Малогабаритная реакторная система непрерывного действия для проведения извлечения никеля, кобальта и железа из лежалых хвостов

А.Т.  Хабиев; С.  Дилибал; А.Н.  Мусулманбекова; М.О.  Канапия; Е.С.  Меркибаев

doi:10.51301/ejsu.2026.i1.01

Авторы

А.Т. Хабиев Институт механики и машиноведения имени академика У.А. Джолдасбекова, Казахстан
С. Дилибал Стамбульский Гедик университет, Турция
А.Н. Мусулманбекова Институт механики и машиноведения имени академика У.А. Джолдасбекова, Казахстан
М.О. Канапия Институт механики и машиноведения имени академика У.А. Джолдасбекова, Казахстан
Е.С. Меркибаев Международная образовательная корпорация, Казахстан

DOI:

https://doi.org/10.51301/ejsu.2026.i1.01

Ключевые слова:

реактор непрерывного действия; аддитивное производство; никель; кобальт; железо; выщелачивание; отрабо-танные хвосты; гидрометаллургия

Аннотация

Растущее накопление залежалых хвостов горных работ создает как экологические риски, так и возможности для извлечения ценных металлов. Данное исследование посвящено разработке, аддитивному производству и экспериментальной проверке малогабаритной реакторной установки непрерывного действия, предназначенной для извлечения никеля, кобальта и железа из отработанных пиритных хвостов Соколовско-Сарбайского горно-обогатительного комбината (Казахстан). Реакторная система была изготовлена с использованием технологии аддитивного производства (3D-печати) с использованием полимера PET-G, что обеспечивает быстрое создание прототипов, модульную сборку, химическую стойкость и экономичное производство. Система состоит из трех последовательно соединенных реакторов, работающих в режиме непрерывного потока. Подача реагентов и суспензии осуществлялась с помощью перистальтических насосов, а однородное перемешивание обеспечивалось механической мешалкой с шаговым приводом. Температура регулировалась путем циркуляции теплоносителя по встроенным теплообменным каналам, что обеспечивало стабильную работу в диапазоне 20-120°C. Перед выщелачиванием залежалые хвосты подвергали окислительному обжигу в печи с псевдоожиженным слоем при температуре 650-700°C в течение одного часа, что способствовало разложению сульфидов на оксиды. Последующие эксперименты по выщелачиванию проводились с концентрациями серной кислоты 25-175 г/дм³, различным временем выдержки и контролируемыми тепловыми режимами. Были установлены оптимальные параметры: 100 г/дм³ H₂SO₄, 100°C и 120 минут, в результате чего степень извлечения Ni составила 93.01%, Co – 91.49%, при умеренном растворении Fe – 64.4%. Результаты подтверждают, что разработанная система реакторов непрерывного действия обеспечивает воспроизводимые гидрометаллургические характеристики, стабильное управление процессом и возможность масштабирования. Такой подход подчеркивает преимущества непрерывного химического процесса и производства добавок при переработке низкосортного и экологически опасного сырья.

Библиографические ссылки

Oraby, E., Deng, Z., Li, H. & Eksteen, J. (2023). Selective extraction of nickel and cobalt from disseminated sulfide flotation cleaner tailings using alkaline glycine–ammonia leaching solutions. Minerals Engineering, 204, 108418. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2023.108418

Lou, Y., Tang, X., Liu, C. & Zhang, W. (2023). Optimizing the Leaching Parameters and Studying the Kinetics of Nickel and Cobalt Recovery from Xinjiang Nickel–Cobalt Slag. JOM, 75, 381-391. https://doi.org/10.1007/s11837-022-05530-7

Khasanov, M.S., Sadykhov, G.B., Anisonyan, K.G., Zablot-skaya, Y.V. & Olyunina, T.V. (2022). Effect of the Temper-ature of Reduction Roasting of Ferriferous Oxidized Nickel Ores on the Nickel and Cobalt Recovery during Hydrometal-lurgical Processing of a Cinder. Russian Metallurgy (Metal-ly), 7, 714-718. https://doi.org/10.1134/S0036029522070059

Urtnasan, E., Kumar, A., & Wang, J.P. (2024). Correlation between Thermodynamic Studies and Experimental Process for Roasting Cobalt-Bearing Pyrite. Metals, 14(7), 777. https://doi.org/10.3390/met14070777

Huang, F., Liao, Y., Zhou, J., Wang, Y. & Li, H. (2015). Selective recovery of valuable metals from nickel converter slag at elevated temperature with sulfuric acid solution. Sep-aration and Purification Technology, 156, 572-581. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.10.051

Kitson, P.J., Rosnes, M. H., Sans, V., Dragone, V. & Cronin, L. (2012). Configurable 3D-printed millifluidic and micro-fluidic ‘lab on a chip’ reactionware devices. Lab on a Chip, 12(18), 3267–3271. https://doi.org/10.1039/C2LC40761B

Nielsen, A.V., Beauchamp, M.J., Nordin, G.P. & Woolley, A.T. (2020). 3D printed microfluidics. Annual Review of An-alytical Chemistry, 13(1), 45-65. https://doi.org/10.1146/annurev-anchem-091619-102649

Khabiyev, A., Dilibal, S., Mussulmanbekova, A., Kanapiya, M. & Kerimkulov, D. (2024). Additively Manufactured Con-tinuous Processing Reactor System for Producing Liquid-Based Pharmaceutical Substances. Applied Sciences, 14(16), 6853. https://doi.org/10.3390/app14166853.

Kumar, A. (2019). Classification of challenges in 3D printing for combined electrochemical and microfluidic applications: a review. Rapid Prototyping Journal, 25(7), 1328-1346. https://doi.org/10.1108/RPJ-05-2018-0115

Liravi, F. & Toyserkani, E. (2018). Additive manufacturing of polymer–ceramic composites for chemical reactor appli-cations. Journal of Materials Processing Technology, 252, 624-630. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.10.038

Lignos, I., Ow, H., Lopez, J.P., McCollum, D.A., Zhang, H., Imbrogno, J., & Jensen, K.F. (2020). Continuous multistage synthesis and functionalization of sub-100 nm silica nano-particles in 3D-printed continuous stirred-tank reactor cas-cades. ACS applied materials & interfaces, 12(5), 6699-6706. https://doi.org/10.1021/acsami.9b20605

Maier, M. C., Valotta, A., Hiebler, K., Soritz, S., Gavric, K., Grabner, B. & Gruber-Woelfler, H. (2020). 3D printed reac-tors for synthesis of active pharmaceutical ingredients in continuous flow. Organic Process Research & Development, 24(10), 2197-2207. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00228