ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

222 

 

radioecological  situation  in  Kazakhstan."  -  Kurchatov:  2005.  [Priest  N.,  Burkitbayev  M.,  A. 

Artemiev,  Lukashenko  S.  Mitchell,  P.,  L.  Vintro,  Strilchuk  Yu,  Kuyanova  E.,  A.  Omarova. 

Radionuclidnoye  zagryazneniye  pochvy  severo-vostochnoy  chasti  byvshego  Semipalatinskogo 

ispytatelnogo poligona// Trudy Mezhdunarodnoi konferencii “Radioecologicheskaya situaciya v 

Kazakhstane”. – Kurchatov: 2005] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

223 

 

УДК 544  

 

 

 

 

 

Nadirov R.K., Syzdykova L.I., Zhussupova A.K. 

 

al-Farabi Kazakh national university 

*Е-mail: nadirov.rashid@gmail.com 

 

Copper extraction from smelter slag by ammonia leaching 

 

In  this  paper,  feasibility  of  copper  slag  processing  by  NH

4

Cl  aqueous  solution  treatment 

was investigated. It was found that optimum parameters for  copper recovery are follows: initial 

- 19.9%, initial 

  - 160 g/L, leaching time  - 4.13 h, solid/liquid ratio - 0.53.  

Keywords: Copper slag; Leaching; Ammonium chloride; Optimization 

 

 

*

Надиров Р.К., Сыздыкова Л.И., Жусупова А.К. 

 

Казахский национальный университет им. аль-Фараби 

*Е-mail: nadirov.rashid@gmail.com 

 

Извлечение меди из металлургического шлака аммиачным выщелачиванием 

 

В  статье  исследована  возможность  переработки  медного  шлака  раствором  NH

4

Cl. 

Найдено,  что  оптимальными  параметрами  для  извлечения  меди  являются:  начальная 

концентрация  NH

3

  –  19.9%,  начальная  концентрация  Cl

-

  -  160  г/л,  продолжительность 

выщелачивания – 4.13 ч, отношение «твердое – жидкость» - 0.53. 

Ключевые слова: медный шлак; выщелачивание; хлорид аммония; оптимизация 

 

 

Надиров Р.К., Сыздыкова Л.И., Жусупова А.К. 

 

әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті 

 

Аммиакты шаймалау арқылы мысты металлургиялық шлактан бөліп алу  

 

Мақалада мысты шлакты  NH

4

Cl ерітіндісімен қайта өңдеу мүмкіншілігі зерттелген.  

Мысты  бөліп  алудың  оптималды  параметрлері  анықталды:    NH

3

  бастапқы 

концентрациясы  –  19.9%,  Cl

-

  бастапқы  концентрациясы  -  160  г/л,  шаймалау  ұзақтығы  – 

4,13 сағ, «қатты – сұйық» қатынасы – 0,53. 

Түйін сөздер: мысты шлак; шаймалау;аммоний хлориді; оңтайландыру. 

 

 

Introduction 

 

Slags  are  a  left-over  of  the  pyrometallurgical  stages  in  copper  recovery  process  from 

sulfide  materials,  and  mainly  consists  of  oxides  of  metals  and  silicone  [1].  Numerous 

publications have studied the leaching of base metals from  slag samples      [2-9]. 

Recently, it was found that ammonia solutions containing ammonium chloride are effective 

for the extraction of zinc and copper from technogenic raw materials, containing zinc and copper 

oxides  [10,11].  Physico-chemical  basis  and  technological  principles  of    copper  recovery  by 

ammonia-ammonium  extraction  based  on  the  properties  of  the  system  H

2

O-NH

3

-NH

4

Cl 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

224 

 

containing  zinc  and  copper  ammines,  and  the  phase  equilibria  liquid  -  solid,  liquid  –  vapor. 

Copper  dissolution  in  aqueous  solution  of    NH

4

OH  in  the  absence  (1)  and  presence  (2)  of 

 

ions can be described by the following schemes: 

 

CuО + 4NH

3(sol)

+nH

2

O→[Cu(NH

3

)

4

](OH)

2

 + (n-1)H

2

O                              

(1.1) 

 

CuО + х NH

3

(sol) + 2 NH

4

Cl(sol) → [Cu(NH

3

)

n

]

2+

2Cl

-

 +H

2

O       

            (1.2) 

 

Previously we have reported on the investigation of zinc and copper recovery process from 

copper  smelter  slag  of  Balkhash  copper  plant  (Kazakhstan)  by  ammonium  chloride  treatment 

[12].  In  present  study,  to  avoid  the  using  of  high-temperature  processes  we    focused  on 

investigating  the  copper  recovery  process  by    ammonia    solution  treatment  of  copper  smelter 

slag. The work is undertaken to investigate the effectiveness of four process variables, namely: 

initial  concentration  of  NH

3

,  initial  concentration  of 

  ions,  treatment  process  duration  and 

solid/liquid ratio on the copper recovery to solution  from copper smelter slag. 

Experimental  design  is  widely  used  for  regulation  the  effects  of  parameters  in  many 

process.  The experiments in present work are planned using central composite rotatable design 

to  investigate  the  main  effects  of  each  operating  factors  and  the  interactions  of  these  variables 

and to found the factors combination that give the maximum values of copper recovery. 

 

2. Materials and methods 

 

2.1. Materials 

 

Mineralogical analysis, performed using DRON-3M model X-ray diffractometer, indicated 

the  presence  of  the  following  components  in  the  slag  sample:  SiO

2

,  Fe

2

O

3

,  FeO,  ZnO,  CaO, 

MgO, CuS, Cu

5

FeS

4

, CuFeS

2

, ZnS, Al

2

O

3

. Chemical analysis of the slag sample determined by 

X-ray fluorescence (Spectroscan) is presented in Table 1. 

 

Table 1 - Chemical  analysis of the slag sample 

 

 Component (%) 

Si 

Fe 

Zn 

Ca 

Mg 

Cu 

S 

Al 

15.30 

36.41 

5.92 

2.94 

0.21 

2.20 

1.34 

0.74 

 

2.2. Slag leaching 

2.2.1. Experimental procedures 

The  slag  sample  produced  by  Balkhash  copper  plant  (Kazakhstan)  was  used  for  the 

experiments. Sample of slag (10 g;  -200 mesh) was placed into a glass-stoppered 150-ml flask. 

An  ammonia  solution  with  desired  concentration  of  NH

4

OH  and 

  ions  was  prepared  by 

mixing distilled water and NH

4

Cl  to the concentrated ammonia solution.  

 

2.2.2. Experimental design 

Central  composite  rotatable  design  (CCRD)  helps  to  optimize  the  process,  effected  by 

number  of  operating  parameters  with  a  minimum  numbers  of  experiments  as  well  as  to 

determine  the  relationship  between  response,  that  is  copper  and  zinc  recovery  to  solution,  and 

operating    factors.  The  three  steps  used  in  experimental  design:  statistical  design  experiments,  

estimation  of  coefficient  through  a  mathematical  model  and  analysis  of  the  model  workability 

[13].  In present study, four operating parameters were selected as independent variables:  initial 

concentration  of  NH

3

  (

    initial 

ions  concentration

,  leaching  time   

and 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

225 

 

solid/liquid  ratio 

    The  levels  and  ranges  of  operating  parameters  shown  in  Table  2.  The 

dependent output response variable was copper and zinc recovery (%). 

 

Table 2 - Independent variables and their levels used for central composite rotatable design 

 

Variables 

Symbol  Range and levels 

-2 

-1 

0 

1 

2 

Initial concentration of NH

3

 

(%) 

 

2 

10 

15 

20 

25 

Initial  Cl

-

  ions  concentration  

(g/L) 

 

0 

40 

80 

120 

160 

leaching time (h) 

 

1 

2 

3 

4 

5 

Solid/liquid ratio 

 

0.2 

0.3 

0.4 

0.5 

0.6 

 

 

Matrix of CCRD is given in Table 3. According to this table, the design is composed of 2

4

 

factorial design (runs 1-16), 8 star-points (runs 17-24) and 12 replicates runs (25-36). 

The least square method was used to estimate the correlation of the independent variables 

and the response as a second-order polynomial equation: 

 

 

(2.2)    

                                          

 

 

were 

 was the value for the fixed response at the central point of the experiment;  

 

 and  

  were  the  linear,  quadratic  and  cross  product  coefficients,  respectively;  and  ε  is  the  residual 

error, estimated by the difference between the predicted and the observed value of response (y).  

The dimensionless   variables are related to the standardized forms as shown below: 

 

 ,     

,       

 ,         Δ

 

 

Here 

 and 

, represent the maximum and the minimum level of factor   in natural unit. 

The coefficients of the fitted equation were obtained from data of Eq.(2.2) as follows: 

 

                      (2.3) 

 

where B is the column matrix of estimated coefficients; 

 is the dispersion matrix; 

 is 

the transpose matrix 

 and   is the column matrix of observed values. Three known tests were 

used  to  evaluate  the  adequacy  of  the  mathematical  model,  including  Student

/

s  t-test,  R-  square 

test and Fisher test. «Excel» software used for model coefficients estimation (Eq.(2.2)). 

 

3. Results and Discussion 

 

3.1  Leaching experiments 

 

The model coefficients, obtained from mathematical processing of data, presented in Table 

3, and were tested for significance (t-test), at 5% of significance level and 11 degrees of freedom. 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

226 

 

Test results showed that all individual effects for copper and zinc recovery are significant at 5% 

of significance level. Only the interaction (

) for the metal recovery and is not significant.  

 

Table 3 - Experimental design and the results for copper recovery into solution 

 

 

 

The  second-order  response  function  representing  copper  and  zinc  recovery  to  solution 

obtained after realizing 36 experiments and discarding the insignificant effects can be  shown in  

coded variables as follows: 

 

Run 

no. 

Coded values of parameters 

Copper  recovery, % 

 

 

 

 

 

Observed 

Predicted 

1 

1 

-1 

-1 

-1 

-1 

22.42 

23.20 

2 

1 

1 

-1 

-1 

-1 

35.49 

36.11 

3 

1 

-1 

1 

-1 

-1 

30.11 

30.81 

4 

1 

1 

1 

-1 

-1 

48.53 

48.14 

5 

1 

-1 

-1 

1 

-1 

34.48 

33.82 

6 

1 

1 

-1 

1 

-1 

44.57 

44.64 

7 

1 

-1 

1 

1 

-1 

37.03 

37.79 

8 

1 

1 

1 

1 

-1 

53.21 

53.04 

9 

1 

-1 

-1 

-1 

1 

14.56 

14.54 

10 

1 

1 

-1 

-1 

1 

20.44 

19.90 

11 

1 

-1 

1 

-1 

1 

30.67 

30.81 

12 

1 

1 

1 

-1 

1 

40.12 

40.59 

13 

1 

-1 

-1 

1 

1 

31.63 

32.23 

14 

1 

1 

-1 

1 

1 

36.39 

35.50 

15 

1 

-1 

1 

1 

1 

45.67 

44.86 

16 

1 

1 

1 

1 

1 

53.12 

52.55 

17 

1 

-2 

0 

0 

0 

27.64 

26.95 

18 

1 

2 

0 

0 

0 

46.81 

47.56 

19 

1 

0 

-2 

0 

0 

20.17 

20.24 

20 

1 

0 

2 

0 

0 

44.91 

44.90 

21 

1 

0 

0 

-2 

0 

22.46 

21.63 

22 

1 

0 

0 

2 

0 

43.32 

44.21 

23 

1 

0 

0 

0 

-2 

47.38 

46.46 

24 

1 

0 

0 

0 

2 

36.58 

37.32 

25 

1 

0 

0 

0 

0 

42.40 

41.89 

26 

1 

0 

0 

0 

0 

41.78 

41.89 

27 

1 

0 

0 

0 

0 

41.32 

41.89 

28 

1 

0 

0 

0 

0 

42.11 

41.89 

29 

1 

0 

0 

0 

0 

41.91 

41.89 

30 

1 

0 

0 

0 

0 

41.62 

41.89 

31 

1 

0 

0 

0 

0 

42.68 

41.89 

32 

1 

0 

0 

0 

0 

42.30 

41.89 

33 

1 

0 

0 

0 

0 

41.78 

41.89 

34 

1 

0 

0 

0 

0 

40.89 

41.89 

35 

1 

0 

0 

0 

0 

42.13 

41.89 

36 

1 

0 

0 

0 

0 

41.50 

41.89 

ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ

 

 

227 

 

Copper 

recovery 

= 

41.895+5.152

+6.165

+5.645

-2.285

+1.106

-0.521

-

1.889

-0.910

+2.165

+1.768

-1.159

-2.331

-2.243

              (3.1) 

 

The Fisher

/

s variance ratio test, i.e., F-test, was used for testing of equation reliability. The 

tabulated  F  value  for  5%  of  significance  is    2.640.  Comparison  of  calculated  and  tabulated  F 

values for the model enables to assume the statistical significance: 

 

Residual variance, 

 - 0.545 

Replication variance, 

- 0.248 

Estimated F value - 2.198 

 

The 

  values  for Eqs.(3.1, 3.2) were found to  be  99.6%, indicating the  good agreement 

between the experimental and the predicted values of copper recovery. 

 

4. Discussion 

 

4.1 Leaching experiments 

 

As is known, the value and signs of the regression equations coefficients provides insights 

the  impact  of  the  factors  and  their  interactions  on  the  value  of  the  output  parameter.  The 

coefficients of regression  obtained above (Eq. 3.1,3.2), shows that initial concentration of NH

3

, 

initial 

ions concentration, leaching time   and solid/liquid ratio all have an individual effect 

on the copper recovery from copper slag to solution during the ammonia-ammonium leaching. It 

was of interest to compare the effect of the factors significance for the zinc and copper recovery 

to  solution,  separately.  Relatively  low  coefficient  of 

  in  Eq.3.2  indicates  that 

ions 

concentration  does  not  significantly  impact  on  zinc  recovery  to  solution,  in  comparison  with 

copper  recovery.  This  fact  indicates  the  prevalence  of  the  reaction  (1.1)  above  reaction  (1.2) 

during the zinc recovery to solution. In turn, the reaction (1.2) requires to significantly recovery 

of copper to solution during leaching.  

 

 4.2 Leaching process optimization 

 

Approximation  method  was  used  to  leaching  process  optimization  [14].  The  «EXCEL» 

software  was  applied  at  calculation  process.  The  corresponding  conditions  of  the  best  metal 

recovery are follows: 

 

= 1.98, corresponding to initial 

= 19.9% 

 = 2.00, corresponding to  initial 

 = 160 g/L 

 = 1.13, corresponding to leaching time = 4.13 h 

 = 1.29, corresponding to solid/liquid  = 0.53 

 

At this optimal parameters 55.62% total copper recovery was predicted using Eqs.(3.1, 3.2). 

Whereas  maximum  copper  recovery  to  solution,  obtained  at  experimental  conditions,  was  

56.48%. 

 

 

 

 

жүктеу/скачать 31,15 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: