Nghiên cứu khả năng hòa tách niken và đồng từ tinh quặng niken ôxit đã được hoàn nguyên sơ bộ trong dung môi amôni

Bài báo giới thiệu các kết quả thử nghiệm ứng dụng các hợp chất chứa amôni để hoà tách niken và đồng từ tinh quặng niken Việt nam tại Phòng Công nghệ kim loại, Viện Khoa học vật liệu.

A study on disolving process of nickel and copper from preliminary reduced nickel oxite concentrates in ammoniacal media

Phạm Đức Thắng
Viện Khoa học vật liệu, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam

1. Đặt vấn đề

    Một số hợp chất amôni khi tan trong nước tạo nên dung môi có thể hoà tan nhiều kim loại khác nhau. Đối với các hợp chất chứa chủ yếu sắt, niken và đồng thì dung môi amôni hoà tan chọn lọc hai nguyên tố sau. Còn sắt ở môi trường dung dịch có độ pH cao hơn 7,5 và giàu ôxy thì hầu như không bị hoà tan. Do đó có thể sử dụng dung môi amôni để hoà tách một số nguyên tố mong muốn, cụ thể là niken và đồng mà không sợ có sắt bị hoà tan lẫn vào. Đã có một số công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp này để tách chiết chúng từ các hợp chất rắn khác nhau của chúng [1,2,3]. Bài báo giới thiệu các kết quả thử nghiệm ứng dụng các hợp chất chứa amôni để hoà tách niken và đồng từ tinh quặng niken Việt nam tại Phòng Công nghệ kim loại, Viện Khoa học vật liệu. Dưới đây trình bầy một số quá trình mới hoà tách niken trong dung môi amôni

1.1. Hoàn nguyên tinh quặng niken

    Mục đích của công đoạn hoàn nguyên tinh quặng là đưa niken trong quặng từ dạng ôxit thành niken kim loại. Khi nung hoàn nguyên ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra các phản ứng sau [4]:

2C + O₂ → 2CO
NiO + CO → Ni + CO₂
CO₂ + C → CO
CO + 3Fe₂O₃ → 2Fe₃O₄ + CO₂
4CO + Fe₃O₄ → 3Fe + 4CO₂
Cu₂O + CO → 2Cu + CO₂

    Niken và sắt được hoàn nguyên thành các hạt mixmetal để có thể hoà tan được trong các dung môi khác nhau thuộc hệ amôni.

Bảng 1

1.2. Quá trình thuỷ luyện trong dung môi amôni theo nguyên tắc Becher

    Trong dung môi amôni kim loại niken và sắt có thể hoà tan theo nguyên tắc Becher mà tác giả [5] đã đề cập. Theo đó, khi đưa tinh quặng đã hoàn nguyên vào dung dịch điện giải [dung dịch (NH₄)₂CO₃], thì trên bề mặt của các hạt tinh quặng xuất hiện một cách tự nhiên vô vàn các cặp vi pin gây ăn mòn mà cực dương là sắt và niken kim loại, cực âm là tổ hợp hêmatit (Fe₂O₃) và manhetit (Fe₃O₄). Trên anôt và catôt xảy ra các phản ứng điện hoá sau [5]:

    Tại anốt (FeNi- kamacite) :

Ni_(kimloại) ^{– 2e} → Ni ²⁺ (1)
Fe_(kimloại) ^{– 2e} → Fe²⁺ (2)

    Tại catôt (Fe₂O₃ , Fe₃O₄) :

O₂ + 2H₂O ^{+ 4e} → 4(OH) ^– (3)

    Đối với niken kim loại xảy ra phản ứng tạo phức như sau:

Ni + 3(NH₄)₂CO₃ + 1/2O₂ → [Ni(NH₃)₆]CO₃ + 2CO₂ + 3H₂O (4)

    Đối với sắt kim loại, xảy ra phản ứng tạo phức và thuỷ phân như sau :

Fe + 3(NH₄)₂CO₃ + 1/2O₂ → [Fe(NH₃)₆]CO₃ + 2CO₂ + 3H₂O (5)
[Fe(NH₃)₆]CO₃ + H₂O → Fe(OH)₂ + 6NH₃ + CO₂ (6)

    Tổng của 2 phản ứng (5) và (6) liên quan đến sắt trên sẽ là :

Fe + 3(NH₄)₂CO₃ + 1/2O₂ → Fe(OH)₂ + 6NH₃ + 3CO₂ + 2H₂O (7)

    Phản ứng tổng hoà tan tinh quặng (4)+(7) sẽ là:

FeNi + 6(NH₄)₂CO₃ + O₂ → [Ni(NH₃)₆]CO₃ + Fe(OH)₂ + 6NH₃ + 5CO₂ + 5H₂O (8)

    Theo tài liệu [2] thì Kamacite FeNi còn có thể hoà tan trong dung môi NH₃ theo phản ứng có phần ngược lại với (8) như sau :

FeNi + O₂ + 8NH₃ + 3CO₂ + H₂O → Ni(NH₃)₆CO₃ + FeCO₃ + (NH₄)₂CO₃ (9)

    Để ý rằng về thực chất, hai hợp chất amôni (NH₄)₂CO₃ và NH₃ khi hoà tan trong nước đều có thể chuyển hoá trở thành nhau theo phản ứng [4]:

(NH₄)₂CO₃ → 2NH₃ + CO₂ + H₂O (10)

    Do đó không thể coi các phản ứng (8) hay (9) có thể kết thúc một cách trọn vẹn và triệt để. Nếu quá trình hoà tách xảy ra trong buồng kín, các sản phẩm thứ cấp như (NH₄)₂CO₃ hoặc NH₃ + CO₂ được phát sinh với nồng độ dủ lớn thì chúng lại tiếp tục tham gia vào phản ứng hoà tan kamacite khi có dư nồng độ ôxy. Vậy phương trình phản ứng triệt để cần phải được triển khai từ các phản ứng (8) và (9) như sau :

    Để ý rằng nếu nhân hai vế của (9) với 6 rồi cộng với (8) ta sẽ thu được tổng :

7FeNi + 7O₂ + 42NH₃ + 13CO₂ + H₂O → 7Ni(NH₃)₆CO₃ + 6FeCO3 + Fe(OH)₂ (11)

    Hoặc nếu nhân 2 vế của của (8) với 4 và 2 vế của (9) với 3 rồi cộng với nhau ta sẽ thu được tổng theo kiểu khác :

7FeNi + 21(NH₄)₂CO₃ + 7O₂ → 7[Ni(NH₃)₆]CO₃ + 4Fe(OH)₂ + 3FeCO₃ + 11CO₂ + 17H₂O (12)

    Rõ ràng 2 phương trình phản ứng (11) và (12) mới có thể được coi là phản ứng triệt để. Tuy nhiên điều này chắc chắn khó thực hiện được vì thực tế sự thất thoát khí NH₃ thứ cấp được tạo thành như là một sản phẩm trung gian hoặc do sự phân huỷ của (NH₄)₂CO₃ thứ cấp là điều không thể tránh khỏi, dẫn đến sự mất cân bằng về nồng độ của các chất tham gia phản ứng. Đây chính là điều còn bàn cãi và cần có sự đầu tư nghiên cứu sâu để làm sáng tỏ quá trình ăn mòn điện hoá đã nêu ở trên. Dung dịch hoà tách được gia nhiệt bằng các biện pháp khác nhau để thuỷ phân amoniacad thành cacbonat bazơ niken và đồng theo phản ứng [2]:

5Ni(NH₃)₆CO₃ + 3H₂O → 2NiCO₃.3Ni(OH)₂ + 30NH₃ + 3CO₂ (13)

    Dễ dàng nhận thấy rằng 2 hợp chất sản phẩm của phản ứng (13) là 30NH₃ + 3CO₂ có thể được thu hồi để phục vụ cho quá trình hoà tách niken theo phản ứng (9) đã nêu. 2. Thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu là tinh quặng sau thiêu ôxy hoá có thành phần và cấu trúc pha nêu trên bảng 1 (Phân tích tại Trung tâm COMFA – Viện Khoa học vật liệu) và hình 1 (Phân tích tại Viện KHVL). Tinh quặng này được trộn với bột cacbon (than đá, than củi, than cốc), sau đó nung hỗn hợp này trong hộp kín ở nhiệt độ trên 1100°C. Trên giản đồ nhiễu xạ của tinh quặng sau thiêu oxy hoá ở hình 1, niken nằm trong 2 pha là NiO và pha oxyt đa kim (Ni,Fe)Fe₂O₄.

Hình 1 và 2

    Kết quả phân tích tinh quặng sau thiêu ôxy hoá và sau hoàn nguyên cho thấy các sản phẩm hoàn nguyên trùng khớp với các sản phẩm của các phản ứng nêu ở mục 1.1. Bột kim loại niken và sắt sau khi được hoàn nguyên sẽ kết với nhau thành mixmetal ở dạng kamacite (xem hình 2).