مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

استخراج فلزات

دید کلی

فلزات از کانه‌های مربوط استخراج می‌شوند. پس باید ابتدا کانهمربوط به هر فلز را شناسایی و سپس از معادن استخراج کنیم و پس از آن با انجام یکسری فعالیتهای شیمیایی و فیزیکی فلز مورد نظر را به حالت عنصری ازسنگ معدنیاکانه آن بدست آوریم. در این مقاله این مراحل را به اجمال بررسی می‌کنیم.

وجود طبیعی فلزات

کانه جسمی است که در طبیعت یافت می‌شود و می‌توان از آنیک یا چندفلزرا آنچنان که مقرون به صرفه باشداستخراج کرد.

معدودی از فلزاتی که واکنش پذیری آنها کم است به شکل عنصری خود درطبیعت یافت می‌شوند و برای چند تا از آنها "کانه خالصطبیعی" مهمترین منبع فلز را تشکیل می‌دهد. بیشترین تناژ فلزات از اکسیدها - خواه کانه‌های اکسیدی ، خواه اکسیدهای فلزی که از برشته کردن کانه‌های کربنات یاسولفید تولید می‌شوند، بدست می‌آیند.

کانه‌های سیلیکات در طبیعت فراوانند. ولی استخراج فلزات از سیلیکاتها مشکل است و هزینه‌های چنین فرآیندهایی مانع ازانجام کار می‌شود. در نتیجه فقط فلزات کمتر متداول بطور صنعتی از کانه‌های سیلیکاتبدست می‌آیند.

کانیهای فسفات بطور کلی نادرند و در غلظتهای کم یافت می‌شوند. تعدادیاز فلزات بصورت ناخالص در کانه‌های خالص طبیعی دیگر یافت می‌شوند، بطوری که هر دوفلز از یک عمل صنعتی بدست می‌آیند. برای مثال ، فلزکادمیم بهعنوان محصول فرعی در تولید روی بدست می‌آید.

کانه‌ها به هنگام استخراج عمومامقادیر متغیری مواد نامطلوب (مثلسیلیس،خاکرس وگرانیت( که "هرزه سنگ" نامیده می‌شوند، به همراه دارند. غلظت فلزمورد نظر باید به اندازه کافی بالا باشد تا استخراج آن از نظر شیمیایی امکانپذیر واز نظر اقتصادی قابل رقابت باشد. بر روی کانه‌های دارای غلظت پایین از فلز در صورتیکار می‌شود که بتوان آنها را بوسیله فرآیندهایی به نسبت آسان و ارزان قابل استفادهنمود، یا این که محصول فلز نایاب و پرارزش باشد. غلظت لازم از یک فلز به فلز دیگرتغییر زیادی دارد. برایآلومینیوم یاآهن این غلظت باید 30% یابیشتر و برایمس ممکن است 1% یا کمتر باشد.

متالوژی ، عملیات مقدماتی بر روی کانه‌ها

متالوژی، علم استخراج فلزات از کانه‌های آنها و آماده سازی آنها برای مصرف است. فرآیندهایمتالوژی را می‌توان براحتی به سه نوع عملیات اصلی تقسیم کرد:
عملیات مقدماتی:که در آن جز مورد نظر در کانی تغلیظ و ناخالصیهای معینجدا می‌شود و یا کانی برای عملیات بعدی به شکل مناسبی در می‌آید.

1. کاهش:در این مرحله ، ترکیب فلز به فلز آزاد کاهیده می‌شود.
2. پالایش:در این مرحله ، فلز تخلیص و در مواردی اجسامی به آن اضافهمی‌شوند تا خواص مورد نظر محصول نهایی بدهند.

عملیات مقدماتی

بهره برداری از بسیاری از کانه‌ها مستلزم آن است که درنخستین مرحله ، قسمت عمدههرزه سنگاز آنهازدوده شود. چنین روشهای تغلیظی که معمولا بر روی کانه‌های خرد و ساییده شده انجاممی‌گیرند ممکن است بر اساس خواص فیزیکی یا شیمیایی باشند.

جداسازی فیزیکی

این جداسازی بر اساس اختلاف بین خواص فیزیکی کانی و هرزهسنگ قرار دارد. مثلا از طریق شستشو با آب ، اغلب می‌توان ذرات ناخالصیهای خاکی رااز ذرات سنیگنتر کانی جدا کرد. این جداسازی را می‌توان به وسیله تکان دادن کانه خردشده در جریانی از آب بر روی یک سطح شیب‌دار انجام داد. ذرات سنگینتر کانی ، ته‌نشینشده جمع‌آوری می‌شوند.

شناورسازی

یک روش تغلیظ است که در مورد بسیاری از کانه‌ها بویژه کانه‌هایمس،سربورویبکار می‌رود. کانه کاملا نرم را با یک روغنمناسب و آب در شبکه‌های بزرگ مخلوط می‌کنند. ذرات کانی بوسیله روغن چرب می‌شوند، درحالی که ذراتهرزه سنگبوسیله آب مرطوب می‌شوند. بهم زدن این مخلوط بوسیله هوا کفی ایجاد می‌کند که دارای روغن و ذرات کانی است. اینکف بر روی آب شنار می‌شود که آن را جدا می‌کند.

ملغمه

جیوه،نقره وطلا را در خود حل می‌کند ومغلمهمی‌دهد. از این رو ، کانه‌های نقره و طلای طبیعی را با جیوه مجاورمی‌کنند و مغلمه حاصل را که مایع است، جمع آوری و پس از تقطیر جیوه ، نقره یا طلایآزاد را بازیابی می‌کنند.

کاهش

تا بحال بالاترین مقدار فلزات و همچنین بیشترین تعداد آنها بوسیلهعملیاتذوب کارییعنی فرآیندهای کاهش در دمای بالاکه فلز معمولا به حالت مذاب بدست می‌آید ، تولید شده‌اند. در بیشتر این فرآیندها یکگدازآور (مانند سنگ آهن CaCO₃) بکار برده می‌شود تا هرزه سنگی را که پساز تغلیظ کانه باقی می‌ماند، جدا کند. این گدازآور با سیلیس و ناخالصیهای سیلیکاتتشکیلسربارهمی‌دهد. واکنشهای ساده شدهسنگ آهک وسیلیس به قرار زیرند:

(CaCO₃(s) → CaO(s)+CO₂(g

(CaO(s)+SiO₂(s) → CaSiO₃(l

سرباره که در دمای ذوب کاری بصورت مایع است،عموما بر روی فلز مذاب شناور می‌شود و به سهولت از آن جدا می‌گردد. عامل کاهنده‌ایرا که برای یک عمل ذوب کاری معین بکار می‌برند، از ارزانترین ماده‌ای انتخابمی‌کنند که بتواند محصول با درجه خلوص لازم بدهد. برای کانه‌های فلزاتی که واکنشپذیری شیمیایی آنها کم است، برای مثال کانه‌های سولفید جیوه ، مس و سرب ، هیچ عاملشیمیایی لازم نیست. جیوه از برشته کردنشنگرف (HgS) در هوا تولید می‌شود:

(HgS(s)+O₂(g) → Hg(g)+SO₂(g

بخار جیوه را در جمع کننده متراکم می‌کنندو احتیاجی به تخلیص بیشتر نیست. روشهای دیگری نیز برای کاهش وجود دارد. مثلاکورهبلند آهن.

پالایش

اکثر فلزاتی که ازعملیات کاهش بدست می‌آیند، به پالایش احتیاجدارند تا از ناخالصیهای مزاحم و نامطلوب پاک شوند. فرآیندهای پالایش از فلزی به فلزدیگر بطور وسیعی تغییر می‌کنند و برای یک فلز معین روشی که بکار می‌رود، ممکن استبا مورد مصرف محصول نهایی فرق کند. همراه با حذف موادی که به فلز نامطلوب می‌دهند،مرحله پالایش ممکن است شامل افزایش اجسامی باشد که به محصول ویژگیهای خالصمی‌بخشند. پاره‌ای از فرآیندهای پالایش برای بازیابی ناخالصیهای فلزی پرارزش مانندطلا ، نقره وپلاتین طرح‌ریزی شده‌اند.

گداز جزئی

قلع،سرب وبیسموت ناخالص بوسیله گداز خالص می‌شوند. شمشهای فلز ناخالص را در بالای یک کوره سراشیب کهدمای آن اندکی بالاتر از نقطه ذوب فلز است قرار می‌دهند. این فلز ذوب شده و به سمتپایین این کوره سراشیب به درون چاله‌ای جریان پیدا می‌کند و ناخالصیهای جامد پشت سرهم باقی می‌مانند.

تقطیر

بعضی از فلزات مانندروی و جیوه که نقطه جوش آنهاپایین است بوسیلهتقطیر خالصمی‌شوند.

فرانید پارکز

برای پالایش سرب بکار می‌روند که همچنین یک روش تغلیظ براینقره است، بر انحلال گزینشی نقره در روی مذاب تکیه دارد. مقدار کمی روی ، 1 تا 2درصد به سرب مذاب که دارای نقره به عنوان ناخالص است، اضافه می‌کنند. نقره در رویخیلی بیشتر انحلال پذیر است تا در سرب. سرب و روی در یکدیگر انحلال ناپذیرند. ازاینرو قسمت عمده نقره در فلز روی جمع می‌شود که بالای سرب مذاب قرار می‌گیرد. دراثر سرد کردن ، نخست لایه رویی منجمد می‌شود که آن را جدا می‌کنند. نقره را بوسیلهذوب مجدد لایه روی و تقطیر روی بدست می‌آورند. روی بازیابی شده را از نو بکارمی‌برند.

فرآیند وان آرکل

این فرآیند بر اساستجزیه گرمایییک ترکیب فلز قرار دارد. اینروش که برای تخلیصتیتانیوم، هافنیم وزیرکونیوم بکار می‌رود ، شامل تجزیه یدید فلز بر روی یک رشته فلزی داغ است. برای مثال ،زیرکونیوم تترایدید گازی در اثر تماس با یک رشته فلزی داغ ، تجزیه شده و فلز خالصزیرکونیوم بر روی این رشته می‌نشیند.

(ZrI₄(g) → Zr(s)+2I₂(G

ید آزاد شده با مقدار دیگری از زیرکونیومترکیب می‌شود، این فرآیند بسیار گران است و برای تهیه مقادیر محدود فلزات بسیارخالص برای مصارف ویژه بکار می‌رود.

پالایش منطقه‌ای

فرآیند دیگری که بوسیله آن می‌توان فلزاتی با درجه خلوصخیلی بالا تولید کرد، پالایش منطقه‌ای است. یک گرمکن مدور را در اطراف میله‌ای ازیک فلز ناخالص مثلژرمانیومقرار می‌دهند. این گرمکن که بهآهستگی به سمت انتهای دیگر میله حرکت داده می‌شود، نواری از فلز را ذوب می‌کند. بهتدریج تا این گرمکن حرکت می‌کند، فلز خالص از این مذاب مجددا متبلور شده وناخالصیها همراه منطقه مذاب به سمت انتهای دیگر میله به اصطلاح جارو می‌شوند، کهبعدا آن را دور می‌اندازند. این گرمکن را ممکن است بیش از یک بار از روی همان میلهعبور دهند. روشهای دیگری نیز برای پالایش وجود دارد.

منابع:

www.roshd.ir

استخراج فلزات، ماهنامه داخلی وزارت صنایع، شماره5، 1387