Что такое гидрометаллургия какие металлы получают этим способом

Гидрометаллургия

ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ (от греч. hydor — вода и metallurgeo — добываю руду, обрабатываю металлы * а. hydrometallurgy; н. Hydrometallurgie; ф. hydrometallurgie; и. hidrometalurgia) — извлечение металлов из руд, концентратов, промежуточных продуктов и отходов различных производств водными растворами главным образом химических реагентов с последующим выделением металлов из растворов.

Впервые способами гидрометаллургии извлекали медь из руд месторождения Рио-Тинто (Испания) в 16 в. Позднее были разработаны и внедрены гидрометаллургические способы получения многих других металлов: платины (1827), никеля (1875), алюминия из бокситов — в России (1892), золота — в Новой Зеландии (1889), цинка — в Канаде и США (1914) и др. Значительный вклад в развитие гидрометаллургии внёс русский учёный П. Р. Багратион, создавший теорию цианирования золота (1843). Русский химик Н. Н. Бекетов обосновал получение металлических порошков водородом под давлением (1870), теорию гидрометаллургии цинка разработал французский химик Л. Летранже (1880), урана — немецкий учёный О. Хёнигшмид (1914). В 20-х гг. в СССР В. Г. Хлопиным разработаны теоретические основы гидрометаллургии радия; в 30-х гг. А. Е. Маковецким, О. А. Есиным, П. И. Федотовым, Ю. В. Баймаковым — гидрометаллургия тяжёлых цветных металлов, И. Н. Плаксиным — гидрометаллургия золота. Значительный вклад в теорию сорбционного и экстракционного процессов внёс советский учёный Б. Н. Ласкорин. В СССР гидрометаллургические методы применяют в производстве Al, Zn, Cu, Ni, Со, Cd, U, редких и драгоценных металлов. За рубежом более 20% производства Cu, 50-70% Zn и Ni, 100% окисей Al и U, металлических Cd, Co и другие основано целиком на гидрометаллургии. Она получает распространение вследствие введения в эксплуатацию труднообогатимых тонковкрапленных руд, дающих низкое извлечение при обогащении, а также замены пирометаллургических процессов, которые из-за значительного количества вредных выбросов в атмосферу в большей степени загрязняют окружающую среду, чем гидрометаллургия. Схемы гидрометаллургии включают ряд основных операций, выбор и последовательность которых обусловлены химически-минералогическими особенностями сырья, возможностью комбинирования с предприятиями химических и других отраслей промышленности и т.п.

Реклама

После механической обработки руд технологические операции гидрометаллургии выполняются в определенной последовательности: дробление и измельчение (до десятков мкм) с целью максимального раскрытия зёрен минералов, содержащих извлекаемый металл; отмывка мелких частиц ценных минералов или пустой породы и обезвоживание продуктов сгущением или фильтрацией. Для подготовки к выщелачиванию иногда необходимо изменение химического состава руд или концентратов: окислительный, сульфатизирующий, хлорирующий, восстановительный обжиги, спекание или сплавление с реагентами. Эти операции переводят извлекаемые металлы в растворимые соединения. Дисперсные материалы выщелачивают в чанах с механическим или воздушным перемешиванием пульпы (агитационное выщелачивание), песковые и галечные — просасыванием раствора через слой материала в чанах с ложным дном (перколяционное выщелачивание) или орошением сложенных в штабели на водонепроницаемых площадках с дренажными канавами (кучное выщелачивание), подачей растворов реагентов под землю в раздробленную руду и сбор их для переработки (выщелачивание подземное).

Подбором реагентов, их концентраций, температуры достигается избирательный перевод в раствор заданных компонентов. Например, окисленные медные руды, содержащие в качестве основной пустой породы кварц, выщелачивают раствором серной кислоты, а при наличии в руде больших количеств карбонатов — аммиачным раствором. Варьируя условия выщелачивания, получают различные степени окисления металлов, воздействуют на скорость и пределы растворимости их соединений. Так, соли Fe 3+ , Cr 3+ , Al 3+ при высоких температурах образуют малорастворимые соединения (гидролитическая очистка), а Fe 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ остаются в растворе; оксиды U (IV) и Mo (IV), в отличие от U (VI) и Mo (VI), малорастворимы; регулируя условия окисления сульфидной серы, можно при выщелачивании получить её в элементарной форме или в виде серной кислоты и её солей. Перевод в раствор основного металла из черновых сплавов производится электролитическим растворением анодов из этих сплавов при одновременном выделении основного металла (Cu, Ni, Pb и др.) на катоде в чистом виде, а электроположительные примеси (Au, Aq, Pt, Bi, Pb, Se, Te, As и др.) концентрируются в анодном шламе. Ускорение выщелачивания и повышение извлечения металла в раствор часто достигаются увеличением температуры — при атмосферном давлении обычно ниже 100°С, при повышенных давлениях (до 8-10 МПа) в автоклавах до 150-300°С. Автоклавное выщелачивание дополнительно ускоряет реакции в сотни и тысячи раз и позволяет совмещать окисление (восстановление) с выщелачиванием продуктов за счёт подачи вместе с пульпой сжатых газов-реагентов (О₂, SO₂, воздуха и др.), что исключает необходимость обжига. Для ускорения подземного и кучного выщелачивания медных, урановых, золотосодержащих и других руд в раствор вводят бактерии, способствующие окислительным процессам (бактериальное выщелачивание).

В некоторых случаях усиление взаимодействия минералов с реагентами достигается дополнительным измельчением до 1-5 мкм и менее (механическое активирование) или нагреванием с последующей закалкой, отжигом (термическое активирование), приводящим к разрушению кристаллической решётки и накоплению в ней дефектов. После отделения металлсодержащего раствора и промывки хвостов на фильтрах или в сгустителях осаждают компоненты, мешающие последующим операциям либо загрязняющие продукт (например, избыток железа в медном электролите увеличивает расход энергии, хотя и не ухудшает состав катодной меди, присутствие Cu, Ge, Co в цинковом электролите исключает выделение цинка на катоде). Очистка растворов от некоторых примесей позволяет сконцентрировать их в осадках и затем извлечь в товарной форме (Со в производстве никеля, Cd в производстве цинка).

При выщелачивании бедного сырья получают разбавленные растворы, непригодные для непосредственного получения товарных металлов по техническим или экономическим причинам. В таких случаях применяют различные способы концентрирования и предварительного разделения металлов из растворов (например, цементация металлическим железом меди с последующей флотацией её — метод Мостовича; из неочищенных растворов, отделённых от хвостов выщелачивания окисленных никелевых руд, никель и кобальт осаждают сероводородом в автоклавах). В производстве урана, меди, золота и других металлов используют концентрирование сорбцией на ионообменных смолах; сорбированные металлсодержащие ионы десорбируются (элюируются) небольшим объёмом элюанта с получением концентрированных растворов. Сорбция может быть совмещена с выщелачиванием (сорбционное выщелачивание), при этом выщелачивание ускоряется. Сорбция непосредственно из пульп позволяет исключить фильтрацию и промывку слабофильтрующихся и несгущающихся хвостов, так как крупнозернистая смола легко отделяется на решётках.

Широкое применение получило концентрирование и разделение металлов жидкостной экстракцией нерастворимыми в воде органическими веществами (экстрагентами) — трибутилфосфатом, аминами, карбоновыми и фосфорорганическими кислотами, оксимами и другими, применяемыми обычно в виде раствора в керосине. Экстракцию и последующую реэкстракцию проводят в аппаратах типа смеситель-отстойник, колонных, центробежных или др. Скорость экстракции значительно выше скорости ионного обмена на твёрдых сорбентах. Выделение из растворов чистых металлов производится электролитическим или химическим восстановлением; в зависимости от условий электролиза металлы получают в компактной форме или в виде порошков; химическое восстановление водородом и другими газами ведут в автоклавах с получением металлов в виде порошков. В ряде случаев гидрометаллургическая схема заканчивается кристаллизацией или осаждением чистого химического соединения металла (например, в производстве алюминия, урана и др.).

Источник

II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

Общие способы получения металлов.

Способы получения металлов обычно разделяют на:

• пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);
• гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);
• электрометаллургические (электролиз раствора или расплава);
• биометаллургические.

I. Пирометаллургический способ получения металлов.

1. Карботермический способ получения металлов − восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

Mе_xO_y + C = CO + Me,

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением(если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)

3. Металлотермический способ (способ получения металлов, в котором в качестве восстановителя применяют металлы)

В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:

А) Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)

3BaO + 2Al = 3Ba + Al₂O₃ (получают барий высокой чистоты)

Б) Магниетермия:

Mе_xO_y + Mg = MgO + Me

Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.

4. Водородотермия −для получения металлов особой чистоты

II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

затем проводят реакцию замещения:

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.

Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:

а) из сульфида – обжигом в кислороде:

б) из карбоната – разложением при нагревании:

СаСО₃ = СаО + СО₂

III. Электрометаллургический способ получения металлов − восстановление металлов электрическим током (электролиз).

1. Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (чаще всего хлоридов):

2NaCl – расплав, электр. ток → 2Na + Cl₂↑

CaCl₂ – расплав, электр. ток. → Ca + Cl₂↑

4NaOH – расплав, электр. ток. → 4Na + O₂↑ + 2H₂O (. используют изредка для Na)

2. Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na₃AlF₆ (из бокситов):

2Al₂O₃ – расплав в криолите, электр. ток. → 4Al + 3O₂↑

3. Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:

Металлы в природе.

Металлы в природе встречаются в трёх формах.

1) В свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро, но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. В самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово.

2) Все металлы. Металлы средней и малой активности, которые в ряду напряжений находятся до олова, в природных условиях встречаются только в виде соединений − образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.

3) Химически активные элементы встречаются либо в виде простых солей, либо в виде полиэлементных соединений, которые имеют очень сложное химическое строение, но в основном достаточно просто разлагаются на составляющие при определенном воздействии.

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:

хлоридов сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;

нитратов – чилийская селитра NaNO₃;

карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃•MgCO₃;

сульфидов серный колчедан FeS₂, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;

оксидов – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк, содержащий различные гидроксиды железа (III) Fe₂O₃•Н₂О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургию подразделяют на черную (производство железа и его сплавов) и цветную (производство остальных металлов).

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла.

3. Промышленные способы получения металлов.

При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.

Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.

Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.

Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки. Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия. Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.

Дата добавления: 2017-06-02 ; просмотров: 9834 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник