استخراج طلا با سیانوراسیون — از صفر تا صد

طلا با نماد Au در گروه 11 و تناوب 6 جدول تناوبی عناصر شناخته می‌شود. استخراج طلا از سنگ‌های معدن با فرآیند «سیانوراسیون» (Cyanidation) صورت می‌گیرد. طلا،‌ فلزی چگال، براق و بسیار محبوب است. این عنصر کیفیت خاصی بین عناصر دارد که آن را در طول تاریخ بسیار ارزشمند کرده است. عمر بسیار بالا، رنگ جذاب، چکش‌خواری بالایی دارد و معمولا در طبیعت به طور خالص یافت می‌شود. ارزش بالای این عنصر سبب شده تا تاریخچه آن با دیگر عناصر قابل قیاس نباشد.

خواص و کاربردهای طلا

طلا از چگال‌ترین عناصر در بین فلزات و هادی خوب گرما و الکتریسته است که در میان عناصر بالاترین چکش‌خواری را دارد. تنها 28 گرم از آن می‌تواند ورقه‌ای در حدود 17 متر مربع ایجاد کند.

فیلم آموزش شیمی عمومی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

سادگی استخراج طلا و کار با آن، عدم خوردگی و سیاه نشدن، در کنار شکل زیبای این فلز سبب شد تا از اولین فلزاتی باشد که نظر انسان را به خود جلب کرده است. نمونه‌هایی از آثار قدیمی از روم باستان و آشوریان از گذشته به ما رسیده است. این فلز همچنان در صنعت جواهرسازی و دکوراسیون کاربرد دارد.

کیفیت و خواص ویژه این فلز سبب شده تا به یکی از اصلی‌ترین مواد برای مبادله کالا و خدمات تبدیل شود. این فلز همانند نقره، به صورت شمش یا سکه در جریان‌های پولی دولت‌ها و اقتصاد جهانی معامله می‌شود. استفاده از طلا به عنوان پشتوانه‌ای در کنار اسکناس در اقتصاد قرن 19 رایج بود به طوریکه از 1870 تا جنگ جهانی اول به عنوان یک استاندارد پولی در اقتصاد مطرح بود. با وجود حذف این فلز به عنوان پول رایج در سال 1970،‌ همچنان در حدود 45 درصد از ذخایر بانک‌های مرکزی در دنیا را شامل می‌شود. دولت‌ها از این فلز برای حفظ ارزش دارایی‌های خود استفاده می‌کنند. این فلز ارزشمند همچنان در اقتصاد جهانی و در بین دولت‌ها به عنوان روشی برای تبادلات مالی در نظر گرفته می‌شود.

فراوانی در زمین

این عنصر با غلظت‌های پایین در تمامی سنگ‌های آذرین وجود دارد و فراوانی آن در پوسته زمین در حدود $$0.005\ ppm$$ تخمین زده شده است. علاوه بر این، در طبیعت به صورت خالص یافت می‌شود و تنها با عناصری مثل تلوریوم، سلنیوم و بیسموت ترکیب‌هایی را تشکیل می‌دهد. طلا تنها یک ایزوتوپ با نام طلای 197 دارد. در برخی موارد مقادیر اندکی از آن به همراه رسوبات مس و سرب دیده می‌شود. با وجود این مقدار کم،‌ به عنوان «محصول جانبی» (by-product) در پالایش فلزاتی همچون مس و سرب بازیافت می‌شود. رگه‌های هیدروترمال همراه با کوارتز و پیریت و همچنین «رسوبات زردار» (Placer Deposit)، دو نوع متداول از رسوبات و شامل مقدار قابل توجهی طلا هستند. زمانی که این فلز از عمق‌های زیاد به صورت محلول آبی به همراه دیگر مواد معدنی بالا آورده شود، رگه‌های اشباع از طلا تشکیل و بعدها ته‌نشین می‌شوند.

طلا در سنگ‌ها به صورت دانه‌های پراکنده وجود دارد که قابل مشاهده نیست. البته در برخی موارد به صورت پولک‌ مانند یا رگه‌ای ظاهر می‌شوند. در این خصوص، کریستال‌هایی با اندازه 2/5 سانتیمتر در کالیفرنیا کشف شده‌اند. علاوه بر این، توده‌هایی با جرمی در حدود 90 کیلوگرم نیز در استرالیا گزارش شده است.

رسوبات آبرفتی طلا که در طول رودخانه‌ها کشف شده‌اند، منابع عمده فلزات در مصر باستان و بین‌النهرین بوده‌اند. منابع دیگری از این فلز در ترکیه،‌ ایران، هند و چین یافت شده است. استخراج طلا در اروپا بیشتر مربوط به اتریش و ایالت ساکسونی است. استخراج طلا و بهره‌برداری از آن در دهه 1490 و بعد از کشف آمریکا شاید بزرگترین واقعه‌ تاریخی بوده که در آن زمان بشر به خود دیده است.

تاریخچه تولید و بهره‌برداری

بهره‌برداری از معادن در دوره برده‌داری، غارت کاخ‌ها، معابد و گورستان‌ها در مرکز و جنوب آمریکا سبب ورود مقادیر بی‌سابقه‌ای از این فلز گرانبها و عدم توازن در ساختار اقتصادی اروپا شد. بعد از کشف آمریکا توسط کریستف کلمب، تا سال 1600 میلادی بیش از 225000 کیلوگرم از این فلز شامل 35 درصد از کل تولید جهانی طلا، از آمریکای جنوبی استخراج شد. این میزان استخراج طلا در قرن‌های 17 و 18 به ترتیب به 61 و 80 درصد رسید. جالب است بدانید که در قرن 18 در حدود 1350000 کیلوگرم از آن در این ناحیه استخراج شد.

فیلم آموزش مهندسی انفجار – بخش اول در فرادرس

کلیک کنید

در سال 1823، روسیه به تولیدکننده اصلی آن تبدیل شد و تا 14 سال منبع اصلی توزیع این فلز مهم در جهان بود. در طول دوره دوم استخراج طلا (سالهای 1875-1850)، به دلیل کشف معادن جدید در کالیفرنیا و استرالیا،‌ میزان طلای استخراج شده به بیشترین میزان خود از سال 1492 رسید. دوره سوم، مربوط به سالهای 1890 تا 1915 و کشفیات در ایالت «یوکون» (Yukon) بود. یک فاکتور اصلی در افزایش استخراج طلا، معرفی روش سیانوراسیون، برای استخراج آن از سنگ‌ معدن‌هایی با مقدار کم از این عنصر بود.

افزایش استخراج طلا تا قرن بیستم ادامه پیدا کرد. بخشی از این افزایش به خاطر بهبود روش‌های استخراج، و بخشی دیگر به دلیل توسعه معادن در آفریقا بود. در اواخر قرن بیستم،‌ چهار کشور آفریقای جنوبی، روسیه، آمریکا و استرالیا در حدود دو سوم طلای تولیدی سالانه در جهان را به خود اختصاص دادند. در اوایل قرن بیستم، این چین بود که به تولیدکننده اصلی این فلز در جهان تبدیل شد. چهار کشور گفته شده هم همچنان به تولید خود ادامه دادند.

آلیاژها

برای استفاده از این فلز در جواهرسازی، ضرب سکه و ساخت ابزار، آن را به آلیاژ تبدیل می‌کنند. این کار به این دلیل انجام می‌شود تا طلای خالص، که نرم و شکل پذیر است، با این فرآیند،‌ سخت و قابل استفاده در صنعت شود. آلیاژ طلا با نقره، مس و روی سبب تولید طلای زرد، و آلیاژ طلا با نیکل، مس و روی سبب تولید طلای سفید می‌شود. استفاده بیش از 70 درصد نقره در آلیاژ سبب تولید طلای سفید می‌شود. هر اندازه که نسبت نقره در این آلیاژ بیشتر شود، رنگ آن از زرد به سمت سفید تغییر می‌کند. از آلیاژهای این فلز با نقره یا مس جهت ضرب سکه و از آلیاژهای طلا با پلاتینیوم و پالادیوم برای جواهرسازی استفاده می‌شود. برای تعیین محتوای آلیاژ طلا از «عیار» (Karats) استفاده می‌شود. طلای خالص، طلای 24 عیار و طلای 12 عیار شامل 50 درصد طلا است.

کاربرد در صنعت

طلا، هادی بسیار خوب الکتریسیته است. از این‌رو،‌ در صنایع الکترونیک همچون آبکاری فلزات در اتصالات، مدارهای چاپی و نیمه‌هادی‌ها بکار می‌رود. یک لایه نازک از طلا تا 98 درصد از اشعه فروسرخ را بازتاب می‌دهد. به همین خاطر در سطح ماهواره‌های فضایی برای کنترل دما و در شیشه‌ کلاه فضانوردان برای محافظت از آنها استفاده می‌شود. به همین شکل در ساختمان‌ها با پنجره‌های بزرگ، از لایه‌ طلا برای بازتاب اشعه فروسرخ استفاده که این امر علاوه بر بهبود مصرف انرژی، سبب زیبایی بیشتر بنا نیز می‌شود. این عنصر در پر کردن دندان‌ها هم کاربرد دارد.

در میان فلزات واسطه، طلا از واکنش‌پذیری بسیار کمی برخوردار است. این عنصر توسط اکسیژن و گوگرد مورد حمله قرار نمی‌گیرد اما به سادگی با هالوژن‌ها و محلول‌های شامل کلر، مانند تیزاب (مخلوط غلیظ نیتریک اسید و هیدروکلریک اسید) واکنش می‌دهد. همچنین در سیانور و در حضور هوا یا «هیدروژن پراکسید» $$(H_2O_2)$$، حل می‌شود. حل شدن طلا در محلول سیانور سبب تشکیل یون بسیار پایدار دی‌سیانورات $$[Au(CN)_2]^-$$ می‌شود. همانند مس،‌ طلا هم یک الکترون در لایه آخر خود دارد اما علیرغم ساختار مولکولی مشابه و انرژی یونش، شباهت‌های اندکی بین طلا و مس وجود دارد.

ترکیبات

عدد اکسایش برای طلا 3+ و در برخی ترکیبات 1+، که عدد 1+ معمولا ناپایدار است و در شیمی، این عدد معمولا 3+ در نظر گرفته می‌شود. طلا خیلی ساده‌تر از دیگر فلزات توسط واکنش اکسایش-کاهش جانشین می‌شود. ترکیبات مهم طلا عبارتند از: $$AuCl$$، $$AuCl_{3}$$ و «کلورآریک اسید» $$(HAuCl_{4})$$. در ترکیب اول، عدد اکسایش طلا 1+، و در دو ترکیب دیگر 3+ است. هر سه این ترکیب‌ها در «استخراج الکترولیتی طلا» (Electrolytic Refining of Gold)، استفاده می‌شوند. «پتاسیم سیانورات» $$(K[Au(CN)_2])$$، ماده پایه در آبکاری طلا است. خیلی از ترکیبات آلی طلا هم مصارف صنعتی دارند. به عنوان مثال از ترکیبات آلی طلا در تزیین چینی‌ها و صنایع دستی شیشه‌ای استفاده می‌شود.

فرآوری طلا

به آماده‌سازی سنگ‌معدن‌های این عنصر برای استفاده در محصولات مختلف، فرآوری طلا می‌گویند. برای مدت‌ها طلا به عنوان عنصری از زیبایی شناسی مورد استفاده قرار می‌گرفت. رنگ طلا به خاطر ساختار مولکولی اتم‌های آن در جذب طول موج‌های الکترومغناطیسی کمتر از 5600 آنگستروم و انعکاس طول موج‌های بیشتر از 5600 آنگستروم است. این طول موج انعکاس یافته، همان طول موج رنگ زرد است.

طلا در معدن

طبیعتِ سنگ معدن‌های این عنصر در نوع فرآوری آن موثر است. سنگ‌های اکسید شده دارای درجه کمی از این فلز و در حدود $$(3-10 \ ppm)$$ هستند که فرآروی معدنی آن‌ها از لحاظ اقتصادی بصرفه نیست. در چنین شرایطی در معدن،‌ این سنگ‌ها با عملیات آتش‌باری (انفجاری) به اجزای کوچکتر تبدیل می‌شوند که به صورت تپه‌هایی جمع‌آوری شده و در طی فرآیند سیانوراسیون، طلا از آنها استخراج می‌شود. این تپه‌ها معمولا به طول صدها متر و ارتفاع 15 تا 30 متر هستند. در مواردی رسوبات طلا از لایروبی دریاچه‌ها و عمق رودخانه‌ها یا از طریق اعمال فشار هیدرولیکی نیز بدست می‌آیند. این رسوبات بر خلاف روش قبل نیازی به خرد کردن ندارند.

سیانوراسیون و استخراج طلا

«سیانوراسیون طلا» (Gold Cyanidation) به عنوان فرآیند «مک آرتور-فارست» (MacArthur-Forest) هم شناخته می‌شود. این فرآیند، یک روش هیدرومتالورژی برای استخراج طلا از سنگ‌ معدن‌های نامرغوب با تبدیل طلا به یک محلول «کمپلکس کوردینانسی» (Coordination Complex) است.

فیلم آموزش استخراج فلزات غیرآهنی – سرب و روی در فرادرس

کلیک کنید

واکنش شیمیایی

معادله واکنش انحلال طلا به «معادله اسنر» (Elsner Equation) معروف است که به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$4Au(s)+ 8 NaCN(aq)+O_2(g)+2H_2O(l)\rightarrow4Na[Au(CN)_2](aq)+4NaOH(aq)$$

در این فرآیند ردوکس، فرآورده‌ها شامل کمپلکس یون $$Au(CN)_2^-$$ است.

بعد از خرد کردن سنگ معدن،‌ به آن آب اضافه می‌کنند. اضافه کردن آب سبب تشکیل یک «دوغاب» (Slurry) می‌شود. به این دوغاب،‌ «سدیم سیانید» ($$NaCN$$) یا «پتاسیم سیانید» ($$KCN$$) اضافه در بیشتر موارد از «کلسیم سیانید» ($$Ca(CN)_2$$) استفاده می‌شود که صرفه اقتصادی بیشتری دارد.

تأثیر اکسیژنِ محلول

کمبود اکسیژن محلول، سرعت واکنش و استخراج طلا را کاهش می‌دهد. برای افزایش غلظت اکسیژن حل شده، هوا یا گاز اکسیژن خالص به واکنش اضافه می‌شود. با افزایش فشار جزئی اکسیژن در تماس با محلول،‌ غلظت اکسیژن حل شده در محلول افزایش پیدا می‌کند. همچنین، برای افزایش اکسیژن می‌توان از محلول «هیدروژن پراکسید» ($$H_2O_2$$) استفاده کرد. در برخی موارد، سنگ معدن در آب با pH بالا هوادهی می‌شود. این عمل سبب کاهش واکنش‌پذیری عنصرهایی همچون آهن و گوگرد با سیانید می‌شود.

بازیافت طلا از محلول سیانید

از سه روش معمول برای بازیافت این عنصر از محلول سیانید استفاده می‌شود. این سه روش عبارتند از:

• کربن در خمیر
• الکترووینینگ
• فرآیند مریل-کرو

کربن در خمیر

فرآیند «کربن در خمیر» (Carbon in Pulp)، در سال 1980 معرفی شد. از این روش ارزان برای بازیافت طلا استفاده می‌شود. حضور عناصر نقره یا مس، مانعی برای انجام این روش است. با اضافه کردن کربن فعال به محلول سیانید،‌ این محلول به کربن جذب می‌شود. این فرآیند تا زمان رسیدن تعادل بین کربن و طلا در محلول ادامه پیدا می‌کند. اندازه مولکول‌های کربن در دوغاب از خرده‌های سنگ معدن بیشتر است؛ در نتیجه، می‌توان دانه‌های این عنصر متصل به کربن را با الک از دوغاب جدا کرد. دانه‌های کربن و فلز با استفاده از فرآیندهای «شستشو» (Elution) و «واجذب» (Desorption) در دما و pH بالا، از یکدیگر جدا می‌شوند. در برخی موارد از اتانول نیز برای جداسازی این فلز گرانبها از کربن استفاده می‌شود.

الکترووینینگ

روش «الکترووینینگ» (Electrowining) یک روش آبکاری برای جذب طلا است. محلول شامل این عنصر از یک سلول الکترووینینگ عبور می‌کند. این سلول شامل کاتدهایی سیمی است که طلا و دیگر فلزات از طریق الکترولیز روی آن جذب شده‌اند. با عبور محلول از این سلول،‌ فلز طلا به کاتد جذب می‌شود. این کاتدها در پایان فرآیند از سلول خارج می‌شوند و در داخل اسید قرار می‌گیرند. اسید، کاتد و برخی فلزات همچون مس را در خود حل می‌کند و رسوبی از طلا باقی می‌گذارد. در انتها، رسوب طلا با آب شستشو و خشک می‌شود. بعد از ترکیب با «بوره» (Borax)، به کارخانه‌های ذوب فرستاده می‌شود.

فرآیند مریل-کرو

فرآیند «مریل-کرو» (Merril-Crowe)، در ابتدا در سال 1900 توسط «چارلز واشنگتن مریل» (Charles Washington Merrill) ارائه شد و بعدها «توماس بنت کرو» (Thomas Bennett Crowe) هنگام کار در شرکت مریل آن را بهبود بخشید.

در این روش گَرد روی به محلول اضافه می‌شود. روی نسبت به طلا تمایل بیشتری برای واکنش با یون سیانید دارد. در نتیجه با اضافه کردن گرد روی به محلول، طلا و دیگر رسوبات فلزی مانند نقره در صورت حضور، رسوب می‌کنند. طلای رسوب شده و گرد روی، فیلتر و از محلول جدا می‌شوند. گرد روی و طلا در سولفوریک اسید حل و سبب حل شدن روی می‌شود. محلول مورد نظر به شمش‌های خام حاوی طلا و دیگر فلزات تبدیل می‌شود. این شمش‌ها به کارخانه ذوب برای جداسازی مس و نقره از طلا فرستاده می‌شوند.

جمع‌بندی

در این آموزش سعی کردیم عنصر طلا را معرفی و روش‌های استخراج آن را بیان کنیم. با خصوصیات این عنصر آشنا شدیم و کاربردهای آن در گذشته و امروز را بیان کردیم. در پایان،‌ سه روش اصلی در استخراج این فلز از سنگ معدن و واکنش‌های آن‌ نیز بررسی شدند.

اگر مطالب گفته شده در بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• آموزش هایسیس HYSYS برای شبیه سازی فرایندهای شیمیایی
• موازنه واکنش شیمیایی — به زبان ساده
• تعریف واکنش شیمیایی — به زبان ساده

^^