فراتر از حذف سیانید؛ معماری انتخاب و توسعه مدارهای لیچینگ غیرسیانیدی طلا

مقدمه: مسئله، جایگزینی یک ماده شیمیایی نیست

سیانید طی بیش از یک قرن به دلیل گزینش‌پذیری مناسب برای طلا، سرعت قابل قبول انحلال، امکان بازیابی فلز با کربن فعال یا فرایند مریل–کرو و هزینه نسبتاً پایین، به واکنشگر غالب هیدرومتالورژی طلا تبدیل شده است. با این حال، سمیت حاد، حساسیت اجتماعی، الزامات سخت‌گیرانه حمل‌ونقل و نگهداری، هزینه تخریب سیانید و ریسک پیامدهای زیست‌محیطی باعث شده است توسعه مدارهای غیرسیانیدی دوباره در مرکز توجه شرکت‌های معدنی قرار گیرد.

نکته کلیدی آن است که هیچ واکنشگری را نمی‌توان مستقل از نوع کانسنگ، کانی‌های باطله، شکل حضور طلا، کیفیت آب و فناوری بازیابی از محلول ارزیابی کرد. ممکن است یک حلال در آزمون بطری بازیابی بالایی نشان دهد، اما به دلیل مصرف شدید توسط مس، آهن، مواد کربن‌دار یا کانی‌های سولفیدی، در مقیاس صنعتی غیراقتصادی شود. بنابراین، جایگزینی موفق سیانید باید به‌صورت بازطراحی یک سامانه کامل شامل آماده‌سازی خوراک، پیش‌تیمار، لیچینگ، جدایش جامد–مایع، بازیابی طلا، بازچرخانی محلول و مدیریت پسماند دیده شود.

چرا رفتار کانی‌شناختی بر انتخاب حلال مقدم است؟

نخستین پرسش در توسعه یک مدار غیرسیانیدی این نیست که «کدام واکنشگر بهتر است»، بلکه باید مشخص شود طلا در کجا و به چه شکلی قرار دارد. طلای آزاد و درشت، طلای محصور در پیریت یا آرسنوپیریت، طلای زیرمیکروسکوپی، تلوریدهای طلا و طلای جذب‌شده در مواد کربن‌دار، پاسخ‌های کاملاً متفاوتی به لیچینگ نشان می‌دهند. در کانسنگ‌های مقاوم سولفیدی، حتی قوی‌ترین حلال نیز تا زمانی که ساختار میزبان شکسته یا متخلخل نشده باشد، به سطح طلا دسترسی کافی نخواهد داشت.

کانی‌شناسی فرایندی باید دست‌کم اندازه و توزیع ذرات طلا، درجه آزادسازی، ارتباط طلا با سولفیدها، مقدار کربن آلی فعال، حضور مس و روی محلول‌پذیر، رفتار آهن و گوگرد و ظرفیت مصرف اکسیدکننده را تعیین کند. ابزارهایی مانند MLA یا QEMSCAN، میکروسکوپ الکترونی، آنالیز اندازه‌ای طلا، روش تشخیصی لیچینگ و آزمون‌های پیش‌تغلیظ ثقلی برای ساخت این تصویر ضروری‌اند. اگر بخش قابل توجهی از طلا به‌صورت آزاد وجود داشته باشد، بازیابی ثقلی پیش از لیچینگ می‌تواند مصرف همه واکنشگرها، اعم از سیانید یا جایگزین‌های آن، را کاهش دهد.

تیوسولفات؛ گزینه بالغ‌تر برای برخی کانسنگ‌های دشوار

لیچینگ تیوسولفاتی یکی از شناخته‌شده‌ترین مسیرهای غیرسیانیدی است. طلا در این سامانه عمدتاً به شکل کمپلکس پایدار تیوسولفات طلا، یعنی Au(S_۲O_۳)_۲^۳−، وارد محلول می‌شود. سامانه‌های متداول از تیوسولفات آمونیومی، یون مس به‌عنوان کاتالیزور و اکسیژن استفاده می‌کنند. مزیت مهم این مسیر، عملکرد بالقوه آن در بعضی کانسنگ‌های مس‌دار و مواد کربن‌داری است که در سیانوراسیون با پدیده جذب مجدد طلا یا preg-robbing مواجه می‌شوند.

با وجود این، تیوسولفات یک جایگزین مستقیم و بدون تغییر فلوشیت نیست. این یون می‌تواند به تترا‌تیونات و سایر پلی‌تیونات‌ها اکسید شود و مصرف واکنشگر را افزایش دهد. غلظت آمونیاک، نسبت مس دوظرفیتی به مس یک‌ظرفیتی، اکسیژن محلول، دما و پتانسیل اکسایش–کاهش باید در محدوده کنترل‌شده باقی بمانند. همچنین کربن فعال متعارف، کمپلکس تیوسولفات طلا را مانند کمپلکس سیانیدی جذب نمی‌کند؛ ازاین‌رو رزین‌های تبادل یونی، استخراج حلالی یا روش‌های رسوب‌دهی باید در طراحی مدار بازیابی بررسی شوند. مرور کلاسیک آیل‌مور و مویر نشان می‌دهد که موفقیت صنعتی تیوسولفات بیشتر از آنکه تابع افزایش غلظت واکنشگر باشد، به کنترل شیمی محلول و جلوگیری از تخریب تیوسولفات وابسته است [۲].

گلایسین؛ حلالی کم‌خطر با امکان مدار قلیایی

گلایسین یک اسیدآمینه ساده و زیست‌سازگار است که در محیط قلیایی می‌تواند با طلا و برخی فلزات پایه کمپلکس تشکیل دهد. فشار بخار ناچیز، سمیت پایین‌تر و امکان بازچرخانی محلول از جذابیت‌های این مسیر است. لیچینگ گلایسینی به‌ویژه در مدارهایی که هم‌زمان مدیریت مس اهمیت دارد، قابل بررسی است؛ زیرا می‌توان با تنظیم pH، اکسیدکننده و شرایط محلول، انحلال مس و طلا را تا حدی هدایت کرد.

محدودیت اصلی گلایسین، سینتیک نسبتاً کند طلا در بسیاری از خوراک‌هاست. این ضعف ممکن است با افزایش دما، استفاده کنترل‌شده از اکسیدکننده‌هایی مانند پراکسید هیدروژن، افزودن مقادیر کم کاتالیزور یا ترکیب گلایسین با یک حلال کمکی کاهش یابد. با این حال، هر افزودنی باید از منظر هزینه، خوردگی، ایمنی و بازیابی محلول ارزیابی شود. گلایسین زمانی مزیت واقعی پیدا می‌کند که مدار بسته محلول، بازیابی واکنشگر و کنترل تجمع ناخالصی‌ها از ابتدا در طراحی لحاظ شده باشد؛ در غیر این صورت، پایین بودن سمیت ذاتی آن الزاماً به پایین بودن هزینه بهره‌برداری منجر نمی‌شود.

تیواوره و هالیدها؛ سرعت بالا در برابر خوردگی و مصرف واکنشگر

تیواوره در محیط اسیدی کمپلکس کاتیونی طلا تشکیل می‌دهد و می‌تواند سرعت انحلال بالایی داشته باشد. این ویژگی برای برخی کنسانتره‌ها و مواد ثانویه جذاب است، اما پایداری محدود تیواوره، اکسیداسیون آن، مصرف زیاد در حضور کانی‌های واکنش‌پذیر و حساسیت فرایند به پتانسیل اکسایش–کاهش از موانع اصلی تجاری‌سازی گسترده محسوب می‌شوند. افزون بر این، تیواوره را نباید صرفاً به دلیل غیرسیانیدی بودن، بدون ارزیابی جامع سم‌شناسی و مدیریت پساب، گزینه‌ای ذاتاً سبز تلقی کرد.

سامانه‌های کلریدی، برمیدی و یدیدی نیز توان انحلال طلا را دارند. محیط کلریدی به‌ویژه در فشار و دمای بالا یا در حضور اکسیدکننده مناسب می‌تواند برای کنسانتره‌ها و مواد باارزش قابل توجه باشد. مزیت اصلی هالیدها سینتیک سریع و قابلیت ادغام با بعضی مدارهای اکسیداسیون است؛ اما خوردگی تجهیزات، انحلال هم‌زمان فلزات پایه، مصرف اکسیدکننده و پیچیدگی انتخاب مواد سازنده، هزینه سرمایه‌ای و عملیاتی را افزایش می‌دهد. ید و برم نیز معمولاً تنها در صورت بازیابی مؤثر و بسته‌شدن چرخه واکنشگر توجیه اقتصادی پیدا می‌کنند.

تشویه مایکروویوی و خودلیچینگ؛ استفاده از خود کانسنگ برای فعال‌سازی فرایند

یک پژوهش جدید در مجله International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials با عنوان فارسی «بازیابی کم‌سمیت و غیرسیانیدی کانسنگ طلای مقاوم پرگوگرد به روش تشویه مایکروویوی–خودلیچینگ؛ بهینه‌سازی سطح پاسخ و مطالعه سازوکار» مسیر متفاوتی را بررسی کرده است [۱]. ایده محوری این رویکرد آن است که برای کانسنگ مقاوم پرگوگرد، تغییر ساختار میزبان پیش از لیچینگ می‌تواند مهم‌تر از جایگزینی ساده حلال باشد.

گرمایش مایکروویوی برخلاف انتقال حرارت صرف از سطح به مرکز ذره، با فازهای دارای خواص دی‌الکتریک مناسب برهم‌کنش می‌کند. تفاوت در میزان جذب انرژی میان کانی‌های سولفیدی و فازهای باطله می‌تواند گرمایش انتخابی، ایجاد تنش حرارتی، ریزترک‌زایی و افزایش تخلخل را به دنبال داشته باشد. هم‌زمان، دگرگونی فازهای گوگرددار ممکن است دسترسی محلول به طلای محصور را افزایش دهد. مفهوم خودلیچینگ نیز بر بهره‌گیری از گونه‌ها یا محصولات واکنش‌پذیری استوار است که در جریان فعال‌سازی ماده تولید می‌شوند؛ در نتیجه، نیاز به افزودن حجم زیاد یک حلال خارجی بالقوه کاهش می‌یابد.

اهمیت یافته‌های این مطالعه در ارائه یک «واکنشگر جادویی» نیست، بلکه در تلفیق انرژی‌دهی انتخابی، تغییر فاز، آزادسازی و لیچینگ کم‌سمیت است. استفاده از روش سطح پاسخ نیز نشان می‌دهد که متغیرهایی مانند توان و زمان مایکروویو، دما، نسبت جامد به مایع و مدت لیچینگ باید به‌صورت هم‌زمان بهینه شوند. افزایش شدت تشویه لزوماً مطلوب نیست؛ زیرا مصرف انرژی، زینترینگ ذرات، تشکیل فازهای کم‌واکنش و کنترل گازهای خروجی می‌تواند مزیت متالورژیکی را خنثی کند. بنابراین، نتیجه مهندسی مهم آن است که انرژی ویژه مصرفی به ازای هر تن خوراک و هر اونس طلای اضافی بازیابی‌شده باید در کنار درصد استخراج گزارش شود.

معیارهای انتخاب میان گزینه‌های غیرسیانیدی

مقایسه گزینه‌ها تنها با «درصد بازیابی طلا» گمراه‌کننده است. یک ماتریس تصمیم صنعتی باید حداقل هفت گروه شاخص را پوشش دهد:

• کارایی متالورژیکی: بازیابی نهایی، سرعت انحلال، نیاز به خردایش ریز و پاسخ بخش‌های مختلف کانسنگ.
• گزینش‌پذیری: میزان انحلال مس، آهن، روی، نیکل، آرسنیک و سایر عناصر مزاحم.
• مصرف ویژه: مصرف حلال، اکسیدکننده، تنظیم‌کننده pH و مواد مورد نیاز برای بازیابی طلا.
• بازیابی از محلول: سازگاری با رزین، کربن، استخراج حلالی، الکترووینینگ یا رسوب‌دهی.
• پایداری چرخه محلول: قابلیت بازچرخانی، تجمع نمک‌ها، محصولات تخریب و نیاز به جریان تخلیه.
• ریسک HSE: سمیت حاد و مزمن، خوردگی، گازهای خروجی، ایمنی حمل‌ونقل و رفتار باطله در بلندمدت.
• اقتصاد چرخه عمر: هزینه سرمایه‌ای، انرژی، واکنشگر، مواد سازنده، تصفیه آب و تعهدات پس از تعطیلی معدن.

برای مثال، ممکن است تیوسولفات در یک کانسنگ کربن‌دار بازیابی بیشتری از سیانید ایجاد کند، اما هزینه رزین و کنترل محلول بالا باشد. در مقابل، گلایسین ممکن است ایمن‌تر باشد ولی به زمان ماند طولانی‌تر و مخازن بزرگ‌تر نیاز پیدا کند. تشویه مایکروویوی نیز می‌تواند آزادسازی را بهبود دهد، اما تنها زمانی اقتصادی است که پاسخ کانی‌شناختی انتخابی و صرفه‌جویی پایین‌دست، هزینه انرژی و تجهیزات را جبران کند.

برنامه آزمون‌کاری برای جلوگیری از شکست مقیاس‌افزایی

توسعه فرایند باید از نمونه‌ای مرکب و نماینده دامنه تغییرات کانسار آغاز شود، نه فقط نمونه‌ای با عیار بالا. واحدهای زمین‌متالورژیکی باید بر اساس گوگرد، کربن آلی، مس، نوع سولفید، سختی و شکل حضور طلا تعریف شوند. سپس آزمون‌های پایه شامل لیچینگ مستقیم، لیچینگ تشخیصی، بازیابی ثقلی، مصرف اسید یا قلیا و بررسی انحلال ناخالصی‌ها انجام گیرد.

در مرحله غربالگری، تیوسولفات، گلایسین، تیواوره، هالید یا خودلیچینگ نباید صرفاً در شرایط یکسان مقایسه شوند؛ زیرا هر سامانه پنجره شیمیایی خاص خود را دارد. طراحی آزمایش آماری می‌تواند اثر و برهم‌کنش pH، دما، غلظت واکنشگر، اکسیدکننده، اندازه ذره، درصد جامد و زمان را مشخص کند. پس از انتخاب گزینه، آزمون‌های چرخه‌ای محلول ضروری است. بسیاری از فرایندها در چرخه نخست موفق‌اند، اما در چرخه‌های بعد به علت تجمع فلزات پایه، پلی‌تیونات‌ها، کلریدها یا مواد آلی افت می‌کنند.

مرحله پیوسته یا پایلوت باید کل مدار را پوشش دهد: آماده‌سازی خوراک، راکتور، جدایش جامد–مایع، بازیابی طلا و بازچرخانی محلول. تراز جرمی طلا به‌تنهایی کافی نیست و لازم است تراز گوگرد، مس، آهن، نیتروژن، هالوژن‌ها و آب نیز بسته شود. نمونه باطله نهایی باید از نظر زهکشی اسیدی، شست‌وشوی فلزات و پایداری ژئوشیمیایی درازمدت آزمایش شود.

کنترل فرایند؛ شرط پایداری مدار غیرسیانیدی

مدارهای جایگزین غالباً نسبت به تغییرات شیمی محلول حساس‌تر از سیانوراسیون متعارف‌اند. اندازه‌گیری برخط pH، پتانسیل اکسایش–کاهش، اکسیژن محلول، هدایت الکتریکی و دما حداقل ابزار کنترلی است. در مدار تیوسولفات، پایش گونه‌های مس و محصولات اکسیداسیون تیوسولفات اهمیت دارد. در گلایسین، غلظت واکنشگر آزاد و فلزات کمپلکس‌شده باید تفکیک شود. در مدارهای هالیدی، کنترل اکسیدکننده آزاد و انتخاب تجهیزات مقاوم به خوردگی حیاتی است.

برای تشویه مایکروویوی نیز کنترل فقط بر مبنای دمای متوسط کافی نیست. توزیع توان، نرخ خوراک، رطوبت، اندازه ذره و کانی‌شناسی بر جذب انرژی اثر می‌گذارند. اتصال داده‌های کانی‌شناسی خوراک به کنترل توان می‌تواند از کم‌تشویه‌شدن مواد مقاوم یا بیش‌تشویه‌شدن مواد واکنش‌پذیر جلوگیری کند. چنین رویکردی، جایگزینی سیانید را از یک پروژه آزمایشگاهی به سامانه‌ای قابل کنترل در کارخانه تبدیل می‌کند.

آیا غیرسیانیدی بودن به معنای پایداری بیشتر است؟

پاسخ همیشه مثبت نیست. ارزیابی پایداری باید خطر ذاتی ماده، مقدار مصرف، انرژی، آب، دوام تجهیزات، انتشار گازها و سرنوشت محصولات جانبی را هم‌زمان در نظر بگیرد. واکنشگری با سمیت کمتر که در مقادیر بسیار زیاد مصرف شود و پساب شور یا فلزدار ایجاد کند، ممکن است ردپای محیط‌زیستی بیشتری از یک مدار سیانیدی بسته و خوب‌مدیریت‌شده داشته باشد. به همین ترتیب، پیش‌تیمار حرارتی اگر بدون بازیابی گرما و کنترل گاز طراحی شود، می‌تواند انتشار کربن و هزینه عملیاتی بالایی داشته باشد.

شاخص‌های مناسب برای مقایسه شامل کیلوگرم واکنشگر به ازای تن، کیلووات‌ساعت انرژی به ازای تن، آب تازه به ازای تن، شدت انتشار گاز گلخانه‌ای به ازای اونس طلا، حجم جریان تخلیه و هزینه تصفیه باطله است. ارزیابی چرخه عمر و تحلیل اقتصادی باید از مرحله آزمایش نیمه‌صنعتی آغاز شود، نه پس از تثبیت فلوشیت.

نتیجه‌گیری

جایگزینی سیانید یک انتخاب دوگانه میان «سیانید» و «یک حلال سبز» نیست. راه‌حل موفق از شناخت دقیق محل استقرار طلا و واکنش کانی‌های میزبان آغاز می‌شود و تا بازیابی فلز، بازچرخانی محلول و مدیریت باطله ادامه می‌یابد. تیوسولفات برای برخی کانسنگ‌های مس‌دار یا کربن‌دار ظرفیت صنعتی مهمی دارد؛ گلایسین امکان توسعه مدار قلیایی کم‌خطر و قابل بازچرخانی را فراهم می‌کند؛ تیواوره و هالیدها در کاربردهای منتخب از سینتیک بالا برخوردارند؛ و مسیر تشویه مایکروویوی–خودلیچینگ نشان می‌دهد که در کانسنگ‌های پرگوگرد مقاوم، فعال‌سازی انتخابی ساختار می‌تواند به اندازه نوع حلال تعیین‌کننده باشد.

برای شرکت مهندسی معدن، تصمیم منطقی باید بر پایه واحدهای زمین‌متالورژیکی، آزمون‌های چرخه‌ای، تراز کامل عناصر، پایلوت پیوسته و مقایسه هزینه چرخه عمر اتخاذ شود. هدف نهایی صرفاً حذف سیانید نیست؛ هدف طراحی مداری است که بازیابی پایدار، مصرف کنترل‌شده واکنشگر، قابلیت بهره‌برداری صنعتی و ریسک قابل پذیرش زیست‌محیطی را به‌طور هم‌زمان تأمین کند.

منابع

1. Low-toxicity non-cyanide recovering high-sulfur refractory gold ore via microwave roasting self-leaching process: Response surface optimization and mechanism study. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, Springer, ۲۰۲۵.
2. Aylmore, M. G. & Muir, D. M. Thiosulfate leaching of gold—A review. Minerals Engineering, ۲۰۰۱.
3. Hilson, G. & Monhemius, A. J. Alternatives to cyanide in the gold mining industry: What prospects for the future?. Journal of Cleaner Production, Elsevier.
4. Adams, M. D., ed. Gold Ore Processing: Project Development and Operations. Elsevier.
5. Marsden, J. O. & House, C. I. The Chemistry of Gold Extraction. Society for Mining, Metallurgy & Exploration.