Extraktiv metallurgi

Extraktiv metallurgi är en gren av metallurgisk teknik där process och metoder för utvinning av metaller från deras naturliga mineralfyndigheter studeras. Området är en materialvetenskap , som täcker alla aspekter av malmtyper, tvättning, koncentrering, separation, kemiska processer och utvinning av ren metall och deras legering för att passa olika applikationer, ibland för direkt användning som en färdig produkt, men oftare i en form som kräver ytterligare arbete för att uppnå de givna egenskaperna för att passa applikationerna.

Området för järn- och icke-järnextraktiv metallurgi har specialiteter som är generiskt grupperade i kategorierna mineralbearbetning , hydrometallurgi , pyrometallurgi och elektrometallurgi baserat på den process som antagits för att extrahera metallen. Flera processer används för utvinning av samma metall beroende på förekomst och kemikaliekrav.

Mineralbearbetning

Huvudartikel: Mineralbearbetning

Mineralbearbetning börjar med förädling, vilket består av att initialt bryta ner malmen till erforderliga storlekar beroende på vilken koncentrationsprocess som ska följas, genom krossning, malning, siktning etc. Därefter separeras malmen fysiskt från eventuell oönskad förorening, beroende på formen av händelse och eller ytterligare process involverad. Separationsprocesser drar fördel av materialens fysikaliska egenskaper. Dessa fysikaliska egenskaper kan innefatta densitet, partikelstorlek och form, elektriska och magnetiska egenskaper och ytegenskaper. Viktiga fysikaliska och kemiska metoder inkluderar magnetisk separation, skumflotation , urlakning etc., varvid föroreningar och oönskade material avlägsnas från malmen och metallens basmalm koncentreras, vilket innebär att andelen metall i malmen ökar. Detta koncentrat bearbetas sedan antingen för att avlägsna fukt eller används som det är för utvinning av metallen eller görs till former och former som kan genomgå vidare bearbetning, med enkel hantering.

Malmkroppar innehåller ofta mer än en värdefull metall. Avfall från en tidigare process kan användas som foder i en annan process för att extrahera en sekundär produkt från den ursprungliga malmen. Dessutom kan ett koncentrat innehålla mer än en värdefull metall. Det koncentratet skulle sedan bearbetas för att separera de värdefulla metallerna i individuella beståndsdelar.

Hydrometallurgi

Huvudartikel: Hydrometallurgi

Hydrometallurgi handlar om processer som involverar vattenlösningar för att utvinna metaller från malmer. Det första steget i den hydrometallurgiska processen är urlakning , vilket innebär upplösning av de värdefulla metallerna i den vattenhaltiga lösningen och eller ett lämpligt lösningsmedel. Efter att lösningen separerats från malmfastämnena, utsätts extraktet ofta för olika processer för rening och koncentrering innan den värdefulla metallen återvinns antingen i dess metalliska tillstånd eller som en kemisk förening. Detta kan innefatta utfällning , destillation , adsorption och lösningsmedelsextraktion . Det sista återvinningssteget kan involvera utfällning, cementering eller en elektrometallurgisk process. Ibland kan hydrometallurgiska processer utföras direkt på malmmaterialet utan några förbehandlingssteg. Oftare måste malmen förbehandlas genom olika mineralbearbetningssteg, och ibland genom pyrometallurgiska processer.

Pyrometallurgi

Huvudartikel: Pyrometallurgi
Ellingham-diagram för högtemperaturoxidation

Pyrometallurgi involverar högtemperaturprocesser där kemiska reaktioner äger rum mellan gaser, fasta ämnen och smälta material. Fasta ämnen som innehåller värdefulla metaller behandlas för att bilda mellanliggande föreningar för vidare bearbetning eller omvandlas till deras elementära eller metalliska tillstånd. Pyrometallurgiska processer som involverar gaser och fasta ämnen kännetecknas av kalcinering och rostning . Processer som producerar smälta produkter kallas gemensamt för smältningsoperationer . Den energi som krävs för att upprätthålla de pyrometallurgiska processerna vid hög temperatur kan härröra från den exoterma naturen hos de kemiska reaktioner som äger rum. Typiskt är dessa reaktioner oxidation, t.ex. av sulfid till svaveldioxid . Ofta måste emellertid energi tillföras processen genom förbränning av bränsle eller, i fallet med vissa smältprocesser, genom direkt applicering av elektrisk energi.

Ellingham-diagram är ett användbart sätt att analysera möjliga reaktioner och på så sätt förutsäga resultatet.

Elektrometallurgi

Huvudartikel: Elektrometallurgi

Elektrometallurgi innebär metallurgiska processer som äger rum i någon form av elektrolyscell . De vanligaste typerna av elektrometallurgiska processer är elektroutvinning och elektroraffinering . Elektroutvinning är en elektrolysprocess som används för att återvinna metaller i vattenlösning, vanligtvis som ett resultat av att en malm har genomgått en eller flera hydrometallurgiska processer. Metallen av intresse pläteras på katoden, medan anoden är en inert elektrisk ledare. Elektroraffinering används för att lösa upp en oren metallanod (vanligtvis från en smältprocess) och producera en katod med hög renhet. Elektrolys av smältsalt är en annan elektrometallurgisk process där den värdefulla metallen har lösts upp i ett smält salt som fungerar som elektrolyten, och den värdefulla metallen samlas på cellens katod. Den smälta saltelektrolysprocessen genomförs vid temperaturer som är tillräckliga för att hålla både elektrolyten och metallen som produceras i smält tillstånd. Omfattningen av elektrometallurgi har betydande överlappning med områdena hydrometallurgi och (i fallet med smält saltelektrolys) pyrometallurgi. Dessutom elektrokemiska fenomen en betydande roll i många mineralbearbetnings- och hydrometallurgiska processer.

Jonometallurgi

Huvudartikel: Jonometallurgi

Mineralbearbetning och utvinning av metaller är mycket energikrävande processer, som inte är undantagna från att producera stora volymer fasta restprodukter och avloppsvatten, som också kräver energi för att vidarebehandlas och omhändertas. När efterfrågan på metaller ökar måste den metallurgiska industrin dessutom förlita sig på materialkällor med lägre metallhalt både från primära (t.ex. mineralmalmer) och/eller sekundära (t.ex. slagg, avfallsavfall, kommunalt avfall) råmaterial. Följaktligen måste gruvverksamhet och avfallsåtervinning utvecklas mot utveckling av mer selektiva, effektiva och miljövänliga mineral- och metallbearbetningsvägar.

Mineralbearbetningsoperationer behövs först för att koncentrera mineralfaserna av intresse och avvisa det oönskade materialet som är fysiskt eller kemiskt associerat med en definierad råvara. Processen kräver dock cirka 30 GJ/ton metall, vilket motsvarar cirka 29 % av den totala energi som spenderas på gruvdrift i USA. Samtidigt pyrometallurgi en betydande producent av utsläpp av växthusgaser och skadligt rökgasdamm. Hydrometallurgi innebär konsumtion av stora volymer av lixivianter såsom H 2 SO 4 , HCl, KCN, NaCN som har dålig selektivitet. Dessutom, trots miljöhänsyn och användningsbegränsningar som införts av vissa länder, anses cyanidering fortfarande vara den främsta processtekniken för att återvinna guld från malmer. Kvicksilver används också av hantverksmässiga gruvarbetare i mindre ekonomiskt utvecklade länder för att koncentrera guld och silver från mineraler, trots dess uppenbara toxicitet. Bio-hydrometallurgi använder sig av levande organismer, såsom bakterier och svampar, och även om denna metod endast kräver tillförsel av O 2 och CO 2 från atmosfären, kräver den låga fasta-till-vätska-förhållanden och långa kontakttider, vilket minskar avsevärt rum-tid avkastning.

Jonmetallurgi använder icke-vattenhaltiga joniska lösningsmedel såsom joniska vätskor (IL) och djupeutektiska lösningsmedel (DES), vilket möjliggör utvecklingen av flödesark med slutna kretslopp för att effektivt återvinna metaller genom att till exempel integrera de metallurgiska enheternas operationer för lakning och elektrovinnande. Det gör det möjligt att bearbeta metaller vid måttliga temperaturer i en icke-vattenhaltig miljö som tillåter kontroll av metallspeciering, tolererar föroreningar och samtidigt uppvisar lämplig löslighet och strömeffektivitet. Detta förenklar konventionella bearbetningsvägar och möjliggör en avsevärd minskning av storleken på en metallbearbetningsanläggning.

Metallextraktion med joniska vätskor

DES är vätskor som vanligtvis består av två eller tre billiga och säkra komponenter som är kapabla att självassociera, ofta genom vätebindningsinteraktioner, för att bilda eutektiska blandningar med en smältpunkt som är lägre än den för varje enskild komponent. DES är i allmänhet flytande vid temperaturer lägre än 100 °C, och de uppvisar liknande fysikalisk-kemiska egenskaper som traditionella IL, samtidigt som de är mycket billigare och miljövänligare. De flesta av dem är blandningar av kolinklorid och en vätebindningsdonator (t.ex. urea, etylenglykol, malonsyra) eller blandningar av kolinklorid med ett hydratiserat metallsalt. Andra kolinsalter (t.ex. acetat, citrat, nitrat) har mycket högre kostnader eller måste syntetiseras, och DES formulerade från dessa anjoner är vanligtvis mycket mer trögflytande och kan ha högre ledningsförmåga än för kolinklorid. Detta resulterar i lägre pläteringshastigheter och sämre kastkraft och av denna anledning gynnas fortfarande kloridbaserade DES-system. Till exempel har Reline (en 1:2 blandning av kolinklorid och urea) använts för att selektivt utvinna Zn och Pb från en blandad metalloxidmatris. På liknande sätt underlättar etalin (en 1:2 blandning av kolinklorid och etylenglykol) metallupplösning vid elektropolering av stål. DES har också visat lovande resultat för att återvinna metaller från komplexa blandningar såsom Cu/Zn och Ga/As, och ädla metaller från mineraler. Det har också visat sig att metaller kan utvinnas från komplexa blandningar genom elektrokatalys med en kombination av DES som lixiviants och ett oxidationsmedel, medan metalljoner samtidigt kan separeras från lösningen genom elektroutvinning.

Återvinning av ädelmetaller genom jonometallurgi

Ädelmetaller är sällsynta, naturligt förekommande metalliska kemiska element av högt ekonomiskt värde. Kemiskt tenderar ädelmetallerna att vara mindre reaktiva än de flesta grundämnen. De inkluderar guld och silver, men också de så kallade platinagruppens metaller: rutenium, rodium, palladium, osmium, iridium och platina (se ädelmetaller). Extraktion av dessa metaller från deras motsvarande värdmineral skulle typiskt kräva pyrometallurgi (t.ex. rostning), hydrometallurgi (cyanidering) eller båda som processvägar. Tidiga studier har visat att guldupplösningshastigheten i etalin är mycket fördelaktig jämfört med cyanideringsmetoden, som ytterligare förstärks genom tillsats av jod som oxidationsmedel. I en industriell process har joden potential att användas som en elektrokatalysator, varvid den kontinuerligt utvinns in situ från den reducerade jodiden genom elektrokemisk oxidation vid anoden av en elektrokemisk cell. Upplösta metaller kan selektivt avsättas vid katoden genom att justera elektrodpotentialen. Metoden tillåter också bättre selektivitet eftersom en del av gänget (t.ex. pyrit) tenderar att lösas upp långsammare.

Sperrylit (PtAs 2 ) och moncheit (PtTe 2 ), som vanligtvis är de vanligare platinamineralerna i många ortomagmatiska avlagringar, reagerar inte under samma förhållanden i Etaline eftersom de är disulfid (pyrit), diarsenid (sperrylit) eller ditellurider (calaverit) och moncheit) mineraler, som är särskilt resistenta mot jodoxidation. Reaktionsmekanismen genom vilken upplösning av platinamineral sker är fortfarande under utredning.

Metallåtervinning från sulfidmineraler med jonometallurgi

Metallsulfider (t.ex. pyrit FeS 2 , arsenopyrit FeAsS, chalcopyrite CuFeS 2 ) bearbetas normalt genom kemisk oxidation antingen i vattenhaltiga medier eller vid höga temperaturer. Faktum är att de flesta basmetaller, t.ex. aluminium, krom, måste reduceras (elektro)kemiskt vid höga temperaturer, varigenom processen medför ett högt energibehov, och ibland genereras stora volymer vattenhaltigt avfall. I vattenhaltiga medier är t.ex. kopirit svårare att lösa kemiskt än kovellit och kalkocit på grund av yteffekter (bildning av polysulfidarter). Närvaron av Cl - joner har föreslagits för att ändra morfologin hos alla bildade sulfidytor, vilket gör att sulfidmineralet lättare kan läcka ut genom att förhindra passivering. DES ger en hög Cl − jonkoncentration och låg vattenhalt, samtidigt som de minskar behovet av antingen höga ytterligare salt- eller syrakoncentrationer, vilket kringgår det mesta av oxidkemin. Således har elektroupplösningen av sulfidmineraler visat lovande resultat i DES-medier i frånvaro av passiveringsskikt, med frisättning i lösningen av metalljoner som kunde återvinnas från lösningen.

Under extraktion av koppar från kopparsulfidmineraler med etalin, producerar chalcocit (Cu 2 S) och covellit (CuS) en gul lösning, vilket indikerar att [CuCl 4 ] 2−- komplex bildas. Samtidigt existerar Cu 2+ och Cu + -arter i lösningen i lösningen som bildas av kopparkis på grund av genereringen av reducerande Fe2 + -arter vid katoden. Den bästa selektiva utvinningen av koppar (>97 %) från koppar kan erhållas med en blandad DES av 20 viktprocent ChCl-oxalsyra och 80 viktprocent etalin.

Metallåtervinning från oxidföreningar med jonometallurgi

Återvinning av metaller från oxidmatriser utförs i allmänhet med användning av mineralsyror. Elektrokemisk upplösning av metalloxider i DES kan dock göra det möjligt att förbättra upplösningen upp till mer än 10 000 gånger i pH-neutrala lösningar.

Studier har visat att jonoxider som ZnO tenderar att ha hög löslighet i ChCl:malonsyra, ChCl:urea och Etaline, vilket kan likna lösligheten i vattenhaltiga sura lösningar, t.ex. HCl. Kovalenta oxider, såsom TiO2, uppvisar emellertid nästan ingen löslighet. Den elektrokemiska upplösningen av metalloxider är starkt beroende av protonaktiviteten från HBD, dvs protonernas förmåga att fungera som syreacceptorer, och på temperaturen. Det har rapporterats att eutektiska jonvätskor med lägre pH-värden, såsom ChCl:oxalsyra och ChCl:mjölksyra, tillåter en bättre löslighet än den för högre pH (t.ex. ChCl:ättiksyra). Följaktligen kan olika lösligheter erhållas genom att till exempel använda olika karboxylsyror som HBD.

Syn

För närvarande är stabiliteten för de flesta joniska vätskor under praktiska elektrokemiska förhållanden okänd, och det grundläggande valet av jonisk vätska är fortfarande empiriskt eftersom det nästan inte finns några data om metalljontermodynamik att mata in i löslighets- och artbildningsmodeller. Dessutom finns det inga Pourbaix-diagram tillgängliga, inga standard redoxpotentialer och obefintlig kunskap om artbildning eller pH-värden. Det måste noteras att de flesta processer som rapporterats i litteraturen som involverar joniska vätskor har en Technology Readiness Level (TRL) 3 (experimentell proof-of-concept) eller 4 (teknologi validerad i labbet), vilket är en nackdel för kortsiktig implementering . Jonometallurgi har dock potential att effektivt återvinna metaller på ett mer selektivt och hållbart sätt, eftersom den beaktar miljövänliga lösningsmedel, minskning av utsläpp av växthusgaser och undvikande av frätande och skadliga reagenser.

  1. ^ Brent Hiskey "Metallurgy, Survey" i Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2000, Wiley-VCH, Weinheim. doi : 10.1002/0471238961.1921182208091911.a01
  2. ^ "Boundless. "Extractive Metallurgy." Gränslös kemi. Gränslös, 21 juli 2015. Hämtad 18 mars 2016" . Arkiverad från originalet den 12 oktober 2016 . Hämtad 18 mars 2016 .
  3. ^ Norgate (2010). "Energi- och växthusgaspåverkan från gruv- och mineralbearbetningsverksamhet" . Journal of Cleaner Production . 18 (3): 266–274. doi : 10.1016/j.jclepro.2009.09.020 .
  4. ^   Binnemans, Koen (2017). "Solvometallurgi: En framväxande gren av extraktiv metallurgi" . Journal of Sustainable Metallurgy . 3 (3): 571–600. doi : 10.1007/s40831-017-0128-2 . S2CID 52203805 .
  5. ^ Endres, F; MacFarlane, D; Abbott, A (2017). Elektrodeposition från joniska vätskor . Wiley-VCH.
  6. ^ Bernasconi, R.; Zebarjadi, Z.; Magagnin, L. (2015). "Koparelektrodavsättning från ett kloridfritt djupt eutektiskt lösningsmedel" . Journal of Electroanalytical Chemistry . 758 (1): 163–169. doi : 10.1016/j.jelechem.2015.10.024 . hdl : 11311/987216 .
  7. ^ Abbott, A.; Collins, J.; Dalrymple, I.; Harris, RC; Mistry, R.; Qiu, F.; Scheirer, J.; Wise, WR (2009). "Bearbetning av elektrisk ljusbågsugnsdamm med djupa eutektiska lösningsmedel" . Australian Journal of Chemistry . 62 (4): 341–347. doi : 10.1071/CH08476 .
  8. ^   Abbott, A.; Capper, G.; McKenzie, KJ; Gldle, A.; Ryder, KS (2006). "Elektropolering av rostfria stål i en kolinkloridbaserad jonisk vätska: en elektrokemisk studie med ytkarakterisering med hjälp av SEM och atomkraftsmikroskopi" . Phys. Chem. Chem. Phys . 8 (36): 4214–4221. Bibcode : 2006PCCP....8.4214A . doi : 10.1039/B607763N . hdl : 2381/628 . PMID 16971989 .
  9. ^ Abbott, A.; Harris, RC; Holyoak, F.; Frisch, G.; Hartley, J.; Jenkin, GRT (2015). "Elektrokatalytisk återvinning av grundämnen från komplexa blandningar med djupa eutektiska lösningsmedel" . Green Chem . 17 (4): 2172–2179. doi : 10.1039/C4GC02246G . hdl : 2381/31850 .
  10. ^ Jenkin, BRT; Al-Bassam, AZM; Harris, RC; Abbott, A.; Smith, DJ; Holwell, DA; Chapman, RJ; Stanley, CJ (2016). "Tillämpningen av djupa eutektiska lösningsmedeljoniska vätskor för miljövänlig upplösning och återvinning av ädelmetaller" . Mineralteknik . 87 : 18–24. doi : 10.1016/j.mineng.2015.09.026 .
  11. ^ Abbott, A.; Harris, RC; Holyoak, F.; Frisch, G.; Hartley, J.; Jenkin, GRT (2015). "Elektrokatalytisk återvinning av grundämnen från komplexa blandningar med djupa eutektiska lösningsmedel" . Grön kemi . 17 (4): 2172–2179. doi : 10.1039/C4GC02246G . hdl : 2381/31850 .
  12. ^   Anggara, S.; Bevan, F.; Harris, RC; Hartley, J.; Frisch, G.; Jenkin, GRT; Abbot, A. (2019). "Direkt utvinning av koppar från kopparsulfidmineraler med djupa eutektiska lösningsmedel" . Grön kemi . 21 (23): 6502–6512. doi : 10.1039/C9GC03213D . S2CID 209704861 .
  13. ^ Jenkin, BRT; Al-Bassam, AZM; Harris, RC; Abbott, A.; Smith, DJ; Holwell, DA; Chapman, RJ; Stanley, CJ (2016). "Tillämpningen av djupa eutektiska lösningsmedeljoniska vätskor för miljövänlig upplösning och återvinning av ädelmetaller" . Mineralteknik . 87 : 18–24. doi : 10.1016/j.mineng.2015.09.026 .
  14. ^ Ghahremaninezhad, A.; Dixon, DG; Asselin, E. (2013). "Elektrokemisk och XPS-analys av kolopirit (CuFeS2) upplösning i svavelsyralösning" . Electrochemica Acta . 87 : 97–112. doi : 10.1016/j.electacta.2012.07.119 .
  15. ^ Dreisinger, D.; Abed, N. (2002). "En grundläggande studie av den reduktiva urlakningen av kopparkis med hjälp av metalliskt järn del I: kinetisk analys" . Hydrometallurgi . 60 (1–3): 293–296. doi : 10.1016/S0304-386X(02)00079-8 .
  16. ^   Pikna, L.; Lux, L.; Grygar, T. (2006). "Elektrokemisk upplösning av kopparkis studerad genom voltammetri av immobiliserade mikropartiklar". Kemiska papper . 60 (4): 293–296. doi : 10.2478/s11696-006-0051-7 . S2CID 95349687 .
  17. ^ Abbott, A.; Al-Bassam, AZM; Goddard, A.; Harris, RC; Jenkin, GRT; Nisbet, J.; Wieland, M. (2017). "Upplösning av pyrit och annat Fe - S - som mineraler med djupa eutektiska lösningsmedel" . Grön kemi . 19 (9): 2225–2233. doi : 10.1039/C7GC00334J . hdl : 2381/40192 .
  18. ^   Pateli, IM; Abbott, A.; Hartley, J.; Jenkin, GRT (2020). "Elektrokemisk oxidation som alternativ för upplösning av metalloxider i djupa eutektiska lösningsmedel" . Grön kemi . 22 (23): 8360–8368. doi : 10.1039/D0GC03491F . S2CID 229243585 .
  19. ^   Pateli, IM; Thompson, D.; Alabdullah, SSM; Abbott, A.; Jenkin, GRT; Hartley, J. (2020). "Effekten av pH- och vätebindningsdonator på upplösningen av metalloxider i djupa eutektiska lösningsmedel" . Grön kemi . 22 (16): 5476–5486. doi : 10.1039/D0GC02023K . S2CID 225401121 .
  20. ^   Abbott, A.; Boothby, D.; Capper, G.; Davies, DL; Rasheed, RK (2004). "Djupa eutektiska lösningsmedel bildade mellan kolinklorid och karboxylsyror: mångsidiga alternativ till joniska vätskor" . J. Am. Chem. Soc . 126 (29): 9142–9147. doi : 10.1021/ja048266j . PMID 15264850 .

Vidare läsning

  • Gilchrist, JD (1989). Extraction Metallurgy , Pergamon Press. [ ISBN saknas ]
  • Mailoo Selvaratnam, (1996): Guided Approach to Learning Chemistry . [ ISBN saknas ]
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Extractive_metallurgy&oldid=1136222772 "