استخراج طلا با سیانوراسیون یا سیانوراسیون طلا (Gold Cyanidation) به روشی گفته می شود که در طی آن، طلا (Gold) با استفاده از ترکیبات سیانیدی مثل سیانور سدیم از سنگ های معدنی نا مرغوب، استخراج و یا استحصال می شود. این روش با نام فرآیند مک آرتور- فارست (MacArthur- Forest) نیز شناخته می شود. این فرآیند، در حقیقت یک روش هیدرومتالورژی (hydrometallurgy) محسوب می شود که طلا را به یک محلول کمپلکس کوردینانسی تبدیل می کند. هیدرومتالورژی در حقیقت به استفاده از محلول های مبتنی بر آب به منظور استخراج و یا بازیافت فلزاتی مثل طلا و نقره گفته می شود. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی استخراج طلا با سیانوراسیون و عوامل موثر بر آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
عنصر طلا
در جدول تناوبی عناصر، طلا با نماد شیمیایی Au در تناوب ششم و گروه یازدهم جدول قرار گرفته است. شکل و رنگ زیبا و همچنین براقیت این فلز باعث شده که بسیار محبوب باشد. وجود سایر خواص فیزیکی بسیار جالب مانند چکش خواری بسیار زیاد، چگالی بالا، طول عمر زیاد، عدم خوردگی، سهولت استخراج، حفظ رنگ (سیاه نشدن)، حفظ کیفیت و انعطاف پذیری بالا، طلا را به یکی از گرانبهاترین عناصر جهان تبدیل کرده است. طلا همانند نقره می تواند به صورت سکه یا شمش و به عنوان یک منبع مالی در اقتصاد جهانی معامله شود. این فلز تنها یک ایزوتوپ (طلای ۱۹۷) دارد. فلز طلا همچنین هدایت گرمایی و الکتریکی خوبی نشان می دهد. از طرفی دیگر، طلا فلزی جامد، با دوام و تا حدی تجزیه ناپذیر است و معمولاً به صورت خالص در طبیعت یافت می شود.
خصوصیات قابل توجه طلا از ساختار اتمی ([۵۴Xe] 4f۱۴ ۵d۱۰ ۶s۱) آن ناشی می شود. همانطور که مشخص است، یک الکترون در دورترین لایه الکترونی آن وجود دارد. با توجه به ساختار الکترونی، انتظار می رود که این عنصر تک الکترون از دست داده تا به حالت اکتت یا پایدار خود برسد. اما عدد اکسایش ۱+ معمولا ناپایدار است و عدد اکسایش ۳+ پایدار می باشد. طلا نسبت به سایر فلزات توسط واکنش اکسایش- کاهش خیلی ساده تر جانشین می شود.
این عنصر شیمیایی یکی از فلزات واسطه با کمترین میزان واکنش پذیری محسوب می شود. این عنصر به وسیله عناصری مانند اکسیژن و گوگرد مورد حمله قرار نمی گیرد. در حالیکه به سادگی با هالوژن ها و همچنین محلول های دارای کلر، مثل تیزاب سلطانی (مخلوط غلیظ اسید نیتریک و اسید هیدروکلریک) واکنش می دهد. به علاوه، فلز طلا می تواند در سیانور و در حضور هوا یا هیدروژن پراکسید حل شود.
استخراج و استحصال طلا
به طور کلی استخراج طلا از طریق دو روش معادن روباز و معادن زیر زمینی انجام می شود. استخراج طلا از معادن روباز نسبت به معادن زیر زمینی، به مراتب آسانتر است. از طرفی دیگر، به هزینه های عملیاتی و همچنین سرمایه گذاری به نسبت کمتری نیاز دارد. امروزه چیزی حدود ۶۵ درصد از استخراج سنگ های دارای طلا در آمریکا از معادن روباز و ۳۵ درصد از معادن زیر زمینی استخراج می شود. مساله تعیین کننده بین دو روش مذکور، مربوط به هزینه های مرتبط با استخراج، بازیافت سنگ معدن و هزینه های مرتبط با باطله برداری است. توجه داشته باشید که طلا در سنگ ها اغلب به شکل دانه های پراکنده وجود دارد که ممکن است قابل مشاهده نباشند. بعضی موارد هم می تواند به صورت پولک مانند یا رگه ای نیز ظاهر شود.
این عنصر در رگه ها و رسوبات آبرفتی پیدا می شود و سالانه حدود ۱۵۰۰ تن طلا استخراج می گردد. آب دریا نیز حاوی مقدار کمی طلا است. به علاوه، مقدار زیادی طلا در اقیانوس ها ذخیره شده است. از آنجاییکه غلظت آن بسیار کم است، بنابراین تلاش برای بازیافت این مقدار طلا همیشه ناکام مانده است. بنابراین استخراج طلا از خاک و معادن روی زمین به صرفه تر می باشد. در واقع، تمامی سنگ های آذرین شامل طلا با غلظت های بسیار پایین هستند. به بیان دیگر، به طور متوسط یک گرم طلا را از ۳۵۰ کیلوگرم خاک معدنی بدست می آورند. جالب است بدانید که در بیشتر معادن طلا، در کنار فلز طلا، فلزات گرانبهای دیگری مانند مس، نیکل و اورانیوم نیز به عنوان محصولات فرعی یا ثانویه استخراج می شوند .
استخراج طلا با سیانوراسیون
سیانوراسیون طلا را می توان یک واکنش شیمیایی به منظور بازیافت طلا و یا سایر فلزات گران بهایی که در ابعاد بسیار کوچک و یا به شکل پراکنده در سنگ های معدنی وجود دارند، در نظر گرفت. این روش جهت بازیافت طلای ترکیب شده با سولفید نیز بکار می رود. به معادله واکنش انحلال طلا، معادله اسنر (Elsner Equation) گفته می شود که به شکل زیر نوشته می شود:
۴Au (s) + 8NaCN (aq) + O۲ (g) + 2H۲O (l) → ۴Na[Au(CN)۲] (aq) + 4NaOH (aq)
در این واکنش اکسایش- کاهش، مجصول واکنش شامل کمپلکس یون −Au(CN)۲ می باشد. برای انجام این واکنش، بعد از خرد کردن سنگ معدن، به آن آب اضافه می شود تا دوغاب (Slurry) تشکیل شود. به این دوغاب، سدیم سیانید (NaCN)، پتاسیم سیانید (KCN) و یا کلسیم سیانید (Ca(CN)۲) اضافه می شود که سیانید کلسیم مقرون به صرفه تر است.
سیانید سدیم چیست؟
یکی از دلایلی که ارزش طلا را نسبت به سایر عناصر بالاتر برده است، مقاوم بودن آن در مقابل مواد شیمیایی مختلف می باشد. توجه داشته باشید که سیانید سدیم (NaCN) که با نام سیانور هم مشهور است، جز موارد استثنا محسوب می شود. محلول سیانید سدیم می تواند فلزات با ارزشی مانند طلا و نقره را در خود حل نماید. بدین شکل، جهت استخراج این فلزات گرانبها از سنگ معدن هایی که درصد های کمتری از آنها را دارند، بکار می رود. علاوه بر آن، به منظور استخراج فلزاتی که با استفاده از فرآیند های فیزیکی همچون خرد کردن قابلیت استخراج شدن را نداشته باشند نیز استفاده می شود. سیانید سدیم در حقیقت پودر جاذب رطوبت سفید رنگی است با جرم مولکولی ۴۹ گرم بر مول. این ماده شیمیایی در آب محلول بوده و در الکل به آهستگی حل می شود.
زمانیکه محلول سدیم سیانید در آب حل شود، محلول فوق خاصیت اسیدی پیدا می کند. محلول اسیدی به دلیل قابلیت خورندگی بالایی که پیدا کرده است می تواند سنگ و طلا را از هم جدا کند. در واقع، طلای موجود در سنگ معدن با یون سیانور درگیر واکنش می شود. جالب است بدانید که به محلول حاوی طلا، محلول باردار (pregnant) می گویند. در مرحله بعدی، طلا از محلول سیانور بازیافت می شود. اگر طلا به کمک فرآیند سیانور بازیافت گردد، می توان فلزاتی همچون مس، نیکل و برنج را ذخیره نمود. بنابراین، علاوه بر اینکه روش استخراج طلا با سیانوراسیون بسیار کم هزینه و مقرون به صرفه محسوب می شود، سود قابل توجهی نیز می تواند بدست آورد. لازم به ذکر است که جهت استخراج طلا از محلول های بسیار رقیق نیز از سیانور بهره می برند.
بازیافت طلا از محلول سیانید
بعد از انحلال طلا به کمک محلول سیانور، می توان به روش های مختلفی طلا را از محلول جدا کرد. جالب است بدانید که در گذشته تنها روش موجود، روش استفاده از پودر روی بود. امروزه و بعد از کشف روش کربن فعال، روش پودر روی نسبتا اهمیت خود را از دست داده است. در ادامه به اختصار به تعدادی از این روش ها اشاره می شود.
روش پودر روی در استخراج طلا با سیانوراسیون
در روش پودر روی یا فرآیند مریل- کرو (Merril-Crowe)، پودر روی به محلول حاوی طلا اضافه می شود. اضافه کردن پودر روی به محلول سبب می شود که طلا رسوب کند. زیرا عنصر روی تمایل زیادی دارد که با سیانید واکنش دهد. در اینصورت، محلول را به همراه رسوبات موجود فیلتر می کنند. رسوب شامل طلا بر روی فیلتر باقی می ماند و از محلول جدا می شود. در نهایت، پس از خشک شدن محصول حاصل را به کمک ذوب های مناسب، به شمش طلای خام تبدیل می کنند.
روش کربن در خمیر در استخراج طلا با سیانوراسیون
زمانیکه کربن فعال (کربن اکتیو) به محلول سیانیدی حاوی طلا اضافه شود، این محلول می تواند به کربن اکتیو جذب شود. فرآیند جذب در محلول تا زمان رسیدن به تعادل میان کربن و طلا ادامه پیدا می کند. در نهایت دانه های کربن و فلز با انجام فرآیند شستشو و همچنین واجذب در دمای بالا و pH قلیایی از یکدیگر جدا می شوند. همچنین می توانید از اتانول نیز جهت جداسازی طلا از کربن استفاده کنید.
روش الکترووینینگ در استخراج طلا با سیانوراسیون
روش بعدی جهت جداسازی طلا از محلول، استفاده از روش های الکتروشیمیایی است. در این روش، محلول حاوی طلا از یک سلول الکترووینینگ (Electrowining) عبور می کند. فلز طلا از طریق الکترولیز به کاتد جذب می شود. این کاتد ها در پایان فرآیند الکترولیز، از سلول الکتروشیمیایی خارج شده و در داخل اسید قرار می گیرند. اسید، کاتد و دیگر فلزات مثل مس (به عنوان محصول ثانویه) را در خود حل نموده و در نهایت رسوبی از طلا باقی می ماند. در اخرین مرحله، رسوب طلا با آب شستشو داده شده و خشک می شود. در مرحله آخر، رسوب بعد از ترکیب با بوراکس به کوره های ذوب فرستاده می شود.
عوامل موثر در حلالیت طلا به روش استخراج طلا با سیانوراسیون
همانگونه که گفته شد، استخراج طلا به روش سیانوراسیون، یکی از روش های پر کاربرد در صنعت استخراج و استحصال طلا محسوب می شود. طلا به سادگی در سیانید سدیم حل می شود. از جمله عواملی که در انحلال طلا در سیانور نقش دارند می توان به طور خلاصه به موارد زیر اشاره کرد.
اثر غلظت سیانور
تحقیقات و مطالعات نشان داده است که مقیاس صنعتی غلظت سیانید در حدود ۰/۰۵ درصد است، یعنی چیزی در حدود ۱ تا ۲/۵ کیلوگرم به ازای ۱ تن سنگ معدن استخراج شده. دقت داشته باشید که با افزایش غلظت سیانور، سرعت فرآیند استخراج طلا بیشتر نخواهد شد. از آن طرف، هرچه قدر محلول سیانور غلیظ تر باشد، به همان نسبت اتلاف مکانیکی و شیمیایی آن نیز بالاتر خواهد بود. بنابراین لازم است که غلظت سیانور را در مینیمم مقدار ممکن نگه داشت.
اثر pH
محلول های سیانوری در محیط های اسیدی، گاز سیانیدریک اسید (HCN) آزاد می کنند. همانطور که می دانید این گاز بسیار سمی است. با کاهش pH محیط، آزاد شدن این گاز نیز شدید تر خواهد بود. لذا جهت جلوگیری و همچنین به حداقل رساندن تولید گاز سمی، باید pH محیط را بالا برد. این کار با استفاده از مواد قلیایی مانند سدیم هیدروکسید، سود و آهک انجام می شود. لازم به ذکر است که در ابتدا با افزایش pH، حلالیت طلا نیز افزایش پیدا می کند، اما افزایش بیشتر pH تاثیری عکس می گذارد. از این جهت، pH محیط را در محدوده ۹/۵ تا ۱۱ نگه می دارند.
اثر دما یا حرارت
افزایش درجه حرارت از دو طریق افزایش قدرت فعالیت محلول و همچنین کاهش میزان اکسیژن حل شده، باعث افزایش انحلال پذیری طلا می شود. زیرا همانگونه که می دانید، حلالیت گاز ها با افزایش دما کاهش می یابد. تحقیقات انجام شده نشان داده است که حداکثر مقدار انحلال طلا در دمای ۸۵ درجه سلسیوس می باشد.
اثر اکسیژن
گاز اکسیژن نقش بسیار مهمی در استخراج طلا بازی می کند. بنابراین، کمبود آن می تواند سرعت استخراج و همچنین بازیافت طلا را کاهش دهد. میزان اکسيژن حل شده در محلول رقيق سيانوري به چهار عامل، ارتفاع (فشار هوا)، حرارت محلول، نوع و شدت هم زدن و قدرت يونی محلول بستگی دارد. جهت افزایش غلظت گاز اکسیژن در محلول مورد نظر از هوا، گاز اکسیژن خالص و یا هیدروژن پراکسید بهره می برند. به علاوه می توان همزمان با دميدن هوا به داخل محلول، از مواد و ترکيبات اکسيد کننده نيز استفاده کرد. در بعضی مواقع، سنگ معدن حاوی طلا را در آبی که pH بالا دارد، هوادهی می کنند. این کار باعث کاهش واکنش پذیری عنصر هایی مزاحمی مثل آهن و یا گوگرد با سیانید می شود.
اثر نور و سطح
محلول سیانور در مقابل نور نسبت به حالت تاریکی بهتر عمل می کند، زیرا میزان جذب اکسیژن در روشنایی در مقایسه با تاریکی بیشتر می باشد. علاوه بر آن، سطح محلول سیانور در حلالیت آن با مقدار مشخصی از ماده نسبت مستقیم دارد.
اثر اندازه ذرات
سنگ های معدنی حاوی طلا باید به صورت خیلی ریز خرد شوند تا ذرات فلزات قیمتی آنها آزاد گردند. در اینصورت می توانند با سیانور ترکیب شوند. در شرایط ایده آل، هوادهی و همچنین همزنی پالپ، حداکثر میزان انحلال طلا را تا ۲۵/۳ میلی گرم بر هر سانتی متر مربع در ساعت محاسبه کرده است.
اثر مواد شیمیایی استفاده شده در فلوتاسیون
سنگ های معدنی حاوی طلا اغلب قبل از فرآیند سیانوراسیون به کمک فلوتاسیون پر عیار می شوند. بیشتر از کلکتور های نوع تیول مانند زنتات ها، دایتیوفسفات ها و غیره برای فلوتاسیون استفاده می کنند. لازم به ذکر است که اگر محصول مرحله فلوتاسیون خوب شسته نشود، حضور مقادیر کم مواد تیول می تواند اثر منفی بر روی عمل سیانوراسیون بگذارد. البته اثر منفی تیول ها را با افزایش غلظت سیانور می توان کاهش داد.
عوامل مصرف کننده سیانور در روش استخراج طلا با سیانوراسیون
مصرف سیانور در فرآیند سیانوراسیون طلا اغلب در حد متعارف است. اما در برخی موارد، سنگ های معدنی، کانی هایی دارند (کانی ها و ترکیبات مس و یا سولفور های آهن) که سیانور مورد نیاز فرآیند سیانوراسیون طلا را مصرف می کنند. به این کانی ها سیانورکش و یا مصرف کننده های سیانور گفته می شود. بنابراین در این گونه موارد، بایستی عملیاتی قبل از سیانوراسیون طلا انجام شود تا مانع از مصرف بیش از حد سیانور توسط این گونه کانی ها گردد.
مشکلات استخراج طلا با سیانوراسیون در سنگ های معدنی پیچیده
زمانیکه طلا همراه با کانی هایی همچون آرسنیک، آنتیموان، تلور، جیوه و بعضی عناصر دیگر باشد، در اکثر موارد، مقدار کمی از طلا در محلول های سیانوری حل می گردد. در اینگونه موارد مشکلات بیشتر از نوع فیزیکی هستند تا مشکلات شیمیایی. بنابراین به اتخاذ روش هایی خاص برای عملیات سیانوراسیون نیاز است.
