un estudio de la cinética de disolución de un mineral de galena nigeriano en ácido clorhídrico
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Un estudio de la cinética de disolución de un mineral de galena
nigeriano en ácido clorhídrico
AbstractoSe discutieron los resultados de la investigación experimental en el estudio de la
cinética de disolución de un mineral de galena de Nigeria en una solución de ácido
clorhídrico. Se examinó la influencia de la concentración de ácido, temperatura,
tamaño de partícula, velocidad de agitación y relación líquido / sólido de la extensión
de la disolución. El análisis elemental por XRF mostró que el mineral de galena se
compone principalmente de PBS con metales tales como Sn, Fe y Zn que ocurre como
elementos menores y Mn, Rb, Sr Nb y como trazas. El análisis XRD indicó galena como
la fase mineral dominante, con la presencia de minerales asociados, tales como α-
cuarzo (SiO 2 ), esfalerita (ZnS), casiterita (SnO $ 2), pirita (FeS 2 ) y óxido de
manganeso (MnO 2 ).
Resultados de los estudios mostraron que la disolución de lixiviación galena en solución
de HCl aumenta al aumentar la concentración de ácido y la temperatura; mientras que
disminuye con diámetro de partícula y relación sólido / líquido a una velocidad de
agitación fija de 450 rpm. El estudio mostró que 94,8% de galena se disolvió por HCl
8,06 M a 80 ° C dentro de 120 min con relación inicial sólido / líquido de 10 g / L.La
energía de activación correspondiente, E una se calculó en 38,74 kJ / mol. Otros
parámetros, como la orden de reacción, las constantes de Arrhenius, la reacción y
constantes de disociación se calcularon en 0,28, 73,69 s -1 , 1,73 ± 0,13 × 10 3 y 1,37 ±
0,024 × 10 4 mol L -1 s -1 , respectivamente. Se estableció el mecanismo de disolución
de la galena de seguir el modelo de núcleo se reduce para el mecanismo de control de
difusión con reacción química superficial que la regulación del régimen de paso para el
proceso de disolución. Finalmente, el análisis XRD del residuo post-lixiviación mostró la
presencia de azufre elemental, cloruro de plomo y α-cuarzo
Palabras clave Galena ;
Nigeria ;
Caracterización ;
La lixiviación ;
Cinética de disolución
NomenclaturaX la fracción de galena disuelto a diferentes tiempo de lixiviación, tk 0
constante de velocidad de reacción
M s
peso molecular del sólido
C A
Concentración de HCl en la solución a granel
Dcoeficiente de difusión del reactivo en la solución de lixiviación
ρ s
la densidad sólida
unel reactivo coeficiente estequiométrico en el sistema de lixiviación
k 1 , k 2 , ..., k 6
constantes de velocidad, evaluados a partir de las Ecs. (2) , (3) y (4) , respectivamente
R diss
la tasa de disociación (mol L -1 s -1 )C Pb
el contenido de plomo en solución ( L -1 )S
área de superficie de galena (m 2 )V
volumen de reacción (L)
kconstante de velocidad aparente (mol m -2 s -1 )
[H + ]la actividad de HCl de ácido
nel orden de reacción con respecto a H +
1. IntroducciónGalena (PbS), el principal mineral de plomo y uno de los sulfuros metálicos de mayor
difusión, se presenta tanto en rocas ígneas y sedimentarias. Se asocia comúnmente
con otros minerales de sulfuro, como esfalerita (ZnS), pirita (FeS 2 ), calcopirita
(CUFES 2 ) y arsenopirita (FeAsS) según lo informado por los ciervos y
otros. (1999) y Othmer (1967) .
En general, muchas ocurrencias de los minerales de plomo y zinc son conocidos en
Nigeria, como los de AMEKA, Ameri y Enyigba cerca Abakaliki, en Benue y Zurak por
nombrar sólo unos pocos. Se estima que hay al menos 30 vetas dentro de una longitud
total de aproximadamente 6.000 m como se detalla ( Ukpong y Olade,
1979 y Rahman, 2004 ).
El mayor depósito de galena se ha documentado para Abakaliki en estado de
Ebonyi. La Corporación Minera de Nigeria ha indicado reservas probadas de hasta 711,
237 toneladas como reportado ( Ukpong y Olade, 1979 y Minerales e Industria de
Nigeria, 1987 ).
En general, la recuperación del plomo de la galena a través de un
hidrometalúrgico ruta ha sido estudiada por varios investigadores en diversas
condiciones químicas. Una alternativa hidrometalúrgica se ha buscado debido a la
creciente preocupación por el impacto ambiental negativo de procesamiento de alta
temperatura de galena como se detalla por Feurstenau et al. (1987) . Una revisión
detallada de algunos estudios anteriores sobre la caracterización y disolución cinética
de variedades de galena en ácido clorhídrico se presenta de esta manera.
1.1. Galena caracterización mineral
Varios estudios sobre la caracterización de mineral de galena se han realizado en el
pasado reciente.Algunos de los resultados del informe sobre la composición de la
galena de diferentes partes del mundo se resumen en la Tabla 1 .
Galena se compone de plomo como un metal dominante seguido por azufre, hierro y
zinc en ese orden. La composición de galena varía de un lugar a otro. Los diferentes
valores pueden ser explicados por la variación en los efectos geoquímicos y
ambientales. La galena más rico se encontró en Japón según lo informado por Awakura
et al. (1980) , Nigeria: Olanipekun (2000) y EE.UU.: Feurstenau et al. (1987) ;mientras
que los más pobres se encontraba en México: Makita et al. (2004) y China: Wang et
al. (2003) .
1.2. Estudios cinéticos de disolución Galena
Según Gerson y O'Dea (2003) , las especies de superficie encuentran en galena
durante la oxidación y la disolución se han estudiado usando muchas técnicas. Se ha
supuesto que la complejación tiene lugar en la superficie de los sulfuros de galena
hidratados. La adsorción de H + iones sobre una superficie del átomo de S en la fase
acuosa se encuentra para ser favorable, mientras que la adsorción a la superficie del
átomo de Pb no es favorable según lo sugerido por Aydogan et al. (2007b) . En vista de
lo anterior, las velocidades de disolución a menudo se analizaron con los modelos
básicos cada vez menores que afirman que el proceso de lixiviación se controla a
través de:
(Yo)
la difusión de la sustancia reaccionante a través de la capa de solución límite o
a través de una capa de producto sólido; o
(Ii)
por la velocidad de reacción química; o
(Iii)
por proceso controlado mezclado, que son las reacciones químicas y de difusión
controlada según lo informado por Baba, 2008 , Levenspiel, 1972 y Merwe,
2003 .Por lo tanto, la comprensión del mecanismo de un sistema de lixiviación es un aspecto importante de este trabajo, mientras que un conocimiento de la cinética de la velocidad de proceso y los productos de reacción sólidos control son cruciales para una comprensión completa del sistema como se evidencia por Aydogan et al. (2007b) .
La lixiviación no oxidativo de la mineral de sulfuro de metal base que incluye galena en
solución ácida, la liberación de sulfuro de hidrógeno se ha estudiado en varios
laboratorios y probado en plantas piloto como se demuestra por Awakura et al. (1980) .
Olanipekun (2000) era de la opinión de que la necesidad de obtener las sales
suficientemente solubles a partir del cual el metal se pueden recoger fácilmente por
electroobtención sugiere la conveniencia de convertir galena en cloruro de
plomo. Según él, la lixiviación no oxidativo de galena con ácido clorhídrico ha sido
objeto de considerable interés en el pasado reciente, ya que permite la conversión
directa de sulfuro de plomo en cloruro de plomo de acuerdo con la siguiente relación
ecuación( 1 )
PbS + 2HCl → PBCL 2 + H 2 S
En general, hay estudios cinéticos insuficiente para explicar el mecanismo completo de
la disolución de galena en solución de ácido clorhídrico en la literatura. La mayoría de
los estudios de disolución disponibles no abordó algunos parámetros básicos de
cinética importantes como el orden de reacción, la energía de activación, los factores
de Arrhenius y constante de reacción. Esto a menudo hace que la propuesta del
mecanismo de disolución difícil. Los resultados de estudios cinéticos seleccionados
sobre disolución galena extraído de la literatura se resumen en la Tabla 2 .
Es evidente de la Tabla 2 que la mayoría de la cinética de los parámetros necesarios
para la predicción del mecanismo real de disolución (energía de activación, orden de
reacción, el producto residual, etc.) eran escasas y con lo que la proposición
mecanismo sea ambigua difícil. En consecuencia, el ámbito de esta investigación es
abordar estos problemas. Debido a la mayor demanda de plomo en Nigeria y otros
países en desarrollo del mundo, existe la necesidad de desarrollar rutas simples y
factibles para la recuperación de este valioso metal a partir de mineral de galena de
Nigeria, que es uno de los más ricos del mundo.
En la actualidad, el procesamiento hidrometalúrgico o la mejora de la calidad de la
galena de Nigeria no se ha dado mucha atención en serio, al menos a lo mejor de
nuestro conocimiento. A medida que el Gobierno Federal de Nigeria aborde ahora
positivamente el sector de los minerales sólidos, este estudio sería, sin duda, contribuir
al crecimiento y desarrollo económico de Nigeria según lo informado por Baba
(2008) . Por lo tanto, esta investigación representa el estudio en profundidad sobre la
disolución de un mineral de galena de Nigeria en una solución de ácido clorhídrico.
2. Materiales y métodosUn mineral de galena procedente de Abakaliki, origen Enyigba en Ebonyi Estado de
Nigeria se utilizó para este estudio. La muestra se tamizó en cuatro fracciones de
tamaño: -112 + 63 + 112, -250, -500 + 250 y> 500 micras. Todos los experimentos se
llevaron a cabo sólo con la fracción -112 + 63 micras a menos que se indique lo
contrario. Las soluciones de HCl se prepararon a partir de reactivos analíticos grado
con agua destilada doble.
2.1. Caracterización del mineral
2.1.1. Análisis físico-químico
El análisis físico-química del mineral de galena incluyendo densidad aparente,
porosidad, pH, punto de carga cero, el contenido de humedad y la pérdida de masa en
la ignición se determinaron siguiendo adecuadamente los procedimientos estándar
de Baba (2008) .
2.1.2. La prueba espectrofotométrica
El fluorómetro de rayos X (XRF), el modelo de Philip 12045B4 / 3 se utilizó para el
análisis elemental de la mineral de galena. El análisis mineralógico del mineral se
realizó utilizando PW 1800 difractómetro de rayos X de Philip (XRD) con CuKa (1,54 Å)
la radiación generada y 40 kV y 55 mA. Esta unidad consta de un solo gabinete
compacto. El gabinete alberga una alta velocidad y alta precisión
Goniometer; generador de alta eficiencia (rayos X) y una instalación de carga de
muestra automático.
Las diapositivas petrográficos de mineral de galena se prepararon utilizando epoxi y
Lakeside 70 medios de comunicación de acuerdo con el método de Hutchison (1974) .
2.2. Procedimiento de lixiviación
Los experimentos de disolución se llevaron a cabo en un reactor de vidrio de 250 ml,
equipado con un agitador mecánico. Después de la adición de 100 ml de solución de
ácido HCl a las concentraciones deseadas en el reactor y la consecución de una
temperatura de 55 ° C, 10 g / L del mineral galena se añadió en cada caso según lo
informado por Aydogan et al. (2007a) . Se examinó la velocidad de disolución galena
con HCl a diferentes concentraciones (0,1-12 M). La concentración que dio la más alta
de disolución (8,06 M) se utilizó posteriormente para la optimización de otros
parámetros incluyendo la temperatura de lixiviación (varió desde 28 hasta 80 ° C) y el
tamaño de partícula. La energía de activación,E una constantes y se evaluaron a partir de
las parcelas de Arrhenius. En todos los casos, la fracción de la galena disuelto, X , se
calculó a partir de la diferencia inicial en peso de la cantidad disuelto o no disuelto en
varios intervalos de tiempo de hasta 120 min, después de haber sido secados al horno
a aproximadamente 60 ° C. El producto residual post-lixiviación a 80 ° C en ácido HCl
8,06 M a continuación se analizó mediante XRD.
3. Resultados y discusión
3.1. Resultados de los estudios de caracterización
3.1.1. Los resultados del análisis físico-químico
Los resultados de las investigaciones físico-químicas de algunos parámetros
importantes de galena se resumen en la Tabla 3 .
El pH de la solución sobrenadante de galena era 8,3 y este valor sugiere que la
superficie del mineral es básico y por lo tanto apoya el carácter sulfuro del mineral. El
punto de carga cero (pcc) siendo 7.9 sugiere que la superficie también es básico y que
da una indicación de la naturaleza de las interacciones en términos de especies
catiónicas y aniónicas que pueden ponerse en contacto con el mineral. El bajo valor de
la pérdida de masa en la ignición es, por lo tanto, una indicación de bajo contenido
orgánico presente en el mineral.
3.1.2. Composición elemental por XRF
Los resultados de la composición elemental de galena por la técnica de fluorescencia
de rayos X mostraron que existen principalmente como minerales de galena PbS con
metales tales como Sn, Fe y Zn que ocurre como elementos menores, y Mn, Br, Nb Rb,
Sr y como trazas. El análisis elemental dio Pb (58,66%), S (13,31%), Sn (2,65%), Zn
(0,16%), Fe (0,50%), Mn (0,087%), Br (0,064%), Sr (0,0088% ), Nb (0,0043%) y O
(24,55%) se obtuvo por diferencia.
3.1.3. Los estudios de fase por DRX
El análisis de la galena por difracción de rayos X da una mejor descripción en términos
de las fases minerales presentes en el mineral. Tabla 4 se presentan los resultados del
difractograma de rayos X de la mena con compuestos importantes identificados.
Es evidente que el mineral galena dio dos principal y una picos menores a 2,93, 1,91 y
1,82 Å, respectivamente. Otros minerales asociados incluyen α-SiO 2 , ZnS, FeS 2 y de
SnO 2 . Sin embargo, los minerales, tales como Al 2 O 3 , MnO 2 y N ° 2 O 5 se produjeron
en los rastros. Todos estos apoyaron los resultados del análisis elemental por XRF.
3.1.4. Examen microscópico óptico
Examen microscópico óptico de galena produjo agregación de cristales cúbicos con
planos de corte ( Fig. 1 ), que en la alta ampliación parece formar parte de paquetes de
plaquetas y capas cortas. No es completamente opaco. Cambia de color amarillento a
marrón rojizo (presencia de óxido de hierro). Es prismática y ligeramente alargado. Los
probables gangas que se encuentran en el mineral incluyen pirita (FeS 2 ) y α-cuarzo
(SiO α- 2 ).
Es evidente que el mineral galena dio dos principal y una picos menores a 2,93, 1,91 y
1,82 Å, respectivamente. Otros minerales asociados incluyen α-SiO 2 , ZnS, FeS 2 y de
SnO 2 . Sin embargo, los minerales, tales como Al 2 O 3 , MnO 2 y N ° 2 O 5 se produjeron
en los rastros. Todos estos apoyaron los resultados del análisis elemental por XRF.
3.1.4. Examen microscópico óptico
Examen microscópico óptico de galena produjo agregación de cristales cúbicos con
planos de corte ( Fig. 1 ), que en la alta ampliación parece formar parte de paquetes de
plaquetas y capas cortas. No es completamente opaco. Cambia de color amarillento a
marrón rojizo (presencia de óxido de hierro). Es prismática y ligeramente alargado. Los
probables gangas que se encuentran en el mineral incluyen pirita (FeS 2 ) y α-cuarzo
(SiO α- 2 ).
3.2. Estudios de lixiviación
3.2.1. Efecto de la relación sólido / líquido
Los resultados sobre el efecto de la relación sólido / líquido en la disolución galena en
HCl 8,06 M fueron investigados en el rango de 1: 5 a 1: 100 a temperaturas 55 y 80 °
C, respectivamente.
Tabla 5 muestra el efecto de la relación sólido / líquido en la disolución galena en HCl
8,06 M. La disminución de la relación sólido / líquido está acompañado con un aumento
en el porcentaje de equilibrio del mineral disuelto. Por ejemplo, variando la relación
sólido / líquido a partir de 1: 100 a 1: 5 g / ml, el porcentaje de galena disuelto
aumentó de 38% a 94% a 80 ° C. De acuerdo con ello, una óptima relación sólido /
líquido de 1: 100 g / mL se ha mantenido para estudios posteriores.
3.2.2. Efecto de la concentración de HCl
Los resultados de la investigación preliminar sobre la búsqueda de ácido mineral
adecuado para la disolución mostraron que el mejor rendimiento se obtuvo para HCl
comparación con cualquiera de HNO 3o H 2 SO 4 , según lo informado por Baba
(2008) , Baba et al. (2003) (ver Tabla 6 ).
Los resultados del efecto de la concentración de HCl en la disolución galena se ilustran en la Fig. 2 .
Es evidente a partir de la Fig. 2 aumentos que la fracción de galena disolvió con el
aumento de la concentración de ácido. Parece que el efecto fue muy leve cuando la
concentración de ácido se incrementó desde 8,06 hasta 12 M. La formación de
escasamente soluble PBCL 2 es altamente probable a alta concentración según lo
propuesto por Nu-Nez et al. (1990) . En todos los casos, el ácido sin reaccionar
permaneció en la solución de lixiviación y el ácido libre aumentó con el aumento de
concentración de ácido inicial, ya que el uso de ácido más concentrada no aumentó la
disolución de galena o disminuir el tiempo de lixiviación para una máxima
disolución. Por lo tanto, una solución de HCl 8,06 M se utilizó para investigaciones
posteriores.
3.2.3. Efecto de la velocidad de agitación
Los resultados sobre el efecto de la velocidad de agitación sobre la disolución galena
en HCl 8,06 M en el rango de 0 a 720 rpm a 80 ° C se presentan en la Tabla 7 .
Tabla 7 muestra que la cantidad de galena disuelto depende de la velocidad de
agitación en el rango de 0-450 rpm. Por encima de 450 rpm, la velocidad de agitación
ya no tiene ningún efecto observable sobre la disolución sólida. Por lo tanto la
disolución llegó a un ritmo constante a 450 rpm, y una velocidad de agitación de 450
rpm fue retenida para experimentos adicionales. Esto concuerda con los resultados
deOlanipekun (2000) .
3.2.4. Efecto de la temperatura
El efecto de la temperatura sobre la disolución galena se ha investigado sobre el rango
de temperatura de 28-80 ° C en una solución de HCl 8,06 M a una velocidad de
agitación de 450 rpm utilizando -112 + 63 pm diámetro de partícula y la relación de
sólido / líquido de 10 g / L . Estos resultados se presentan en la Fig. 3
Como se ve en la Fig. 3 , galena de disolución aumenta con el tiempo de lixiviación y al
aumentar la temperatura. Por ejemplo, a 80 ° C, la cantidad de galena disuelto dentro
de los 120 minutos fue del 94,8%.
3.2.5. Efecto del diámetro de partícula
Medición de las velocidades de reacción sobre la influencia de diámetro de partícula en
la disolución galena en HCl fue investigado por cuatro fracciones de diferentes
tamaños. Los resultados se resumen en la Fig. 4 .
3.3. Discusiones
3.3.1. Modelos cinéticos de disolución
Para este estudio, tres modelos de núcleo se reduce fueron probados para una mejor
comprensión de la disolución de galena en medios HCl. Los modelos cinéticos tales
como las utilizadas anteriormente por algunos autores como . Aydogan et al, 2007a , .
Aydogan et al, 2007b , Habashi, 2005 , Baba y Adekola, 2010 , . Khalique et al,
2005 y Merwe, 2003 incluyen:
ecuación( 2 )
Gire MathJaxen
ecuación( 3 )
Gire MathJaxen
ecuación( 4 )
Gire MathJaxen
Ec. (2) es aplicable a un proceso controlado reacción química en la interfase; Ec. (3) es
un proceso controlado por difusión a través de la capa de producto y la Ec. (4) es un
proceso controlado mixto (una combinación de reacción en la superficie y difusión). De
todos los tres modelos probados, todos los datos estudiados se encontraron sólo para
ajustarse a la relación en la Ec. (3) con una correlación perfecta de alrededor de
0.9893. El análisis de las parcelas de otras curvas cinéticas, sin embargo, no se dio por
una línea recta perfecta. Por lo tanto, la linealización de la fig. 2 por la Ec. (3) se
hizo. Para este fin, la relación: 1 - (2/3) X - (1 - X ) 2/3 = k 1 t , dio un coeficiente de
correlación promedio de 0,9891 y esto se muestra en laFig. 5 .
Desde Fig. 5 , la constante de velocidad experimental k 1 , se calculó a partir de la pendiente de la línea recta a diversas concentraciones de HCl y las parcelas de ln k 1 frente a ln [HCl] se muestra en la Fig. 6 .
Desde Fig. 6 , la pendiente de la gráfica resultante dio 0,28. Esto demuestra que el
orden de reacción con respecto a H + concentración de iones es 0,28 con un coeficiente
de correlación de 0,9827.
Masoveros, los datos en la Fig. 3 a diferentes temperaturas fueron linealizados por la
Ec. (3) . Esto se muestra en la Fig. 7 .
Desde Fig. 7 , las constantes de velocidad aparentes, k 3 y otras constantes de velocidad han sido evaluados, k 2 y k 4 se calcularon a partir de las pendientes de las
líneas rectas. Los valores de estas constantes de velocidad con sus coeficientes de correlación equivalentes se resumen en la Tabla 8 .
