One-Stage Leaching of Osmium-Rhenium Containing Lead Cake Using Various Oxidizing Agents

Technische Samenvatting: Eengestelde extractie van osmium-rheniumhoudende loodcake met behulp van diverse oxiderende middelen

Probleemstelling
De studie richt zich op de terugwinning van waardevolle zeldzame metalen, specif kind osmium (Os) en rhenium (Re), uit loodcake, een vast bijproduct van de pyrometallurgische verwerking van koperconcentraten in Kazachstan. Hoewel hydrometallurgische methoden de voorkeur genieten boven pyrometallurgische methoden vanwege lagere temperaturen en eenvoudigere instrumentatie, kampen bestaande methoden voor de verwerking van vaste middelen (stof, slib en cake) met aanzienlijke beperkingen. Eerdere benaderingen lijden vaak aan onvoldoende metaalherstel, de noodzaak voor meerfasige processen (zoals voorroosteren), of het onvermogen om specifieke grondstoffen zoals loodcake te verwerken (die chemisch verschilt van loodslib door het ontbreken van vocht en zwavelzuur). Bovendien falen veel bestaande laboratoriummethoden er vaak niet in om osmium in één enkel stadium effectief uit de vaste fase te isoleren of een continue stroom te produceren die geschikt is voor industriële toepassing.

Methodologie
De onderzoekers hebben een continue kolomextractie-eenheid ontwikkeld en getest, ontworpen voor de eengestelde verwerking van osmium-rheniumhoudende loodcake.

• Apparatuur: Er werd een met een mantel uitgeruste glazen destillatiekolom (50 mm interne diameter, 920 mm werkhoogte) gebruikt. Het systeem werkt met een continue toevoer van cake-slurry van bovenaf en een oxiderende oplossing van onderaf, met een continue afvoer van de extractie-pulp.
• Grondstof: De feedstock bestond uit loodcake met ongeveer 59,51% Pb, 11,98% S en sporen van edel/zeldzame metalen (34 g/t Os en tot 1450 g/t Re). Het lood kwam voornamelijk voor als loodsulfaat (77,64%), waarbij rhenium verdeeld was over wateroplosbare vormen, disulfiden (ReS2) en lagere oxiden, en osmium aanwezig was als sulfietcomplexen en oxiden.
• Experimentele Variabelen: De effectiviteit van verschillende oxiderende middelen werd geëvalueerd: waterstofperoxide (H2O2), zwavelzuur (H2SO4), salpeterzuur (HNO3), een natriumhypochlorietoplossing ("Belizna") en kaliumdichromaat (K2Cr2O7).
• Procescondities: Experimenten werden uitgevoerd bij temperaturen tussen 48°C en 72°C (met de focus op 60°C). De vloeistof-vast-verhouding (L/S) werd gevarieerd en de duur van de extractie werd gemonitord.
• Analyse: De elementaire samenstelling werd geanalyseerd met behulp van atoomabsorptie- en emissiespectrometrie. De concentraties van zeldzame metalen in de vloeibare fase werden fotometrisch gemonitord. De morfologie en de fasensamenstelling van de resterende cake werden onderzocht met behulp van Scanning Elektronenmicroscopie (SEM) gekoppeld aan Energy-Dispersive Spectroscopy (EDS) en Wavelength-Dispersive Spectroscopy (WDS).
• Productterugwinning: Rhenium werd uit de zure oplossing teruggewonnen als ammoniumperrenaat (NH4ReO4) via anionuitwisselingssorptie en desorptie. Osmium werd gevangen als vluchtig OsO4-gas, gecondenseerd in alkalische adsorbers met NaOH en Na2S om commercieel osmiumsulfide (OsS2) te precipiteren.

Belangrijkste Resultaten
De studie vergeleken de prestaties van verschillende oxidersystemen op batches van 100 gram cake:

1. Waterstofperoxide en zwavelzuur: Het verhogen van het verbruik van H2O2 en H2SO4 verbeterde de extractiegraden. Temperatuurvariaties (48–72°C) hadden echter een verwaarloosbaar effect op de efficiëntie van de extractie.
2. Salpeterzuur: Wanneer dit als oxiderend middel werd gebruikt, slaagde salpeterzuur er niet in om de minerale matrix van de cake effectief te vernietigen. SEM-analyse toonde aan dat de resulterende cake een complexe microstructuur met onzuiverheden behield, waardoor deze methode onpraktisch is voor industriële kolomprocessen.
3. Kaliumdichromaat (K2Cr2O7): Dit middel vertoonde een hoge efficiëntie, met een rendement van 91,2% voor rhenium en 98,8% voor osmium. SEM-analyse van de resterende cake toonde zuiver loodsulfaat (PbSO4) zonder detecteerbare onzuiverheden, wat wijst op een volledige decompositie van de oorspronkelijke matrix. De auteurs merkten echter significante nadelen op: de hoge kosten van het reagens, de complexiteit van het verkrijgen van ammoniumperrenaat uit een oplossing die dichromaat bevat, en de kosten voor de neutralisatie van de gebruikte oplossing.
4. "Belizna" (Natriumhypochloriet): Dit middel leverde de meest evenwichtige resultaten. Onder bijna optimale condities (60 mL water, 70 mL geconcentreerd H2SO4, 400 mL "Belizna", L/S-verhouding van 5,3, bij 60°C), bereikte het systeem een rheniumterugwinning van 99,1% en een osmiumterugwinning van 96,8%. De specifieke productiviteit was 100 gram cake per uur. De resulterende oplossing was geschikt voor standaard sorptie-desorptieprocessen zonder de complicaties die geassocieerd worden met dichromaat.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert een nieuw, effectief hydrometallurgisch proces te presenteren voor de eengestelde extractie van osmium-rheniumhoudende loodcake met behulp van een continue kolomapparatuur. De primaire bijdrage is de identificatie van "Belizna" (natriumhypochloriet) in combinatie met zwavelzuur als het optimale oxiderende systeem, dat de nadelen van kaliumdichromaat vermijdt terwijl het hoge terugwinningspercentages behoudt.

De studie toont aan dat dit eengestelde proces gelijktijdig kan produceren:

• Een rhenium-zure oplossing die geschikt is voor de productie van ruw ammoniumperrenaat.
• Commercieel osmiumsulfide.
• Een extractie-cake die loodsulfaat bevat, welke kan worden gebruikt in de loodmetallurgie.

De auteurs concluderen dat deze aanpak een veelbelovend, industrieel levensvatbaar alternatief biedt voor meerfasige pyrometallurgische methoden of complexe hydrometallurgische routes, specifief afgestemd op de vaste bijproducten van de verwerking van koperconcentraten in Kazachstan. Het werk wordt ondersteund door het Wetenschapscentrum van het Ministerie van Wetenschap en Hoger Onderwijs van de Republiek Kazachstan.