Oz Minerals公布“金属提取创新”挑战赛获奖结果

最近，OZ Minerals公司致力于推动铜行业以负责任的方式加快铜金属的生产，为此举办了由创新者参加的“金属提取创新”挑战赛，并刚刚公布了竞赛结果。本文深度分析讨论了可能的金属提取方法和技术，特别是利用精矿浸出提取金属的技术，溶浸技术可以大规模地实施，具有经济可行性。本文也将概述在此次挑战赛营造的良好势头之后将采取的行动，以及这些行动如何支持OZ Minerals公司以透明的方式生产清洁的增值产品。

OZ Minerals公司表示，铜是向低碳未来转型的一种重要原材料。电动汽车将取代燃料汽车，平均每辆电动汽车含83千克铜。包括太阳能和风能在内的可再生能源解决方案将取代煤炭和天然气，一台标准的风轮机最高含铜4.7吨。铜是除贵金属以外的最佳电导体和热导体，因此将在向绿色技术转型的过程中发挥重要作用。人们普遍认为，铜矿的平均矿石品位在逐渐下降。随着矿石品位的下降，为了维持盈利能力，矿山的规模越来越大，对能源、水和土地资源造成了更大的压力。在矿石品位下降这一背景下，以负责任的方式生产原材料并确保其可持续的供应是一项挑战，矿业企业必须应对这一挑战。

OZ Minerals公司补充表示，考虑到这一全球背景，该公司的目标是与客户合作，以透明的方式生产清洁的、增值的产品，实现范围1零排放目标，并竭力全面减少范围2和范围3的排放量。OZ Minerals公司也正致力于尽量减少用水量，以适当的方式消耗原材料和生产产品，从而实现净零废生产。上述目标是“金属提取创新”挑战赛的关键推动因素。

来自40个国家的约260个参赛团队通过孵化器平台参加了这项挑战赛，这次活动建立了长期存在的和非常重要的工业网络。从这个参赛群体中，“思想创新和行动创新”委员会评选了7个团队参加决赛。每个团队提出了新的和具有创新性的金属提取系统，这些系统有可能以经济的方式从铜精矿中提取金属。OZ Minerals公司为各种实验提供了经费支持，以确认这些工艺方法的效率。OZ Minerals公司将继续开发许多具有前景的技术。现已被纳入美卓奥图泰旗下的BIOX技术利用细菌浸出铜和钴矿物，目前，正在对该技术进行半工业性试验，不久以后将对其进行可行性研究。另外，正在对一个三氯化铁系统进行进一步试验，在2022年晚些时候，拟进入半工业性试验和预可行性研究阶段。也正在对用于回收金的硫氰酸盐和GlyCat系统进行进一步试验，在未来的半工业性试验计划中将包括这些系统。

如果建设一条典型的、商业化规模的精矿浸出与电积生产线，主要的费用支出项目为药剂（约占运营成本的30%）、电力（约占运营成本的30%）和电积槽（约占运营支出的25%）。现场浸出处理的电力成本高，铜电积使用的电力约为竞争性工艺电解精炼（与冶炼结合进行的工艺）的8倍，另外，湿法冶金还需要劳务成本和项目执行成本。药剂成本可能包括浸出过程的氧气供应以及用于酸中和铁沉淀的石灰或石灰石。另外，金回收工艺中的氰化物成本可能很高，在处置浸渣之前还需脱氰，这进一步增加了成本。最后，铜的传统电积在低电流密度下进行，因此需要非常多的电积槽，导致资本成本高。

因此，药剂、电力和电积槽的高成本是OZ Minerals公司以商业规模应用从精矿提取金属的系统的主要阻碍。基于上述考虑，此次挑战赛的主要目的是发现一些既能大幅减少上述费用又能维持金属回收率不低于现有系统的新工艺。

下面更详细地阐述了这七个决赛团队的背景以及他们与OZ Minerals公司开展的合作。

Clean&Recover——采用电渗析法取代电积工序

由首席执行官Luke Berry领导的Clean&Recover公司的一项使命是，从采矿废弃物中创造价值，清洁经过处理的物料，使之达到较高标准。他们提供的产品主要围绕清洁废水中的固体物以及处理酸性矿山排水。参加此次竞赛的目的是研究电渗析法，将其作为一种从酸性溶液中直接分离和回收金属的方法，从酸性溶液生成金属的氢氧化物沉淀。电渗析法是指利用电力而非化学品使母液中存在的金属离子从溶液中沉淀。Clean&Recover公司设计了一项实验，确定在不同的pH值下铜和钴是否可以选择性地从酸性溶液中分离和回收，通常在一定的pH值下，这两种金属可以从溶液中沉淀。该实验由两种配制的用于沉淀金属的浸出溶液组成，一种是含铜的溶液，另一种是含铜和钴的混合溶液。为了测试铜的沉淀，让一种人工配制的硫酸铜溶液流过电化学反应器（ECR）。将pH值提高至6.6时，从该酸性溶液回收了所有的铜。利用含铜和钴的混合溶液测试了铜沉淀和钴沉淀的分离。基于实验结果，在pH值为5.9时，99%的铜和9%的钴生成了沉淀，将pH值提高至9.5时，溶液中其余91%的钴也生成了沉淀。Clean&Recover公司的电化学反应器技术的主要挑战是进一步改进电化学反应器，减少在足够提高溶液pH值的过程中的能耗。总之，电化学反应器技术的实验已经证明，可以从浸出溶液中成功地全部回收和分离铜和钴的氢氧化物。试验是在Clean&Recover公司的中试厂进行的。已建议进一步试验和改进工艺流程，提高工艺过程的能源效率。可以进行的改进包括优化阴极、阳极、膜、流动紊流、电力供应、串联的电积槽结构、槽内停留时间、流速和工艺过程的反应速度。

MPS和科廷大学——甘氨酸浸出和硫酸盐电积

自2014年以来，科廷大学和Mining and Process Solutions公司（MPS）一直是商业合作伙伴。科廷大学在其Bentley校区和Kalgoorlie校区拥有非常广泛的研究设施。MPS公司是一个独立企业，在帕斯运营一个从事研发的实验室，主要的目的是将基于甘氨酸的浸出系统实现商业化应用。MPS公司总经理Ivor Bryan和科廷大学Jacques Eksteen教授是甘氨酸浸出技术的共同发明人。科廷大学和MPS公司团队开发了基于甘氨酸的浸出工艺，甘氨酸是一种氨基酸。在碱性环境应用时，这种产品对包括铜、钴和金在内的贱金属及贵金属具有选择性。值得注意的是，这种工艺不将铁和镁浸出至溶液中，这简化了下游的金属提取工艺。该工艺在中低温度下的一个低强度碱性系统中运行，不需要添加其他物料，副产物无毒性。另外，在浸出过程中，从化学上来看，甘氨酸混合物并没有被消耗，可以被回收，实现原材料的循环利用。科廷大学团队试图进一步研究碱性溶液浸出和硫酸盐溶液电积是否能实现铜和选择的贵金属的高提取率。MPS公司和科廷大学对Carrapateena矿的精矿进行了详细的矿物学分析，然后进行了多次金属提取试验。对直接收到的精矿和一个经过预氧化的精矿样品进行了有价金属的提取试验。利用液体和固体样品分析方法，测定了产品中的铜、金、铁和硫。在这项实验中，测试了4个具体工艺：Oxidation（除硫）、GlyAmm（除铜）、GlyCat（除金和银）以及GlyLeach（除钴）。为了优化每个工艺的提取能力以及在规模更大且连续的方式下验证该工艺，建议对上述4个工艺进行进一步测试。必须将各个子工艺进行整合，需要整合从溶液中回收和提纯金属的工艺。

DCS Technical公司——卤化物浸出和氯化物电积

由创始人Dave Sammut领导的DCS Technical公司是一家小型咨询企业，向澳大利亚的矿业、废物回收利用和一般科技产业提供咨询服务。湿法冶金咨询是他们的核心业务之一，该项服务尤其适用于矿业和废物回收利用。DCS Technical公司的精矿处理系统基于卤化物浸出，这是传统的硫酸盐浸出工艺的一种具有前景的替代工艺。卤化物浸出在节省资本支出和运营成本方面具有显著的经济优势，其原因是与在大气环境浸出相比，这种工艺减小了要求的设备规格，节省了电积能耗，并且使用了廉价的药剂。这项技术能最大限度地减少铜精矿处理过程中的环境影响。具体来说，该工艺在一个闭环系统中运行，不排放废液和废气，不使用有毒药剂，产生的废渣在环境中稳定。卤化物浸出不是一项新技术，经历了30年多年的发展，已达到接近商业化应用的水平。两家澳大利亚企业，即Dextec公司和Intec公司对基于氯化物的湿法冶金提取技术已投资了5000万加元。在1998至2000年以及2003年，运营了中试厂和示范厂（处理能力约1吨/天）。然而，在电积阶段，去除含铜的树枝状晶体遇到了问题，从而阻碍了该技术的进一步发展。Intec工艺的电积槽需要全面改进、维护和维修，其原因是电积槽的设计复杂，在垂直方向排列了锯齿形阴极，另外，还有一个大型电刷机构。DCS Technical公司开发卤化物电积技术的目的是重新设计卤化物电积槽的结构，并证明其具有商业应用可行性。DCS Technical公司设计和测试了一台电积槽样机，以确定是否可以改进以前的Intec工艺的设计，以及是否可以连续地从卤化亚铜电解液中直接回收铜金属。在卤化铜的电积中，一个特征是形成“树枝状”晶体结构。这台电积槽样机在对这些树枝状晶体的产生和处理上采取一种创新的策略。在测试过程中，这台新样机性能卓越，证明其有可能降低运营成本以及简化维护和操作。总之，实验结果表明，将卤化物提取冶金工艺与DCS Technical公司的电积槽相结合，有可能在矿场直接回收铜，而且回收率达到或高于商业冶炼工艺的回收率。为了确认DCS Technical公司的电积槽的长期性能和转化率，应连续进行6~12个月的半工业性试验。

tfgMM Strategic Consulting和TP McNulty & Associates——焙烧法与水浸出及硫酸盐电积

这个团队由3名经验丰富的冶金专家组成，他们的梦想是将一条旧的商业化生产线进行翻新和现代化改造，用于浸出焙烧炉焙烧产物，以回收铜、钴、金和银。Krishna Parameswaran获得宾夕法尼亚州立大学冶金学博士学位，在ASARCO公司拥有30多年的工作经验，现任tfgMM Strategic Consulting公司总裁。Terry McNulty获得科罗拉多矿业学院冶金工程专业博士学位。在25年以上的职业生涯中，Terry在Anaconda公司、Kerr-McGee化学品公司和Hazen Research公司担任研究、运营和管理方面的各种职务。在30多年前，他创立了TP McNulty & Associates公司，这是一家全球性咨询企业。David Robertson获得新南威尔士大学冶金工程博士学位，先后在伦敦帝国理工学院和密苏里大学罗拉分校任教，在罗拉分校工作期间，他也担任火法冶金学研究中心主任。他们提出的工艺涉及对铜精矿进行选择性焙烧，将铜和钴转化为水溶性形式（硫酸盐和碱式硫酸盐），然后对其进行溶剂萃取和传统的硫酸盐电积，以回收铜。钴作为一种商业产品而沉淀。对铜精矿进行了流化床焙烧试验，生成了含硫酸铜、氧化铜、碱式硫酸铜和赤铁矿的焙烧产物。在溶液pH值为1的条件下进行浸出提取试验，铜和钴的回收率分别为97%和82%。实验证明，铜和钴被充分地提取。建议进行进一步的测试和工艺优化。

Minetometal——氨和氯化铵浸出及金属沉淀

在工业矿物和金属行业，Minetometal公司是一家小型咨询企业。他们提供的主要服务针对矿物加工、铜和锌湿法冶金以及冶炼工艺。他们这次的参赛项目与使用碱性氯化物溶液浸出铜精矿相关。以前的研究人员开发了许多酸性硫酸盐浸出工艺，但是普遍没有以商业规模处理精矿。为了以较低经济成本和环境代价获得与硫酸盐法同样的结果，在3个关键工序的每个工序，可以应用另类化学反应。第一步是使用氨-氯化铵溶液进行浸出，而不是使用硫酸盐溶液浸出，前者的优势是能够处理从难选矿石生产的精矿。第二步是结晶。第三步是采用直接氢还原法替代溶剂萃取与电积工艺，因此不再需要增加一个中和过程，同时最大限度地减少了二氧化碳排放。过去50年来，研究人员对这些化学反应进行了广泛研究。然而，截至目前，尚没有人探索过将这些反应整合在同一个工艺流程并将其用于处理铜精矿。这为开发一个集成的端到端工艺流程创造了机会。Minetometal公司已经开发了一个由氨-氯化铵浸出、金属化合物结晶和金属直接还原的概念工艺流程，正在研究证明这种工艺在小众应用市场的可行性。Minetometal公司进行了多项实验研究，以确定选厂的基本设计方案，并对可能节省的资本支出和运营成本作出初步经济评价。为上述工作提供支持的试验研究包括对铜溶解、石灰焙烧、浸出、氧化和结晶进行研究。基于这些结果，Minetometal公司最终确定了工艺流程（MTM工艺）的几个部分，该流程由浸出、结晶和直接还原3个工序组成。在浸出阶段，Minetometal公司提出了两个对硫酸铜进行氧化的方案：焙烧法或直接浸出法。在焙烧法中，将精矿暴露于680℃的温度下，然后用水和氨-氯化铵溶液进行浸出。或者在90℃温度下完成直接浸出，在这一过程中，在氨-氯化铵浸出液中喷入氧气。结果确认，在上述两种条件下，都能选择性地提取铜。在结晶阶段，含铜的晶体从贵液中沉淀，通过水解，脱除任何残留的氯化物。氢还原工序是一个众所周知的过程，本项目的范围不包括进行这一工序。研究确认，Minetometal工艺具有技术可行性。实验已经证明，利用该工艺生产了用于还原的氧化铜晶体，而碱性浸渣适合通过氰化法回收金。硫以石膏的形式留在了浸渣中，并没有生成硫酸和/或单质硫，否则可能会导致额外的资本支出，并面临潜在的纯度和销售问题。铁以惰性赤铁矿形式存在。接下来的工作将研究金属纯度、钴的回收以及浸渣的氰化提金。

不列颠哥伦比亚大学——氯化铁和硫氰酸盐浸出以及硫酸盐电积

Wenying Liu是不列颠哥伦比亚大学材料工程系的副教授。自2015年参加材料工程系的湿法冶金研究工作以来，Wenying一直在为从矿石提取金属的研究开发可持续的湿法冶金技术，以及研究从矿山废石和尾矿释放污染物涉及的基本过程。这次参赛项目与铜-金精矿的浸出相关，尤其是在浸出过程中不使用硫酸盐，而是使用酸性氯化铁介质和硫氰酸盐。在许多传统的硫酸盐浸出工艺中，硫化物经过氧化生成硫酸盐，从而生成了大量的酸和残渣。因此，在中和工序，需要石灰处理这个过程生成的酸。在浸渣处置阶段，需要处置作为副产物的废石膏。然后，还必须在氰化阶段回收金，这涉及在浸出溶液中使用氰化物。在现在的硫酸盐浸出工艺中，这些工序对铜金精矿的处理增加显著的经济成本和环境影响。不列颠哥伦比亚大学团队提出的一种工艺不需要这些额外的工序，因此避免了相关的经济成本和环境影响。具体来说，他们的解决方案是，使用酸性氯化铁取代传统的酸性硫酸盐介质，使用硫氰酸盐提金。这种工艺的目的是，使铜金精矿的浸出在酸性条件下进行。使用酸性氯化物时，可以使用咸水，因此减少了淡水的用量，同时尽可能地减少了矿山废水排放。用氯化物溶液浸出铜和用硫氰酸盐溶液回收金有3个好处：不再生成副产物石膏，因此取消了残渣处理工序；取消了中和工序，不再使用石灰，也避免了与石灰生产相关的二氧化碳排放；最后取消了氰化工序，因为不再需要用氰化物提金。虽然有许多优势，但是使用酸性氯化铁和硫氰酸盐溶液浸出铜金精矿的工艺仍处于开发阶段，需要进行全面的测试。不列颠哥伦比亚大学团队进行了一项实验，以确认该工艺的技术性验证测试，其目的是证明铜和金的高提取率，硫的氧化可忽略不计。为了进行这项测试，该团队进行了多项反应器浸出试验，以研究关键工艺参数对铜和金提取率的影响。这些试验结果表明，铜的提取率非常高（超过98%）。在有硫氰酸盐存在时，金的提取率超过90%。单质硫的产率超过93%，确认硫酸盐的生成率低。在确定下一阶段的工作范围内，必须进行进一步的测试。这包括进一步研究测试二价铁被空气或富氧空气氧化为三价铁、从活性炭上提金以及铜的溶剂萃取。

BIOX——细菌浸出和硫酸盐电积

BIOX是一种精矿浸出工艺，利用细菌浸出铜精矿，然后通过溶剂萃取和电积生产阴极铜，另外还生成金银多尔合金锭和钴。这项已被美卓奥图泰收购的技术已商业应用了30多年，在全球13家选厂成功应用。BIOX在多家选厂的应用证明，该工艺能生产阴极铜、钴和镍，具体取决于精矿及处理条件。Joe Seppelt是BIOX团队的主管，在OZ Minerals公司担任运营经理。这次参赛项目与利用细菌浸出铜精矿然后通过溶剂萃取和电积生产阴极铜相关。BIOX技术使用在大气压下的两段浸出槽进行浸出，利用中温菌和高温嗜热菌群落将铜和其他金属提取至溶液中。在浸出液中添加营养物质、酸液和空气以促进反应。将浸渣洗涤、浓缩及中和，置于氰化物浸出回路，用于回收金和银。然后，将酸液澄清，通入一个两段铜溶剂萃取过程，生成强电解质，以用于在电积工序回收铜。总的来说，该工艺生产阴极铜、金银多尔合金锭和钴沉淀。过去30多年来，BIOX一直在商业化应用（尤其用于提金），已在13个选厂使用，包括在芬兰处理硫化镍精矿的世界第一个商业化细菌浸出厂（2015年）。然而，还需要研究某些关键因素，以确定该工艺是否适合在已有项目现场商业应用。这些因素包括经济可行性（资本支出、运营成本和可能的权衡比较）、运营弹性（包括风险管理）和特定现场条件的任何潜在影响。另外，细菌需要精确的温度控制，可能会受停电的影响。这两项风险将要求精确的工程设计和运营控制，以确保成功实施。自2019年以来，OZ Minerals公司一直在研究采用BIOX工艺浸出精矿。现已基本完成连续浸出实验研究，溶剂萃取和电积试验已经结束，生产了3批阴极铜，目前正在对其井下取样分析。现在，正在考虑扩大应用范围（例如浸出金和银）。小型试验确认，可以实现非常高的铜、钴、金和银浸出率。目前的工作主要是在一个规模更大的中试厂重复这些小型试验，以便获得支持可行性研究的工程数据。在完成中试项目后，预计将进行可行性研究，以确认一个商业规模选厂的资本支出和运营成本。

来源：International Mining

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