مرزهای شیمی لیچینگ: تحلیل موفقیت‌ها و شکست‌های لیچینگ با آمونیاک و تیوسولفات

در دو مقاله پیشین، با عناوین “چرا استخراج طلا پیچیده‌تر از همیشه شده است؟ تحلیل ژئومتالورژیکی کانسنگ‌های مقاوم و موانع فرآوری” و “جعبه ابزار صنعتی: تحلیل تطبیقی فناوری‌های POX، BIOX و Albion برای فرآوری کانسنگ‌های مقاوم طلا” ابتدا ماهیت کانسنگ‌های مقاوم طلا را کالبدشناسی کردیم و سپس سه فناوری اصلی فرآیند اکسیداسیون که ماتریکس سولفیدی را تخریب می‌کنند، به صورت مقایسه‌ای بررسی کردیم. اما داستان فرآوری طلا در مرحله اکسیداسیون به پایان نمی‌رسد، پس از آن‌که طلا از قفس سولفیدی آزاد شد، باید در یک حلال مناسب حل شود تا قابل بازیابی باشد.

حلال استاندارد صنعتی برای این منظور به صورت معمول، سیانور سدیم (NaCN) است. این ماده شیمیایی بیش از یک قرن است که به دلیل هزینه پایین، کارایی بالا و شیمی کاملاً شناخته‌شده، بی‌رقیب مانده است. با این حال، سیانور با دو چالش اساسی روبرو است که در برخی کانسنگ‌ها، استفاده از آن را از نظر فنی و اقتصادی غیرممکن می‌سازد:

1. حساسیت به مس: در کانسنگ‌های حاوی کانی‌های مس (مانند کالکوپیریت، کالکوسیت و…)، سیانور با مس نیز واکنش داده و کمپلکس‌های مس-سیانید پایدار تشکیل می‌دهد. این واکنش جانبی، مصرف سیانور را به شدت افزایش می‌دهد (گاه تا ۵۰ کیلوگرم بر یک تن کانسنگ) و کل فرآیند را غیراقتصادی می‌کند.

2. پدیده Preg-Robbing: همانطور که در مقاله اول توضیح داده شد، کربن طبیعی فعال موجود در برخی کانسنگ‌ها، کمپلکس طلا-سیانید را جذب کرده و طلا را دوباره به دام می‌اندازد. اگر در مرحله اکسیداسیون، این کربن را به طور کامل از بین نرفته باشد، سیانوراسیون با شکست مواجه خواهد شد.

برای مقابله با این دو چالش، صنعت طلا به سراغ حلال‌های جایگزین و روش‌های لیچینگ اصلاح‌شده رفته است. در این مقاله، دو مورد از مهم‌ترین و صنعتی‌ترین رویکردها را در این خصوص بررسی می‌کنیم: لیچینگ با آمونیاک (به‌عنوان افزودنی به سیانور) که یک پروژه موفقیت صنعتی است، و لیچینگ با تیوسولفات که یک تکنیک بلندپروازانه از موفقیت فنی و اما شکست اقتصادی در مقیاس بزرگ است.

۱. لیچینگ با آمونیاک-سیانور: یک داستان موفقیت صنعتی

۱.۱. مبانی فنی و منطق شیمیایی

مشکل اصلی در کانسنگ‌های طلا-مس، میل ترکیبی شدید مس با یون سیانید است. هر اتم مس می‌تواند ۲ تا ۴ یون سیانید را مصرف کند و عملاً بودجه مواد شیمیایی پروژه را نابود سازد.

راه‌حل شیمیایی، افزودن آمونیاک (NH₃) به مدار لیچینگ سیانوری است. آمونیاک به عنوان یک لیگاند رقیب عمل می‌کند و ترجیحاً با مس کمپلکس پایدار تتراآمین مس (Cu(NH₃)₄²⁺) را تشکیل می‌دهد. این کار دو مزیت حیاتی دارد:

• مس از محلول سیانور “کنار گذاشته” می‌شود و یون‌های سیانید آزاد برای حل کردن طلا باقی می‌مانند.

• مصرف سیانور به شدت کاهش می‌یابد و از مقادیر غیراقتصادی (۳۰ تا ۵۰ کیلوگرم بر تن) به سطوح نرمال (۱ تا ۳ کیلوگرم بر تن) بازمی‌گردد.

۱.۲. نمونه صنعتی: معدن Goldstrike، کارخانه Roaster (نوادا، آمریکا)

بار دیگر، نام معدن Goldstrike متعلق به Barrick Gold در مرکز این داستان قرار می‌گیرد. این معدن علاوه بر تأسیسات عظیم POX که در مقاله قبل معرفی شد، دارای یک کارخانه تشویه (Roaster) نیز هست که نوع دیگری از کانسنگ مقاوم این مجموعه را فرآوری می‌کند.

کانسنگ ورودی به این کارخانه، علاوه بر مقاوم بودن، حاوی مقادیر قابل توجهی مس بود. پیش از پیاده‌سازی لیچینگ آمونیاکی، مصرف سیانور در این کارخانه به دلیل تشکیل کمپلکس‌های مس-سیانید، به بیش از ۵۰ کیلوگرم بر تن رسیده بود؛ رقمی که عملاً به معنای ورشکستگی و غیراقتصادی بودن فرآیند بود.

با افزودن آمونیاک به مدار لیچینگ و بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی (غلظت آمونیاک، pH و غلظت سیانور آزاد)، مصرف سیانور به کمتر از ۲ کیلوگرم بر تن کاهش یافت. این کاهش ۹۶ درصدی در مصرف ماده شیمیایی اصلی، یکی از چشمگیرترین موفقیت‌های تاریخ هیدرومتالورژی طلا است. با این روش بازیابی طلا نیز در سطح بالای ۹۰ درصد حفظ شد.

این موفقیت، لیچینگ با آمونیاک-سیانور را به یک راه‌حل استاندارد و اثبات‌شده برای کانسنگ‌های طلا-مس تبدیل کرد که امروزه در معادن متعددی در سراسر جهان (از جمله معدن تلفر در استرالیا) به کار گرفته می‌شود.

۲. لیچینگ با تیوسولفات: روش غیرسمی و با چالش‌های صنعتی شدن

۲.۱. مبانی فنی

تیوسولفات آمونیوم ((NH₄)₂S₂O₃) یا سدیم، یک حلال جایگزین برای طلاست که مهم‌ترین مزیت آن، غیرسمی بودن و عدم حساسیت به کربن طبیعی (Preg-Robbing) است. این ویژگی دوم، تیوسولفات را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کانسنگ‌های مقاوم کربنی تبدیل می‌کند که حتی پس از اکسیداسیون نیز بقایایی از کربن فعال در آنها باقی مانده است.

واکنش انحلال طلا در تیوسولفات، در حضور یون مس (به عنوان کاتالیزور) و آمونیاک (برای تثبیت مس) انجام می‌شود:

Au + 5S₂O₃²⁻ + Cu(NH₃)₄²⁺ → Au(S₂O₃)₂³⁻ + 4NH₃ + Cu(S₂O₃)₃⁵⁻

همانطور که مشاهده می‌شود، شیمی این فرآیند به مراتب پیچیده‌تر از سیانوراسیون ساده است و کنترل دقیق غلظت تیوسولفات، مس، آمونیاک، pH و پتانسیل اکسیداسیون-احیاء ضروری است.

۲.۲. داستانی بلندپروازانه و شکست اقتصادی: پروژه Goldstrike Thiosulfate

در اوایل دهه ۲۰۱۰، شرکت Barrick Gold که همواره در خط مقدم نوآوری‌های متالورژیکی قرار داشته، تصمیم گرفت یک کارخانه صنعتی تمام‌مقیاس برای لیچینگ با تیوسولفات در مجتمع Goldstrike احداث کند. هدف، فرآوری بخشی از کانسنگ مقاوم مضاعف (کربنی-سولفیدی) بود که حتی پس از اکسیداسیون تحت فشار نیز همچنان مقادیر جزئی کربن فعال داشت و در سیانوراسیون استاندارد دچار تلفات Preg-Robbing می‌شد.

این پروژه عظیم که هزینه‌ای بالغ بر چند صد میلیون دلار در بر داشت، شامل ساخت کارخانه‌ای با ظرفیت بیش از ۱۲,۰۰۰ تن در روز بود. از نظر فنی، این کارخانه کار کرد. تیوسولفات توانست طلا را با بازیابی مطلوب از کانسنگ حل کند و مشکل Preg-Robbing را دور بزند.

اما شکست از بعد اقتصادی رقم خورد. سه چالش اساسی، پروژه را زمین‌گیر کرد:

1. مصرف بسیار بالای مواد شیمیایی: تیوسولفات در مقایسه با سیانور، بسیار پرمصرف‌تر بود و هزینه مواد شیمیایی به شدت افزایش یافت.

2. بازیابی طلا از محلول (Recovery from Solution): بزرگترین گلوگاه فنی. در سیانوراسیون، طلای حل‌شده به راحتی با کربن فعال جذب می‌شود (فرآیند CIP/CIL). اما کمپلکس طلا-تیوسولفات به سختی روی کربن فعال جذب می‌شود و روش‌های جایگزین مانند رزین‌های تبادل یونی (IX) یا سمنتاسیون با مس، بسیار گران‌تر و پیچیده‌تر بودند. پایین‌آمدن قیمت جهانی طلا در آن مقطع، فشار اقتصادی را به اوج رساند.

3. پیچیدگی عملیاتی شدید: کنترل شیمی دقیق فرآیند تیوسولفات در مقیاس عظیم صنعتی، دشوارتر از حد انتظار بود.

در نهایت، شرکت Barrick در سال ۲۰۱۸ اعلام کرد که کارخانه تیوسولفات را تعطیل و به مدار سیانوراسیون استاندارد (با پیش‌فرآوری POX برای حذف کامل کربن) بازخواهد گشت. این تصمیم، ضربه بزرگی به رویای تجاری‌سازی لیچینگ تیوسولفات در مقیاس بزرگ بود.

۲.۳. میراث پروژه

با وجود شکست اقتصادی پروژه Barrick، تحقیقات بر روی لیچینگ با تیوسولفات متوقف نشده است. سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی استرالیا (CSIRO) همچنان در حال توسعه روش‌های کم‌هزینه‌تر برای بازیابی طلا از محلول‌های تیوسولفات است. همچنین، این فناوری برای پروژه‌های کوچک‌مقیاس‌تر یا کانسنگ‌های خاص که سیانور در آنها مطلقاً جواب نمی‌دهد، همچنان یک گزینه بالقوه محسوب می‌شود. پروژه تیوسولفات Barrick، علیرغم شکست تجاری، حجم عظیمی از دانش فنی و عملیاتی تولید کرد که راه‌گشای تلاش‌های آینده خواهد بود.

۳. افق آینده: نقش فناوری‌های دیجیتال در بهینه‌سازی راندمان

فرآوری کانسنگ‌های مقاوم، صرفاً به انتخاب حلال یا روش اکسیداسیون محدود نمی‌شود. یکی از مهم‌ترین روندهای نوظهور که مرزهای راندمان را جابجا می‌کند، ورود هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (Machine Learning) به اتاق کنترل کارخانه‌های فرآوری است.

شرکت‌های پیشرو مانند Newmont، در حال پیاده‌سازی سیستم‌های “دوقلوی دیجیتال” (Digital Twin) و کنترل پیشرفته فرآیند (APC) بر روی مدارهای خردایش، اتوکلاوها و بیواکسیداسیون هستند. این سیستم‌ها با تحلیل لحظه‌ای داده‌های هزاران حسگر، می‌توانند:

• پارامترهای عملیاتی (دما، فشار، دبی اکسیژن، pH) را به صورت پویا و پیوسته برای حداکثرسازی بازیابی و حداقل‌سازی مصرف انرژی و مواد شیمیایی تنظیم کنند.

• نوسانات خوراک ورودی (تغییرات عیار و کانی‌شناسی) را پیش‌بینی کرده و پیش از افت راندمان، واکنش نشان دهند.

• خرابی تجهیزات حیاتی مانند اتوکلاوها را پیش‌بینی کرده و از توقفات پرهزینه جلوگیری کنند.

این فناوری‌ها، فرآوری طلا را از یک هنر متکی به تجربه اپراتور، به یک علم دقیق مبتنی بر داده تبدیل می‌کنند و این قابلیت را دارند که راندمان را چند درصد دیگر (که در مقیاس یک معدن بزرگ، معادل میلیون‌ها دلار در سال است) افزایش دهند.

جمع‌بندی نهایی: نقشه راه فرآوری طلای مقاوم در سال ۲۰۲۶ و فراتر از آن

در این مجموعه سه‌قسمتی، یک نقشه راه جامع از چالش تا راه‌حل برای فرآوری پیچیده‌ترین کانسنگ‌های طلای جهان ترسیم کردیم. اکنون می‌توانیم خلاصه این نقشه راه را ارائه دهیم:

1. تشخیص مسئله (ژئومتالورژی): اولین و حیاتی‌ترین گام، کالبدشناسی دقیق کانسنگ و تعیین نوع مقاومت (فیزیکی، سولفیدی، کربنی، تلورایدی یا ترکیبی) با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته میکروآنالیز است.

2. پیش‌فرآوری (اکسیداسیون):

   • اگر کانسنگ مقاوم سولفیدی یا مقاوم مضاعف (کربنی) با تناژ بالا باشد، POX استاندارد طلایی و اثبات‌شده است.

   • اگر کانسنگ سولفیدی-آرسنیکی با تناژ متوسط و محدودیت سرمایه‌گذاری اولیه باشد، BIOX یا فرآیند Albion گزینه‌های رقابتی و بالغ هستند.

3. لیچینگ (انحلال طلا):

   • استاندارد: سیانوراسیون مستقیم برای کانسنگ‌های اکسیدشده و فاقد مس و کربن.

   • در حضور مس: افزودن آمونیاک به مدار سیانوراسیون (راه‌حل موفق و صنعتی).

   • در حضور کربن فعال (Preg-Robbing): اطمینان از تخریب کامل کربن در مرحله POX. لیچینگ با تیوسولفات همچنان یک گزینه بالقوه برای آینده است، اما هنوز به بلوغ اقتصادی کامل در مقیاس بزرگ نرسیده است.

4. افق نوین: یکپارچه‌سازی هوش مصنوعی و یادگیری ماشین برای بهینه‌سازی بلادرنگ کل زنجیره فرآیند.

کانسنگ‌های مقاوم طلا، دیگر یک مانع غیرقابل عبور نیستند. آنچه روزگاری یک معمای لاینحل بود، امروز با تلفیق دانش ژئومتالورژی، مهندسی شیمی پیشرفته، میکروبیولوژی و فناوری دیجیتال، به یک مسئله حل‌شدنی تبدیل شده است. آینده صنعت طلا، در گرو تسلط بر همین دانش ترکیبی و انتخاب هوشمندانه از میان جعبه ابزار فناورانه‌ای است که در این مجموعه مقالات به آن پرداختیم.

مطالب نگاشته شده در این مقاله از تیم طاشکو، در جهت کمک به رشد عملی صنعت فرآوری در ایران منتشر شده است و لازم به توضیح است که نمی‌تواند بدون بررسی‌های محیطی و آزمایشات تحلیلی در سایت فرآوری مورد نظر، مبنای تصمیم گیری و اقدام در صنعت فرآوری ایران باشد.