在硫脲浸金的溶液中,硫脲浓度取决于氧化剂的浓度,它和氰化法一样,当硫脲浓度超过氧化剂浓度之比太多时,则过多部分因缺少氧化剂的参加不能发生反应,而等于是浪费。
如上所述,采用Fe3+和O2的混合氧化剂是最廉价的,它实质上(处理精矿或矿石时)不需向浸液中加Fe3+,而只需鼓入空气,且鼓入的空气又是矿浆的搅拌动力。在Fe3+和O2混合氧化剂中,O2虽也能直接氧化金、银,但溶液中Fe3+浓度常只能保持与溶解O2的浓度比,作为辅助氧化剂的O2常不足以使全部Fe2+氧化为Fe3+,更不可能有多大余量。故O2实质上是使金、银等氧化溶解的主要氧化剂。
鉴于Fe2+的氰化完全依赖溶解于溶液中的O2,故氧化剂的浓度实质上就是溶解进入溶液中的O2浓度(这里且不谈二硫甲脒的氧化作用),其浓度值与氰化法中所述的O2浓度一致。即在室温和常压下,硫脲浸液中溶解O2的最大浓度为8.2mg∕L,相当于0.27×10-3mol。
假设金在最大溶解速度时〔SCN2H4〕/〔O2〕之比为1∶2,则浸液中硫脲的平衡浓度为 2〔O2〕。那么
〔SCN2H4〕=2〔O2〕=2×8.2mg/L=16.4mg∕L
或 〔SCN2H4〕=2×0.27×10-3mol=0.54×10-3mol
试验证明,若单独用O2作氧化剂,浸液中的极限硫脲浓度值仅需0.02%,相当于 2.6×10-3mol。考虑到使用Fe2+和O2混合氧化剂和保持浸液中有足够浓度的游离硫脲,以加速金的溶解,实际生产作业浸液中的硫脲浓度可采用0.1%(相当于1.3×10-2mol)。在此条件下,再增大硫脲浓度也不能提高金的溶解速度。
Fe3+作为溶解金的主要氧化剂,按其与O2浓度之比,在大多数情况下浸液中含铁离子0.5~2.0g∕L就足够。但在实践中,浸液中的铁浓度常高出许多倍。Fe3+浓度的适当增大有利于提高硫脲浓度,在金等金属离子与硫脲处于非平街体系时,可加速金的溶解,金粒表面也不会出现钝化。故在其他条件相同时,硫脲溶金速度比氰化法约高10倍。
硫脲溶金的动力学研究证明,在有氧化剂存在条件下金溶解反应的电位差较大(0.38V)。故金溶于酸性硫脲液巾的速度主要由扩散作用所控制。而影响扩散作用的主要因素则是浓度差。
根据菲克定律,在阴极区,溶解氧向金粒表面的扩散速度为:
A1{〔O2〕-〔O2〕i} (1)
在阳极区,硫脲向金粒表面的扩散速度为:
{〔SCN2H4〕-〔SCN2H4〕i} (2)
式中 和 分别为O2和SCN2H4的扩散速度,mol/s;
和 -分别为O2和SCN2H4的扩散系数,cm2∕s;
〔O2〕和〔SCN2H4〕-分别为整体溶液中O2和SCN2H4的浓度,mol/mL;
〔O2〕i和〔SCN2H4〕i-分别为界面处O2和SCN2H4的浓度,mol/mL;
A1和A2-分别为阴极和阳极发生反应的表面积,cm2;
δ-能斯特界面层厚度,cm。
假设金粒界面上O2和SCN2H4的化学反应速度很快,当它们刚一到达金粒表面便立即被消耗掉。在此极限条件下,则
〔O2〕i=0;〔SCN2H4〕i=0。
此时,式(1)和(2)可简化为:
A1〔O2〕
A2〔SCN2H4〕
由式(3)可知,金的溶解速度为硫脲消耗速度的二分之一,并为新生氧消耗速度的2倍(或为普通氧耗的4倍)。
Au+2SCN2H4+H++ O2 Au(SCN2H4)2+ H2O (3)
故
金的溶解速度= A1〔O2〕
或者
金的溶解速度= A2〔SCN2H4〕
当上列反应式达到平衡时,则
A1〔O2〕= A2〔SCN2H4〕
由于和水相相接触的金粒总表面积A=A1+A2,故
金的溶解速度= (4)
如式中所示,溶金过程中应保持一定的矿浆浓度和搅拌速度,以增加接触面积和减小扩散层厚度。上式中,当硫脲浓度高而溶解氧浓度低时,金的溶解主要取决于溶解氧的浓度,(4)式可改写为
金的溶解速度= (5)
即此时金的溶解速度随着溶液中氧浓度的增大而加快。同理,在硫脲浓度低而溶解氧浓度高时,金的溶解主要取决于硫脲浓度。即
金的溶解速度= (6)
即金的溶解速度将随硫脉浓度的增加而加快。当硫脲和溶解氧的浓度都适宜时,金的极限溶解速度可由式(5)和(6)简化为
〔SCN2H4〕=
即
=4 (7)
已知
=2.76×10-5cm2∕s
则
=1.10×10-5cm2∕s
故二者扩散系数的平均值= ≈2.5
将其代入(7)式,则金达到极限溶解速度时硫脲和溶解氧二者的摩尔平均比值为:
4 =4
即浸液中氧的溶解浓度与硫脲浓度的摩尔(分子)平均比值约等于10时,金的溶解速度最高。