4(1). Производство металлических материалов методами пиро- и гидрометаллургии
Технологии производства металлов многообразны. В целом их можно разделить на следующие виды: пирометаллургия; гидрометаллургия; реакторные технологии.
Пирометаллургические технологии (высокотемпературные) реализуются в печах, реакторах, теплогенераторах и связаны с протеканием окислительно-восстановительных процессов, как правило, выше температур горения топлива.
Гидрометаллургические процессы включают в себя растворение рудного материала в воде, кислотах, щелочах и др. растворителях (водная мет-ия).
В результате процесса выщелачивания, т.е. растворения, образуется раствор (щелок), содержащий полезные компоненты и осадок, в котором содержатся вредные и нерастворившиеся компоненты. Затем щелоки перерабатывают методом электролиза или цементации, а нерастворившиеся осадки вновь подвергают обработке другим раствором для извлечения полезных компонентов.
Реакторные технологии реализуются при получении урановых и трансурановых элементов, а также изотопов в ядерных реакторах.
Пирометаллургические способы получения металлов относятся к технологиям, в которых окислительно-восстановительные процессы протекают при высоких температурах. При этом используют различные виды топлива и восстановители. Топливо предназначено для получения заданной температуры процесса, а восстановители – для восстановления металлов из окислов и других соединений сырья.
Окислительно-восстановительные процессы реализуются в рудно-термических печах (доменная печь), кислородном реакторе, агломерационной машине, где происходит частичное восстановление рудного сырья. В качестве восстановителей используют газовые смеси, чистые газы, твердые и жидкие металлы и неметаллы. По названию элемента восстановители называют сам процесс. Если используется углерод, то углетермический; если металл, то маталлотермический. Суть процесс восстановления заключается в связывании кислорода, входящего в состав окисла металла, в устойчивое соединение и выделение металлической составляющей окисла в отдельную фазу.
4(2). Электролиз водных растворов
Указанный способ предназначен для получения металлов из бедных руд методами гидрометаллургии.
Гидрометаллургия предназначена для извлечения металлов из бедных руд с помощью Н2О. Вода растворяет компоненты руды, и образуется водный раствор, который впоследствии подвергают электролизу или цементации.
Выщелачиванию подвергают полиметаллические руды. Наряду с самым дешевым водным раствором используют кислотные щелочные р-ры; органические р-ры, которые облегчают разделение компонентов полиметаллических руд.
В процессе обработки рудного сырья водными растворами происходит следующее: в специально подготовленном и покрытом пленкой котловане формируют дренажную систему для подвода воды и отвода сточных водных растворов. На защитную пленку засыпают руду, которую обрабатывают водой в течение длительного срока (год, два). Сточные воды сливаются в бассейн, из которого производят их забор или отбор для электролиза или цементации. После длительной операции выщелачивания полирудное сырье или отправляют на дальнейшую переработку, или производят его захоронение. Почву впоследствии рекультивируют. Чаще всего так называемые "могильники" являются впоследствии техногенными источниками сырья для последующей переработки и извлечения металлов.
Электролиз водных растворов солей осуществляют в электролизных ваннах или электролитных ваннах.
В электролитных ваннах на анодах и катодах происходит осаждение металла и выделение газов в зависимости от электродного потенциала между анодом и катодом. В электролитной ванне понятия анод и катод условны, и они не всегда связаны с положительным и отрицательным зарядом, как в электролизере.
На аноде и катоде разряжаются не только электрически заряженные частицы, но могут заряжаться и разряжаться нейтральные молекулы в зависимости от разницы потенциалов.
Если подобрать определенную разность потенциалов между катодом и анодом, то из раствора можно избирательно извлекать один из компонентов, оставляя другой в растворе. При этом концентрации, например, меди в растворе будет уменьшаться, но на катоде будет нарастать слой чистой меди. Вместе с этим в растворе будет повышаться концентрация ионов железа.
В реальных промышленных условиях производят избирательное осаждение различных элементов на катоде или аноде в зависимости от состава раствора, подвергаемого электролизу: кислый, щелочной или нейтральный.
По закону Фарадея E = E0 + (RT* lnK /nF) можно рассчитать электрический потенциал в системе. E0 – нормальный потенциал; R – газовая постоянная; T – температура; n – число электронов; F – число Фарадея ~ 96500 Кл; K – соотношение активностей, характеризующих константу равновесия реакции.
Практически напряжение в электролитной ванне можно рассчитать следующим образом:
E = Ea – Ek + IK
Анод- катод + сопротивление раствора, находящегося в ванне
Расход энергии составляет:
KT – коэффициент утечки
По указанной схеме чаще всего осуществляется рафинирование черновой меди через сульфатный медный раствор.
CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4
Серная кислота (FeSO4) является в ряде случаев побочным продуктом на многих металлургических производствах, где производят обжиг сульфидных руд. Получаемый SO2 используют для производства серной кислоты, которую применяют для последующей обработки медных руд. Далее кислый раствор подвергают электролизу с целью получения чистой электролитической меди.
Основным недостатком гидрометаллургии является использование большого количества воды, которую нужно очищать перед сбрасыванием в отстойники после выщелачивания и электролиза.