استخراج طلا با کربن فعال

استخراج طلا با کربن فعال به عنوان یکی از تکنولوژی‌های بنیادی و غالب در صنعت جهانی طلا، نقشی حیاتی در تولید این فلز گرانبها ایفا می‌کند.

اهمیت این روش با توجه به رشد پیش‌بینی شده بازار جهانی استخراج طلا، که از ۱۹۸ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۲ به بیش از ۲۶۰ میلیارد دلار تا سال ۲۰۳۰ خواهد رسید، دوچندان می‌شود.

این رشد فزاینده، تقاضا برای توسعه و به‌کارگیری تکنولوژی‌های کارآمدتر، اقتصادی‌تر و سازگارتر با محیط زیست را در تمامی مراحل فرآوری طلا، به‌ویژه در مرحله کلیدی استخراج طلا با کربن فعال، تشدید کرده است.

تاریخچه استفاده از کربن فعال در متالورژی طلا، هرچند ریشه‌های قدیمی‌تری دارد، اما تکامل آن به فرآیندهای مدرن و پیچیده‌ای که امروزه شاهد آن هستیم، نتیجه دهه‌ها تحقیق و توسعه صنعتی است.

این مقاله با هدف ارائه یک تحلیل علمی و فنی عمیق، به بررسی جامع مبانی نظری، جنبه‌های عملیاتی، ویژگی‌های کربن مورد استفاده، فرآیندهای صنعتی متداول، عوامل مؤثر بر راندمان، و همچنین فرآیندهای جداسازی و احیاء کربن در حوزه استخراج طلا با کربن فعال می‌پردازد.

رشد بازار طلا نه تنها منجر به افزایش تقاضا برای کربن به عنوان یک ماده مصرفی کلیدی می‌شود، بلکه فشار قابل توجهی را بر صنعت برای بهینه‌سازی فرآیندهای موجود و حرکت به سمت روش‌های پایدارتر وارد می‌کند.

این به معنای نیاز روزافزون به کربن‌هایی با ظرفیت و سینتیک جذب بالاتر، مقاومت به سایش بیشتر، فرآیندهای احیاء کارآمدتر با مصرف انرژی کمتر، و مدیریت بهینه مواد زائد و پساب‌های صنعتی است. علاوه بر این، تأکید بر “تکنولوژی‌های کارآمد و رقابتی” نشان می‌دهد که نوآوری در زمینه استخراج طلا با کربن اکتیو صرفاً به افزایش درصد بازیابی طلا محدود نمی‌شود، بلکه کاهش هزینه‌های عملیاتی (OPEX) و سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX) را نیز در بر می‌گیرد.

مبانی نظری و مکانیسم‌های جذب طلا بر روی کربن فعال

فرآیند استخراج طلا با کربن فعال بر دو پایه اصلی استوار است:

ابتدا انحلال طلا از کانسنگ در یک محلول سیانیدی و سپس جذب انتخابی کمپلکس طلا-سیانید از محلول توسط کربن.

درک دقیق شیمی این مراحل و مکانیسم‌های انتقال جرم و جذب، برای طراحی و بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی ضروری است.

شیمی فرآیند انحلال طلا در محلول‌های سیانیدی

انحلال طلا در محلول‌های سیانیدی قلیایی در حضور اکسیژن، یک فرآیند الکتروشیمیایی است که به طور کلاسیک توسط واکنش السنر (Elsner’s Equation) توصیف می‌شود. این واکنش، که اساس اکثر عملیات لیچینگ طلا در جهان است، به صورت زیر بیان می‌شود:

4Au+8CN⁻+O₂​​+2H₂​O⇌4[Au(CN)₂​​]⁻​+4OH⁻

در این واکنش، طلا (Au) در حضور یون سیانید (CN⁻) به عنوان عامل کمپلکس‌دهنده و اکسیژن (O₂) به عنوان عامل اکسیدکننده، به کمپلکس پایدار و محلول دی‌سیانو اورات (I) یعنی [Au(CN)₂]⁻ تبدیل می‌شود. حفظ pH در محدوده قلیایی (معمولاً ۱۰-۱۱ با استفاده از آهک) برای جلوگیری از هیدرولیز سیانید و تشکیل گاز بسیار سمی هیدروژن سیانید (HCN) و همچنین برای پایداری کمپلکس طلا ضروری است.

اگر به دنبال خرید کربن فعال برای جداسازی طلا هستید، با کارشناسان ما تماس بگیرید.

مکانیسم جذب کمپلکس دی‌سیانو اورات بر سطح کربن فعال

پس از انحلال طلا و تشکیل کمپلکس [Au(CN)₂]⁻، این گونه آنیونی توسط کربن از محلول جدا می‌شود. مکانیسم دقیق جذب [Au(CN)₂]⁻ بر روی کربن فعال پیچیده است، اما عموماً پذیرفته شده که این جذب به صورت یک زوج یون از نوع Mⁿ⁺[Au(CN)₂]⁻ یا M[Au(CN)₂]₂ در حضور کاتیون‌های Mⁿ⁺ (مانند Na⁺، K⁺، Mg²⁺ یا Ca²⁺) موجود در محلول صورت می‌گیرد.

این کاتیون‌ها نقش مهمی در تسهیل و تقویت جذب آنیون طلا بر روی سطح عمدتاً غیرقطبی کربن ایفا می‌کنند. به عنوان مثال، کلسیم موجود در پالپ، که اغلب از افزودن آهک برای تنظیم pH ناشی می‌شود، می‌تواند کمپلکس Ca[Au(CN)₂]₂ را تشکیل دهد که به جذب طلا کمک می‌کند.

ماهیت این جذب عمدتاً فیزیکی (Physical Adsorption) است و شامل تغییرات شیمیایی عمده در ساختار کمپلکس [Au(CN)₂]⁻ نمی‌شود.

کربن به دلیل ماهیت غیرقطبی خود، تمایل بیشتری به جذب گونه‌های آبگریز (hydrophobic) دارد.

فرآیند جذب شامل چندین مرحله انتقال جرم متوالی است :

1. انتقال جرم [Au(CN)₂]⁻ و کاتیون‌های همراه از توده محلول به لایه مرزی (فیلم) اطراف ذره کربن (Film Diffusion): این مرحله، که به نفوذ لایه‌ای نیز معروف است، اغلب به عنوان مرحله کنترل‌کننده سرعت کلی فرآیند جذب، به‌ویژه در غلظت‌های بالای طلا در محلول و در مراحل اولیه جذب، در نظر گرفته می‌شود. سرعت انتقال جرم در این لایه با معادله R = k_f \cdot A \cdot (C – C_y) تقریب زده می‌شود، که در آن R نرخ انتقال جرم، k_f ضریب انتقال جرم در فیلم، A سطح خارجی ذرات کربن، C غلظت گونه در توده محلول و C_y غلظت گونه در سطح مشترک محلول و کربن است.
2. انتقال گونه‌های محلول از دهانه حفرات به داخل ساختار متخلخل کربن (Pore Diffusion): پس از عبور از لایه مرزی، یون‌ها باید از طریق شبکه پیچیده حفرات کربن (ماکروپورها و مزوپورها) به سمت سایت‌های فعال داخلی نفوذ کنند.
3. واکنش جذب سطحی (Sorption Reaction): اتصال نهایی کمپلکس طلا-کاتیون به سایت‌های فعال روی سطح داخلی حفرات کربن.
4. انتقال طلای جذب شده در سطح کربن (Surface Diffusion): پس از جذب اولیه، گونه‌های جذب شده ممکن است در طول سطح داخلی کربن به سمت سایت‌هایی با انرژی کمتر یا برای توزیع یکنواخت‌تر حرکت کنند.

سینتیک کلی جذب طلا معمولاً شامل یک فاز اولیه سریع است که توسط انتقال جرم در فیلم مایع کنترل می‌شود و طی آن جذب در دسترس‌ترین سایت‌ها (مانند ماکروپورها و مزوپورها) اتفاق می‌افتد، و پس از آن یک مرحله کندتر که سیستم به آرامی به سمت تعادل پیش می‌رود.

نقش محوری کاتیون‌ها در مکانیسم جذب نشان می‌دهد که ترکیب شیمیایی آب فرآیند، از جمله قدرت یونی و نوع و غلظت کاتیون‌های غالب، می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر کارایی و سینتیک جذب طلا داشته باشد. این موضوع به ویژه هنگام فرآوری کانسنگ‌های با ترکیبات شیمیایی متفاوت یا در صورت استفاده از آب‌های بازیافتی که ممکن است حاوی غلظت‌های بالایی از نمک‌های محلول باشند، اهمیت پیدا می‌کند.

به عنوان مثال، تغییر در میزان مصرف آهک (که منبع یون Ca²⁺ است) یا تغییر در ترکیب آب مورد استفاده در فرآیند، می‌تواند بر تشکیل زوج یون و در نتیجه بر ظرفیت و سرعت جذب طلا تأثیر بگذارد. بنابراین، بهینه‌سازی شیمی آب، شامل کنترل دقیق نوع و غلظت کاتیون‌های موجود، می‌تواند به عنوان یک استراتژی مهم برای بهبود عملکرد سیستم استخراج طلا با کربن فعال مد نظر قرار گیرد.

مطالعات مختلف نیز تأثیر مثبت حضور الکترولیت‌ها و کاتیون‌های خاص بر افزایش جذب طلا را تأیید کرده‌اند.

از سوی دیگر، اگر مرحله کنترل‌کننده سرعت فرآیند جذب، نفوذ از طریق لایه مرزی سیال اطراف ذرات کربن باشد ، آنگاه پارامترهای هیدرودینامیکی سیستم مانند شدت و الگوی همزدن در تانک‌های جذب، طراحی هندسی تانک‌ها و بافل‌ها، و همچنین اندازه ذرات کربن، نقش بسیار تعیین‌کننده‌ای در بهینه‌سازی سرعت جذب خواهند داشت.

همزدن مؤثرتر منجر به کاهش ضخامت لایه مرزی و در نتیجه افزایش ضریب انتقال جرم می‌شود. همچنین، استفاده از ذرات کربن کوچکتر (تا جایی که مشکلات عملیاتی در جداسازی ایجاد نکند) به دلیل افزایش سطح خارجی مؤثر به ازای واحد جرم کربن، می‌تواند سرعت کلی فرآیند جذب را بهبود بخشد.

این ملاحظات در طراحی راکتورهای جذب (مانند تانک‌های CIP/CIL) و انتخاب مشخصات فیزیکی زغال فعال، برای دستیابی به حداکثر سرعت جذب، کاهش زمان ماند مورد نیاز و در نتیجه کاهش حجم و هزینه تجهیزات، بسیار حیاتی است. این عوامل در بخش‌های بعدی مقاله که به ویژگی‌های کربن و عوامل مؤثر بر جذب می‌پردازند، بیشتر مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

ویژگی‌های کلیدی کربن فعال مورد استفاده در استخراج طلا

انتخاب کربن مناسب برای فرآیند استخراج طلا با کربن فعال گرانولی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، زیرا مشخصات فیزیکی و شیمیایی کربن به طور مستقیم بر راندمان جذب، سهولت جداسازی و احیاء، و در نهایت بر هزینه‌های کلی فرآیند تأثیر می‌گذارد. در ادامه به بررسی مهم‌ترین این ویژگی‌ها پرداخته می‌شود.

ظرفیت جذب (Adsorptive Capacity یا K-value)

ظرفیت جذب، که گاهی به آن K-value نیز گفته می‌شود، به حداکثر میزان طلایی اطلاق می‌شود که یک واحد جرم زغال فعال می‌تواند تحت شرایط تعادلی و در یک غلظت مشخص از طلا در محلول، جذب کند.

این پارامتر به شدت به خواص فیزیکی و شیمیایی کربن، به ویژه سطح ویژه (Surface Area) و توزیع اندازه حفرات (Pore Size Distribution) آن بستگی دارد. کربن‌هایی با سطح ویژه بالا و حجم مناسبی از میکروپورها (حفرات با قطر کمتر از ۲ نانومتر) که سایت‌های اصلی جذب طلا هستند، معمولاً ظرفیت جذب بالاتری از خود نشان می‌دهند

سینتیک یا سرعت جذب (Adsorption Rate یا R-value)

سینتیک یا سرعت جذب، که گاهی با R-value بیان می‌شود، نشان‌دهنده سرعتی است که طی آن کربن اکتیو، طلای موجود در محلول را جذب کرده و سیستم به سمت تعادل پیش می‌رود.

این پارامتر نیز به شدت تحت تأثیر خواص فیزیکی و شیمیایی کربن، به ویژه ساختار حفرات قابل دسترس (ماکروپورها با قطر بیشتر از ۵۰ نانومتر و مزوپورها با قطر بین ۲ تا ۵۰ نانومتر که مسیرهای نفوذ به میکروپورها را فراهم می‌کنند) و سطح خارجی ذرات است.

سرعت جذب بالاتر به معنای زمان ماند کوتاه‌تر پالپ در تانک‌های جذب است که این امر منجر به کاهش حجم تجهیزات مورد نیاز (تانک‌ها) و افزایش توان عملیاتی واحد فرآوری می‌شود. لازم به ذکر است که فرآیندهای صنعتی مانند کربن در پالپ (CIP) و کربن در لیچینگ (CIL) عمدتاً بر اساس سینتیک جذب عمل می‌کنند و معمولاً کربن در این فرآیندها به ظرفیت تعادلی خود نمی‌رسد.

استحکام مکانیکی، مقاومت به سایش و تولید نرمه (Attrition Resistance/Hardness)

استحکام مکانیکی و مقاومت به سایش، توانایی کربن در برابر خرد شدن، شکستن و تولید ذرات ریز (نرمه یا fines) در اثر تنش‌های مکانیکی ناشی از همزدن شدید در تانک‌های جذب و لیچینگ، پمپاژ و عبور از سرندها را نشان می‌دهد.

این ویژگی برای صنعت طلا بسیار حیاتی است، زیرا کربن با استحکام پایین به سرعت ساییده شده و نرمه تولید می‌کند. این نرمه‌های کربن نه تنها باعث اتلاف خود کربن می‌شوند، بلکه مهم‌تر از آن، طلای جذب شده بر روی این نرمه‌ها نیز از دست رفته و همراه با باطله از مدار خارج می‌شود. علاوه بر این، نرمه کربن می‌تواند باعث انسداد پمپ‌ها، خطوط لوله و به خصوص سرندهای جداکننده کربن از پالپ شده و مشکلات عملیاتی جدی ایجاد کند.

کربن‌های با سختی و مقاومت به سایش بهینه، نرمه کمتری تولید کرده و در نتیجه به بازیابی بیشتر طلا و کاهش هزینه‌های جایگزینی کربن کمک می‌کنند. به همین دلیل، کربن‌های تولید شده از پوسته نارگیل به دلیل سختی و مقاومت به سایش ذاتی بالا، اغلب برای کاربرد در صنعت طلا ترجیح داده می‌شوند.

توزیع اندازه ذرات (Particle Size Distribution – PSD)

توزیع اندازه ذرات کربن گرانولی یکی دیگر از پارامترهای مهم است که بر چندین جنبه از فرآیند تأثیر می‌گذارد. اندازه ذرات بر سینتیک جذب (ذرات کوچکتر به دلیل سطح ویژه خارجی بیشتر، سرعت جذب بالاتری دارند)، افت فشار در ستون‌های کربن (در فرآیند CIC)، و همچنین راندمان جداسازی کربن از پالپ توسط سرندها در فرآیندهای CIP و CIL مؤثر است.

اندازه‌های متداول کربن مورد استفاده در صنعت طلا معمولاً در محدوده‌هایی مانند ۶x۱۲ مش (۱.۷۰ تا ۳.۳۵ میلی‌متر)، ۶x۱۶ مش (۱.۱۸ تا ۳.۳۵ میلی‌متر)، یا ۸x۱۶ مش (۱.۱۸ تا ۲.۳۶ میلی‌متر) قرار دارند.

علاوه بر اندازه متوسط ذرات، یکنواختی اندازه و کم بودن میزان ذرات خارج از محدوده (oversize و undersize) نیز اهمیت دارد. همچنین، محتوای پلاکتی (Platelet content) پایین در کربن مطلوب است، زیرا ذرات پلاکتی (تخت و پولکی شکل) تمایل بیشتری به انسداد منافذ سرندها دارند.

کربن اکتیو جاکوبی 1000 از آن دسته‌هایی است که این ویژگی را دارا می‌باشد.

تأثیر ماده اولیه و فرآیند فعال‌سازی

ماده اولیه مورد استفاده برای تولید کربن، نقش تعیین‌کننده‌ای در ساختار نهایی حفرات و در نتیجه خواص جذبی و مکانیکی آن دارد. مواد اولیه رایج شامل پوسته نارگیل، چوب، زغال‌سنگ (مانند لیگنیت، بیتومینه و آنتراسیت) می‌باشند.

به طور کلی، مواد اولیه سخت و متراکم مانند پوسته نارگیل، منجر به تولید کربن سخت، متراکم و با ساختار میکروپور غالب می‌شوند که برای جذب طلا بسیار مناسب است.

در مقابل، مواد اولیه نرم‌تر و با دانسیته کمتر، کربن‌هایی با ساختار حفره‌ای بازتر (ماکروپور و مزوپور بیشتر) و استحکام مکانیکی کمتر تولید می‌کنند. فرآیند فعال‌سازی، که معمولاً شامل کربنیزاسیون ماده اولیه و سپس فعال‌سازی با بخار آب یا دی‌اکسید کربن در دماهای بالا (مثلاً ۸۰۰-۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) است، باعث ایجاد و توسعه شبکه گسترده‌ای از حفرات در ساختار کربن و در نتیجه افزایش چشمگیر سطح ویژه آن می‌شود.

کنترل دقیق شرایط فعال‌سازی برای دستیابی به کربن با خواص مطلوب ضروری است.

نمونه‌هایی از کربن‌های تجاری

در بازار جهانی، تولیدکنندگان مختلفی کربن‌های فعال تخصصی برای صنعت طلا عرضه می‌کنند. به عنوان مثال، شرکت‌هایی مانند Jacobi Carbons طیف وسیعی از محصولات نوع گرانولی را ارائه می‌دهند که گریدهای مختلفی مانند کربن اکتیو جاکوبی ۱۰۰۰، کربن اکتیو جاکوبی ۲۰۰۰ و کربن اکتیو جاکوبی ۶۰۰۰ می‌توانند برای کاربردهای مختلف از جمله استخراج طلا با کربن فعال مناسب باشند، هرچند انتخاب گرید خاص بستگی به نیازهای فرآیندی دارد.

شرکت Norit نیز کربن‌هایی مانند سری NORIT RO (با جذب بسیار سریع و سختی بسیار بالا) و سری NORIT GCN (با جذب سریع و سختی بالا) را برای این صنعت تولید می‌کند. شرکت CPL/Puragen با برند Filtracarb® CL خود و شرکت Carbon Activated Corporation با محصولاتی نظیر COC-G50 و COC-G60 نیز از دیگر تأمین‌کنندگان مطرح در این حوزه هستند.

جدول ۱: مشخصات فنی کربن‌های فعال منتخب برای استخراج طلا

توجه: مقادیر K-value و Kinetics در جدول فوق بر اساس تعاریف و معیارهای خاص تولیدکنندگان بوده و ممکن است مستقیماً با R-value و K-value تعریف شده در سایر متون یکسان نباشد. هدف از این جدول ارائه یک دید کلی از مشخصات کربن‌های تجاری است

فرآیندهای صنعتی متداول استخراج طلا با کربن فعال

پس از انحلال طلا در محلول سیانیدی، کربن برای جذب کمپلکس طلا از محلول یا پالپ مورد استفاده قرار می‌گیرد. سه فرآیند اصلی صنعتی برای این منظور وجود دارد: کربن در پالپ (CIP)، کربن در لیچینگ (CIL)، و کربن در ستون (CIC). انتخاب فرآیند مناسب بستگی به عوامل مختلفی از جمله مشخصات کانسنگ، عیار طلا، حضور مواد مداخله‌گر، و ملاحظات اقتصادی دارد.

فرآیند کربن در پالپ (CIP – Carbon-in-Pulp)

در فرآیند CIP، ابتدا عملیات لیچینگ سیانیدی طلا از کانسنگ آسیاب شده در یک سری تانک‌های همزن‌دار به طور کامل انجام می‌شود. سپس، پالپ حاصل (مخلوطی از ذرات جامد کانسنگ و محلول سیانیدی حاوی طلا) به مجموعه‌ای دیگر از تانک‌های همزن‌دار، موسوم به تانک‌های جذب، منتقل می‌شود. در این تانک‌ها، کربن نوع گرانولی به پالپ اضافه شده و با آن مخلوط می‌شود.

ذغال اکتیو، کمپلکس طلا-سیانید را از محلول جذب می‌کند. برای دستیابی به حداکثر راندمان جذب و بارگذاری طلا روی کربن، و همچنین به حداقل رساندن میزان طلای باقی‌مانده در محلول خروجی (باطله)، از سیستم جریان مخالف (counter-current flow) استفاده می‌شود.

در این سیستم، کربن اکتیو از آخرین تانک جذب به سمت اولین تانک حرکت می‌کند (یعنی کربن تازه به آخرین تانک اضافه شده و کربن باردار از اولین تانک خارج می‌شود)، در حالی که پالپ در جهت عکس، از اولین تانک به سمت آخرین تانک جریان دارد.

این آرایش تضمین می‌کند که کربن با کمترین بار طلا با محلولی با کمترین غلظت طلا تماس پیدا کند و کربن با بیشترین بار طلا با محلولی با بیشترین غلظت طلا در تماس باشد. معمولاً مدار CIP شامل حداقل چهار یا پنج مرحله (تانک) جذب است تا از زمان ماند کافی برای جذب و جلوگیری از پدیده “اتصال کوتاه” (short-circuiting) پالپ اطمینان حاصل شود.

آماده‌سازی خوراک برای فرآیند CIP نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. سنگ معدن ابتدا باید به دقت خرد و آسیاب شود تا ذرات طلا برای تماس با محلول سیانید آزاد شوند. اندازه ذرات هدف پس از آسیاکنی بستگی به کانی‌شناسی سنگ دارد، اما برای مثال، در مورد سنگ‌های سولفیدی مقاوم که طلا به صورت ذرات بسیار ریز در آن‌ها محبوس است، ممکن است نیاز به آسیاکنی تا حدود ۵۰ میکرومتر یا حتی کمتر باشد.

پس از آسیاکنی، پالپ معمولاً از یک صفحه جداکننده مواد زائد (trash screen) عبور داده می‌شود تا قطعات درشت، چوب، پلاستیک و سایر مواد ناخواسته از آن جدا شوند. سپس، پالپ به دانسیته مناسب (معمولاً بین ۴۰ تا ۵۰ درصد جامد وزنی) تغلیظ می‌شود. این محدوده دانسیته برای معلق نگه داشتن ذرات کربن در پالپ و همچنین برای عملکرد بهینه مرحله لیچینگ (اگر بخشی از آن همزمان با جذب انجام شود) مناسب است.

فرآیند کربن در لیچینگ (CIL – Carbon-in-Leach)

فرآیند CIL از این جهت با CIP متفاوت است که مراحل لیچینگ سیانیدی طلا و جذب آن توسط کربن به طور همزمان و در یک سری تانک‌های همزن‌دار مشترک انجام می‌شود. به عبارت دیگر، کربن فعال از همان ابتدای فرآیند لیچینگ در تانک‌ها حضور دارد و همزمان با انحلال طلا از کانسنگ، آن را جذب می‌کند.

مزیت اصلی و دلیل اصلی توسعه فرآیند CIL، توانایی آن در فرآوری کانسنگ‌های حاوی مواد “preg-robbing” است. مواد Preg-robbing، مانند کربن طبیعی (گرافیت، شیل کربنی) یا برخی کانی‌های رسی موجود در کانسنگ، می‌توانند کمپلکس طلا-سیانید محلول را جذب کرده و آن را از دسترس کربن فعال خارج کنند، که این امر منجر به کاهش قابل توجه بازیابی طلا می‌شود.

در فرآیند CIL، حضور همزمان کربن با فرآیند انحلال طلا، باعث می‌شود که کربن به طور مؤثری با این مواد preg-robber برای جذب طلای تازه حل شده رقابت کند و در نتیجه اتلاف طلا به حداقل برسد.

علاوه بر این، فرآیند CIL می‌تواند شرایط انحلال طلا را نیز بهبود بخشد، زیرا با جذب سریع طلای حل شده توسط کربن، غلظت طلا در محلول پایین نگه داشته می‌شود که این امر طبق اصل لوشاتلیه، نیروی محرکه واکنش انحلال را افزایش می‌دهد. با این حال، این مزیت ممکن است با هزینه بارگذاری کمتر طلا روی کربن در هر مرحله همراه باشد.

فرآیند کربن در ستون (CIC – Carbon-in-Column)

در فرآیند CIC، به جای مخلوط کردن کربن با پالپ، محلول باردار طلا (Pregnant Leach Solution – PLS) که معمولاً از عملیات لیچینگ توده‌ای (Heap Leaching) یا آگلومراسیون-لیچینگ به دست می‌آید و حاوی جامدات معلق کمی است، از میان یک سری ستون‌های پر شده با کربن فعال گرانولی عبور داده می‌شود.

محلول معمولاً از پایین وارد ستون شده و به سمت بالا حرکت می‌کند (up-flow) و از چندین ستون به صورت سری عبور می‌کند. زغال فعال در ستون‌ها، طلای موجود در محلول را جذب می‌کند. این فرآیند عمدتاً برای محلول‌های شفاف و با غلظت پایین طلا مناسب است.

یکی از مزایای CIC، سادگی عملیاتی و نیاز به فضای کمتر در مقایسه با سیستم‌های تانکی CIP/CIL است، که آن را برای سایت‌هایی که به دنبال حداکثر استفاده از فضا هستند و می‌توانند از مزایای کربن بهره‌مند شوند، جذاب می‌کند.

مقایسه جامع فرآیندها و فرآیندهای هیبریدی CIL/CIP

تفاوت اصلی بین CIP و CIL در زمان‌بندی مراحل لیچینگ و جذب است. در CIP، این دو مرحله به صورت متوالی و در تانک‌های جداگانه انجام می‌شوند و ذغال فعال تنها در مرحله جذب حضور دارد. در حالی که در CIL، لیچینگ و جذب به طور همزمان و در یک مرحله (در تانک‌های مشترک) صورت می‌گیرد و کربن در تمامی مراحل لیچینگ/جذب حاضر است.

یک رویه متداول در صنعت، استفاده از مدارهای هیبریدی CIL/CIP است. در این نوع مدار، یک یا چند تانک اولیه بدون حضور زغال فعال عمل می‌کنند (به عنوان مرحله پیش-لیچینگ یا pre-leach) و سپس کربن فعال به تانک‌های بعدی اضافه می‌شود.

این کار باعث می‌شود که بخش قابل توجهی از طلا ابتدا در غیاب کربن حل شده و سپس کربن در تانک‌های بعدی با محلولی که غلظت طلای بالاتری دارد تماس پیدا کند که این امر می‌تواند منجر به سینتیک جذب سریع‌تر و بارگذاری بالاتر روی کربن شود.

از نظر هزینه‌ها، به طور کلی مدارهای CIP و CIL برای فرآوری کانسنگ‌های طلا، هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی کمتری نسبت به مدارهای لیچینگ تانکی سنتی که از فیلتراسیون و سپس رسوب‌دهی با روی (مانند فرآیند Merrill-Crowe) استفاده می‌کنند، دارند.

جدول ۲: مقایسه ویژگی‌های فرآیندهای CIP، CIL و CIC در استخراج طلا با کربن فعال

انتخاب بین فرآیندهای CIP و CIL تنها به حضور یا عدم حضور مواد preg-robbing در کانسنگ محدود نمی‌شود. فرآیند CIL، با کاهش مداوم غلظت طلای محلول به دلیل جذب همزمان توسط کربن، می‌تواند طبق اصل لوشاتلیه، نیروی محرکه واکنش انحلال طلا را افزایش دهد.

این موضوع در برخی مطالعات نیز اشاره شده که CIL می‌تواند شرایط انحلال طلا را حتی در غیاب مواد preg-robbing بهبود بخشد. این یک مزیت سینتیکی بالقوه برای CIL است که می‌تواند منجر به بازیابی بالاتر طلا یا کاهش زمان مورد نیاز برای لیچینگ شود.

با این حال، این مزیت باید در برابر احتمال بارگذاری کمتر طلا روی کربن در هر مرحله از CIL (به دلیل تماس با محلول‌های رقیق‌تر) و هزینه‌های مرتبط با آن سنجیده شود.

ظهور و استفاده از فرآیندهای هیبریدی CIL/CIP نشان‌دهنده تلاش مستمر صنعت برای ترکیب مزایای هر دو فرآیند اصلی و بهینه‌سازی عملکرد بر اساس ویژگی‌های خاص هر نوع کانسنگ است. این رویکرد انعطاف‌پذیر، امکان تنظیم دقیق مدار فرآوری را برای دستیابی به بهترین تعادل ممکن بین سینتیک لیچینگ، سینتیک جذب، و مقابله مؤثر با پدیده preg-robbing فراهم می‌کند.

به عنوان مثال، در یک مدار هیبریدی، ممکن است چند تانک اولیه بدون کربن برای انجام بخش عمده‌ای از لیچینگ در نظر گرفته شود (مانند CIP) و سپس کربن در تانک‌های بعدی وارد مدار شود تا هم طلای محلول را جذب کند و هم با مواد preg-robber برای طلایی که در ادامه حل می‌شود، رقابت نماید (مانند CIL).

این رویکرد نشان‌دهنده بلوغ تکنولوژی استخراج طلا با کربن فعال و حرکت به سمت راه‌حل‌های مهندسی‌شده و سفارشی به جای استفاده از یک طرح ثابت و یکسان برای تمامی کاربردها است. پیاده‌سازی موفق این سیستم‌های هیبریدی نیازمند درک دقیق‌تری از سینتیک لیچینگ و جذب برای هر نوع کانسنگ خاص و همچنین مدل‌سازی و شبیه‌سازی دقیق فرآیند است.

پیشنهاد می‌کنیم صفحه کربن اکتیو جاکوبی 2000 را نیز مطالعه نمایید تا اطلاعات درستی در این مورد داشته باشید.

عوامل حیاتی موثر بر راندمان جذب طلا توسط کربن فعال

راندمان فرآیند استخراج طلا با کربن فعال به شدت تحت تأثیر مجموعه‌ای از پارامترهای شیمیایی، فیزیکی و عملیاتی است. کنترل دقیق این عوامل برای دستیابی به حداکثر بازیابی طلا و بهینه‌سازی هزینه‌ها ضروری است.

جدول ۳: خلاصه تأثیر پارامترهای کلیدی بر جذب طلا توسط کربن فعال

بسیاری از عوامل مؤثر بر جذب طلا با یکدیگر در ارتباط هستند و بهینه‌سازی یک پارامتر می‌تواند بر دیگری تأثیر مثبت یا منفی بگذارد. به عنوان مثال، تنظیم pH برای بهینه‌سازی جذب طلا ممکن است منجر به افزایش یا کاهش رسوب برخی کاتیون‌ها مانند کلسیم شود که خود بر پدیده “کور شدن” کربن تأثیرگذار است.

دما نه تنها بر تعادل جذب طلا بلکه بر سرعت تجزیه سیانید و همچنین بر فعالیت و حلالیت برخی مواد آلی نیز مؤثر است. این تعاملات پیچیده نشان می‌دهند که بهینه‌سازی فرآیند استخراج طلا با کربن فعال یک چالش چند متغیره است که نیازمند درک عمیق از شیمی فرآیند و یافتن یک نقطه بهینه عملیاتی (trade-off) بین عوامل مختلف است.

این امر اغلب از طریق انجام آزمایش‌های دقیق در مقیاس آزمایشگاهی و پایلوت، و همچنین با استفاده از ابزارهای مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرآیند، محقق می‌شود.

سایر روش‌های جداسازی

علاوه بر دو فرآیند اصلی فوق، روش‌های دیگری نیز برای جداسازی طلا از کربن فعال توسعه یافته یا مورد بررسی قرار گرفته‌اند:

جداسازی با حلال‌های آلی (Organic Elution / Alcohol Stripping):

این روش‌ها شامل استفاده از محلول‌های حاوی حلال‌های آلی مانند اتانول، متانول یا استونیتریل به همراه مقادیر کمتری از NaOH و NaCN است. این روش‌ها می‌توانند در دماهای پایین‌تر (حتی دمای محیط) و با سرعت بسیار بالایی (چند ساعت) انجام شوند.

فرآیند Micron:

این فرآیند شامل خیساندن کربن باردار در محلول سود-سیانید و سپس جداسازی طلا با استفاده از بخار حلال‌های آلی مانند استونیتریل، اتانول یا متانول در دمای نسبتاً پایین (۶۵-۸۰ درجه سانتی‌گراد) است. جداسازی معمولاً در مدت ۴ تا ۶ ساعت کامل می‌شود.

جداسازی با سایر عوامل شیمیایی:

تحقیقاتی نیز بر روی استفاده از سایر عوامل شیمیایی مانند تیوسولفات یا محلول‌های سولفیدی برای جداسازی طلا از کربن انجام شده است، اما کاربرد صنعتی آن‌ها محدودتر است.

سوالات متداول (FAQ)

چرا کربن فعال به طور گسترده در استخراج طلا استفاده می‌شود؟

کربن فعال به دلیل سطح ویژه بسیار بالا و ساختار متخلخل منحصربه‌فرد خود، قادر است کمپلکس طلا-سیانید [Au(CN)₂]⁻ را به طور انتخابی و با راندمان بسیار بالایی از محلول‌های لیچینگ سیانیدی جذب کند. این ویژگی، فرآیند جداسازی و تغلیظ طلا را از مقادیر بسیار زیاد کانسنگ و محلول، به طور قابل توجهی تسهیل و اقتصادی می‌کند.

تفاوت اصلی بین فرآیندهای CIP و CIL چیست؟

در فرآیند کربن در پالپ (CIP)، ابتدا لیچینگ (انحلال) طلا از کانسنگ در تانک‌های جداگانه انجام شده و سپس پالپ حاصل (مخلوط جامد و مایع) به تانک‌های دیگری منتقل می‌شود که در آن‌ها کربن فعال برای جذب طلا اضافه می‌گردد. در مقابل، در فرآیند کربن در لیچینگ (CIL)، مراحل لیچینگ و جذب طلا به طور همزمان و در یک سری تانک‌های مشترک که از ابتدا حاوی کربن فعال هستند، رخ می‌دهد. فرآیند CIL به ویژه برای فرآوری کانسنگ‌هایی که حاوی مواد “preg-robbing” (مواد طلا-دزد) هستند، بسیار مناسب است زیرا کربن فعال از همان ابتدا با این مواد برای جذب طلای تازه حل شده رقابت می‌کند.

مهمترین عواملی که بر ظرفیت جذب طلا توسط کربن فعال تأثیر می‌گذارند کدامند؟

عوامل متعددی بر ظرفیت جذب طلا تأثیرگذارند، اما مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از: pH محلول، دما، غلظت سیانور آزاد، حضور و غلظت یون‌های فلزی رقیب (مانند مس، نقره، نیکل)، و کیفیت و مشخصات خود کربن فعال (شامل سطح ویژه، توزیع اندازه حفرات، و میزان تمیزی یا عدم وجود مواد مسموم‌کننده و رسوبات بر روی سطح آن).

منابع

برای نوشتن این مقاله از منابع متعدد بسیاری استفاده شده تا هم مقاله به صورت جامع نوشته شود و هم با استناد به منابع معتبر علمی نوشته شود. برخی از منابعی که برای این مقاله استفاده شده‌اند به صورت زیر می‌باشند:

• مقاله Evaluation of the Preg-Robbing Effect in Gold Recovery Using the Carbon-in-Leach Technique: A Comparative Study of Three Reactor Types> که یک مقاله بسیار جامع در مورد بازیابی طلا با استفاده از تکنیک کربن در لیچ صحبت شده است.
• مقاله Activated Carbon in Gold Cyanidation منتشر شده در سایت feeco.com
• مقاله تحقیقی Rate-determining mechanisms for the adsorption of gold di-cyanide onto activated carbon
• مقاله Precious Metal Recovery