Гидрометаллургия это в химии кратко

Обновлено: 04.07.2024

Гидрометаллургия это техника в области добывающая металлургия, получение металлов из их руд. Гидрометаллургия предполагает использование водный решения для извлечения металлов из руд, концентратов и вторичных или остаточных материалов. [1] [2] Технологии, дополняющие гидрометаллургию: пирометаллургия, паровая металлургия и электрометаллургия расплавов солей. Гидрометаллургия обычно делится на три основных направления:

Выщелачивание
Концентрация и очистка раствора
Восстановление металлов или металлических соединений

Содержание

Выщелачивание

Выщелачивание включает использование водных растворов для извлечения металла из металлосодержащих материалов, который контактирует с материалом, содержащим ценный металл. [3] Первые образцы происходят из Германии и Испании 17 века, где его применяли для добычи меди. [4]

В выщелачивающий Условия раствора меняются с точки зрения pH, окислительно-восстановительного потенциала, присутствия хелатирующих агентов и температуры, чтобы оптимизировать скорость, степень и селективность растворения желаемого металлического компонента в водной фазе. За счет использования хелатирующие агентыможно выборочно извлекать определенные металлы. Такие хелатирующие агенты обычно представляют собой амины базы шиффа. [5]

Пять основных конфигураций реактора выщелачивания: на месте, в куче, чане, резервуаре и автоклаве.

Выщелачивание на месте

Кучное выщелачивание

Выщелачивание НДС

Выщелачивание НДС включает контактирование материала, который обычно подвергается измельчению и классификации, с выщелачивающим раствором в больших чанах.

Выщелачивание резервуаров

Бак с мешалкой, также называемое выщелачиванием с перемешиванием, включает контактирование материала, который обычно подвергается измельчению и классификации, с выщелачивающим раствором в резервуарах с мешалкой. Перемешивание может улучшить кинетику реакции за счет увеличения массопереноса. Резервуары часто имеют последовательную конфигурацию реакторов.

Выщелачивание в автоклаве

Автоклав реакторы используются для реакций при более высоких температурах, что может увеличить скорость реакции. Точно так же автоклавирование позволяет использовать в системе газообразные реагенты.

Концентрация и очистка раствора

После выщелачивания щелок от выщелачивания обычно должен подвергаться концентрации ионов металлов, которые должны быть извлечены. Кроме того, иногда требуется удаление нежелательных ионов металлов. [1]

Редукция газа. Обработка раствора никеля и аммиака водородом дает металлический никель в виде порошка. особенно избирательно, если дорого электролиз процесс, применяемый для выделения драгоценных металлов. Золото можно гальванизировать из его растворов.

Экстракция растворителем

PLS (насыщенный выщелачивающий раствор) смешивают до эмульгирования с удаленным органическим веществом и дают ему разделиться. [ нужна цитата ] Металл будет заменен PLS на органический, который они модифицировали. [ требуется разъяснение ] Результирующие потоки будут загруженными органическими и рафинат. При электролитическом выделении загруженные органические вещества затем смешивают до эмульгирования с обедненным электролитом и дают ему разделиться. Металл будет заменен органикой на электролит. Получающиеся потоки будут представлять собой очищенный от органики и богатый электролит. Органический поток рециркулирует через процесс экстракции растворителем в то время как водные потоки проходят цикл выщелачивания и электрохимического извлечения [ требуется разъяснение ] процессы соответственно. [ нужна цитата ]

Ионный обмен

Хелатирование агенты, натуральные цеолит, активированный уголь, смолы и жидкие органические вещества, пропитанные хелатирующими агентами, используются для обмена катионы или же анионы с раствором. [ нужна цитата ] Селективность и извлечение зависят от используемых реагентов и присутствующих загрязнителей.

Восстановление металлов

Восстановление металла - это заключительный этап гидрометаллургического процесса. Металлы, подходящие для продажи в качестве сырья, часто производятся непосредственно на стадии извлечения металла. Однако иногда требуется дальнейшее рафинирование, если нужно получить металлы сверхвысокой чистоты. Основными типами процессов восстановления металлов являются электролиз, газовое восстановление и осаждение. Например, главной целью гидрометаллургии является медь, которую обычно получают электролизом. Cu 2+ ионы уменьшаются при умеренном потенциале, оставляя после себя другие загрязняющие металлы, такие как Fe 2+ и Zn 2+ .

Электролиз

Электровиннинг и электрорафинирование, соответственно, включают извлечение и очистку металлов с использованием электроосаждение металлов на катоде, либо металл растворение или конкурирующий реакция окисления на аноде.

Осадки

Осаждение в гидрометаллургии включает химическое осаждение либо металлов и их соединений, либо загрязняющих веществ из водных растворов. Осадки продолжится, когда через реагент добавление, испарение, изменение pH или температурные манипуляции, любой конкретный вид превышает предел его растворимости.

ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ

ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ, извлечение металлов из сырья с использованием хим. р-ций в водных р-рах. Сырьем м. б. руды, рудные или хим. концентраты (продукты мех. обогащения или хим. переработки руд), отходы др. производств или самих гидрометаллургич. процессов.

Гидрометаллургич. методы пригодны для извлечения металлов из сырья с низкими концентрациями металла и не поддающегося переработке традиц. методами, поэтому роль этих методов в условиях происходящего обеднения и ухудшения кач-ва рудного сырья постоянно возрастает. К достоинствам гидрометаллургии относится также возможность разделения близких по св-вам металлов (Zr и Hf, Nb и Та, смесей РЗЭ и др.), упрощение переработки по сравнению с пирометаллургией. Применение гидрометаллургич. методов во мн. случаях существенно снижает загрязнение окружающей среды вредными отходами. Так, все большее значение приобретает прямая переработка сульфидных концентратов Си, Ni, Zn, Pb и др. металлов без их обжига (обжиг приводит к выделению SO₂, к-рый при выбросе в атмосферу загрязняет окружающую среду, а при улавливании приводит к заметному удорожанию переработки).

Собственно гидрометаллургич. процессам обычно предшествует мех. передел включающий операции дробления, измельчения, классификации, мех. обогащения - флотации, гравитац. обогащения, отсадки, разделения в тяжелых суспензиях (см. Обогащение полезных ископаемых), а для нек-рых руд - радиометрич. обогащение и др. Задача этого передела - удаление как можно большей массы минералов пустой породы.

Гидрометаллургия включает также три след. основных передела: переведение ценных металлов в р-р, переработку р-ров и выделение из очищенных р-ров металлов или нерастворимых соединений. Вначале из сырья селективно извлекают в р-р ценные металлы (см. Выщелачивание). Для очистки и концентрирования р-ров применяют жидкостную экстракцию и ионообменную сорбцию, реже - мембранные методы, ионную флотацию и др. Ионообменная сорбция служит, как правило, для концентрирования относительно малоконцентриров. р-ров, к-рые могут содержать взвешенные частицы твердых в-в. Емкость экстрагентов (макс. концентрация в них извлекаемого металла) значительно выше емкости сорбентов, поэтому экстракцию применяют при переработке любых по концентрации р-ров, но из-за сильного захвата экстрагентов твердыми частицами - при отсутствии в этих р-рах взвешенных твердых частиц. Более высокой емкостью обладают импрегнированные сорбенты — пористые в-ва, содержащие орг. р-рители, а также твердые экстрагенты (твэксы) - орг. р-рители в полимерной матрице. Импрегнированные сорбенты и твэксы могут применяться для переработки концентрированных содержащих взвешенные твердые в-ва р-ров. Для концентрирования и очистки р-ров используют также осаждение, соосаждение, а для разделения близких по св-вам р-ров (напр., гексафто-роцирконата и гексафторогафната калия) - дробную кристаллизацию, т. е. проведение циклов частичного осаждения и растворения.

Для выделения металлов из р-ров применяют восстановление (напр., водородом) при обычном давлении или в автоклаве, цементацию с использованием более активных металлов и электролитич. восстановление. Металлы, к-рые не могут быть выделены из водных р-ров (напр., Al, Mo, W, U), осаждают в виде оксидов, гидроксидов, фторидов хлоридов, комплексных фторидов и др. Далее эти соединения восстанавливают до металлов разл. методами, включая пирометаллургич. (см. Металлотермия)и электрохимич.

В гидрометаллургич. технол. схемах используют также такие мех. процессы, как декантация, фильтрация, гидроциклонирование и центрифугирование. Для интенсификации разделения жидкой и твердой фаз применяют синтетич. флокулянты. Гидрометаллургия часто связана также с применением термич. процессов: сушки, прокаливания осадков, обжига концентратов и др. Все более широкое применение находят совмещенные операции, напр. измельчения и выщелачивания, выщелачивания и ионообменной сорбции.

Гидрометаллургич. операции могут сочетаться также с процессами газовой металлургии, напр. получением хлоридов или фторидов. Так, образовавшиеся при переработке рудных концентратов хлориды Zr и Hf могут растворяться в воде и перерабатываться далее гидрометаллургич. методами. Полученные по обычной гидрометаллургич. технологии соединения W м. б. превращены в WF₆, используемый далее для получения металла.

Один из недостатков гидрометаллургии-относительно большой расход воды на единицу продукции. Напр., на 1 т урановой руды только при получении хим. концентрата образуется 0,3-5,0 т сбросных р-ров. Важное значение в преодолении этого недостатка имеют разработка и внедрение процессов водооборота и в конечном итоге переход на полностью бессточную технол. схему.

Гидрометаллургию применяют для получения цветных (Al, Cu, Ni, Co, Zn и др.), редких (Be, РЗЭ, Ti, Zr, Hf, Nb, Та, Mo, W и др.), прир. радиоактивных (U, Th), искусств, радиоактивных (Np, Pu и др.), благородных (Ag, Au, Pt и платиновые металлы) металлов.

Биогидрометаллургия основана на применении автотрофных бактерий (гл. обр. тионовых) для выщелачивания U, Си и др. металлов из сульфидных минералов или в присут. сульфидных минералов, а также для удаления примесей сульфидных минералов (пирита, арсенопирита и др.) из серебряных и золотых руд или из каменного угля и др. материалов.

ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ, процессы извлечения металлов из руд путем выщелачивания их растворителями с последующим осаждением из растворов, в большинстве случаев в металлическом состоянии и реже в форме химических соединений. При этом осаждение производится: 1) цементацией, 2) электролизом, 3) реагентами (в форме химического соединения), 4) адсорбцией и 5) восстановлением на угле. Гидрометаллургия (мокрый путь извлечения) имеет наибольшее значение для получения следующих металлов: золота, серебра, цинка и меди. Кроме того, гидрометаллургия применяется при извлечении свинца, платины, никеля и ртути. Своеобразные процессы, относимые обычно к области химической технологии, но по существу являющиеся гидрометаллургическими , применяются 1) при производстве окиси алюминия, перерабатываемой затем путем электролиза с получением чистого алюминия, и 2) при извлечении редких металлов в форме химических соединений. Растворителями являются растворы солей, кислот и щелочей.

В табл. 1 приведены главные употребляемые в практике гидрометаллургии реагенты и извлекаемые ими металлы.

Некоторые металлы (медь, платина) подвергаются подготовительным операциям (сульфатизирующий обжиг, хлорирующий обжиг) и м. б. переведены в форму соединений, растворимых в воде. В этом случае выщелачивание производится водой. Своеобразный гидрометаллургический процесс извлечения представляет амальгамация золота, серебра и платины. В этом случае извлекаемые металлы образуют дисперсную систему в жидком металле (ртути). Основой данного процесса является не растворение, а смачивание с последующим образованием химических соединений и твердых растворов, обладающих небольшой растворимостью в ртути.

Подготовительные операции к осуществлению гидрометаллургических процессов состоят в измельчении, обжиге и удалении нежелательных примесей посредством выщелачивания или операций обогащения. Дробление и тонкое измельчение применяются с весьма широко варьирующей степенью измельчения. Золотые и серебряные руды измельчаются в пределах 28—150 меш. Иногда применяется измельчение 200 меш, а при цианировании концентратов в Мак-Интайр - 325 меш. В весьма редких случаях цианирование производится после измельчения на валках до 1 см (Шаста Каунти, Калифорния). Выщелачивание в процессе измельчения применяется гл. обр. при цианировании в шаровых мельницах. В некоторых случаях при этом извлекают до 70% металла (и даже более), содержащегося в руде. Обжиг перед выщелачиванием применяется при гидрометаллургическом извлечении цинка; в последнем случае производится окислительный обжиг при довольно высокой температуре. Такой же обжиг применяется к медным сульфидным рудам и иногда при извлечении золота цианированием или же хлоринацией при значительной ассоциации золота с теллуритыми минералами и в более редких случаях - с сульфидами.

Восстановительный обжиг проводится при низких и умеренных температурах в атмосфере окиси углерода. Применяется при подготовке к выщелачиванию углекислым аммонием окисленных и силикатных медных руд и при цианировании упорных окисленных серебряных руд.

Хлорирующий обжиг производится в нейтральной атмосфере или в атмосфере хлора в присутствии хлоридов щелочных (или щелочноземельных) металлов при умеренной температуре. В результате его получают хлориды меди, свинца, цинка и серебра. Применяется к сульфидным и в меньшей мере к окисленным рудам. Хлорирующий обжиг применяется при извлечении платины из сульфидных концентратов, а с последующим выщелачиванием раствором поваренной соли в небольшой мере - при обработке свинцово-серебряных руд. Для обжига применяются печи Беджа, Гересгофа, Мак-Дугалла, Холт-Дерна, Скиннера и некоторые другие.

По условиям места, где производится извлечение, можно установить следующее подразделение: 1) выщелачивание в подземных выработках, 2) выщелачивание в кучах, 3) выщелачивание в процессе измельчения, 4) выщелачивание в специальных чанах, 5) выщелачивание в процессе обезвоживания (фильтрация и сгущение), выщелачивание во флотационной матине. Выщелачивание в подземных выработках или в других условиях в зависимости от характера залегания выщелачиваемой массы имеет в настоящее время весьма ограниченное применение как самостоятельный технологический процесс. Метод основан на способности сульфидных минералов, образующих рудное тело, быстро окисляться и образовывать растворимые соли меди. В 1923 г. подземное выщелачивание меди было введено медной компанией Огайо в Юта, где начали выщелачивать большое по размерам рудное тело, содержащее около 38 млн. тонн разрушенной кварцитовой медной руды с 0,3% меди. Выщелачивание в кучах представляет гидрометаллургия. процесс, наиболее примитивный по технике своего выполнения, и имеет весьма значительную давность; он применяется для обработки рудных отвалов, накопившихся на поверхности земли. Выщелачивание в специальных чанах обычно производится по одному из двух следующих методов: 1) обработка путем перемешивания пульпы, представляющей смесь тонкоизмельченной руды с раствором ( агитация ), 2) циркуляция раствора в условиях просачивания ( перколяция ) через слой песковой части руды относительно более грубо измельченной, чем твердая часть пульпы (в предыдущем случае). Факторы, определяющие извлечение в гидрометаллургических процессах, а также условия осуществления их м. б. подразделены след. обр.: 1) состав минеральных зерен, подвергаемых выщелачиванию, размер их, кристаллографическая форма и состояние поверхности, 2) характер ассоциации минеральных зерен с вмещающей породой, 3) условия диффузии в растворе ионов и молекул веществ, являющихся растворителями, 4) концентрация раствора, применяемого для выщелачивания, 5) отношение между весом раствора, употребляемого при выщелачивании, и весом руды, 6) длительность контакта, 7) температура, при которой производится выщелачивание, 8) аэрация, осуществляемая продувкой воздуха, 9) добавочные реагенты, 10) регенерация растворов. Условия диффузии растворителя имеют весьма большое значение в процессе выщелачивания; концентрация его в растворе определяет интенсивность, с которой протекает этот процесс. Совершенно очевидно, что вокруг частиц растворяющегося металла находится прилегающий к ним слой раствора с пониженной концентрацией веществ, расходующихся на процесс растворения. Если концентрация хотя бы одного из этих веществ становится ниже оптимального значения, то процесс растворения замедляется, а при дальнейшем понижении прекращается. Восполнение содержания реагентов в слое раствора, окружающего частицы металла, происходит за счет процессов диффузии из остальной части раствора, не соприкасающейся непосредственно с частицами минералов, взаимодействующих с растворителями.

Условия протекания диффузии ионов и молекул растворителей зависят от метода обработки руд. Рассмотрим сначала общие условия диффузии для случая гетерогенных твердо-жидких смесей. Скорость реакции для данных случаев гетерогенных систем м. б. выражена формулой

т. е. количество вещества, реагирующего в единицу времени (dx\dt) пропорционально величине коэффициента диффузии D, поверхности фазы F и понижению концентрации растворителя; последнее выражается дробью (S—C)/δ, где S - концентрация раствора, С - концентрация слоя, на протяжении которого вокруг частицы происходит диффузия растворителя, и δ - толщина последнего слоя. Вне диффузионного слоя концентрация раствора одинакова, а внутри него она падает в направлении к растворяющейся частице. Для коэффициента D диффузии солей, образующих в растворе два иона, Нернст дает следующее уравнение

Скорость движения катионов u и анионов v зависит от внутреннего трения раствора, которое определяется вязкостью чистого растворителя и присутствием в нем веществ, находящихся в растворенном состоянии или образующих дисперсную систему. Согласно закону Вальдена сумма скоростей движения ионов обратно пропорциональна вязкости η

Из последних двух уравнений видно, что коэффициент диффузии электролита и, следовательно, скорость реакции, происходящей в гетерогенной системе, уменьшается соответственно увеличению внутреннего трения раствора. Для неэлектролитов (например, для кислорода при цианировании) по исследованиям Euler и Hedelius коэффициент диффузии также зависит от вязкости. Наряду с этим происходит падение концентрации газообразных веществ, растворяющихся в растворе. Молекулярное понижение растворимости определяется из уравнения

где η₀ и η обозначают растворимость в воде и в растворе соли и η концентрацию соли. В еще большей степени, чем растворенные вещества, на свойства рабочего раствора влияют тончайшие частички руды, находящиеся во взвешенном состоянии. Присутствие большого количества суспендированных в растворе частиц, из которых большая часть настолько мала, что проходит через поры фильтра, значительно повышает вязкость раствора и больше влияет на понижение скорости диффузии и растворимость газов, чем присутствие растворенных солей.

Концентрация раствора определяется составом обрабатываемой руды и применяемым для этого растворителем. Выбор концентрации раствора зависит от необходимой для процесса скорости растворения, от характеристики измельчения (определяющей соотношение классов измельченной руды) и ряда других условий осуществления технологического процесса. Как правило повышение концентрации раствора увеличивает до известного предела скорость растворения. В случае извлечения золота и серебра цианированием этот предел достигается при довольно низких концентрациях (от 0,25 до 0,4% NaCN). При выщелачивании меди серной кислотой повышение концентрации раствора кислоты давало бы больший эффект, если бы не происходило взаимодействия ее с другими составными частями руды (растворение щелочноземельных карбонатов, железа, глинозема и др.). В случае употребления для выщелачивания меди кислых растворов сернокислой соли окиси железа концентрация последней выше 1% понижает использование тока при осаждении электролизом. При выщелачивании обожженных цинковых концентратов переход в раствор кремневой кислоты и железа улучшает фильтрование и предохраняет анод от образования на нем корки. В табл. 2 приведены обычные концентрации растворов, употребляемых при выщелачивании.

Промывка и фильтрация . По окончании выщелачивания производится отделение раствора от твердой части и отмывка растворенного вещества от последней. Иногда стадия обезвоживания и промывки совмещается с выщелачиванием вещества, остающегося нерастворенным. В случае перколяции золотых руд для промывки применяют средние и слабые растворы и чистую воду; при этом общее количество всех растворов находится в пределах от 100 до 200% по отношению к обрабатываемому материалу. В случае последовательной перколяции в нескольких чанах снижают количество растворов до 60% (Хомстек). В случае равномерного прохождения раствора через перколируемый материал при условии, что скорость диффузии и конвекции не выше скорости перколяции, содержание металла в хвостах после промывки устанавливается по формуле

где а - содержание металла в растворе после операции, предшествующей данной промывке, с - содержание металла в промывной жидкости, b и d - соответствующие объемы растворов. Содержание металла в хвостах после выщелачивания обычно выше вследствие неравномерного просачивания раствора. Количество частей промывной воды, вводимой в процесс, обычно соответствует потерям: 1) с хвостами при выгрузке в отвал, 2) вследствие утечки, 3) испарения; в противном случае происходит накопление на заводе излишних растворов. Отделение растворов от илов производится в начальной стадии сгущением. В окончательной стадии отделение растворов и промывка илов производятся: 1) декантацией, 2) фильтрацией, В) непрерывной противоточной декантацией и 4) повторной фильтрацией с промежуточной репульпацией.

Осаждение металлов из растворов после выщелачивания . После полного осветления (в специальных аппаратах) растворы поступают на осаждение из них металлов; последнее осуществляется одним из следующих методов: 1) путем простой цементации, 2) путем цементации с одновременным выделением водорода с целью создания восстановительных условий среды, 3) путем получения нерастворимых соединений, 4) электролитическим путем, 5) путем разложения нагреванием, 6) адсорбцией, 7) восстановлением. Применение указанных принципов к различным металлам и характер применяемых реагентов даны в табл. 3.

Электролитическое осаждение представляет обычный метод осаждения в гидрометаллургии меди и цинка; оно дает возможность одновременно с осаждением регенерировать растворитель. Условия электролитического осаждения определяются следующими факторами: 1) вольтаж, 2) плотность тока, 3) температура, 4) концентрация основных компонентов раствора, 5) скорость протекания, раствора через осадительные ванны, 6) состав анодов и катодов. Теоретическое количество металла, осаждаемое током, выражается формулой

где I - сила тока, w- атомный вес осаждаемого металла и v - валентность металла. Использование тока определяется отношением количества фактически осажденного металла к теоретическому. Плотность тока определяет характер осадка. При осаждении меди из сернокислых растворов плотность тока равна 85—110 А/м 2 , при осаждении цинка из растворов с 3,5—7,5% серной кислоты она равна 210—330 А/м 2 . В случае метода Тентона (22—27% серной кислоты) при температуре 60°С применяют плотность тока выше 1000 А/м 2 . Вольтаж зависит от состава раствора, расстояния между электродами и от состава их. При средних условиях осаждения меди падение вольтажа между соседними электродами равно 2 V. При электролизе цинка на заводе Трэйл - 3,9 V. Состав растворов определяет эффективность процесса осаждения. Последний весьма затрудняется в присутствии примесей: сернокислой окиси железа (растворяет осажденную медь), мышьяка, сурьмы и кобальта (понижают использование тока при осаждении цинка). Характер образующегося осадка ухудшается в присутствии взвешенных веществ; кроме того, осадок меди ухудшается при избытке железа, осадок цинка - в результате присутствия железа, ванадия, кобальта, никеля, мышьяка и сурьмы. Добавки некоторых коллоидов (например, желатина) улучшают условия электролиза, способствуя образованию плотного осадка при высокой плотности тока. Очистка растворов употребляется для периодического удаления примесей, затрудняющих процесс осаждения или понижающих активность растворов.

Осаждение путем цементации с одновременным выделением водорода для создания восстановительных условий среды применяется для осаждения металлов, растворяющихся в присутствии кислорода. На практике этот случай имеет значительное применение для осаждения золота и серебра из цианистых растворов. В результате разложения комплексной соли происходит осаждение металлического золота и растворение цинка в виде цианистого комплекса. При этом на катоде выделяется водород, поляризующий его поверхность. Влияние поляризации в значительной степени устраняется созданием рыхлого осадка свинца на поверхности цинка, что легко достигается освинцовыванием его при действии уксуснокислой соли [Рb(СН₂СO₂)₂]. Комплексный анион, встречаясь с поверхностью цинка, вступает в следующую реакцию цементации:

На поверхности другого элемента пары, которым обычно является свинец, происходит в результате растворения цинка в цианиде и щелочи восстановление водорода, так как потенциал восстановления последнего значительно ниже, чем натрия (или другого металла, образующего комплексную соль).

Водород в момент восстановления связывает кислород, если последний присутствует в растворе, а избыток его выделяется на поверхности цинка. Выделение водорода в результате реакции растворения (в известных пределах) имеет большое, значение, т. к. он связывает кислород, поступающий с растворами или поглощаемый ими в течение процесса осаждения (особенно в экстракторах), и этим не допускает растворения золота (которое сделалось бы возможным в присутствии кислорода), а также окисления цинковой стружки. Соответственно реакции восстановления водорода на поверхности анода происходит растворение цинка, вызывающее переход его в раствор в форме комплекса или сначала в форме цинкатиона, который затем переходит в ион цианистого комплекса согласно формулам:

Обработка и плавка осадка . Дальнейшая обработка продукта, полученного в результате осаждения, производится различными способами в зависимости от состава осадка. Детальное описание этих способов приводится в статьях по металлургии соответствующих металлов. Сводка основных методов обработки осадков приводится в табл. 4.

ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,

величайшие завоевания разума будут сделаны

именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)

Таблица
Менделеева

Универсальная таблица растворимости

Коллекция таблиц к урокам по химии

Общая характеристика и способы получения металлов

Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.

Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.

Получение металлов из руд — задача металлургии.

Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.

Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:

Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.

В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:

Пирометаллургия

Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.

Например, олово восстанавливают из касситерита SnО₂, а медь — из куприта Cu₂O

прокаливанием с углем (коксом):

SnО₂+ 2С = Sn + 2СО ↑; Cu₂O + С = 2Cu+ СО ↑

Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:

2ZnS + 30₂ = 2ZnО + 2SO₂ ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑
сфалерит (цинковая обманка)

Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:

FeСO3 = FеО + СO₂ ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)

Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).

В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:

К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.

2) TiO₂+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)

Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида

которого очень велика (2А1 + 1,5 O₂ = Аl₂O₃ + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:

где Q₁— теплота образования продукта, Q₂ -теплота образования исходного вещества.

Доменный процесс (производство чугуна):
C + O₂ = CO₂, CO₂ + C ↔ 2CO
3Fe₂O₃ + CO = 2(Fe 2 Fe 3 ₂)O₄+ CO₂(Fe 2 Fe 3 ₂)O₄+ CO= 3FeO + CO₂FeO + CO= Fe + CO₂
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe₃C);

Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO₂, SO₂), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca₃(PO₄)₂ и CaSiO₃. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

Гидрометаллургия

Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.

Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:

Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:

Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Электрометаллургия

Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.

Читайте также: