استخراج فلزات
فلزات مواد یا عناصری سخت با رسانایی حرارتی و الکتریکی، چکش خواری و درخشندگی مناسب هستند. اکثر فلزات دارای نقطه ذوب و چگالی بالا بوده و معمولا رسانای خوب الکتریسیته نیز می باشند. فلزات مبتنی بر آهن دارای خواص مغناطیسی و محتوای کربن بالایی هستند که آنها را در برابر زنگ زدگی و خوردگی حساس می کند. استفاده زیاد فلزات در زندگی امروزه و در صنایع مختلف کاملا روشن و شفاف است. از اینرو استخراج آنها از معادن بسیار بیشتر از گذشته صورت می گیرد. روش های استخراج بهینه می تواند درصد فلز خارج شده و خلوص آن را تحت تاثیر قرار دهد. روش های استخراج تحت تاثیر عوامل مختلفی مانند نوع فلز، مکان استخراج و ... قرار دارد. ما در این مقاله به بررسی استخراج یا استحصال فلزات و انواع روشهای موجود می پردازیم.
عوامل موثر در روش های استحصال فلزات
روش استخراج یا استحصال فلزات با توجه به قرارگیری فلز در سری واکنش پذیری معین می شود. اگر واکنش پذیری یک فلز کمتر از واکنش پذیری کربن باشد، می توان از واکنش آن با کربن برای استخراج استفاده کرد. بدین ترتیب فلزی که دارای واکنش پذیری بیشتری است یعنی کربن، می تواند در ترکیب موجود، جای فلز با واکنش پذیری کمتر یعنی فلز مورد نظر برای استخراج، قرار گیرد. دلیل این امر آن است که فلزهای واکنش پذیر تر دارای پیوند های قوی تری هستند. علاوه بر این، غلظت سنگ معدن نیز می تواند بر روش های استخراج که شامل برشته کردن، کلسینه کردن، احیا، الکترولیز و پالایش هستند، تاثیرگذار باشد. به طور کلی فلزات با واکنش پذیری متفاوت، مراحل مختلفی را برای استخراج خود طی می کنند. بنابراین در قسمت های بعد به موقعیت فلزات در سری واکنش پذیری اشاره شده است.
موقعیت فلزات مختلف در سری واکنش پذیری
طبق سری واکنش‌پذیری فلزات، واکنش‌پذیرترین فلزات در بالای سری و فلزات دارای کمترین واکنش‌پذیری پایین‌ترین قسمت سری قرار دارند. فلزاتی که کمترین واکنش پذیری را دارند مانند طلا، پلاتین و نقره در حالت آزاد در پوسته زمین وجود دارند. اما سنگ معدن خود فلزات را می توان با کانی های سولفیدی مانند پیریت ها، کالکوپیریت ها و غیره استخراج کرد.
قبل از شروع فرآیند استحصال فلزات، باید بدانید که سنگ معدن در چه منطقه ای قرار دارد. بسیاری از سنگ های معدن علاوه بر فلزات، حاوی مواد معدنی ارزشمندی هستند. اینگونه سنگ‌ها برای استخراج مواد غیرفلزی از مواد فلزات نیز فرآوری می‌شوند. سپس ماده مورد نظر تصفیه شده و به فلزات یا آلیاژهای فلزی و یا سایر ترکیبات معدنی تبدیل می شود.
فلزاتی مانند روی و آهن و غیره که در وسط سری واکنش پذیری قرار می گیرند واکنش پذیری متوسطی دارند و به صورت اکسیدها، سولفیدها و کربنات های آنها در پوسته زمین یافت می شوند. به عنوان مثال، روی به صورت سولفید روی در برخی از سنگ های معدن وجود دارد، اما در سنگ معدن اسمیتسونیت به صورت کربنات روی یافت می شود. در حالی که آهن به صورت سولفید در پیریت آهن و به عنوان اکسید در سنگ معدن مگنتیت وجود دارد.
واکنش پذیرترین فلزات، مانند سدیم، می توانند به صورت کلرید در سنگ معدن نمک و به صورت نیترات در نمک خوراکی وجود داشته باشند. بنابراین، فلزات را می توان بر اساس واکنش پذیری به عنوان فلزات با واکنش پذیری کم، فلزات با واکنش پذیری متوسط و فلزات با واکنش پذیری بالا طبقه بندی کرد.
فرآیندهای استحصال فلزات
همانطور که در قسمت های قبل اشاره شد، روش استحصال فلزات با توجه به نوع فلز و میزان واکنش پذیری آن مشخص می شود. در ادامه به بررسی انواع روش های استخراج و کاربرد آنها برای فلزات مختلف اشاره شده است.
برشته کردن: این نوع روش استحصال فلزات، شامل حرارت دادن سنگ معدن فلزی غلیظ در حضور هوا می باشد. این روش عمدتا برای سنگ های معدنی که حاوی سولفید فلزات مختلف است، استفاده می شود تا آنها را به اکسیدهای مربوطه تبدیل کند. به عنوان مثال، سینابار یک سنگ معدن سولفیدی جیوه است. هنگامی که سنگ معدن در مجاورت هوا گرم می شود، ابتدا به اکسید جیوه تبدیل می شود و سپس با حرارت دادن بیشتر، جیوه مایع تشکیل می گردد.
کلسینه کردن: این روش استحصال فلزات فرآیندی است که در آن سنگ معدن در غیاب یا در حضور محدود هوا گرم می شود. این روش معمولا برای تبدیل کربنات های فلزی و هیدروکسیدهای فلزی به اکسیدهای مربوطه استفاده می شود. به عنوان مثال هنگامی که اسمیتسونیت، سنگ معدن کربنات روی، در غیاب هوا گرم شود، اکسید روی و گاز دی اکسید کربن تشکیل می شوند. به طور مشابه، اکسید کلسیم و گاز دی اکسید کربن زمانی تشکیل می شوند که سنگ آهک، سنگ معدن کربنات کلسیم، در مجاورت محدود هوا گرم شود.
احیا و کاهش الکترولیتی: این نوع روش استحصال فلزات بیشتر به عنوان یک فرآیند خالص سازی استفاده می شود. علاوه بر این، فلزات بسیار واکنش پذیر مانند سدیم و منیزیم و غیره را نمی توان با احیای اکسیدهای فلزی مربوطه به دست آورد زیرا این فلزات تمایل زیادی به اکسیژن دارند. بنابراین، این فلزات را می توان با احیای الکترولیتی استخراج کرد.
پالایش فلزات
فلز ناخالص تولید شده برخی از روش های استحصال فلزات، برای خالص سازی بیشتر نیاز به تصفیه دارد. یکی از روش های پالایش، پالایش الکترولیتی است که در آن نواری از فلز ناخالص در آند ( قطب منفی) و فلز خالص در کاتد ( قطب مثبت) ساخته می شود. محلول نمک فلز به عنوان الکترولیت در این فرآیند استفاده می شود. هنگامی که جریان الکتریکی در محلول الکترولیت برقرار می شود، فلز خالص از آند به الکترولیت می رود و همان مقدار فلز خالص در کاتد رسوب می کند. در طی این فرآیند، ناخالصی های نامحلول در زیر آند به صورت گل ته نشین می شوند.
به عنوان مثال مس ناخالص را می توان با روش پالایش الکترولیتی خالص کرد. یک نوار مس ناخالص به عنوان آند، نوار مس خالص به عنوان کاتد و محلول آبی سولفات مس به عنوان الکترولیت عمل می کند. هنگامی که جریان الکتریکی از مایع عبور می کند، مس در آند به یون مس اکسید می شود و به محلول الکترولیت می رود. یون های مس در الکترولیت کاهش یافته و در کاتد رسوب می کنند.
استخراج یا استحصال فلزات با روش های مختلفی صورت می گیرد. انتخاب روش استخراج...
