استخراج طلا با سدیم تیوسولفات چگونه انجام می‌شود؟

استخراج طلا با سدیم تیوسولفات یک روش هیدرومتالورژیکی غیرسیانیدی است که در آن طلای فلزی به کمپلکس محلول طلا–تیوسولفات تبدیل می‌شود. این فرایند برای بعضی کانسنگ‌های کربن‌دار، برخی خوراک‌های مس‌دار و نیز بعضی ضایعات الکترونیکی گزینه‌ای قابل بررسی است؛ اما باید توجه کرد که افزودن سدیم تیوسولفات به خاک یا برد الکترونیکی به‌تنهایی باعث استحصال کامل طلا نمی‌شود. برای موفقیت فرایند باید سه مسئله جداگانه حل شود: طلا از ساختار خوراک آزاد باشد، در مرحله لیچینگ به محلول انتقال یابد و سپس از محلول تیوسولفاتی بازیابی شود. به همین دلیل هیچ فرمول عمومی یا دستور ثابتی برای همه خاک‌ها، کنسانتره‌ها و بردهای الکترونیکی وجود ندارد.

«برای آشنایی با خواص و کاربردهای سدیم تیوسولفات، به مقاله سدیم تیو سولفات چیست و چه کاربردهایی دارد؟ مراجعه کنید.»

مراحل استخراج طلا با سدیم تیوسولفات به شکل خلاصه

1. از کانسنگ نمونه نماینده تهیه و عیار و کانی‌شناسی آن بررسی می‌شود. 
2. خوراک خرد و آسیاب می‌شود. اگر طلا در کانی‌های سولفیدی محبوس باشد، ممکن است پیش‌اکسیداسیون لازم شود.
3. از جامد آسیاب‌شده و آب، پالپ با درصد جامد مشخص ساخته می‌شود.
4. با افزودن آمونیاک به پالپ، محیط معمولاً نزدیک پی اچ 9 تا 10 نگه داشته می‌شود.
5. سدیم تیوسولفات و مقدار طراحی‌شده‌ای از ترکیب مس به سامانه افزوده می‌شوند.
6. پالپ با کنترل دما، اختلاط و وضعیت اکسایش–کاهش لیچ می‌شود تا طلا به کمپلکس محلول ³⁻[Au(S₂O₃)₂] تبدیل شود.
7. کمپلکس طلا معمولاً با رزین تبادل آنیونی از محلول یا مستقیماً از پالپ گرفته می‌شود.
8. طلا از رزین جدا و سپس با جریان برق، رسوب‌دهی شیمیایی یا سمنتاسیون به محصول فلزی تبدیل می‌شود.

تیوسولفات چیست و چگونه طلا را حل می‌کند؟

تیوسولفات با نماد شیمیایی ⁻S₂O₃² یک لیگاند (یون یا مولکولی که به یون فلزی متصل می‌شود) گوگردی است که با طلای یک‌ظرفیتی کمپلکس نسبتاً پایدار ⁻³[Au(S₂O₃)₂] تشکیل می‌دهد. در عمل می‌توان این یون را از نمک‌هایی مانند تیوسولفات سدیم، تیوسولفات آمونیوم یا تیوسولفات کلسیم تأمین کرد. بنابراین ماده فعال اصلی، یون تیوسولفات است؛ ولی نوع نمک و ترکیب کل محلول بر پایداری و عملکرد فرایند اثر می‌گذارد. واکنش کلی و ساده‌شده انحلال طلا در حضور اکسیژن را می‌توان به شکل زیر نمایش داد:

⁻4Au + 8S₂O₃²⁻ + O₂ + 2H₂O → 4[Au(S₂O₃)₂]³⁻ + 4OH

این معادله فقط جمع‌بندی واکنش است. سازوکار واقعی، به‌ویژه در سامانه متداول مس–آمونیاک–تیوسولفات، چندمرحله‌ای است. یون مس دوظرفیتی نقش واسطه اکسایش–کاهش را دارد، آمونیاک به پایدارشدن گونه‌های محلول مس کمک می‌کند و اکسیژن می‌تواند مس یک‌ظرفیتی را دوباره به گونه فعال‌تر تبدیل کند. در نتیجه بهتر است که مس را واسطه یا کاتالیزور فرایند و آمونیاک را پایدارکننده و تنظیم‌کننده شیمی محلول بدانیم.

نکته مهم این است که اکسیژن و مس هم‌زمان می‌توانند اکسایش ناخواسته تیوسولفات به تتراتیونات و دیگر گونه‌های پلی‌تیونات را افزایش دهند. بنابراین مقدار بیشتر مس یا هوادهی شدیدتر لزوماً به استخراج بیشتر طلا منجر نمی‌شود و حتی ممکن است مصرف ماده و هزینه فرایند را بالا ببرد.

تیوسولفات برای چه نوع خوراکی مناسب‌تر است؟

کانسنگ‌های کربن‌دار و پدیده Preg-robbing

در بعضی کانسنگ‌های کربن‌دار، مواد کربنی طبیعی کمپلکس طلا–سیانید را جذب می‌کنند و طلا را از محلول می‌ربایند. کمپلکس طلا–تیوسولفات تمایل بسیار کمتری به کربن گرافیتی دارد؛ ازاین‌رو این روش برای برخی خوراک‌های کربن‌دار مزیت مهمی دارد.

کانسنگ‌های مس‌دار

وجود مس می‌تواند مصرف سیانور را به‌شدت افزایش دهد و در چنین شرایطی تیوسولفات گزینه‌ای برای آزمایش است. بااین‌حال عبارت «مناسب برای تمام کانسنگ‌های مس‌دار» درست نیست؛ زیرا انحلال کانی‌های مس ممکن است مصرف تیوسولفات، رسوب‌های سطحی و مشکلات بازیابی را افزایش دهد. تصمیم نهایی باید بر پایه تست مقایسه‌ای گرفته شود.

کانسنگ‌های مقاوم سولفیدی

اگر طلا از نظر فیزیکی داخل شبکه سولفیدی محبوس باشد، تغییر حلال مشکل آزادی طلا را حل نمی‌کند. تیوسولفات معمولاً پس از یک پیش‌تصفیه اکسیداتیو مناسب بررسی می‌شود.

بردهای الکترونیکی و پسماندهای ثانویه

مطالعات آزمایشگاهی امکان انحلال طلا از بردهای مدار چاپی با سامانه‌های تیوسولفاتی را تأیید کرده‌اند؛ اما نتایج به آماده‌سازی برد و مقدار مس، قلع، آلومینیوم و سایر فلزات وابسته‌اند. استخراج بالای گزارش‌شده در یک نمونه را نمی‌توان به تمام بردها تعمیم داد. همچنین بازیافت ایمن برد فقط مسئله طلا نیست و مدیریت فلزات سنگین، رزین‌ها و پساب اهمیت اساسی دارد.

مراحل استخراج طلا به کمک سدیم تیوسولفات 

1. شناسایی و آنالیز خوراک

پیش از انتخاب هر روش باید عیار طلا، فلزات پایه، نوع کانی‌های سولفیدی، کربن آلی و نحوه قرارگیری ذرات طلا مشخص شود؛ عیار مقدار طلا نسبت به جرم نمونه است؛ آنالیز عیار به‌تنهایی کافی نیست؛ زیرا دو نمونه با عیار طلای برابر می‌توانند رفتار کاملاً متفاوتی در لیچینگ؛ یعنی حل‌کردن انتخابی فلز هدف در حلال از جامد آن، داشته باشند. عیار طلا در جامد معمولاً با Fire Assay یا به اختصار FA، یعنی آزمون ذوب و جداسازی فلزات گران‌بها، تعیین می‌شود.

برای یک ارزیابی حرفه‌ای معمولاً از آنالیز شیمیایی، بررسی کانی‌شناسی و در صورت نیاز روش‌هایی که در ادامه معرفی شده‌اند استفاده می‌شود: 

• AAS یا Atomic Absorption Spectroscopy: طیف‌سنجی جذب اتمی برای اندازه‌گیری غلظت یک یا چند فلز
• ICP-OES یا Inductively Coupled Plasma–Optical Emission Spectrometry: پلاسمای جفت‌شده القایی با خوانش نشر نوری برای سنجش چندعنصری
• ICP-MS یا Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry: پلاسمای جفت‌شده القایی همراه طیف‌سنج جرمی برای اندازه‌گیری بسیار حساس عناصر
• XRF یا X-ray Fluorescence: فلورسانس پرتو ایکس برای تعیین ترکیب عنصری کلی جامد
• XRD یا X-ray Diffraction: پراش پرتو ایکس برای شناسایی فازها و کانی‌های بلوری

هدف این است که مشخص شود طلا آزاد است، در سولفیدها محبوس شده یا با مواد کربن‌دار و کانی‌های مصرف‌کننده معرف همراه است.

2. آماده‌سازی یا پیش‌تصفیه

خوراک معدنی معمولاً خرد و آسیاب می‌شود تا سطح تماس و آزادی ذرات طلا افزایش یابد. بااین‌حال آسیاب بیش از حد می‌تواند سطح کانی‌های مصرف‌کننده تیوسولفات را افزایش دهد و جداسازی جامد-مایع را دشوار و مصرف معرف را بیشتر کند؛ بنابراین اندازه مناسب باید با آزمایش تعیین شود. اگر طلا داخل پیریت، آرسنوپیریت یا دیگر کانی‌های سولفیدی محبوس باشد، تیوسولفات به‌تنهایی قادر به آزادکردن آن نیست. چنین خوراکی ممکن است پیش از لیچینگ به اکسیداسیون تحت فشار، اکسیداسیون زیستی یا پیش‌تصفیه مناسب دیگری نیاز داشته باشد. هدف از این کار شکستن یا اکسیدکردن شبکه سولفیدی و در دسترس قرار دادن طلا برای محلول تیوسولفات است.در ضایعات الکترونیکی نیز جداسازی اجزا و مدیریت مس، قلع و سایر فلزات پایه اهمیت زیادی دارد.

3.تهیه پالپ و تعیین درصد جامد

جامد آسیاب‌شده با آب یا محلول فرایندی مخلوط می‌شود. درصد جامد وزنی از رابطه زیر به دست می‌آید:

 جامد وزنی (%) = جرم جامد خشک جرم کل پالپ × 100

برای مثال، پالپ 20 درصد جامد شامل 200 گرم جامد خشک و 800 گرم محلول در هر کیلوگرم پالپ است. درصد جامد کمتر معمولاً تعلیق ذرات و کنترل شیمی را آسان‌تر می‌کند، اما آب و حجم تجهیزات بیشتری می‌خواهد. در مطالعات مختلف، 10 تا 50 درصد جامد گزارش شده است؛ این بازه گسترده نشان می‌دهد که عدد مناسب به خوراک و نوع راکتور وابسته است.

4.ایجاد محیط قلیایی و پایدارکردن مس

در سامانه مس–آمونیاک، محدوده pH حدود 9 تا 10 را برای پایداری هم‌زمان تیوسولفات و کمپلکس مس–آمونیاک، محدوده‌ای رایج معرفی می‌کند. پی اچ 9 تا 10 یک نقطه شروع پژوهشی است، نه عدد تضمینی. آمونیاک هم به قلیایی‌بودن محیط کمک می‌کند و هم مس را به شکل کمپلکس آمینی در محلول نگه می‌دارد. ترتیب و سرعت افزودن واکنشگرها باید ابتدا در مقیاس کوچک اعتبارسنجی شود، زیرا تماس موضعی محلول‌های غلیظ مس و تیوسولفات می‌تواند شیمی را از شرایط طراحی‌شده خارج کند.

5.افزودن سدیم تیوسولفات و محاسبه شکل پنج‌آبه

غلظت‌های 0.1 تا 0.2 مولار در چندین مطالعه بررسی شده‌اند. این اعداد محدوده آزمون‌اند، نه نسخه عمومی مصرف. شکل تجاری رایج سدیم تیوسولفات، Na₂S₂O₃·5H₂O است. عبارت پنج‌آبه یعنی در شبکه بلوری هر واحد سدیم تیوسولفات، پنج مولکول آب تبلور وجود دارد. جرم مولی این شکل حدود 248.18 گرم بر مول است. مقدار نظری برای تهیه یک لیتر محلول نهایی 0.2 مولار از نوع پنج‌آبه چنین محاسبه می‌شود:

0.2 mol/L × 248.18 g/mol = 49.64 g/L

توجه کنید که یک لیتر محلول نهایی با افزودن ماده به یک لیتر آب یکسان نیست؛ در کار حجمی، ماده حل می‌شود و سپس حجم نهایی به یک لیتر رسانده می‌شود. خلوص واقعی ماده نیز باید در محاسبه تصحیح شود.

6.افزودن کنترل‌شده ترکیب مس و آغاز لیچینگ

محلول مس با غلظت طراحی‌شده وارد سامانه می‌شود. کمبود مس می‌تواند سرعت انحلال را محدود کند، درحالی‌که مس زیاد ممکن است تیوسولفات بیشتری مصرف کند. به عبارتی مقدار مس بر مصرف تیوسولفات اثر دارد. پس از افزودن خوراک و واکنشگرها، زمان لیچینگ ثبت و دما، pH و Oxidation–Reduction Potential یا به اختصار ORP پایش می‌شوند. تغییر ناگهانی این شاخص‌ها یا تشکیل رسوب می‌تواند نشانه تغییر گونه‌های مس یا ناپایداری تیوسولفات باشد، اما تشخیص علت فقط از روی رنگ کافی نیست و باید با آنالیز تأیید شود.

7.اختلاط و کنترل اکسیژن

هم‌زدن باید ذرات را معلق نگه دارد و انتقال جرم کافی ایجاد کند؛ عدد دور همزن بدون توجه به قطر پروانه، شکل مخزن، حجم و درصد جامد، قابل انتقال مستقیم به مقیاس دیگر نیست. در سامانه‌های هواخور، اکسیژن به بازتولید ⁺Cu² کمک می‌کند، اما اکسیژن زیاد می‌تواند اکسیدشدن تیوسولفات را تشدید کند. یکی از واکنش‌های جانبی را می‌توان به صورت زیر نشان داد:

⁻2S₂O₃²⁻ → S₄O₆²⁻ + 2e

⁻S₄O₆² یون تتراتیونات است. تری‌تیونات، تتراتیونات و گونه‌های زنجیره‌بلندتر در گروه پلی‌تیونات‌ها قرار می‌گیرند. این ترکیبات اکسی‌گوگردی از اکسیدشدن تیوسولفات تشکیل می‌شوند، واکنشگر را مصرف می‌کنند و می‌توانند در مرحله جذب رزینی با طلا رقابت کنند. نکته مهم این است که همه آزمون‌های معتبر با هوادهی انجام نشده‌اند. برخی تحت جریان نیتروژن خالص انجام می‌شوند تا اکسیژن وارد سامانه نشود. پس نتیجه درست این نیست که همیشه هوا بدهید، بلکه باید وضعیت اکسایش–کاهش متناسب با شیمی همان فرایند کنترل شود.

برای نسبت مشخص آمونیاک به تیوسولفات، ORP اولیه حدود 260 تا 280 میلی‌ولت نسبت به SHE گزارش شد. SHE مخفف Standard Hydrogen Electrode یا الکترود استاندارد هیدروژن و یک مقیاس مرجع برای پتانسیل الکتریکی است. این بازه نباید هدف عمومی تلقی شود. قرائت الکترود Ag/AgCl، یعنی الکترود مرجع نقره/کلرید نقره، بدون تبدیل با مقادیر گزارش‌شده نسبت به SHE قابل مقایسه نیست. نوع الکترود مرجع باید کنار هر عدد ORP ثبت شود.

8.نمونه‌گیری و تعیین نقطه پایان

در زمان‌های از پیش تعیین‌شده، نمونه کوچک گرفته و سریع فیلتر می‌شود. سپس طلا، تیوسولفات و در صورت امکان محصولات اکسیداسیون اندازه‌گیری می‌شوند. هم‌زمان pH، ORP، دما و وضعیت ظاهری پالپ ثبت می‌شود. ثابت‌ماندن طلای محلول در نمونه‌های متوالی می‌تواند نشان دهد ادامه فرایند سودی ندارد، اما نقطه پایان باید با موازنه جرم تأیید شود؛ یعنی حساب‌کردن مقدار طلا در همه جریان‌های ورودی و خروجی تا مشخص شود چه مقدار در محلول، باقیمانده جامد، محلول شست‌وشو یا رزین قرار دارد.

در پایان، باقیمانده جامد شسته، خشک و با آزمون ذوب آنالیز می‌شود. اگر استخراج بر اساس خوراک و باقیمانده جامد محاسبه شود، رابطه صحیح چنین است:

در این رابطه m جرم خشک و C عیار طلاست. برای موازنه کامل‌تر باید طلای محلول، محلول شست‌وشو و هر رسوب یا رزین نیز سنجیده شود. استخراج لیچی سهم طلایی است که از جامد به محلول منتقل شده، درحالی‌که بازیابی نهایی سهم طلایی است که پس از مراحل رزین و تولید فلز واقعاً به محصول رسیده است.

9.جداسازی و بازیابی طلا از محلول

پس از لیچینگ سه مسیر متداول مطرح است:

• جداسازی جامد–مایع: پالپ فیلتر می‌شود و محلول باردار، یعنی محلولی که طلای حل‌شده دارد، به ستون رزین می‌رود.
• RIP یا Resin-in-Pulp: رزین در پالپ؛ رزین پس از لیچینگ با پالپ تماس داده می‌شود تا طلا را جذب کند.
• RIL یا Resin-in-Leach: رزین در لیچ؛ رزین در حین لیچینگ در سامانه حضور دارد.

مرز عملی RIP و RIL ممکن است در منابع مختلف کمی متفاوت تعریف شود؛ بنابراین فلوشیت هر مطالعه باید جداگانه بررسی شود. کمپلکس ⁻³[Au(S₂O₃)₂] بار منفی دارد. رزین تبادل آنیونی بازی قوی دارای جایگاه‌های مثبت دائمی است و می‌تواند یون‌های منفی مانند کمپلکس طلا–تیوسولفات را جذب کند. این رزین‌ها گزینه مهم بازیابی طلا از محلول تیوسولفات‌اند، هرچند پلی‌تیونات‌ها و کمپلکس‌های مس می‌توانند با طلا رقابت کنند. کربن فعال متداول، برخلاف سامانه طلا–سیانید، معمولاً جذب قابل اتکایی برای کمپلکس طلا–تیوسولفات ندارد. این جمله به معنی جذب مطلقاً صفر نیست؛ شرایط ویژه یا اصلاح کربن می‌تواند رفتار را تغییر دهد، اما مسیر صنعتی شناخته‌شده‌تر برای محلول تیوسولفات، رزین آنیونی است.

10. واجذب، تولید طلای فلزی و بازیافت محلول

رزین باردار از پالپ جدا و شسته می‌شود. سپس طلا طی واجذب یا Elution از رزین خارج می‌شود؛ واجذب یعنی جداکردن ماده جذب‌شده از سطح رزین و انتقال آن به حجم کوچک‌تری از محلول. طلای محلول واجذب‌شده را می‌توان با یکی از روش‌های زیر بازیابی کرد:

• الکترووینینگ یا Electrowinning: عبور جریان برق برای نشاندن فلز روی کاتد؛ کاتد الکترودی است که واکنش کاهش روی آن رخ می‌دهد.
• رسوب‌دهی شیمیایی: تبدیل طلای محلول به یک جامد با افزودن واکنشگر مناسب.
• سمنتاسیون یا Cementation: رسوب‌دادن فلز نجیب‌تر با افزودن فلزی فعال‌تر که الکترون در اختیار آن می‌گذارد.

محصول جامد پس از شست‌وشو و آماده‌سازی ذوب می‌شود.

کدام عوامل بیشترین اثر را بر لیچینگ تیوسولفاتی دارند؟

برای تعیین امکان‌پذیری فرایند چه آزمایش‌هایی لازم است؟

مسیر درست از یک نمونه نماینده و آزمون مقیاس آزمایشگاهی آغاز می‌شود:

1. تعیین عیار سر و آنالیز کامل فلزات اصلی و مزاحم
2. بررسی کانی‌شناسی و میزان آزادی یا محبوس‌بودن طلا
3. انتخاب پیش‌تصفیه و اندازه ذرات مناسب
4. اجرای مجموعه تست‌های طراحی‌شده، نه یک آزمایش منفرد
5. سنجش هم‌زمان طلای محلول و طلای باقی‌مانده در جامد و بستن موازنه جرمی
6. اندازه‌گیری مصرف تیوسولفات و تغییرات مس، آمونیاک، pH، اکسیژن و پتانسیل محلول
7. آزمایش مستقل مرحله بازیابی با رزین، سمنتاسیون یا گزینه منتخب
8. ارزیابی کیفیت محصول، بازیافت معرف، تصفیه پساب و هزینه کل فرایند

درصد استخراج بدون موازنه جرمی، مصرف معرف و آزمون بازیابی برای تصمیم صنعتی کافی نیست.

روش‌های بازیابی طلا از محلول تیوسولفات

در منابع فارسی گاهی رسوب‌دادن طلا به‌عنوان یک مرحله ساده معرفی می‌شود. در عمل، معرف‌هایی که برای رسوب طلا از محلول کلریدی یا تیزاب سلطانی استفاده می‌شوند، لزوماً روی محلول تیوسولفاتی همان عملکرد را ندارند. پیش از انتخاب روش باید گونه شیمیایی طلا، غلظت آن و حضور مس و محصولات اکسایش تیوسولفات مشخص باشد.

آیا استخراج طلا با تیوسولفات واقعاً روشی سبز است؟

تیوسولفات از نظر سمیت حاد معمولاً از سیانور کم‌خطرتر است، اما بدون سیانور مترادف بدون خطر یا بدون آلودگی نیست. آمونیاک می‌تواند چشم، پوست و دستگاه تنفسی را تحریک یا در غلظت بالا آسیب جدی ایجاد کند. نمک‌های مس نیز برای محیط‌های آبی خطرناک‌اند. علاوه بر این، مصرف آب و معرف، نوع پیش‌تصفیه، بازیافت مواد و نحوه مدیریت پساب بر اثر زیست‌محیطی نهایی اثر می‌گذارند.

مقایسه استخراج طلا با تیوسولفات و سیانور

اشتباهات رایج در اجرای روش تیوسولفات

1. تصور اینکه تیوسولفات به‌تنهایی طلا را استخراج می‌کند: انحلال مؤثر به اکسیدکننده، شیمی مناسب محلول و دسترسی فیزیکی طلا نیاز دارد.
2. کپی‌کردن غلظت‌ها از یک مقاله: شرایط بهینه همان مقاله فقط برای خوراک و تجهیزات آزمایش‌شده معتبر است.
3. برابر دانستن انحلال و بازیابی: ممکن است طلا وارد محلول شود، اما در مرحله جذب، الوشن یا رسوب‌دهی از دست برود.
4. افزایش بی‌حساب مس یا هوادهی: این کار می‌تواند به‌جای بهبود استخراج، تجزیه تیوسولفات را تشدید کند.
5. بی‌توجهی به فلزات پایه در بردها: مس و دیگر فلزات، شیمی لیچ و بازیابی را تغییر می‌دهند.
6. استفاده از روش رسوب‌دهی محلول‌های اسیدی برای محلول تیوسولفات: گونه شیمیایی طلا متفاوت است و یک معرف واحد در همه محیط‌ها عمل نمی‌کند.
7. اسیدی‌کردن خودسرانه محلول: تیوسولفات در محیط اسیدی ناپایدار است و می‌تواند تجزیه شده و بخارات یا گازهای گوگردی ایجاد کند.

جمع‌بندی

استخراج طلا با تیوسولفات یک فناوری علمی و اثبات‌شده است، اما یک دستور ساده برای مخلوط‌کردن چند ماده نیست. تیوسولفات طلا را به کمپلکس محلول تبدیل می‌کند؛ مس، آمونیاک و اکسیژن شیمی واکنش را هدایت می‌کنند و رزین یا روش مناسب دیگری باید طلا را از محلول بازیابی کند. مهم‌ترین مزیت این فرایند، کاربرد آن برای بعضی خوراک‌هایی است که در مدار سیانیدی مشکل ایجاد می‌کنند. مهم‌ترین محدودیت نیز مصرف معرف و حساسیت بالای فرایند به ترکیب خوراک و شرایط عملیاتی است.

برای انتخاب این روش، ابتدا باید آنالیز کانی‌شناسی و تست لیچینگ انجام شود و هم‌زمان بازیابی طلا، مصرف مواد، کیفیت پساب و اقتصاد کل مدار ارزیابی گردد. هر ادعایی درباره فرمول قطعی یا درصد بازیابی تضمینی بدون شناخت نمونه، از نظر علمی معتبر نیست.