Quy trình Carbon-in-Leach (CIL) là một trong những phương pháp thu hồi vàng hiệu quả nhất từ quặng chứa vàng. Hiệu quả của quá trình rửa trôi phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc dòng chảy có sự khuấy trộn cơ học trong bể lọc vàng. Phép đo phân bố thời gian cư trú (RTD) được tiến hành trong khu vực CIL của một nhà máy khai thác vàng nhằm xác định cấu trúc dòng chảy trong bể. Phép đo này sử dụng kỹ thuật đánh dấu phóng xạ I-131.
CIL (Carbon trong nước chiết xuất) là phương pháp rửa trôi carbon để chiết xuất vàng (thu hồi vàng từ quặng). Phương pháp này được tiến hành bằng cách thêm than hoạt tính vào bột quặng trong quá trình thực hiện đồng thời lọc (rửa trôi) và hấp phụ. Đây cũng là phương pháp làm đơn giản hóa quá trình lọc và xanh hóa (cyanidation) của CIP (Carbon trong bột – phương pháp chiết xuất vàng bằng bột giấy carbon).
Quá trình thu hồi vàng gồm nhiều bước khác nhau, từ nghiền quặng (nghiền và xay xát) đến lọc và cuối cùng là tạo vàng thỏi. Kể từ khi phát hiện ra vàng, dung dịch kiềm natri xyanua đã được sử dụng để thu hồi vàng từ quặng. Ngày nay, hầu hết vàng trên thế giới đều được lọc bằng phương pháp thu hồi có sử dụng xyanua. Phương pháp này trở thành phương pháp phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác vàng. Ngoài xyanua là tác nhân chính, thì oxy đóng một vai trò tăng tốc độ phản ứng trong quá trình lọc. Các nhà khoa học đã chứng minh được rằng tốc độ hòa tan vàng trong dung dịch xyanua tỷ lệ thuận với lượng oxy sẵn có. Các chất kiềm (hydrogen peroxide, canxi oxit,…) được sử dụng để điều chỉnh độ pH của bột giấy đến giá trị trong khoảng 9,5-11. Nhờ đó, ngăn cản sự phân hủy xyanua trong dung dịch tạo thành khí hydro xyanua có độc tính cao đối với con người. Quá trình lọc có thể được biểu diễn bằng phương trình Elsener:
4Au + 8NaCN + O2 + 2H2O → 4NaAu(CN)2 + 4NaOH
Với công nghệ phổ biến hiện nay, quá trình lọc vàng được thực hiện trong một bể chứa bằng thép không gỉ và được khuấy liên tục. Mặc dù, bể khuấy trộn không khí được sử dụng phổ biến trong công nghiệp nhưng loại bể khuấy cơ học vẫn được ưa chuộng hơn do chi phí vận hành thấp hơn. Với mục tiêu đạt được hiệu suất tối ưu, thiết kế của các bể này dựa trên nguyên tắc của một máy trộn lý tưởng với giả định bể là đồng nhất tức thời về hàm lượng các chất phản ứng. Tuy nhiên, điều kiện lý tưởng đó hiếm khi đạt được trong thực tế do phương pháp trộn và lượng lớn bột giấy. Các bể chứa có thể có các vùng chết làm giảm hiệu suất của quá trình. Nhược điểm này không chỉ làm giảm hiệu suất của contactor mà còn gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm, làm giảm lợi ích kinh tế. Ngoài ra, chúng có thể gây ra các vấn đề về an toàn và gây ra các tác động không mong muốn đối với môi trường.
Trong quá trình rửa trôi, thời gian tiếp xúc của quặng vàng với xyanua là quan trọng hàng đầu và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu quả thu hồi vàng. Hiệu quả của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào mức độ trộn lẫn trong các bể phản ứng, ở đó duy trì trạng thái huyền phù của các hạt vàng và xyanua trong toàn bộ thời gian tồn tại của bùn quặng. Sự phân bố thời gian cần thiết để các thành phần trong bể lọc ở đầu vào đến đầu ra có các dạng dòng chảy và đặc tính trộn phù hợp cần được xác định. Phương pháp RTD sử dụng kỹ thuật đánh dấu phóng xạ giúp các nhà khoa học giải quyết vấn đề này.
Nguyên tắc phương pháp này là tiêm chất đánh dấu vào đầu vào của hệ thống và ghi lại đường cong nồng độ-thời gian tại đầu ra. Nồng độ chất đánh dấu so với thời gian tại đầu ra của hệ thống sau khi chuẩn hóa chính là RTD thực nghiệm. Mục tiêu là để điều tra dạng dòng chảy trong bể sử dụng chất đánh dấu phóng xạ I-131. Đây là kỹ thuật thích hợp để đánh giá RTD của các hệ thống có thể tích lớn vì chúng có độ nhạy cao, có thể phát hiện được ở nồng độ thấp. Do đó, lượng chất đánh dấu cần thiết nhỏ.
Sơ đồ nguyên lý quy trình chế biến quặng vàng
Chất đánh dấu I-131 với hoạt độ khoảng 1,8 Ci được tạo ra trong lò phản ứng hạt nhân bằng phương pháp kích hoạt neutron đối với nguyên tử Tellurium ổn định. I-131 có chu kỳ bán rã là 8,02 ngày phát xạ tia gamma 364 keV và hạt beta 606 keV. Công thức phân tử của I-131 là Na131I có nghĩa là chất đánh dấu ở dạng natri iođua. Na131I là một chất đánh dấu dạng lỏng thích hợp cho các hệ thống quy trình đã được công nhận bởi IAEA.
Một đặc tính khiến Na131I trở thành chất đánh dấu dạng lỏng thích hợp là khả năng hòa tan nhẹ trong nước. Tuy nhiên, ion iodua hòa tan dễ bị oxy hóa thành iot nguyên tố (tự do) có độ hòa tan thấp trong nước và áp suất ở mức khá cao, do đó, làm tăng tính bay hơi của nó. Việc bổ sung các chất chống oxy hóa (ví dụ: natri thiosulphat: Na2S2O3) vào các dung dịch gắn I-131 hoặc iốt natri giúp giảm cả sự phân hủy và bay hơi. Chất này được pha loãng và được bơm vào dòng bùn quặng ở đầu vào đến bể thông qua một đường ống đặt dọc theo ống cấp liệu đầu vào và ở cùng độ sâu.
Sự phân bố nồng độ chất đánh dấu theo thời gian tại đầu ra của bể được xác định bằng phương pháp đo trực tuyến (tại chỗ). Điều này được tiến hành bằng cách lắp đặt một đầu dò [NaI(Tl)] ở đầu ra của bể để đo trực tiếp nồng độ I-131 trong dòng bùn quặng ở đầu ra. Bên cạnh đầu dò này là một đầu dò thứ hai được che chắn hoàn toàn bằng gạch chì để đo bức xạ nền. Các đầu dò được điều khiển bởi một hệ thống thu thập dữ liệu (DAS) bao gồm một thiết bị đo tốc độ được kết nối với một máy tính xách tay. Các tín hiệu (tốc độ đếm) do đầu dò ghi lại được truyền qua dây cáp đến thiết bị đo tốc độ và sau đó được lưu trữ trên máy tính để xử lý tiếp. Tốc độ đếm đo được đã được hiệu chỉnh cho nền và phân rã của đồng vị (chu kỳ bán rã = 192,96 h). Dữ liệu sau đó được chuẩn hóa và vẽ biểu đồ theo thời gian RTD.
Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo RTD đối với hệ thống bể lọc vàng
Các phép tính toán học đã được thực hiện bằng phần mềm MATLAB để giải các phương trình số bằng hàm “ODE45” sử dụng phương pháp Runge-Kutta. Các thông số mô hình đã được tối ưu hóa bằng hàm “FMINSEARCH”. Hàm này sử dụng phương pháp không có đạo hàm để giảm thiểu sai số bình phương trung bình giữa các dữ liệu thu được.
Thông thường, đối với một hệ thống hỗn hợp lý tưởng, tỷ lệ đếm sẽ trở về giá trị 0 sau hai hoặc ba lần thời gian cư trú trung bình (MRT). Đường cong RTD xác định với các mô hình dòng chảy lý tưởng điển hình sẽ xác định mô hình phù hợp nhất với cấu trúc dòng chảy trong bể lọc. Phương pháp khuấy bể cũng sẽ được điều chỉnh dựa theo mô hình đó. Như vậy, việc thiết kế hệ thống bể lọc sẽ được thực hiện và điều chỉnh theo sự điều chỉnh đường cong RTD.
Từ khóa: RTD; đánh dấu phóng xạ; vàng; CIL; CIP
– CMD&DND –
