Способы получения металлов

Способы получения металлов

Рейтинг:   / 1
ПлохоОтлично 
получение металлов

Для получения из руды чистого металла нужно отделить рудные минералы от пустой породы, а затем разложить эти минералы, восстановив металл из его химических соединений.

Физические и химические процессы переработки руды, связанные с выделением металлов и большей или меньшей очисткой их от примесей, называются металлургическими.

Часть пустой породы можно отделить от рудных минералов физическим способом. Простейший способ, применявшийся для этого еще в древности, ручная рудоразборка по цвету и блеску минералов. В настоящее время для разделения минералов существует много более совершенных методов, например, с помощью электромагнита, используя различия магнитных свойств минералов. Используя различия удельных весов минералов, их разделяют в восходящей струе воды или воздуха или в жидкостях. Наиболее распространенным в настоящее время способом разделения минералов является флотация, основанная на различной смачиваемости минералов после покрытия их поверхности тончайшей пленкой специальных химических реагентов.

Все перечисленные процессы относительно просты и дешевы, однако они позволяют только обогатить руду (повысить в ней процентное содержание металла за счет удаления части пустой породы). Эти процессы называются обогащением. Они облегчают последующую переработку полученных обогащенных продуктов на металл, поэтому относятся к числу подготовительных процессов.

Для получения металлов необходимо химическое воздействие на минералы. Оно может осуществляться либо при высокой температуре, как правило, превышающей точку плавления или испарения данного металла или его соединения, тогда проводимые при этом процессы называются пирометаллургическими; либо минералы обрабатывают водными растворами реагентов, и такие процессы называются гидрометаллургическими.

При любой металлургической переработке стремятся максимально сконцентрировать металл в каком-либо продукте, легка отделяемом от других продуктов, содержащих примеси.

Основными пирометаллургическими процессами являются плавка, обжиг и дистилляция.

Плавкой называется металлургический процесс, проводимый при температуре, достаточной для расплавления всей или преобладающей массы материала. При плавке расплавленная масса разделяется по удельным весам на два или больше слоев, подвергаемых последующей переработке. В зависимости от характера химических реакций, протекающих при плавках, плавки называются восстановительными, окислительными, осадительными и ликвационными.

Примером восстановительной плавки может служить получение железа из руды, содержащей смесь FeO, SiO2, CaO и Al2O3. Всю массу руды расплавляют в присутствии углерода, при этом закись железа восстанавливается до металла.

FeO + C = Fe + CO.

Расплавленное железо нерастворимо в расплаве SiO2 + CaO + Al2O3 и отделяется от него в виде более тяжёлого жидкого слоя.

Примером окислительной плавки может служить переработка медной руды, содержащей смесь Cu2S и FeS. При плавки этой смеси при доступе или подачи воздуха FeS окисляется:

2 FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2.

В присутствии кварца закись железа образует с ним силикат закиси железа:

2FeO + SiO2 = Fe2SiO4,

который легче расплавленной Cu2S и отделяется от последней в виде жидкого слоя, а медь концентрируется в нижнем сульфидном слое и может быть выделена при последующей его переработке.

Осадительной плавкой называют такой процесс, при котором действием какого-либо металла из расплава выделяется другой содержащийся в расплаве металл. Например, вытеснение сурьмы металлическим железом из сульфида по реакции:

Sb2S3 + 3Fe = 3FeS + 2Sb↓.

Ликвационными плавками называют такие, при которых расплав разделяется на различные фазы не за счет химического воздействия, а за счет изменения растворимости. Например, при охлаждении перегретого сплава свинца, загрязненного медью, растворимость последней в свинце уменьшается, и кристаллы меди всплывают на поверхность свинцовой ванны.

Обжигом называют металлургический процесс, проводимый лри температуре, достаточной для активного протекания различных химических реакций между твердыми составляющими обрабатываемого материала или взаимодействия их с газами, но недостаточной для расплавления.

Обжиг проводят для удаления примесей в газовую фазу или для изменения химического состава материала соответственно требованиям последующей переработки. В зависимости от того, какие основные химические реакции протекают при обжиге, различают окислительный, восстановительный, сульфатизирующий, хлорирующий и другие виды обжига.

Наиболее распространён окислительный обжиг, например, окисление FeS2 кислородом воздуха, проводимое для удаления серы:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.
Для различных целей применяют восстановительный обжиг, при котором, например, Fe2O3
превращается в Fe3O4 по реакции:

3Fe2O3 + C = 2Fe3O4 + CO.

В других случаях обжиг применяют для перевода металлов в различные химические соединения — сульфаты, хлориды и др.

Дистилляцией называют процесс обжига или плавки, при котором извлекаемые металлы или их соединения испаряются и таким образом отделяются от нелетучей пустой породы. Полученные пары металлов или соединений металлов охлаждают и конденсируют.

С помощью дистилляционных процессов извлекают значительную долю всего добываемого цинка. Столь же значительную роль играет этот процесс при получении магния, сурьмы, и некоторых других металлов.

Своеобразными процессами, существенно отличающимися от перечисленных, являются электролитические процессы, при которых разделение веществ и их изменение происходит в результате электрохимических превращений; таким способом получают большинство легких металлов, в частности алюминий, магний и др.

Например, расплавленный хлористый магний диссоциирован на иона магния и хлора. при пропускании через расплав постоянного электрического тока на отрицательном полюсе (называемом катодом) осаждается магний. Ионы магния, заряженные положительно, что обохначается знаком Mg2+, присоединяют два отрицательных электрона (2е) и превращаются в атомы магния:

Mg2+ + 2е = Mg.

Электролиз протекает при температуре выше точки плавления магния, поэтому полученный металл находится в жидком состоянии. Он нерастворим в MgCl2 и всплывает на поверхность в виде легко отделяемого жидкого слоя. подобные процессы применяются и для получения других лёгких металлов.

Электролиз особенно широко распространен при осаждении из водных растворов меди, цинка и кадмия. Водные растворы получают в результате гидрометаллургических процессов. Типовые гидрометаллургические процессы — это выщелачивание металлов и их соединений из рудного сырья и осаждение металлов из растворов.

Выщелачиванием называют избирательное растворение одного из компонентов обрабатываемого материала. При этом получаются раствор и нерастворимый остаток.

Для выщелачивания применяют химические реагенты, переводящие металлы в воднорастворимые соли. Например, для выщелачивания меди из руды, содержащей не растворимый в воде минерал - малахит, применяется серная кислота:

CuSO3 • Cu(OH)2 + 2H2So4 = 2CuSO4 + CO2 + 3H2O.

При этом малахит превращается в воднорастворимый сульфат меди. Пустая порода, состоящая из SiO2 и других минералов, остаётся в нерастворимом остатке, который после выщелачивания отфильтровывают и выводят в отвал или на дальнейшую переработку.

Иногда при выщелачивании используют соляную, азотную или другие кислоты, щелочи и некоторые соли.

Осаждение из растворов основано на переводе металлов в вод- нонерастворимые соединения, в частности, восстановлением их — до элементарного состояния.

Электролитическое осаждение металлов из водных растворов происходит при пропускании через раствор постоянного тока; при этом металл осаждается в виде плотного компактного слоя.

Осаждение цементацией состоит в вытеснении одного металла другим. Например, медь осаждают железом:

CuSo4 + Fe = ↓Cu + FeSo4.

Осаждение гидролизом основано на взаимодействии растворимых солей металлов с водой и образовании при этом труднорастворимых гидратов или основных солей.

Примером гидролиза может служить широко применяемая в металлургии алюминия реакция осаждения гидрата окиси алюминия из раствора алюмината:

NaAlO2 + 2H2O = ↓Al(OH)3 + NaOH.

Химическое осаждение основано на образовании труднорастворимых солей металлов в результате добавки к растворам соответствующих реагентов.

Например: вольфрам выделяют из раствора в виде вольфрамата кальция

Na2WO4 + CaCl2 = CaWO4 + 2NaCl.

При выборе технологической схемы и определении последовательности применения тех или иных процессов прежде всего стремятся комплексно использовать все ценные составляющие руды, наиболее полно и дешево извлечь их.

При выборе той или иной схемы немаловажную роль играет степень вредности производства для обслуживающего персонала, а также ряд местных условий: наличие воды, электроэнергии, вспомогательных материалов, транспортных средств и др.

JoomShaper