затруднительной.