金矿石加工中的氰化工艺

介绍

这个 氰化法 in 金矿石加工 在全球黄金开采行业中，黄金扮演着至关重要且几乎不可替代的角色。黄金作为一种贵金属，具有悠久的价值，数千年来一直受到人类的追捧。从古代文明中财富和权力的象征，到现代珠宝、电子产品和投资中的应用，黄金的需求一直居高不下。

一个多世纪以来，氰化法一直是黄金开采的基石。其重要性在于它能够有效地从各种矿石中提取黄金。在氰化法出现之前，黄金开采方法往往是劳动密集型的、效率较低的，而且对环境的破坏性更大。例如，早期的黄金开采方法汞合金法需要使用汞与金颗粒结合。然而，这种方法存在重大缺陷，包括汞的毒性高，以及某些矿石类型的回收率相对较低。

相比之下，氰化法彻底改变了金矿开采行业。通过使用氰化物溶液，它可以溶解金颗粒，即使是那些在矿石中细小分散的金颗粒，效率也相对较高。这使得矿业公司能够从以前被认为不经济的矿石中提取黄金。事实上，当今世界黄金产量的很大一部分（估计超过 80%）都以某种形式依赖于氰化法。无论是南非、美国的大型露天矿，还是澳大利亚和中国的地下矿，氰化法都是提取黄金的首选方法。它的广泛使用证明了它在复杂而竞争激烈的金矿开采中的有效性和经济可行性。

什么是氰化物处理工艺

氰化法的核心是利用氰化物离子的独特化学性质进行化学提取。在金矿加工中，其基本原理是CIP主要围绕氰化物离子（CN^-）与游离金的络合反应进行。

自然界中的金通常以游离状态存在，即使它被包裹在其他矿物中。一旦包裹矿物被打开，金就会以单质金的形式显露出来。氰化物离子对金有很强的亲和力。当含金矿石暴露于含氰化物溶液中时，氰化物离子会与金原子形成稳定的复合物。化学反应可以用以下方程式表示：

4Au + 8NaCN+O_2 + 2H_2O = 4Na[Au(CN)_2]+4NaOH。在此反应中，在氧气的作用下，金原子与氰化物离子结合，形成可溶性金-氰化物络合物二氰金酸钠（Na[Au(CN)_2]）。这种转变使原本存在于固体矿石中的金溶解到溶液中，将其与矿石中的其他非金成分分离。

严格来说，氰化法不属于传统的矿物加工范围，而是被归类为湿法冶金。矿物加工通常涉及物理分离方法，例如破碎、研磨、浮选和重力分离，以将有价值的矿物与脉石矿物分离。相比之下，湿法冶金利用化学反应从水溶液中的矿石中提取金属。氰化法依靠化学反应将金溶解在含氰化物的溶液中，显然属于湿法冶金的范畴。这种分类很重要，因为它将氰化法与其他更基于物理的矿石加工技术区分开来，并强调了其在金提取过程中化学反应驱动的性质。

氰化法工艺类型：CIP 和 CIL

在用于黄金提取的氰化法工艺领域中，主要有两种方法：炭浸法（CIP）和炭浸法（CIL）。

CIP 工艺的特点是顺序操作。首先，含金矿浆经过提取阶段。在此阶段，将矿石与含氰化物溶液混合。在适当的氧气供应、pH 值和温度条件下，矿石中的金与氰化物离子形成可溶性络合物，如基本氰化反应中所述。浸出过程完成后，将活性炭引入矿浆中。然后，活性炭从溶液中吸附金 - 氰化物络合物。在某些情况下，这种浸出和吸附步骤的分离可以使工艺更加可控和优化。例如，在矿石成分相对稳定且浸出条件可以精确维持的矿山中，CIP 工艺可以实现较高的金回收率。

另一方面，炭浸法是一种综合方法。在炭浸法中，从矿石中浸出金和活性炭吸附金-氰化物络合物是同时发生的。这是通过将活性炭直接添加到浸出槽中实现的。炭浸法的优势在于它更有效地利用了设备和时间。由于浸出和吸附结合在一起，因此无需额外的设备或时间来在浸出和吸附阶段之间转移矿浆。这减少了加工厂的总体占地面积，并可在资本投资和运营费用方面节省成本。例如，在产量是关键因素的大型采矿作业中，炭浸法可以在更短的时间内处理更大量的矿石，从而最大限度地提高生产效率。

近年来，CIL 工艺在世界各地的氰化厂中被越来越多地采用。该工艺能够更有效地利用生产设备，在许多情况下比 CIP 工艺更具优势。CIL 工艺的连续性也使其运行更稳定，最终产品的质量波动更小。此外，CIL 工艺中工艺步骤的减少意味着在工艺的不同阶段之间转移材料时出现错误或损失的机会更少。然而，在 CIP 和 CIL 之间做出选择并不总是那么简单。它取决于各种因素，例如矿石的性质、采矿作业的规模、可用的投资资本以及当地的环境和监管要求。一些矿山可能仍然更喜欢 CIP 工艺，因为它的性质更易于理解和更分段，在某些情况下更容易管理。

氰化工艺的关键要求

研磨细度

磨矿细度在氰化作业中起着关键作用。由于氰化作业的有效性取决于包裹金的暴露能力，因此磨矿必须细致。在典型的炭浆法（CIP）工厂中，对进入氰化作业的矿石的磨矿细度要求相当严格。一般，-0.074mm 颗粒的比例应达到 80 - 95%。对于一些金以浸染状浸染的矿山，磨矿细度的要求更高，要求-0.037mm 颗粒的比例达到 95% 以上。

要达到如此细的磨矿效果，单级磨矿作业往往不够，多数情况下需要两级甚至三级磨矿。例如，在西澳大利亚的一座大型金矿中，矿石经过两级磨矿过程。第一级采用大容量球磨机将粒度降低到一定程度，然后在第二级搅拌磨机中对产品进行进一步磨矿。这种多级磨矿过程可以逐步减小矿石的粒度，确保金颗粒充分暴露，并能在氰化过程中有效地与氰化物溶液发生反应。如果磨矿细度达不到要求，金颗粒可能得不到充分暴露，导致氰化过程中溶解不完全，金的回收率大大降低。

防止氰化物水解

氰化法中常用的氰化物，如氰化钾 (KCN)、 氰化钠 （NaCN）和氰化钙（Ca(CN)_2）都是强碱弱酸盐，在水溶液中易发生水解反应，水解反应如下： 氰化钠 可以用等式表示：

NaCN + H_2O\rightleftharpoons HCN+NaOH。由于氢氰酸（HCN）具有挥发性，该水解过程会导致矿浆中氰化物离子（CN^-）浓度降低，不利于氰化反应的进行。

要解决这个问题，最有效的办法就是增加氢氧离子（OH^-）的浓度，这相当于增加溶液的pH值。在工业应用中，石灰（CaO）是最常用和最经济的pH调节剂。当石灰加入到溶液中时，它与水发生反应，生成氢氧化钙（Ca(OH)_2），氢氧化钙分解释放氢氧离子，从而增加pH值。石灰与水的反应是：，CaO + H_2O=Ca(OH)_2 & Ca(OH)_2\rightleftharpoons Ca^{2 + }+2OH^- 。

但使用石灰调节pH值时，必须注意石灰还有絮凝作用，为保证石灰分散均匀，能有效发挥作用，通常在磨矿作业时加入。南非某金矿在磨矿过程中将石灰加入球磨机，这样不仅可以使石灰与矿浆充分混合，而且可以利用球磨机强烈的机械搅拌，保证石灰均匀分布在矿浆中，有效防止氰化物水解，在随后的氰化过程中保持氰化物离子浓度的稳定。一般对于炭浆作业，pH值在10—11范围内时，可获得最佳效果。

控制纸浆浓度

矿浆浓度对金与氰化物、金-氰化物配合物与活性炭的接触影响很大，矿浆浓度过高，颗粒容易沉淀在活性炭表面，妨碍活性炭对金-氰化物配合物的有效吸附；矿浆浓度过低，颗粒容易沉降，而且为维持适宜的pH值和氰化物浓度，需要加入大量的试剂，增加了生产成本。

通过多年的生产实践，确定炭包矿浆提金工艺，矿浆浓度为40～45%，氰化物浓度为300～500ppm较为适宜。例如，在美国内华达州的一家金矿加工厂，保持矿浆浓度在这个范围内，一直能获得较高的金回收率。但考虑到二至三段磨矿作业的最终产品浓度一般在20%以下，在进入浸出作业前，矿浆需要经过浓缩过程。

浓缩作业通常在浓密机中进行。浓密机的原理是利用沉降作用，使矿浆中的固体颗粒与液体分离，从而提高矿浆的浓度。在现代化的金矿加工厂中，常常采用高效浓密机。这些浓密机配有先进的絮凝、沉降控制系统，能迅速有效地将矿浆浓度提高到后续氰化浸出作业所需的浓度，保证氰化工艺的顺利进行和金的高效提取。

氰化浸出机理

曝气和氧化剂

氰化法浸出过程是一个有氧过程，这一点可以通过化学反应方程式清楚地说明。氰化法中金溶解的主要反应是4Au+8NaCN+O_2+2H_2O=4Na[Au(CN)_2]+4NaOH。从这个方程式可以看出，氧气（O_2）在反应中起着至关重要的作用。在生产过程中，引入氧气可以大大加快浸出速度。这是因为氧气参与了氧化还原反应，导致CIL促进金的氧化和随后与氰化物离子的络合。例如，在许多金加工厂中，通常将压缩空气引入含氰化物的溶液中。空气中的氧气为反应顺利进行提供了必要的氧化环境。

除了曝气外，适当添加氧化剂也能强化浸出过程。过氧化氢（H_2O_2）是氰化工艺中常用的氧化剂。加入过氧化氢后，能提供额外的活性氧，可进一步促进金的氧化和含金矿物的溶解。在氰化物存在下，过氧化氢与金的反应可用下列反应式表示：2Au+4NaCN+H_2O_2=2Na[Au(CN)_2]+2NaOH。此反应表明，过氧化氢在氰化反应中能取代部分氧气的作用，在一定条件下，可导致浸出速度加快。

但需要注意的是，氧化剂用量过大也会产生不良影响。氧化剂用量过高会导致氰化物离子的氧化。例如，过氧化氢可以与氰化物离子反应生成氰酸离子（CNO^-）。反应式为：CN^-+H_2O_2 = CNO^-+H_2O 。氰酸离子的生成会降低溶液中氰化物离子的浓度，而氰化物离子的浓度是与金络合所必需的。结果，金的浸出效率可能会降低，并对整个生产过程产生负面影响。因此，需要严格控制氧化剂的用量，以确保氰化工艺的最佳性能。

试剂用量

理论上，金与氰化物的络合反应具有特定的化学计量关系，由化学反应式4Au+8NaCN+O_2+2H_2O=4Na[Au(CN)_2]+4NaOH可计算出1摩尔金（Au）需要2摩尔氰化物离子（CN^-）进行络合，以质量计算，约1克金需要约0.5克氰化物作为浸出剂，此计算可为氰化工艺所需试剂用量提供基本参考。

然而，在实际生产中，由于含金矿石中还存在其他矿物，情况要复杂得多。银（Ag）、铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）等矿物也可以与氰化物离子发生反应。例如，铜可以形成各种铜-氰化物复合物。铜与氰化物的反应可以表示为 Cu^{2 + }+4CN^-=[Cu(CN)_4]^{2 - } 。这些竞争反应会消耗大量氰化物，从而增加实际所需的剂量。

因此，在实际操作中，不能仅依据理论计算来确定药剂用量，而应根据最终浸出率进行调整。当矿石性质发生变化时，需要不断跟踪和调整药剂用量。一般情况下，实际氰化物用量比计算值高出200-500倍是合理的。这种较大的偏差范围是由于矿石成分的多变性和不同矿物之间复杂的相互作用造成的。通过密切监测浸出率并相应地调整药剂用量，金提取工艺可以实现更好的效率和经济效益。

多级浸出及浸出时间

为了保证连续操作的稳定性，维持溶液中氰化物离子浓度的相对稳定，常采用多级浸出法。在多级浸出系统中，矿浆依次通过多个浸出槽。每个浸出槽都有助于金的连续溶解和氰化物离子浓度的维持。随着矿浆从一个浸出槽移动到另一个浸出槽，金-氰化物络合物逐渐形成，游离氰化物离子的浓度得到调节，以确保反应平稳进行。这种分阶段的方法有助于缓冲反应条件的任何波动，并为氰化过程提供更稳定的环境。例如，在西澳大利亚的一个大型金矿开采中，采用了五级浸出系统。第一阶段启动浸出过程，后续阶段进一步提取金并维持氰化物离子平衡，从而获得高而稳定的金浸出效率。

浸出时间是确定浸出槽容量的关键因素。然而，没有简单而通用的公式来计算浸出时间。每个炭浆法 (CIP) 或炭浸法 (CIL) 工厂都必须依靠实验数据来确定适当的浸出时间。这是因为浸出时间受多种因素影响，包括矿石的类型和成分、试剂浓度、温度和搅拌强度。例如，在南非的一家金矿加工厂，在工厂建设之前进行了大量实验室规模和中试规模测试。这些测试涉及改变浸出时间并在不同条件下监测金的浸出率。根据实验结果，确定该工厂处理的特定矿石类型的最佳浸出时间为 24 小时。

如果工厂盲目地依赖经验而不进行适当的测试，则很有可能遇到生产故障。例如，某地区的一家小规模金矿开采公司试图使用邻近矿山的浸出时间作为参考，而没有考虑其矿石性质的差异。结果，金的浸出率远低于预期，并且由于浸出效率低下和需要额外的试剂消耗而导致生产成本大幅增加。因此，通过实验数据准确确定浸出时间对于氰化法金矿提取工厂的成功运行至关重要。

氰化后作业

一旦含金活性炭（称为负载炭）的金吸附量达到 3000g/t 以上，则认为整个炭浆吸附过程已完成。然而，矿石中铜和银等高含量杂质的存在会显著影响活性炭的吸附能力。这些杂质会与金争夺活性炭上的吸附位点，导致负载炭品位无法达到预期目标。当活性炭无法再有效吸附金时，即视为其已饱和。

对于饱和活性炭，有几种方法可以得到金。一种常见的方法是解吸和电解。在解吸过程中，使用化学溶液从饱和活性炭中剥离金-氰化物络合物。例如，在高温高压解吸法中，将饱和活性炭放置在具有特定条件的解吸系统中。通过添加更容易被活性炭吸附的阴离子，Au(CN)_2^-络合物从碳表面置换出来。反应机理涉及金-氰化物络合物与添加的阴离子的交换，导致金被释放到溶液中。解吸后，所得溶液称为富集液，其中含有相对高浓度的金离子。

然后，富集溶液进行电解。在电解槽中，施加电流。溶液中的金离子被吸引到阴极，在那里它们获得电子并被还原为金属金。该过程可以用以下方程式表示：Au^+ + e^-\rightarrow Au。金以金泥的形式积聚在阴极上，可以进一步加工以获得高纯度的金。

在黄金生产集中的地区，另一种选择是出售负载碳。这可能是一个有利可图的选择，因为一些专业公司有能力对负载碳进行进一步加工。他们拥有从负载碳中提取黄金的专业知识和设施，而金矿开采公司可以通过将负载碳出售给这些实体来获得收入。

另一种相对简单的方法是燃烧。当负载的活性炭燃烧时，活性炭的有机成分被氧化并烧掉，而金则以金合金的形式留在残渣中，称为金锭。金锭通常含有高比例的金和一些杂质。燃烧后，金锭可以通过冶炼和净化等工艺进一步精炼，以获得符合珠宝、电子和投资行业商业用途标准的高纯度黄金产品。

氰化法的优点和缺点

性能

1. 高恢复率： 氰化法工艺最显著的优点之一是回收率高。对于典型的氧化含金石英脉矿石，当采用炭浸法（CIP）或炭浸法（CIL）工艺时，总回收率可达93%以上。在一些经过良好优化的作业中，回收率甚至可能更高。这种高回收率意味着矿业公司可以提取矿石中存在的大量金，从而最大限度地提高采矿作业的经济回报。例如，在美国的一家大型金矿中，通过严格控制磨矿细度、矿浆浓度和试剂用量等工艺参数，氰化法工艺的金回收率长期保持在95%左右，远高于许多其他金提取方法。

2. 适用性广： 氰化法适用于多种含金矿石，不仅能有效处理氧化金矿石，还能有效处理部分含硫化金矿石。无论金是游离状态还是包裹在其他矿物中，只要通过适当的预处理和工艺控制，氰化法通常都能将金溶解。例如，在南美洲一些矿石中含有硫化物和氧化金矿物混合物的矿山中，氰化法已得到成功应用。在对硫化物矿物进行适当的氧化预处理后，氰化法可获得令人满意的金提取效果，表明其对不同矿石类型的适应性很强。

3. 成熟的技术： 氰化法已有一百多年的历史，已成为金矿开采行业一项高度成熟的技术。设备和操作程序完善，积累了大量的经验和数据。这种成熟度意味着该工艺相对易于操作和控制。矿业公司可以依靠现有的技术标准和指南来设计、建造和运营氰化厂。例如，氰化浸出槽的设计、吸附用活性炭的选择、药剂用量的控制都有标准的程序和方法。新建的氰化厂可以快速启动并达到稳定的生产状态，从而降低采用新技术带来的风险。

缺点

1. 氰化物的毒性： 氰化法最突出的缺点是氰化物的毒性。氰化物化合物，如 氰化钠 氰化物和氰化钾等都是剧毒物质，即使是少量的氰化物也会对人体健康和环境产生极大的危害。含氰化物溶液在开采过程中若发生泄漏，会污染土壤、水源和空气。例如历史上的一些矿难，含氰化物废水的泄漏导致附近河流、湖泊中大量水生生物死亡，也对当地居民的健康构成了威胁。人体吸入、食入或者皮肤接触氰化物，会出现严重的中毒症状，包括头晕、恶心、呕吐等，严重的话还会致命。因此，氰化物使用过程中需要采取严格的安全和环保措施，这增加了开采作业的复杂性和成本。

2. 复杂且昂贵的后处理： 氰化工艺后的后处理操作相对复杂，投资较大。含金活性炭达到饱和状态后，需要经过解吸、电解或燃烧等工艺才能得到纯金。解吸和电解过程需要专门的设备和化学试剂。例如，在解吸过程中可能需要高温高压设备，使用化学溶液进行解吸也需要严格控制，以保证金的回收和试剂的循环利用。此外，后处理过程中产生的废渣和废水的处理也是一个挑战。废渣中可能仍含有微量的氰化物和其他有害物质，废水需要经过处理才能达到严格的环保排放标准，这些都导致整个氰化工艺的成本居高不下。

3. 对矿石杂质的敏感性： 氰化法工艺对矿石中的杂质高度敏感。铜、银、铅和锌等矿物可与氰化物发生反应，消耗大量氰化物试剂。这不仅增加了试剂成本，而且降低了金的提取效率。例如，当矿石中的铜含量较高时，铜可以形成稳定的铜-氰化物络合物，与金争夺氰离子。结果，可用于金络合的氰化物量减少，金的浸出率可能受到显著影响。在某些情况下，可能需要额外的预处理步骤来去除或减少这些杂质的影响，这进一步增加了采矿过程的复杂性和成本。

结语

总之，氰化法是金矿开采行业不可或缺的技术。其回收率高、适用性广、技术成熟，已成为全球黄金开采的主导方法。它使从各种矿石中提取黄金成为可能，为全球黄金供应做出了重大贡献。

然而，氰化工艺并非一帆风顺。氰化物的毒性对人类健康和环境构成严重威胁。必须采取严格的安全和环保措施，防止氰化物泄漏，确保含氰废水和废渣得到妥善处理。此外，复杂且昂贵的后处理操作，以及该工艺对矿石杂质的敏感性，增加了黄金生产的难度和成本。

展望未来，金矿石加工中氰化工艺的未来很可能由技术进步决定。开发更环保、更高效的氰化方法，例如使用低毒氰化物替代品，是一个有前途的方向。自动化和智能控制技术也将发挥越来越重要的作用。这些技术可以提高生产效率，降低人为错误相关风险，并优化资源利用。例如，自动化系统可以精确控制试剂剂量、矿浆浓度和其他关键参数，确保更稳定、更高效的生产过程。

此外，探索新的氰化相关技术，如生物氰化或将氰化与其他新兴提取方法相结合，可能为现有问题提供新的解决方案。随着不断创新和改进，氰化工艺有可能保持其在金矿加工中的领先技术地位，同时变得更加可持续和环保。由于各行业对黄金的需求依然强劲，氰化工艺的开发和优化对于金矿开采行业的长期发展至关重要。