اصول کلی استخراج فلزات (METALLURGY)
متالوژی (فرایند های استخراج)
متالوژی عبارت است از علم وفن استخراج فلز ها از کانه های انها و پردازش به منظور عرضه به بازار مصرف.
1-استفاده از چگالی نسبی (جدا کننده بادی)
1-دیسک دوار
2-هواکش دمنده
3-مخروط بیرونی
4-مخروط درونی
استفاده از چگالی نسبی (جدا سازی به کمک آب)
2- جداسازی با استفاده از خواص مغناطیسی
1-تسمه انتقال
2-استوانه حامل تسمه انتقال
3-مغناطیس الکتریکی
4و5-مخزنها
3- روش شناور سازی
در این روش پس از آنکه کانه را به صورت پودر در آوردند در مخلوطی از آب در یک مایع مناسب مانند روغن کاج یا قطران ذغال سنگ در دستگاه مخصوصی می ریزند. کانه خالص (آبگریز) جذب روغن می شود و نا خالصی همراه آن جذب و از آن جدا می شود. در این صورت با دمیدن هوا در مخلوط و یا بهم زدن شدید آن کفی از روغن حاصل میشود که در بالای مخلوط جمع می شود.
1-اتاقک جریان
2-اتاقک هوا که چندین روزنه دارد
3-لوله های هوا
4-لایه کف
5-ظرف تغلیظ
6-جداره
دستگاه شناور سازی با همزن بادی
4-جداسازی بر اساس تفاوت دمای ذوب
این روش برای جداسازی کانه های برخی از فلز ها به ویژه مس و بیسموت به کار می رود. چون دمای ذوب این فلز ها از دمای ذوب ناخالصی های همراه انها پایین تر است.با گرم کردن کانه های مورد نظر فلز موجود در ان ذوب می شود و می توان به راحتی ان را از نا خالصی های جامد جدا کرد.
نمونه ای از این روش را در حذف مس از سرب خام می توانیم مشاهده کنیم.
کوره ذوب
5- جداسازی به روش ملغمه کردن
جیوه ، نقره و طلا را در خود حل می کند و ملغمه تشکیل می دهد. از این رو کانه های نقره و طلای طبیعی را با جیوه مجاور می کنند و ملغمه حاصل را که مایع است جمع آوری و پس از تقطیر جیوه ، نقره یا طلای آزاد را بازیابی می کنند.
1-روش بایر
این روش برای به دست اوردن الومنیوم اکسید خالص از کانه بوکسیت می باشد.و در طی ان بوکسیت را در محلول غلیظ (38در صد) سود در دمای 175درجه سانتی گراد می ریزند تا به آلومینات سدیم (محلول در آب) تبدیل شود.
Al2O3.nH2O (ناخالص)+2NaOH+3H2O 2Na[Al(OH)4]+ناخالصی
سپس محلول را تا حدی که واکنش تعادلی زیر به سمت راست جابه جا شود ،رقیق می کنند تا هیدروکسید آلومنیوم تشکیل شود.
[Al(OH)4] Al(OH)3+OH
این عمل حدود 2 تا 3 روز به طول می انجامد و در دمای بالاتر هیدروکسید حاصل به اکسید آلومنیوم تبدیل می شود که آن را از محلول جدا و خشک میکند.
بوکسیت
خشک کردن دانه ها و تکلیس در 600
حل کردن در فشار و در سود
رسوب لجن
فیلتراسیون
AlO2 Na محلول غلیظ
AlO2Na+4H2O2 Al(OH)3+2NaOH
فیلتراسیون
CaF2تکلیس به کمک
AL2O3 الومینا
محلول سود
لجن قرمز
SiO2و TiO2 وFe2O3
شمای کلی فرایند جداسازی
در روش بایر
Leaching 2- سنگ شویی (خیساندن)-
جزء فلز دار بعضی از کانه هارا می توان به وسیله سنگ شویی به دست اورد.این روش برای کانه های کم عیار مس ،طلا و نقره متداول است.در این روش کانه کم عیار اکسید یا کربنات مس رادر محلول رقیق اسید سولفوریک می خیسانند تا محلول سولفات مس با غلظت کافی برای تهییه مس به روش برقکافت به دست اید.
CuO(s) +2H Cu +H2O
کانه های نقره و طلا را با محلول سدیم سیانید در مجاورت هوا خیس می کنند تا به سیانو کمپلکس مربوطه تبدیل شوداین واکنش برای آرژنیتیت به قرار زیر است:
Ag2S(s)+4CN (aq) 2Ag(CN)2(ag)+S (aq)+ناخالصی
از محلول کمپلکس حاصل ، برای استخراج و تهیه طلا و نقره خالص استفاده می شود.
3-برشته کردن
معمولا کانه های سولفید و کربنات ها را پس از تغلیظ به اکسید تبدیل می کنند. کانه کربنات را بر اثر گرما تجزیه و به اکسید تبدیل می کنند. در مورد کانه های سولفید انها را با گرما دادن در هوا به اکسید یا سولفید فلز تبدیل می کنند.
PbCO3 گرما+ PbO + CO2
2ZnS + 3O2 گرما + 2ZnO + 2SO2
کاهیدن کانه پر عیار(کاهش)
در این مرحله ترکیب فلز به فلز آزاد کاهیده می شود.
Smelting 1- ذوب کاری(گداز گری) –
تا به حال بزرگ ترین مقدار فلزات و همچنین بیشترین تعداد آنهابه وسیله عملیات ذوب کاری یعنی فرایند های کاهش در دمای بالا که فلز معمولا به حالت مذاب به دست می آید تولید می شود. در بیشتر این فرایند ها یک گداز اور (مانند سنگ آهک ) به کار می رود تا هرزه سنگ هایی که پس از تغلیظ کانه باقی می ماند جدا کند. این گدارآور ها با سیلیس و ناخالصی های سیلیکات تشکیل سرباره می دهد.
CaCO3 (s) CaO(s)+CO2(g)
CaO(s)+SiO2(s) CaSiO3(l)
سرباره که در دمای ذوب کاری به صورت مایع است عموما بر روی فلز شناور می شود و به سهولت از آن جدا می گردد. از این سرباره در تولید سیمان سرباره ای استفاده می شود.
2- برشته کردن
در مورد فلز های کم اثر تری مانند جیوه،مس وسرب نیازی به ماده کاهنده ویژه ای نیست. زیرا سولفید آنها ضمن برشته شدن ، فلز آزاد می کند و یا خود در نقش کاهنده نیز عمل می کند. در مورد جیوه داریم:
HgS + O2 SO2 +Hg
جیوه در دمای واکنش به صورت بخار در می آید که در ظرف ویژه ای وارد و در آنجا به مایع تبدیل می کنند و نیازی به عمل تصفیه نیز ندارد.
3-کاهیدن اکسید فلز به وسیله زغال کک
برای استخراج بسیاری از فلز ها مانند آهن ، نیکل ، کبالت، روی ، قلع ، کادمیوم و آنتیموان ، از کانه های اکسیدی استفاده می شود و برای کاهیدن اکسید و آزاد کردن فلز،از زغال کک استفاده می شود:
MxOy+ yC yCO+xM
البته ، با توجه به اینکه سطح تماس زغال (جامد) با ذره های جامد کم است،پیشرفت واکنش کم است. از این رو ، در عمل مخلوط کانه اکسید و زغال کک را در کوره در جریان هوا گرم می کنند تا نخست زغال کک به گاز بسیار کاهنده مونواکسید کربن تبدیل شود که سطح تماس آن با کانه زیاد تر است.سپس این گاز با اکسید واکنش بسیار سریع تری می دهد و فلز آزاد می شود:
MxOy+ yCO yCO2+xM
4-کاهیدن اکسید به وسیله هیدروژن
در مورد برخی از فلزها که کاهیدن اکسید آنها به وسیله کربن عملی نیست و کاهیدن به وسیله آلومینیم و منیزیم پرخرج است ، از گاز هیدروژن در دمای بالا استفاه می شود. نمونه متداول این فلزات عبارتند از ژرمانیوم ،مولیبدن وتنگستن می باشد. در واکنش ها ، فلز ها به صورت پودر در آزاد می شوند.ژرمانیوم را ذوب می کنند به صورت شمش اما مولیبدن و تنگستن را گرو می کنند و به صورت فشرده در می آورند.
WO3+3H2 W+3H2O
GeO2+2H2 Ge+2H2O
MoO3+3H2 Mo+3H2O
5-فرایند گلداشمیت(ترمیت)
کاهش یک اکسید به وسیله آلومنیوم فرایند گلداشمیت یا ترمیت معروف است.در این فرایند اکسید فلز را با پودر آلومینیوم مخلوط کرده و گرما می دهند.این واکنش به حدی گرما ده است که فلز حاصل به حالت مذاب به دست می آید.البته این روش به علت فلز آلومنیوم به کار رفته ،هزینه بیشتری دارد.
Mn2O3+2AL 3Mn+2AL2O3
WO3+2AL W+AL2O3
6-فرایند کرول
این فرایند شامل کاهش فلز هالید هابه وسیله منیزیم ، سدیم یا کلسیم است . برخی از این هالید ها شامل موارد زیر می باشد TiCl4,ZrCL4,UF4,LaCL3
برای نمونه در مورد فلز تیتان که کاهیدن آن به وسیله زغال کک ممکن نیست(زیرا محصول به دست آمده بسیار پایدار می باشد).کانه روتیل یا ایلمنیت را با زغال کک مخلوط کرده و در دمای حدود 900 درجه در جریان گاز کلر قرار می دهند تا کلرید تیتان حاصل شود(فرار) که بر اثر سرد شدن به مایع تبدیل می شود. مایع حاصل را تقطیر می کنند تا از ناخالصی ها جدا شود. سپس آن را در دمای حدود 700 درجه در جریان گاز بیاثر با فلز منیزیم مجاور می کنند تا فلز تیتان آزاد شود.
7- کاهیدن فلز به روش برقکافت(الکترولیز)
واکنش پذیرترین فلزات به وسیله کاهش برقکافتی ترکیبات مذاب آنها، تهیه می شوندسدیم و منیزیم وهمچنین سایر فلزات گروه های اول ودوم به وسیله برقکافت کلرید های مذاب آنها تهییه می شوند.سدیم کلرید در سلول داونزبرقکافت می شود .این سلول به نحوی طراحی شده است که محصولات برقکافت را از هم جدا می کند.
آند 2CL CL2(g)+2e
کاتد e +Na Na
توری
تصفیه فلز استخراج شده
بسیاری از فلز ها که در فرایند کاهیدن حاصل شده، درجه خلوص لازم برای مصرفهای ویژه را ندارند.از این رو، باید با عملیات ویژه دیگری تصفیه شوند و درجه خلوص مورد نظر را بالا پیدا کنند.روشن استکه روش تصفیه به ماهیت فلز بستگی دارد وما در این جا به برخی از این روش های متداول اشاره می کنیم.
1-روش مایع کردن
در این روش که برای خالص کردن فلز هایی مانند سرب ، قلع و بیسموت به کار می رود ، فلز نا خالص را بالای سطح یک کوره شیب دار قرار می دهند و دمای کوره را اندکی بالا تر از دمای ذوب فلز به کار می برند تا فلز ضمن ذوب شدن در سطح شیب دار جریان یافته ، در داخل ظرفی جمع آوری می کنند. ناخالصی در بالای سطح شیب دار باقی می ماند و از فلز جدا می شود.
2- روش تقطیر
برخی از فلز ها مانند روی و جیوه را که دمای جوش نسبتا پایین دارند ، با این روش در صنعت خالص سازی می کنند. برای این منظور، فلز نا خالص را در ظرف تقطیری تا دمای اندکی بالا تر از دمای جوش فلز گرم می کنند تا به صورت بخار از ناخالصیغیر فرار همراه خود جدا شود.
3- روش پارکز
این روش در صنعت ، بیشتر برای خالص سازی فلز های نقره وسرب و جداسازی آنها از یکدیگربه کار می رود.در این روش به سرب ناخالص که مقداری نقره همراه دارد ،اندکی(1تا2 درصد) فلز روی اضافه می گردد ومخلوط را ذوب می کنند. چون روی و سرب در هم حل نمی شوند اما نقره به آسانی در روی مذاب حل می شود،تمامی نقره در روی حل شده، به صورت لایه ای در بالای سرب مذاب جمع و جامد می شود و می توان آن را از سرب مذاب جدا کرد. سپس با ذوب کردن دوباره لایه روی و تقطیر آن می توان به آسانی روی را از نقره جدا کرد.
4-روش موند
این روش در صنعت ، بیشتر برای خالص سازی و تصفیه نیکل در صنعت متداول است. از گاز مونو اکسیدکربن استفاده می شود ، زیرا این کاز میل ترکیببی شدیدی با نیکل دارد و آن را به صورت تترا کربنیل نیکل که مایع فراری است در می آورد و از ناخالصی ها که در شرایط عمل با مونو اکسید کربن واکنش نمی دهد جدا سازد . این مایع در حدود 200درجه سانتی گراد تجزیه شده و نیکل خالص را به صورت پودر بر جا می گزارد .
Ni نا خالص))+4Co2 Ni(CO)4 (L)
Ni(CO)4 Ni(s) + 4CO
5-روش برقکافت
این روش در صنعت بسیار متداول است و برای خالص سازی فلز هایی مانند مس ، قلع ،سرب ، طلا ،روی، کرم و نیکل به کار می رود.در این روش یک قطعه فلز کاملا خالص را به جای کاتد و فلز ناخلص را به جای آند در سلول دستگاه برقکافت حاوی برقکافت مناسب قرار می دهند و با برقراری ولتاژ مناسب،فلز به صورت خالص در آند اکسید شده،از ناخالصی جدا و با وارد شدن در محلول و رفتن به کاتد، آزاد می شود .
6- رو ش وان آرکل
این روش در مورد فلز هایی مانند تیتان ، زیرکنیوم و هافنیم متداول و بسیار پرخرج می باشد و از آنها برای تهیه مقدار کمی از فلز ، آن هم برای مصارف ویژه استفاده می شود. این روش بر اساس تجزیه یدید فلز، به صورت بخار در سطح یک رشته فلزی داغ(معمولا از جنس تنگستن) استوار است. برای نمونه ، در مورد زیرکنیم ، فلز خالص را در یک دستگاه تبخیر شیشه ای با مقدار حساب شده ازید گرم می کنند تا به ماده ای فرار که در شرایط عمل بخار و از ناخالصی ها جدا می شود ، تبدیل شود.سپس آن را از روی یک سیم تنگستن داغ عبور می دهند تا تجزیه شده ، فلز خالص به دست آید.
Zrناخالص) ) +2I2 ZrI4
ZrI4 Zr (خالص)+2I2
7- تصفیه منطقه ای
با این روش فلز بسیار خالص به دست می آید.در این روش شمشی از فلز در فضای درونی یک گرمکن الکتریکی استوانه ای که با سرعت بسیار کم از بالا به پایین حرکت می کند، گرم و ذوب می شود. فلز خالص به طور عمده دوباره جامد می شود و ناخالصی موجود در آن به همراه قسمت مذاب به سمت پایین کشیده می شود. با تکرار این عمل ، به تدریج فلز خالص در قسمت بالایی و نا خالصی در قسمت پایین شمش جمع می شود.
پایان